چگونه عملکرد سیستم اسمز معکوس را بررسی کنیم

فرآیند اسمز معكوس همان گونه كه از نام آن نیز مشخص است، بر عکس فرآیند طبیعی اسمز می باشد، فرایند اسمز معکوس امروزه جزء یكی از جدید ترین و متداول ترین روش های جدا سازی به خصوص در تصفیه آب های شور محسوب می‌شود. در این فرآیند با قرار دادن فشاری بیشتر از فشار اسمزی در سمت محلول غلیظ تر (آب شور یا concentrate)، جهت حركت حلال (آب خالص یا pure water ، permeate)معکوس شده و به این ترتیب می توان آب را از ناخالصی های درون آن جدا كرد و TDS را کاهش داد.

اسمز معکوس

 اسمز معکوس ( Reverse Osmosis) فرایند تصفیه آبی است که در آن از فشار برای معکوس نمودن جریان اسمزی آب از درون یک غشای نیمه‌تراوا برای تولید آب خالص و حذف یون‌ها، مولکول‌ها و ذرات بزرگتر حل‌شده در آب استفاده می‌شود. اگر یک غشای نیمه‌تراوا بین دو محلول آب خالص و آب ناخالص قرار گیرد آب به صورت طبیعی و تحت خاصیت اسمزی از غلظت پایین‌تر به غلظت بالاتر جریان می‌یابد. این پدیده تا هنگامی که پتانسیل‌های شیمیایی دو طرف برابر گردند ادامه خواهد یافت. در حالت تعادل اختلاف فشار بین دو طرف غشا برابر اختلاف فشار اسمزی است. اگر فشاری برابر با اختلاف فشار اسمزی به محلول غلیظ‌تر اعمال گردد جریان آب قطع خواهد شد. در صورتی‌که فشار اعمال شده بیشتر از فشار اسمزی باشد، جهت جریان طبیعی آب، معکوس خواهد گردید.

در این روش آب با فشار از میان غشایی گذرانده می‌شود که نیترات و دیگر مواد معدنی و بسیاری از مواد شیمیایی و میکروارگانیسم‌ها (عمدتاً باکتری‌ها) را حذف می‌کند. نیم تا دو سوم آب پشت این غشا باقی می‌ماند که به عنوان آب پسمانده (Concentrate) دور ریخته می‌شود. می‌توان پسماند خروجی را مجدداً به سیستم بازگرداند تا در مصرف آب صرفه‌جویی شود. اگر پسآب خروجی که نیم تا دوسوم آب را تشکیل می‌دهد در یک سیکل چرخشی وارد شود می‌توان راندمان سیستم را افزایش داد.

همچنین بهترین روش نمک‌زدایی از آب‌های شور استفاده از فرایند گذرندگی وارونه می‌باشد، زیرا سیستم پیچیده‌ای نداشته و راهبری آن قابلیت کنترل بیشتری از دیگر روش‌ها دارا می‌باشد و با توجه به توسعه روش‌های پیشرفته تولید غشاهای پلیمری، به‌کارگیری این روش، توجیه بیشتری دارد.

صنایع امروز برای تصفیه آب مورد استفاده در بخش‌های تولید بخار و فرایند خود از سیستم گذرندگی وارونه به فراوانی استفاده می‌کنند. اساس کار این دستگاه‌ها بر عبور مولکول‌های غیر یونی مثل آب از یک غشاء با روزنه‌های بسیار ریز بنا شده‌است. این غشاءها به صورتی ساخته شده‌اند که مولکول‌های خنثی را به آسانی از خود عبور می‌دهند. به همین دلیل آب ورودی به سیستم، که دارای املاح مختلف است به آب تقریباً خالص تبدیل می‌گردد. در سیستم گذرندگی وارون، جریان ورودی یا خوراک (Feed) به دو جریان آب تصفیه‌شده (Permeate) و پساب غلیظ (Concentrate) یا (Brine) تبدیل می‌شود. سیستم گذرندگی وارونه که به واسطه فیلتری که به آن ممبران یا غشاء گفته می‌شود عملیات جداسازی مولکول را انجام می‌دهد. به این صورت که غشاء یا لایه‌های به هم تابیده شده به دور یک لوله استوانه‌ای که بیشتر از جنس پلاستیک است با روزنه‌هایی که اندازه آن‌ها از یک ده هزارم میکرون کوچکتر هستند آلاینده‌های آب را جداسازی می‌کند. این آلاینده‌های آب شامل نیترات، انگل، باکتری، قارچ، سموم کشاورزی، نمک و دیگر املاح محلول آلوده‌کننده می‌باشند.

تعریف اسمز

تشریح کلمه اسمز معکوس از دو کلمه معکوس : Reverse و اسمز osmosis تشکیل شده است ، در صورتی كه یك غشاء نیمه تراوا (منظور از غشاء نیمه تراوا یعنی غشایی که آب به راحتی از آن عبور نماید، در حالی که عبور املاح و نمک های آب نظیر MgSo4 CaSo CaCl2 NaCl و غیره امکان پذیر نباشد.

فشار اسمزی

بین دو محلول با غلظت های متفاوت قرار گیرد، مقداری از حلال از یك طرف محلول رقیق به سمت دیگر غشاء می رود. این پدیده كه به نام اسمز معروف است، تا زمانی ادامه پیدا می كند كه سیستم به حالت تعادل برسد. در حالت تعادل بین دو طرف غشاء اختلاف فشاری متناسب با غلظت مواد حل شده در محلول وجود دارد كه به آن فشار اسمزی می گویند.

غشای نیمه تراوا چیست؟

خروجی آن یکی آب تولید و دیگری آب فاضلاب است حال مقدار درصد بازیابی با توجه به نوع غشاء (ممبرین)،كیفیت و كمیت آب تصفیه شده و مقدار هزینه های عملیاتی، را تعیین خواهد کرد . بالا رفتن بیش از اندازه درصد بازیابی (ریکاوری) (recovery)، باعث افزایش املاح در آب تولید شده دستگاه و در نتیجه فشار اسمزی در آب پشت غشا ها می شود، كه این امر باعث افزایش انرژی عملیاتی لازم، كاهش دبی و افزایش درصد عبور املاح از میان غشاها می‌شود .

چگونه عملکرد سیستم اسمز معکوس را ارزیابی کنیم

پارامترهای مختلفی برای ارزیابی عملکرد اسمز معکوس استفاده می شود. این پارامترها شرایط عملیاتی سیستم را مشخص می کنند

۱. سرعت جریان (Flow Rate)

سیستم های اسمز معکوس بر اساس سرعت و یا دبی جریان محصول رتبه بندی می‌شوند. سرعت جریان های ورودی به سیستم و جریان تغلیظ شده فقط در مراحل طراحی اهمیت دارند و ذکر می‌شوند. در برخی موارد، سرعت جریان محصول ممکن است متفاوت از سرعت طراحی شده باشد. این تفاوت به علت تغییرات در شرایط آب ورودی به سیستم نسبت به شرایط طراحی است. بطور مثال، ممکن است دبی و یا دمای آب ورودی به سیستم کمتر از مقدار طراحی شده باشد.

۲. نقش شار یا فلاکس (Flux) در عملکرد اسمز معکوس

فلاکس یکی از پارامترهای ارزیابی عملکرد سیستم‌های غشایی است که معادل سرعت جریان آبی است که از سطح مشخصی از غشا عبور می کند. در سیستم‌های اسمز معکوس فلاکس را بوسیله گالن آب بر فوت مربع در واحد روز (gfd) گزارش می کنند. همچنین می‌توان در سیستم استاندارد و واحد لیتر بر متر مربع در ساعت (LMH) نیز فلاکس را گزارش کرد. فلاکس آب عبوری از غشای اسمز معکوس با فشار عملیاتی که پمپ اعمال می‌کند، متناسب است.

تعیین فلاکس اسمز معکوس در طراحی

طراح سیستم اسمز معکوس میزان فلاکس آب کل سیستم را مشخص می کند. به طور کلی فلاکس سیستم اسمز معکوس باید بر اساس کیفیت آب وروردی به سیستم تعیین شود. در فلاکس بیشتر سرعت گرفتگی غشای اسمز معکوس نیز بیشتر خواهد بود. پس در حالتی که کیفیت آب ورودی پایین است لازم است طراحی سیستم تصفیه آب بر اساس فلاکس کمتری صورت گیرد.

فرق بین سرعت جریان آب عبوری از غشا با فلاکس چیست؟

غشاها در صنعت به صورت ماژول هایی که سطح وسیعی از غشا را در حجم کمی متمرکز کرده‌اند، مورد استفاده قرار می گیرند. پس ماژول‌های مختلف ممکن است دارای سطح ویژه متفاوتی باشند. در نتیجه دبی عبوری از غشا بر اساس سطحی از غشا که ماژول در خود جای داده، وابسته است. به منظور مستقل کردن سرعت آب عبوری از غشا از سطح غشای موجود در ماژول از پارامتر فلاکس استفاده می شود که سرعت جریان را در هر متر مربع گزارش می دهد.

۳. تعیین عملکرد اسمز معکوس با پارامتر پس زنی (Rejection)

پس زنی مشخص می کند چه مقدار از ترکیبات موجود در جریان آب ورودی به سیستم اسمز معکوس توسط غشا نگه داشته شده و از جریان آب تصفیه شده حذف شده‌اند. به عنوان مثال، ۹۸ درصد پس زنی سیلیس به این معنی است که غشا ۹۸ درصد از غلظت سیلیس موجود در جریان خوراک را نگه داشته، و تنها ۲ درصد امکان ورود به محصول را پیدا کرده است. هر چه درصد پس زنی غشا بیشتر باشد نشان دهنده قدرت بالای غشا در حذف ترکیبات مورد نظر است. پس زنی غشای اسمز معکوس ممکن است در اثر ایجاد فولینگ (Fouling) یا گرفتگی کاهش یابد. پس لازم است کیفیت آب تصفیه شده توسط سیستم RO بطور مداوم مورد ارزیابی قرار گیرد.