دانشكده كشاورزی

بخش مهندسی مكانیک ماشینهای كشاورزی

پایان نامه تحصیلی جهت دریافت درجه كارشناسی ارشد مكانیک ماشینهای كشاورزی

عنوان:

طراحی و ساخت و بررسی عملکرد سیستم نمک زدایی از آب کشاورزی به روش یون زدایی خازنی در یک سیستم آبیاری مجهز به پمپ سانتریفیوژ

 با غشاء واسط کربن فعال

استاد راهنما :

دکتر محسن شمسی

استاد مشاور:

دكترحسن هاشمی پور

(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)

تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :

(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)

چكیده:

كمبود آب در كشورهای خشك همواره یكی از موانع توسعه كشاورزی ، صنعتی و تامین غذای جامعه بوده است. یكی از  راه های مقابله با این مشكل تبدیل منابع آب شور به آب قابل استفاده است.این راه علاوه بر تامین آب نیازمند هزینه های عظیم انتقال و نگه داری خطوط نیست و در عین حال بسیاری از منابع آب كم ارزش را پر ارزش میكند. این مسئله در كشور ایران با توجه به حجم عظیم منابع آب شور اطراف و نبود آّب شیرین در زمینهای ساحلی همچنین چاه های شور داخل ایران اهمیتی دوچندان دارد. روش اصلی این تبدیل نمك زدایی است. یكی از جدیدترین روش های نمك زدایی، یون زدایی خازنی است.

در این تحقیق سعی بر این شده كه ضمن تحقیق در مورد كارایی آن نمونه ای از آن نیز ساخته شود. این كار با راه اندازی سیستم تست عمومی پمپ در بخش ماشینهای كشاورزی دانشگاه باهنر كرمان آغاز شد و سپس با ساخت پوسته طراحی شده از پلاستیک و تولید كربن فعال با فعال سازی پوسته پسته ادامه داده شد و بعد از آن الكترودی با ساختار رسانا از كربن كه دارای مقاومت مكانیكی در مقابل جریان آب باشد و علاوه بر آن پیوستگی لازم با پایه فلزی را داشته باشد، ایجاد شد. سپس آزمایشاتی همچون تیتراسیون كلر،فلیم فوتومتری ،ECسنجی و اندازه گیری pHجهت اثبات قابلیت نمك زدایی همه جانبه و متناسب آنها انجام شد. آزمایشات تیتراسیون كلر نشان داد كه یک سلول متشكل از 2 الكترود مثبت و منفی با فاصله مناسب در یک محلول آب شور در یک دقیقه قابلیت جذب بیش از 25% نمك محلول را دارد. آزمایش ECسنجی نیز روند آن تایید كرد. آزمایشات فلیم فوتومتری و pH سنجی نشان داد كه با انتخاب ولتاژ و فاصله متناسب با نوع و درصد شوری از تولید محصولات ناخواسته در این فرایند جلوگیری كرد.

كلید واژه ها: نمك زدایی، یون زدایی خازنی، كربن فعال، فلیم فوتومتری، تیتراسیون كلر

معرفی پژوهش

یون زدایی خازنی یک روش كم فشار غیر غشایی  برای عملیات نمك زدایی است كه قابلیت تبدیل شدن به ابزارقدرت در جعبه بازار بشر برای نمك زدایی در آینده را دارد(Farmer et al., 1995) . البته در زمان نوشتن مقاله مورد اشاره این فناوری هنوز در مقیاس آزمایشگاهی مطرح بود و امروز شركتهای بزرگی به صورت صنعتی در مالزی، چین و امریكا به دنبال استفاده از آن هستند . البته در ایران هنوز این تحقیقات در مقیاس آزمایشگاهی است و لذا با توجه به امكانات موجود این تحقیق سعی كرده قدری راه را به سمت صنعتی شدن آن باز كند.

انگیزه انجام این پایان نامه نیاز جهانی پایان ناپذیر به ارتقاء فناوریهای نمك زدایی جهت كاهش هزینه های تامین آب مورد نیاز بشر است.این نیاز فقط شامل آب شرب نیست بلكه صنعتی وكشاورزی نیزهست(USA-Bureau of Reclamation, 2004).

 البته باید توجه داشت كه وجه اهمیت این تحقیق جنبه های كشاورزی نمك زدایی است.

• تعریف مسئله :

ایران ازجمله كشورهایی است كه در منطقه ای خشك و نیمه خشك واقع گردیده وعلاوه بر كم بودن  متوسط بارش سالیانه با پراكش زمانی و مكانی ناهمگون ونامناسب آن نیز مواجه است ، این مسائل به طور كلی پتانسیل كم آبی و احتمال خشكسالی را در ایران افزایش داده ، بنابراین لزوم برنامه ریزی و مدیریت تأمین نیاز این ماده حیاتی از یک طرف و محدودیت منابع آب شیرین در دسترس از طرف دیگر، بهره گیری از منابع غیر متعارف موجود همچون منابع آبهای شور را در كانون توجه كلیه مدیران و كارشناسان قرار می دهد. در سالهای اخیر کاهش میزان بارش بویژه در کشورهای خاورمیانه که در آنجا اقلیم خشک و نیمه خشک حاکم است، موجب بروز مشکل در منابع آب، مخصوصاً به لحاظ مقدار آن شده و این وضعیت بر سیاست های موجود آب کشورها تاثیر می گذارد. ایران که جغرافیای وسیعی دارد، اخیراً با مسائل عدیده ای در زمینه های مقدار و کیفیت منابع آب مواجه شده است. عدم توزیع متوازن منابع آب در جغرافیای کشور، مدیریت نا مناسب منابع آب، اسراف بخشی از آب مصرفی، کاهش میزان بارش، بالا بودن میزان تبخیر، طوفان های شن، استفاده بی رویه از آب های زیرزمینی و آلودگی، علل و مشکلات مسائل مربوط به منابع آب ایران را تشکیل می دهند.

• وضعیت موجود آب در ایران

ایران که تحت تاثیر اقلیم نیمه خشک خاورمیانه است، با مساحت 1.648 میلیون کیلومتر مربع، جغرافیای وسیعی را به خود اختصاص می دهد. ایران از شمال با ارمنستان، آذربایجان، دریای خزر و ترکمنستان، از شرق با افغانستان و پاکستان، از جنوب با دریای عمان، تنگه هرمز و خلیج فارس و از غرب با ترکیه و عراق همجوار است. 52 درصد از مساحت این کشور را کوه و صحرا تشکیل می دهد.

ایران در یکی از خشک ترین مناطق جهان واقع شده است. میانگین میزان بارش سالانه 252 mm است. این رقم یک سوم میانگین بارش جهانی است. در شرایط جوی موجود، 179 mm از این میزان بارش یعنی 71 درصد تبخیر می شود. میانگین سالانه میزان تبخیر 1500 mm الی 2000 mm می باشد. این رقم، یک سوم میانگین جهانی است. در حالیکه رقم مزبور در مناطق کوهستانی شمال کشور 20 mm در سال می باشد، در صحراها 2000 mm در سال است. دو سوم از جغرافیای ایران کمتر از رقم میانگین، بارندگی دارند.

نرخ افزایش جمعیت در ایران بالاست، بر این اساس جمعیت ایران در سال 2009 میلادی حدوداً 73 میلیون نفر بود. در 20 سال اخیر افزایش سریع جمعیت، موجب تغییر بافت جمعیت شهرها و روستاها شده است. در حالیکه قبل از انقلاب، نسبت جمعیت روستاها به شهرها 60/40 بود، امروز این نسبت کاملاً برعکس شده است. در سال 2006 میلادی 39 درصد از جمعیت کشور در روستاها و 61 درصد در شهرها زندگی می کردند. نسبت جمعیت شهرنشین در سال 1986 میلادی 47 درصد بود و بالا بودن میزان مهاجرت به شهرستان های کوچک و روستاها جلب توجه می کرد. آبهایی که در گذشته به منظور آبیاری استفاده می‌شدند، اکنون برای تامین آب شرب مورد نیاز شهرها بکار برده می شوند. افزایش جمعیت، شهرنشینی، فعالیت ها در بخش صنعت و توسعه بخش کشاورزی، نیاز به آب در ایران را افزایش داده است.طبق آمار، در سال 1963 میلادی 44/4 میلیارد مترمکعب آب در ایران مصرف شده است. در حالیکه در سال 1993 این رقم 83 میلیارد متر مکعب بود، در سال 2006 این رقم به 36/93 میلیارد مترمکعب رسیده است. همانگونه که پیشتر نیز اشاره شد، منابع، نیاز و قحطی آب در جغرافیای ایران بطور یکسان توزیع نشده است. سایر مسائل مربوط به آب در ایران عبارتند از :استفاده بی رویه از آب در آبیاری، استفاده وسیع از آب های زیرزمینی برای کشاورزی، آلودگی آب و افزایش میزان نمک در آب و خاک.

همانند تمایل کلی در جهان، در ایران نیز از منابع آب بطور وسیعی جهت آبیاری استفاده می شود. 5/83 میلیارد متر مکعب از آب مصرفی یعنی 8/92 درصد برای آبیاری بکار برده می شود. 50 % از آبی که در بخش کشاورزی استفاده می شود، از آبهای رو زمین و50 % دیگر نیز از آبهای زیرزمین تامین می شود. در جدول استفاده از آب های زیرزمینی برای کشاورزی ، ایران در مقایسه با بنگلادش و هندوستان در رده پایین تر در مقایسه با چین، پاکستان، مکزیک، آرژانتین و مراکش در رده بالای جدول قرار دارد. کشاورزی، یکی از مهمترین منابع اقتصادی کشور می باشد و کمبود آب، توسعه کشاورزی را محدود می کند. ایران که سعی در خودکفایی در تولید مواد غذایی دارد، بخش وسیعی از منابع آب خود را، جهت بهره برداری در زمینه کشاورزی اختصاص داده می شود (1390 ،ماهنامه تحلیل خاورمیانه ،طوبا اوریم مادن).

جدول (1-1)میزان استفاده از منابع آب در ایران ( 1390 ،ماهنامه تحلیل خاورمیانه ،طوبا اوریم مادن)

در ایران، 1/1 میلیارد متر مکعب آب در بخش معادن و 4/5 میلیارد مترمکعب آب در شهرها و روستاها استفاده می شود. 54 درصد از آب مصرفی در بخش معادن و 68 درصد از آب مصرفی در منازل از آبهای زیرزمینی تامین می شود. مساحت زمین های کشاورزی آبیاری شده در ایران حدوداً 5.350.000 هکتار است. این رقم، 32/8 درصد از مساحت کل کشور است. در 25 سال اخیر مساحت زمین های آبیاری شده دو برابر افزایش یافته است. در این کشور که گفته می شود آبیاری بازدهی لازم را ندارد، 75 درصد از آبی که برای آبیاری مصرف می شود، به هدر می رود. در ایران 90 درصد از آبیاری به روش سنتی انجام می شود. بعلت آبیاری غلط، سالانه نزدیک به 400.000 هکتار خاک رو به تخریب می گذارد. در نتیجه تخریب خاک، یک میلیون هکتار دیگر به مساحت صحراهای کشور افزوده می شود. در 15 سال اخیر سعی شده است با احداث سدهای زیاد، زمین های کشاورزی افزایش داده شوند، ولی این راه حل کارساز نیست. آبی که از طریق سدها جمع آوری می شود، حدود 25 میلیارد مترمکعب است. این رقم مساوی است با 28 درصد از آبهای رو زمینی مورد استفاده در بخش کشاورزی.

به رغم احداث 7 سد بزرگ در سالهای 2000-1990 و استفاده از آبهای زیرزمینی، مقدار زمین های آبیاری شده افزایش نیافته است. براساس تخمین ها برای تغذیه جمعیت رو به رشد ایران در سالهای آتی، به تولید 100 میلیون تن غذا نیاز است. در این راستا در سال 2021 نیاز آب کشور 150 میلیارد متر مکعب محاسبه شده است. این رقم 15 درصد بیشتر از پتانسیل آب شرب ایران است.در مناطقی مانند ایران که منابع آب کمی دارند، علاوه بر قحطی آب، به علت مدیریت بد منابع نیز آب به هدر می رود. در این راستا در مطالعات جهانی، برای کاهش میزان آب هایی که در حین آبیاری به هدر می رود و استفاده بهینه از منابع آب، لزوم توسعه تکنیک های آبیاری مدرن نظیر تغییر روش های آبیاری، استفاده از روش آبیاری قطره ای و بارشی برجسته می شود.( 1387 ، ببران)

سالهای طولانی، ایران سعی کرده است مشکل کمبود آب بعلت عدم توزیع مساوی منابع و تقاضای آب را با انتقال آب میان حوزه ها حل کند. بعلت نسبت افزایش سریع جمعیت، تراکم حرکت جمعیت به سوی شهرها، امنیت غذا، بارندگی و خشکسالی، پیش بینی می شود ایران در آینده با مشکل تامین تقاضای آب مواجه خواهد شد .

ایران سعی دارد با مدرنیزه کردن روش های آبیاری کشاورزی، توسعه پروژه های انتقال آب میان حوزه ها، احداث سد و انبارها برای جمع آوری آب و همکاری با کشورهای شرقی خود، مشکل کمبود و کیفیت آب را حل کند.

در حال حاضر یکی از موانع کشاورزی در مناطق  خشک  و نیمه خشک کمبود آب است و رفع آن به علت نبود آب مناسب برای كشاورزی در این مناطق به راحتی انجام پذیر نیست از طرف دیگر مشکلات تغذیه آبی جمعیتها و ازدیاد جمعیت در این چند دهه و افزایش نیازها مانع اختصاص آب شیرین به کشاورزی شده است. علاوه بر این در استانهای بیابانی و خشک مانند کرمان که چاه های آب شور زیاد است ولی آب مناسب برای کشاورزی وجود ندارد یکی از راه های تامین آب در کوتاه مدت تامین آب مصرفی در کشاورزی، نمک زدایی از آب شور موجود است .

• نمك چیست؟

نمك طعام یا سدیم كلراید با نام معدنی هالیت دارای فرمول شیمیایی NaCl  می باشد. سدیم كلراید به صورت بلور در طبیعت یافت شده و به رنگ سفید یا بی رنگ بوده و گاهی نیز به دلیل وجود ناخالصی ها به رنگ های زرد، قرمز و آبی یافت می شود. وزن ملكولی  45/58 ، نقطه جوش 1465 درجه سانتی گراد، نقطه ذوب 806 درجه سانتی گراد و وزن مخصوص آن 2/165 گرم بر سانتی متر مكعب آن و دارای سیستم تبلور مكعبی می باشد. فاصله ی یونها در 2/81NaCl آنگستروم و درجه سختی  5/2 است. نمك از 40% جرمی سدیم و 60% جرمی كلراید تشكیل شده است.[ Lide,(1992).CRC Handbook of chemistry and pHysics] (3rd ed) سدیم كلراید به عنوان ماده اولیه و در تولید بسیاری از محصولات شیمیایی مانندNa₃PO₄ ،HCl ،Na₂SO₄ ،Na₂CO₃ ،NaOH و… دخالت دارد و یكی از مهمترین مواد پایه و اصلی در صنایع شیمیایی است.

• ارزیابی كیفیت آب از نظر شوری:

به طور کلی ارزیابی و ارائه نوع طبقه بندی آبیاری که در همه مکان ها و تحت همه شرایط مورد استفاده قرار گیرد امکان پذیر نیست. بنابراین در اینجا تحلیل و مقایسه ای از بعضی از روش های طبقه بندی آب موجود را ارائه می دهیم و نشان می دهیم که برای ارزیابی کیفیت آب آبیاری بایستی موارد زیر در نظر گرفته شود که کیفیت آب آبیاری به عوامل نامبرده در زیر بستگی دارد که به طور معمول آب آبیاری را براساس میزان هریک از این عوامل زیر می توان طبقه بندی کرد

1-5-1- طبقه بندی آب ها از نظر شوری یا هدایت الکتریکی مخصوص(EC یا TDS )

ساده ترین و مهم ترین شاخص کیفیت آب برای آبیاری کشاورزی، شوری یا هدایت الکتریکی مخصوص است که کاربرد بسیاری از پروژه را دارد. درگذشته، شوری آب را براساس میزان املاح موجود در آب به وسیله حرارت دادن تعیین می کرد و با اختراع الکتریسیته، میزان جریان عبوری از آب متناسب با میزان یون های فعال موجود در آب از روی مقاومت تشخیص داده می شود. مقدار کل نمک های محلول (TDS) عبارتند از مجموع نمک های کاتیون ها و آنیون های به جزء مواد آلی و میکروبی و ذرات معلق موجود در آب نامیده می شود. باید تاکید کرد که این روابط تجربی بوده و ممکن است که برای هر آبی صادق نباشد. مقدار شوری EC نسبت به دما حساس می باشدمی بایست استاندارد شود.

آب را از نظر درجه شوری یا EC براساس جدول 1به چهار گروه تقسیم می کنند. این تقسیم بندی به ویژه از این لحاظ حائز اهمیت است که با توجه به کیفیت آب در نقاط مختلف کشور، بدانیم کدام آب  برای آبیاری مناسب و کدام آب مناسب نیست و اگر به علت در دسترس نبودن آب مرغوب، مجبور باشیم از آب نامرغوب از لحاظ شوری استفاده کنیم. آن ها را به چه نوع زمین هایی و با چه شرایطی بدهیم تا زمین شور نشود یا از شوری آن جلوگیری به عمل آید .

طبقه بندی آب که در جدول (2)پیوست ارائه شد، توسط دانشمندان آمریکایی صورت گرفته است. استفاده از این طبقه بندی در بعضی از کشورها نظیر از ایران، الجرایر، هندوستان و غیره نتیجه خوبی نداشته است، زیرا حدود 40 تا 60% آب ها بر اساس این طبقه بندی قابل استفاده نیست. در حالی که با چنین آب هایی، آبیاری شده و محصول هم داده است. (1354 ، معصومی)