اسمز معکوس به زبان ساده

اسمز معکوس چیست؟ برای پاسخ به این سوال ابتدا باید با مفهوم اسمز آشنا شویم. بنابراین بیایید ابتدا به این سوال پاسخ دهیم. اسمز چیست؟ اسمز حرکت یا نفوذ مولکول های حلال از یک غشای نفوذ پذیر انتخابی، از جایی که آب پتانسیل بالاتری دارد به جایی که آب پتانسیل کمتری دارد، است تا زمانیکه پتانسیل هر دو سمت غشا برابر شود. به اختلاف پتانسیل ایجاد شده که منجر به حرکت حلال با فشار مشخص می شود، فشار اسمزی گفته می شود.

حال به سوالی که در ابتدا پرسیده شد می رسیم. اسمز معکوس چیست؟ روشی است که در آن از یک فشار اعمال شده برای غلبه بر فشار اسمزی استفاده می شود. این فرآیند از مهم ترین فرآیند ها در تصفیه آب و یک تکنولوژی بسیار مهم است که جهت حذف مقادیر زیادی از آلودگی ها از آب با استفاده از یک غشای نفوذ پذیر استفاده می شود.

اسمز

برای درک هدف و فرآیند اسمز معکوس شما باید با فرآیند اسمز که یک فرآیند طبیعی است آشنا شوید.  اسمز یک پدیده طبیعی است و از جمله فرآیندهای بسیار مهمی است که در طبیعت اتفاق می افتد. در این فرآیند محلول نمکی با غلظت کمتر تمایل به مهاجرت به محلول نمکی با غلظت بیشتر دارد. اگر بخواهیم مثالی از اسمز در طبیعت را نام ببریم می توان به اتفاقی که در گیاهان می افتد اشاره کرد. زمانیکه ریشه ها آب را از خاک جذب می کنند یا در بدن خودمان وقتی که کلیه ها آب را از خون جذب می کنند.

در شکل زیر یک دیاگرام وجود دارد که چگونگی عملکرد اسمز را نشان می دهد. محلولی که غلظت کمتری دارد یک تمایل ذاتی برای حرکت به سمت محلول با غلظت بیشتر دارد. به عنوان مثال، اگر شما یک ظرف پر از آب با غلظت نمکی کم داشته باشید، و یک ظرف دیگر با غلظت نمکی زیاد نیز وجود داشته باشد، و این دو ظرف توسط یک غشای نیمه تراوا جدا شده باشند، آب از محلول با غلظت کمتر به سمت آب با غلظت بیشتر حرکت خواهد کرد.

غشای نیمه تراوا غشایی است که فقط به برخی اتم ها یا مولکول ها اجاز عبور از خود را می دهد. یک مثال ساده درب صفحه نمایش است. این صفحه به مولکول های هوا اجازه عبور می دهد اما از عبور آفات یا مولکول های بزرگتر جلوگیری می کند. مثال دیگر پارچه لباس Gore-Tex بوده که حاوی یک فیلم پلاستیکی بسیار نازک است و میلیاردها منافذ کوچک در آن قرار دارد. منافذ به اندازه کافی بزرگ هستند که بخار آب را از خود عبور دهند، اما به اندازه کافی کوچک هستند تا از عبور آب مایع جلوگیری کنند.

اسمز معکوس

اسمز معکوس برعکس فرآیند اسمز است. در حالی که اسمز به طور طبیعی بدون نیاز به انرژی رخ می دهد، برای معکوس کردن فرآیند اسمز باید انرژی را به محلول نمکی تر اعمال کنید. غشای اسمز معکوس غشایی نیمه تراوا است که اجازه عبور مولکول های آب را می دهد اما اکثریت نمک های محلول ، مواد آلی، باکتری ها و پیروژن ها را مجاز نمی داند. به هر حال، در این فرآیند برای عبور آب از غشای اسمز معکوس نیاز به فشاری بزرگتر از فشار اسمزی طبیعی دارید تا بتوانید آب را نمک زدایی (یون زدایی و حذف مواد معدنی) کنید. در نتیجه آن آب شیرین می تواند از غشا عبور کند در حالیکه پشت غشا مقدار زیادی یون، مولکول و… باقی مانده است. همانطور که توضیح داده شد در این فرآیند آب از محلول غلیظ تر وارد محلول رقیق تر می شود (برخلاف اسمز طبیعی).

بیشتر بخوانید: فرآیندهای تصفیه آب

مراحل اسمز معکوس

در شکل بالا دیاگرام فرآینداسمز معکوس را مشاهده می کنید. اسمز معکوس معمولاً شامل چهار مرحله فیلتراسیون است: فیلتر رسوب، فیلتر پیش کربن، غشای اسمز معکوس و فیلتر پس از کربن. فیلتر رسوبی بزرگترین ذرات مانند خاک، ماسه و زنگ را از بین می برد تا از گرفتگی فیلترهای بعدی جلوگیری شود. فیلتر پیش کربن از کربن فعال برای جلوگیری از عبور هر چیزی بزرگتر از یک آرد و همچنین جذب و پیوند با یونهای دارای بار مثبت برای جلوگیری از عبور ترکیبات شیمیایی مانند کلر و کلرامین به فیلتر سوم استفاده می کند.

غشای اسمز معکوس سپس مولکول های سنگین تر از آب مانند سدیم، سطوح بالای سرب، مواد معدنی محلول و فلوراید را حذف می کند. زمانیکه فشار به محلول غلیظ تر اعمال می شود، مولکول های آب از میان غشای نیمه تراوا تحت فشار وارده عبور می کند و در عوض آلاینده ها اجازه عبور نداشته و پشت غشا باقی می میانند. در این مرحله از آنتی اسکالانت ها به منظور جلوگیری از ایجاد رسوب روی غشا و افزایش طول عمر آن استفاده می شود. از دیگر ترکیباتی که در این مرحله به منظور لخته سازی املاح و مواد معدنی استفاده می شود پلی آکریل آمید ها هستند که نقش مهمی در تصفیه آب دارند. در نهایت، فیلتر پس از کربن آب را جلا می دهد.

فرآیند اسمز معکوس چگونه انجام می شود؟

این فرآیند با کمک یک پمپ فشار به منظور افزایش فشار در سمت محلول غلیظ تر و نمکی تر غشا انجام می گیرد. در نتیجه آن فشار به آب وارد شده و از غشای نیمه تراوای RO عبور می کند و تقریبا تمام مولکول های نمکی که در خود دارد (حدود 95% تا 99%) پشت غشا جا می گذارد. مقدار فشار مورد نیاز برای این فرآیند به غلظت نمک های حل شده در آب بستگی دارد به طوریکه غلظت های بیشتر نیاز به فشار بیشتری دارند.

بنابراین هنگامی که آب خوراک تحت فشار وارد غشای RO می شود (فشار کافی برای غلبه بر فشار اسمزی) مولکول های آب از غشای نیمه تراوا عبور می کنند و نمک ها و سایر آلاینده ها اجازه عبور ندارند و از طریق جریان رد کننده تخلیه می شوند (همچنین به عنوان کنسانتره یا آب نمک).این جریان می تواند در برخی شرایط به منبع تغذیه وارد شود تا از طریق سیستم RO بازیافت شده و بدین صورت در مصرف آب صرفه جویی شود. آبی که از غشای RO عبور می کند، آب نفوذی یا آب محصول نامیده می شود و معمولاً 95 تا 99 درصد نمک های محلول از آن خارج می شود.درک این نکته ضروری است که یک سیستم RO از فیلتراسیون متقابل به جای فیلتراسیون استاندارد، در جایی که آلاینده ها در فیلتر جمع آوری می شوند، استفاده می کند. با فیلتراسیون متقاطع، محلول از طریق فیلتر عبور می کند، یا با دو خروجی از فیلتر عبور می کند: آب تصفیه شده از یک طرف و آب آلوده از راه دیگری عبور می کند. برای جلوگیری از تجمع آلاینده ها، فیلتراسیون جریان متقاطع به آب اجازه می دهد تا آلودگی ها را از بین ببرد و همچنین امکان تلاطم کافی برای تمیز نگه داشتن سطح غشا را فراهم می آورد.

اسمز معکوس چه آلودگی هایی را از آب حذف می کند؟

اسمز معکوس قادر است تا 99٪ نمک ها، ذرات، کلوئیدها، مواد آلی، باکتری ها و پیروژن ها را از آب ورودی حذف کند. برای حذف 100٪ باکتری ها و ویروس ها نباید به سیستم RO اعتماد کرد. غشای RO آلاینده ها را بر اساس اندازه و بار آنها رد می کند. هرگونه آلاینده ای که دارای وزن مولکولی بیشتر از 200 MW باشد، احتمالاً توسط یک سیستم RO به درستی جدا نمی شود (برای مقایسه یک مولکول آب دارای MW 18 است). به همین ترتیب، هرچه بار یونی آلاینده بیشتر باشد، احتمال عبور از غشای RO بیشتر است. به عنوان مثال، یک یون سدیم تنها یک بار (تک ظرفیتی) دارد و همچنین کلسیم که دو بار دارد، توسط غشای RO رد نمی شوند.

به همین دلیل است که این سیستم نمی تواند گازهایی مانند دی اکسید کرین را به خوبی حذف کند زیرا در حین حل شدن دی اکسید کربن در آب، خیلی یونیزه نمی شود و همینطور وزن مولکولی کمی دارد. بنابراین به طور معمول آب محصول Ph پایین تر از حدود نرمال دارد زیرا دی اکسید کربن به اسید کربنیک تبدیل می شود. از اسمز معکوس در تصفیه آب های شور، سطحی و زیرزمینی بسیار موثر هستند. برخی از صنایع که از سیستم RO استفاده می کنند عبارتند از داروسازی، آب ورودی دیگ بخار، غذا و نوشیدنی، فلزکاری و تولید ترکیبات نیمه هادی. همچنین شیرین سازی آب دریا با اسمز معکوس انجام می گیرد زیرا نوع غشای آن به گونه ای است که برای این امر بسیار کارآمد است و می تواند فشار بسیاری را تحمل کند.

بیشتر بخوانید: کاربرد پلی الکترولیت ها در تصفیه آب

تفاوت اسمز و اسمز معکوس

مهم ترین تفاوت این دو روش در نحوه عبور دادن مواد از غشا است. در فرآیند اسمز از فشار اسمزی طبیعی برای انتقال ماده در ممبران (غشا) استفاده می شود در حالیکه در اسمز معکوس با استفاده از فشار خارجی و پمپ این عمل اتفاق می افتد. همچنین نوع غشایی که برای هر یک از این روش ها استفاد می شود با هم متفاوت است. در اسمز معکوس از غشای مخصوص آب شور یا آب دریا استفاده می شود که متناسب با نوع فشاری که بر آن ها وارد می شود تعبیه شده است.

عملکرد اسمز معکوس و طراحی محاسبات

تعدادی محاسبه وجود دارد که برای قضاوت در مورد عملکرد یک سیستم RO و همچنین در نظر گرفتن طراحی مورد استفاده قرار می گیرد. یک سیستم RO دارای ابزارهایی است که کیفیت، جریان، فشار و گاهی دیگر داده ها مانند دما یا ساعت کار را نمایش می دهد. به منظور اندازه گیری دقیق عملکرد یک سیستم RO، حداقل به پارامترهای عملکرد زیر نیاز دارید:

• فشار آب ورودی
• فشار آب خروجی
• فشار تغلیظ
• رسانایی آب ورودی
• جریان آب ورودی
• جریان نفوذ
• درجه حرارت

محاسبه درصد نمک برگشتی

معادله زیر به شما می گوید که غشای RO چقدر در حذف آلودگی ها موثر بوده است. اما در مورد نحوه عملکرد غشا اطلاعاتی نمی دهد، اما با استفاده از آن می توان حدس زد به طور متوسط غشا چگونه کار می کند. اگر غشای RO خوب طراحی شده باشد می تواند 95-99 درصد آلاینده ها را از آب ورودی حذف کند. با استفاده از معادله زیر می توان این مقدار را محاسبه کرد:

هرچه دفع نمک بیشتر باشد، عملکرد سیستم بهتر است. درصد کم می تواند به این معنی باشد که غشاها نیاز به تمیز کردن یا تعویض دارند.

محاسبه درصد نمک عبوری

برای محاسبه درصد نمک عبوری از غشا کافی است مقدار درصد نمک بازگشتی را از عدد 1 کم کنید. مقدار به دست آمده، درصد نمک های عبوری از سیستم RO را نشان خواهد داد. هرچه میزان نمک عبوری کمتر باشد، عملکرد دستگاه بهتر است. اگر درصد عبوری زیاد باشد، می تواند به این معنا باشد که غشا ها نیاز به تمیز کردن یا تعویض دارند.

Salt Passage % = (1 – Salt Rejection %)

محاسبه درصد بازیابی

درصد بازیابی به معنای مقدار آب تصفیه شده در فرآیند اسمز معکوس است. هرچه درصد بازیابی بیشتر باشد، به این معنی است که آب نمکی کمتری وجود داشته و آب تصفیه شده بیشتری حاصل شده است. با این حال بالا بودن بیش از حد درصد بازیابی، به دلیل مواردی از قبیل رسوب گذاری، مشکلاتی در سیستم ایجاد می کند. با محاسبه درصد بازیابی می توانید به سرعت متوجه شوید که آیا سیستم مطابق طراحی انجام شده کار می کند یا خیر. برای محاسبه آن از فرمول زیر استفاده می شود:

به عنوان مثال اگر درصد بازیابی 75% باشد، به این معناست که از صد گالن آب ورودی که به سیستم RO وارد می شود، مقدار 75 گالن آن به عنوان آب تصفیه شده بازیابی شده و 25 گالن آن غلیظ و نمکی پشت غشا باقی مانده است. سیستم های RO صنعتی به طور معمول دارای درصد بازیافت 50 تا 85 درصد هستند که مقدار آن بسته به آب ورودی متغیر است.

فاکتور غلظت

فاکتور غلظت مربوط به سیستم بازیابی سیستم RO بوده و از مهم ترین معادلات طراحی در این سیستم ها می باشد. هرچه مقدار آب تصفیه شده بیشتری به دست آید (درصد بازیابی بیشتر)، مقدار غلظت بیشتری پشت غشا ایجاد می شود. در صورتی که فاکتور غلظت برای طراحی سیستم و ترکیب آب ورودی بسیار زیاد باشد، این می تواند منجر به پتانسیل بالاتری برای پوسته پوسته شدن در سطح غشای RO شود.

به عنوان مثال اگر جریان آب ورودی شما 100 gpm و جریان آب خروجی 75 gpm باشد، درصد بازیابی آن 75% بوده و برای به دست آوردن فاکتور غلظت کافی است عدد به دست آمده را در فرمول بالا جایگزین کرد تا به عدد 4 رسید. فاکتور غلظت 4 به این معناست که آبی که به سمت جریان غلیظ پیش می رود (آب برگشتی) 4 بار غلیظ تر از آب ورودی است. یعنی اگر غلظت آب ورودی 500 ppm بوده باشد، غلظت جریان برگشتی 2000 ppm است.

شار

به معادله زیر توجه کنید:

به عنوان مثال شما داده های زیر را دارید:

سیستم RO در هر دقیقه 75 گالن آب تصفیه می کند. شما 3 لوله RO دارید و هر لوله 6 غشا دارد. بنابراین تعداد غشای کلی شما 18 تا است. نوع غشایی هم که در سیستم اسمز معکوس استفاده کرده اید Dow Filmtec BW30-365 است. این نوع غشا دارای مساحت سطح 365 فوت مربع است. برای یافتن مقدار شار آن به صورت زیر عمل می کنیم:

 

در نهایت مقدار شار 15 Gfd است. این بدان معناست که روزانه 16 گالن آب از هر فوت مربع از هر غشای RO عبور می کند. این عدد بسته به نوع شیمی آب ورودی و طراحی سیستم می تواند خوب یا بد باشد. در زیر یک قاعده کلی برای محدوده شار برای آب های مختلف آمده است و می توان با کمک نرم افزار طراحی RO بهتر، آن را تعیین کرد.

نوع آب ورودی	شار Gfd
پساب فاضلاب	5-10
آب دریا	8-12
آب سطحی شور	10-14
آب چاه شور	14-18
آب تصفیه شده RO	20-30

جمع بندی

اسمز معکوس یک فناوری موثر و اثبات شده برای تولید آب است که برای بسیاری از کاربردهای صنعتی که نیاز به آب غیر معدنی یا دیونیزه دارند مناسب است. تصفیه بیشتر پس از سیستم RO مانند دیونیزاسیون بستر مختلط می تواند کیفیت RO  را افزایش داده و آن را برای کاربردهای پرمصرف مناسب سازد. پیش تصفیه مناسب و نظارت بر سیستم RO برای جلوگیری از تعمیرات پرهزینه و نگهداری برنامه ریزی نشده بسیار مهم است.