اسمزمعکوس چیست و چه کاربردی دارد؟
اﯾﻦ ﻓﺮاﯾﻨﺪ ﯾﮑﯽ از ﺷﯿﻮه ﻫﺎي ﮔﺴﺘﺮده ﺟﺪاﺳﺎزي و ﺗﻐﻠﯿﻆ اﺳﺖ ﮐﻪ ﮐﺎرﺑﺮد ﻫﺎي ﻣﺨﺘﻠﻔﯽ از ﺟﻤﻠﻪ: ﺷﯿﺮﯾﻦ ﺳﺎزی آب ﻫﺎي ﺷﻮر و آب درﯾﺎ ،ﺟﺪاﺳﺎزي ﻣﻮاد آﻟﯽ و ﺳﻤﯽ از ﭘﺴﺎب ﻫﺎي ﺻﻨﻌﺘﯽ،ﮐﻪ در ﻣﻘﯿﺎس ﻫﺎي ﺻﻨﻌﺖ ﺷﻬﺮي و تصفیه آب ﺻﻨﻌﺘﯽ ﻣﻮرد اﺳﺘﻔﺎده ﻗﺮار ﻣﯽ ﮔﯿﺮد.
اسمز معکوس چیست؟
برای درک هدف و فرایند اسمز معکوس ابتدا باید به طور طبیعی فرایند ایجاد اسمز را درک کنید. اسمز یک پدیده‌ی طبیعی و یکی از مهمترین فرایندهای طبیعت است. فرایندی که در آن آب از محلول رقیق تمایل به مهاجرت به سمت محلول غلیظ دارد. نمونه‌های اسمز شامل جذب آب توسط ریشه‌های گیاهان از خاک و جذب آب از خون توسط شش‌ها هستند.
شکل زیر دیاگرام روش کار کردن اسمز را نمایش می‌دهد. محلول با غلظت کم به طور طبیعی تمایل به مهاجرت به سمت محلول با غلظت بیشتر دارد. به عنوان مثال، یک ظرف پر از آب با یک غلظت کم نمک و یک ظرف دیگر پر از آب با غلظت نمک بالا را در نظر بگیرید. این دو ظرف توسط یک غشای نیمه‌تراوا از هم جدا شده‌اند. مشاهده میشود آب در محلوا با غلظت کم نمک شروع به مهاجرت به سمت مخزن با غلظت بالای نمک می‌کند.
«غشای نیمه‌تراوا» (semi-permeable membrane) غشایی است که فقط به بعضی اتم‌ها یا مولکول‌ها اجازه‌ی عبور می‌دهد. یک مثال ساده برای غشای نیمه‌تراوا درهای توری هستند. این درها فقط اجازه‌ی عبور مولکول‌های هوا را می‌دهند و آفات یا هر چیزی بزرگتر از روزنه‌های موجود روی درب را عبور نمی‌دهند. مثال دیگری از این مورد پارچه‌ی گورتکس دارای یک فیلم پلاستیکی بسیار نازک با میلیاردها حفره‌ی کوچک است. منافذ به اندازه‌ی کافی بزرگ است تا بخار آب از طریق آن عبور کنند. از طرفی قطر منافذ به اندازه‌ای کوچک است که از عبور آب مایع جلوگیری می‌کند.
اسمز معکوس یک فرآیند اسمز به صورت معکوس است. در حالی که اسمز به طور طبیعی بدون نیاز به انرژی اتفاق می‌افتد، برای معکوس کردن فرایند اسمز نیاز به استفاده از انرژی برای محلول با شوری زیاد است. یک غشای اسمز معکوس، غشایی نیمه‌تراوا است که اجازه‌ی عبور به مولکول‌های آب را می‌دهد. این امکان برای مهاجرت نمک‌های محلول، مواد آلی، باکتری‌ها و pyrogenها وجود ندارد. با این وجود، باید آب را از طریق غشای نیمه‌تراوا با به کارگیری فشار به سمت جلو فشار دهید. این فشار به طور طبیعی از فشار اسمزی جهت نمک‌زدایی (یونیزه کردن) آب در فرایند بیشتر است.
شکل زیر دیاگرام نشان دهنده‌ی فرایند اسمز معکوس است. هنگام اعمال فشار به محلول غلیظ، به مولکول‌های آب نیرویی برای عبور از غشای نیمه‌تراوا وارد میشود. ولی آلاینده‌ها مجاز به عبور نیستند.
اسمز معکوس چگونه کار می‌کند؟
اسمز معکوس با استفاده از یک پمپ فشار بالا برای بالا بردن فشار سمت محلول نمکی فعالیت می‌کند. این فشار نیرویی را به آب برای عبور از غشای نیمه‌تراوا وارد می‌نماید. آب از این طریق تمام (حدودا 95 تا 99 درصد) نمک‌های حل‌شده را ترک می‌کند. مقدار فشار مورد نیاز بستگی به غلظت آب خوراک دارد. هرچه غلظت آب خوراک بیشتر باشد، فشار بیشتری برای غلبه کردن به فشار اسمزی نیاز است.
آب یونیزه شده، «آب پرمیت» (permeate water) یا محصول نامیده میشود. جریان آب که حاوی آلاینده‌های غلیظ است و از طریق غشای اسمز معکوس عبور نمی‌کنند، «جریان ریجکت» (reject stream) یا غلیظ نام‌گذاری شده است.
هنگامی که آب خوراک به غشای اسمز معکوس تحت فشار وارد میشود (فشار کافی برای غلبه بر فشار اسمزی)، مولکول‌های آب از غشای نیمه‌تراوا عبور می‌کنند و نمک‌ها و دیگر آلاینده‌ها اجازه‌ی عبور ندارند؛ در همین حال این مواد به جریان ریجکت (جریان غلیظ یا آب‌نمک) تخلیه میگردد. همچنین آب ریجکت میتواند وارد زهکش یا به آب خوراک اضافه شود. در شرایط خاصی این آب به سیستم اسمز معکوس برگشت داده میشود تا در مصرف آب صرفه‌جویی نمایند. آب عبوری از غشاها پرمیت یا محصول نامیده میشود و معمولا حدود 95 تا 99 درصد نمک‌های حل‌شده از آن حذف می‌گردند.
تفاوت اسمز طبیعی و اسمز معکوس چیست؟
به فرآیند مهاجرت آب شور به آب با درجه شوری بیشتر در طبیعت اصطلاحا اسمز گفته میشود. این فرآیند در کلیه انسان ها و همچنین جذب آب از خاک توسط ریشه گیاهان مشاهده میشود. انسان برای تصفیه آب از این رفتار طبیعت الهام گرفته و عکس آن را برای حذف نمک، یون ها و املاح و آلاینده های موجود در آب با کمک آب شیرین کن صنعتی به کار می برد. در این روش، از یک غشای نیمه تراوا استفاده شده و آب با غلظت بیشتر که حاوی مواد آلاینده می باشد را با فشار از آن عبور داده میشود. عبور آب با آلاینده های زیاد از غشای نیمه تراوا باعث میشود تا تنها مولکول های آب از غشای عبور کنند و املاح و آلاینده ها در سمت دیگر غشا باقی بمانند. با توجه به اینکه در تصفیه آب به روش اسمز معکوس، آب با غلظت بیشتر به سمت آب با غلظت کمتر حرکت می کند و عکس رفتار طبیعت است، لذا لازم است از پمپ های فشار برای این منظور استفاده گردد.
اسمز معکوس کدام آلاینده‌ها را از آب حذف می‌کند؟
اسمز معکوس قادر به حذف 99٪ از نمک‌های محلول (یون‌ها)، ذرات، کلوئیدها، مواد آلی، باکتری‌ها و pyrogens از آب خوراک هستند (اگرچه از یک سیستم اسمز معکوس نباید انتظار حذف 100٪ باکتری و ویروس‌ها را داشت). یک غشای اسمز معکوس، آلاینده‌ها را بر اساس اندازه و بار آنها حذف می‌کند. هر آلاینده با وزن مولکولی بزرگتر از 200 با اجرای مناسب سیستم اسمز معکوس، احتمالا حذف میشود (وزن مولکولی یک مولکول آب 18 است). همچنین آلاینده‌ها با بار یونی بزرگتر، قادر به عبور از غشای اسمز معکوس نخواهد بود. به عنوان مثال، یک یون سدیم تک ظرفیتی به خوبی کلسیم دو ظرفیتی توسط غشای اسمز معکوس حذف نمی‌شود. گازهایی مانند کربن‌دی‌اکسید به این دلیل به خوبی قابل حذف نیستند؛ زیرا در محلول به خوبی به یون تبدیل نمی‌شوند و وزن مولکولی بسیار کمی دارند.
چون سیستم اسمز معکوس گازها را حذف نمی‌کند، pH آب پرمیت میتواند اندکی کمتر از pH طبیعی باشد که این بستگی به میزان کربن‌دی‌اکسید در آب خوراک هنگام تبدیل کربن‌دی اکسید به کربونیک اسید دارد. اسمز معکوس در تصفیه‌ی آب شور، آبهای سطحی و زیرزمینی در هر دو عملیات با جریان بزرگ و کوچک بسیار موثر است. صنایع استفاده‌کننده از آب اسمز معکوس شامل دارویی، «آب خوراک دیگ بخار» (boiling feed water)، صنایع غذایی و نوشیدنی هستند.
تصفیه آب به روش اسمز معکوس(RO)
تصفیه آب با روش اسمز معکوس(RO)
به طور کلی تصفیه آب با روش اسمز معکوس از طریق افزایش فشار در جریان آب خام ورودی است.
این فرایند برای غلبه بر فشار اسمزی معمول و عبور آن از غشاء نیمه تراوا می باشد.
به این ترتیب آب خام ورودی به دو دسته جریان آب غلیظ با املاح بسیار بالا (Concentrate) و املاح بسیار پائین (Permeate) تقسیم می شود.
تا زمانی که فشار وارد شده به آب خام ورودی ، به قدری باشد که بتواند بر فشار اسمزی معمول غلبه کند،
آب خالص از غشاء نیمه تراوا عبور کرده و مواد محلول در پشت غشاء باقی می ماند و در آخر وارد جریان غلیظ آن می گردد.
این جریان غلیظ را می توان دفع کرد یا مجددا جهت مصرف بعنوان آب خام به سیستم برگرداند.
جریان آب رد شده از سیستم همان آب شیرین است که 95 تا 99 درصد املاح خود را با این روش از دست می دهد.
در فرآیند اسمز معکوس از روش فیلتراسیون متقاطع (Cross Filtration) استفاده می گردد
زیرا استفاده از فیلتراسیون طبیعی باعث گرفتگی غشاء یا عبور مواد جامد از غشاء می شود.
با استفاده از فیلتراسیون متقاطع آب خالص و مواد محلول به طور جدا از یکدیگر در طرفین عبور می کنند.
برای جلوگیری از گرفتگی غشاء می توانید با عبور دادن جریان آب غلیظ از روی غشاء با جریان آشفته (Turbulent Flow) مسئله را حل کنید.
برای خرید سیستم RO و یا همان دستگاه آب شیرین کن با شرکت آوین گستر تماس حاصل نمایید.
نحوه کار سیستم اسمز معکوس چگونه است؟
بهترین روش املاح زدایی در مواردی که TDS آب خام بالاتر از 500 ppm باشد،سیستم اسمز معکوس است.
برخی از کارشناسان ، مرز تشخیص استفاده از آب شیرین کن و سختی گیر را 700PPM اعلام کردند و برخی این عدد را 500PPM بیان می کنند .
البته وقتی که صحبت از تصفیه آب برای تامین آب آشامیدنی است نا خودآگاه سختی گیر از پروسه تصفیه حذف شده و آب شیرین اضافه می شود.
باید توجه داشت که مقدار مواد جامد محلول در آب است که میزان فشار مورد نیاز را تعیین می کند.
یعنی هر چقدر TDS آب خام ورودی بیشتر باشد، میزان فشار مورد نیاز نیز بیشتر خواهد بود تا بتواند بر فشار اسمزی غلبه کند.
برای آنالیز قبل از اینکه آب خام وارد سیستم شود یک سری عملیات مقدماتی به نام پیش تصفیه روی آن صورت می گیرد (فیلتراسیون ، سختی گیری و جذب سطحی).
آبی که از واحد پیش تصفیه خارج می شود وارد محفظه پلی پروپیلن که شامل المان هایی از نخ فشرده در هم پیچیده از جنس می گردد.
این واحد ذرات بزرگتر از 5 میکرون موجود در آب را حذف می نماید تا از ایجاد آسیب به ممبرانها جلوگیری کند.
سپس برای اینکه فشار لازم را تامین کند آب را وارد یک پمپ فشار قوی یا پمپ طبقاتی (High Pressure Pump) می نماید.
در این صورت آب با فشار بالا وارد محفظه هایی از جنس استیل و یاFRP که حاوی ممبرانهایی از جنس پلی آمید و از نوع Spiral Woundاست، می شود .
خروجی این واحد شامل دو جریان غلیظ و جریان رقیق با املاح بسیار پائین می باشد که بدین ترتیب آب بدون املاح مورد نظر تامین می گردد.
کاربرد اسمز معکوس چیست؟
با توجه به کاهش 95% سختی آب با روش اسمز معکوس، از این روش در صنایع مختلف استفاده شده و کاربرد گسترده ای دارد. از جمله مکان هایی که از این روش برای تصفیه آب استفاده می گردد می توان به موارد زیر اشاره نمود:
- تصفیه آب های شور و تبدیل کردن آنها به آب شیرین
- تامین آب برای تسریع در رشد گیاهان، دام و طیور
- تامین آب کارخانه های داروسازی و لوازم بهداشتی
- تولید آب مورد نیاز نیروگاه های بخار و سیکل های ترکیبی
- تامین آب دستگاه های دیالیز بیمارستان
- تولید آب مورد نیاز دیگ های بخار
- استفاده از اسمز معکوس در روش های آب شیرین کن
مزیت های سیستم اسمز معکوس reverse osmosis
به فرآیند جداسازی غشایی ، اسمز معکوس (reverse-osmosis-system) می گویند .
در این فرآیند آب خوراک تحت فشار بر روی سطح غشا جاری می شود.
آب تصفیه شده به داخل غشا رفته و جمع می شود ، در حالی که آب غلیظ شده که حاوی مواد حل شده و حل نشده است، از میان غشا عبور نکرده و تخلیه می شود.
ملزومات کلیدی فرآیند اسمز معکوس (RO) ، ممبرین و آب تحت فشار است.
لوازم دیگر عبارتند از ؛
پیش فیلتر برای حذف ناخالصی های معلق ، و فیلتر کربن برای حذف کلر (زیرا کلر به ممبرین آسیب وارد می کند).
سیستم اسمز معکوس (RO) ، تا 99٪ از کل جامدات محلول را حذف می کند
90 تا 99 درصد از ناخالصی های محلول توسط غشاها ( بر حسب نوع ناخالصی و ترکیبات موجود در آب ) حذف کنند.
سیستم های اسمز معکوس(RO) می توانند که نمک ها، میکروارگانیسم ها و بیشتر مواد آلی با وزن مولکولی زیاد را حذف کنند.
ظرفیت سیستم به درجه حرارت آب، کل مواد جامد محلول در آب خوراک، فشار عملیاتی و مقدار بازیابی کل سیستم وابسته است .
مزیت های اسمز معکوس نسبت به فرآیندهای معمولی
در مقایسه با فرآیندهای معمولی تصفیه آب ، اسمز معکوس ثابت کرده که در امر جدا کردن نمک ها ، آلاینده های شیمیایی و فلزات سنگین مانند سرب از آب آشامیدنی ، بسیار موثرتر است.
برای آب هایی که کل جامدات محلول در آن ها در حد 200 و یا بیشتر است، سیستم اسمز معکوس ارزان تر از سیستم های تبادل یونی می باشد.
حتی اگر مقدار کل جامدات محلول کمتر از 200 نیز باشد، برای جدا کردن سیلیس و مواد آلی بهتر است که از سیستم اسمز معکوس استفاده شود.
در مقایسه با روش تقطیر، اسمز معکوس انرژی کمتری مصرف می کند و مشکلات مربوط به درجه حرارت بالا و یا رسوب گرفتگی و خوردگی را ندارد.
امروزه سیستم های اسمز معکوس ثابت کرده اند که به طور معناداری مقرون به صرفه ترین و موثرین در امر بهبود کیفیت آب هستند.
بهره برداری و نگهداری آسان
سیستم های اسمز معکوس در کارخانه مونتاژ می شوند، مورد آزمایش قرار می گیرند و در حقیقت آماده بهره برداری می باشند.
آن ها ببه عنوان انجام عملکرد موثر طراحی می شوند و بهره برداری و نگهداری از آن ها بسیار آسان است.
در کنار نظارت منظم و شستشوی دوره ای غشاها، بر حسب کیفیت آب و اندازه سیستم و نیز سیستم پیش تصفیه، لازم است که ممبرین ها بطور سالیانه و یا نهایتاً هر سه سال یکبار عوض شوند.
پمپ ها نیز باید به طور منظم نگهداری و تعمیر شوند.
