اسمز معکوس

اسمز معکوس 

اسمز معکوس چیست؟

در این مقاله قصد داریم به طور کامل توضیح دهیم.

دانشگاه کالیفرنیا و اولین دستگاه اسمز معکوس

در دهه 1940 تحقیق درمورد تهیه آب شیرین از آب های شور در آمریکا بسیار پر رونق بود.

اما دانشگاه کالیفرنیا در لس آنجلس در سال 1959 میلادی بزرگترین گام را برداشت.

لب و سوریراجان توانستند از پلیمر سلولز استات، اولین غشاء (ممبران) نیمه تراوای سنتزی را تولید کنند.

اولین دستگاه اسمز معکوس برای تهیه آب شیرین در سال 1965 در شهر کالیفرنیا شروع به کار کرد که باعث هیجانی علمی در همه مراکز تحقیقاتی و دانشگاهی در جهان شد.

امروزه صنعت اسمز معکوس به یکی از پر رونق ترین بازارهای تکنولوژی تبدیل شده است.

پیشرفته ترین بخش این تکنولوژی، ساخت غشاء نیمه تراوا است که هنوز هم در اختیار چند شرکت مهم بین المللی است.

تکنولوژی اسمز معکوس نام زادگاه خود یعنی دانشگاه کالیفرنیا را در تاریخ جاودانه کرده است.

بر اساس گزارش منتشر شده از طرف انجمن بین المللی نمکزدایی در سال 1998، کل ظرفیت نصب شده ی واحدهای اسمز معکوس در دنیا حدود 11.35 میلیون متر مکعب در روز بود که حدود 85% آنها هنوز در مدار بهره برداری بوده و انتظار می رود که تا 20 سال آینده ظرفیت به دو برابر افزایش یافته و به بیش از 20 میلیون متر مکعب در روز برسد.

اساس کار اسمز معکوس 

اگر یک غشاء نیمه تراوا بین محلول با غلظت ها متفاوت قرار گیرد.

مقداری از حلال از یک طرف غشاء به طرف دیگر منتقل می شود.

جهت طبیعی حرکت حلال(یعنی از پتانسیل شیمیایی بیشتر به پتانسیل شیمیایی کمتر)به گونه ای است که محلول غلیط تر، رقیق تر می شود.

در شکل زیر آب خالص از غشا عبور کرده و وارد آب شور می شود.

اگر به سیستم اجازه رسیدن به تعادل داده شود.

در آن صورت سطح آب نمک(محلول غلیظ تر) از سطح آب خالص بالاتر خواهد رفت.

این اختلاف سطح در دو طرف غشاء را فشار اسمزی،π، می گویند.

شکل بالا مفهوم اسمز، فشار اسمزی و اسمز معکوس-فلش، جهت جریان آب خالص را نشان می دهد با توجه به شکل بالا:

الف: مولکول های آب در قسمت آب خالص به خاطر فشار اسمزی وارد محفظه آب شور می شوند.

ب: در حالت تعادل، سطح آب در محفظه ی آب شور به اندازه ی h بالاتر از سطح آب ااخالص قرار می گیرد.

ازتفاع h مساوی فشار اسمزی است.

ج: می توان با اعمال فشار P مولکول های آب را وادار کرد که از محفظه ی آب شور وارد محفظه ی آب خالص شوند

. این همان مفهوم اسمز معکوس است.

با توجه به شکل قبل اگر به محفظه ی محتوی آب شور، فشاری برابر با P وارد شود، جهت جریان آب می تواند به صورت های زیر باشد:

P & amp; amp; lt; π-1 در این صورت جهت جریان آب فرقی نمی کند.

اما برای رسیدن به تعادل، مقدار کمتری از آب خالص وارد محفظه آب شور خواهد شد.

P = π-2 در این صورت جریانرخالصی وجود ندارد.

P & amp; amp; gt; π-3 در این صورت آب از قسمت محفظه ی آب شور وارد محفظه آب خالص خواهد شد.

واضح است که هدف در تصفیه آب، تهیه ی آب شیرین از آب شور است (حالت سوم).

بنابراین با اعمال فشار مکانیکی به آب شور، مولکول های آب از مولکول های نمک جدا می شوند.

این فرایند را اسمز معکوس می گویند.

در مورد محلول های خیلی رقیق فشار اسمزی مانند فشار در گازهای ایده آل عمل می کند،

به طوری که می توان نوشت:

πV =nRT

که در آن π فشار اسمزی، V حجم حلال، n تعداد مول های ناخالصی (حل شونده)، R ثابت 2گازها و T دمای مطلق است.R=0.082 (lit.atm)/(mole.degree)

رابطه فوق را می توان به صورت π=CRT نوشت که C غلظت مولاری ناخالصی است.

فشار اسمزی

فشار اسمزی به غلظت و نوع ناخالصی و نیز دما بستگی دارد.

در جدول فشار اسمزی تعدادی از محلول ها در دمای 25 ̊C درج شده است.

فشار اسمزی محلول ها در حالت کلی از رابطه زیر پیروی می کند: πV = ɸnRT

که ɸ ضریب فشار اسمزی است و n یون های حاصل از تفکیک مانده ناخالصی است.

سوال- اگر 200 گرم ساکارز) (C_12 H_22 O_11 در 2 لیتر آب مقطر حل شود فشار اسمزی این محلول در 25 ̊C چقدر است؟

جواب: 7.144 اتمسفر

فشار اسمزی در دمای صفر درجه ی سانتی گراد برای محلول یک مولار برابر 2.4 اتمسفر می باشد.

طبق یک قاعده ی سر انگشتی به ازای هر 100 ppm ناخالصی (TDS)، فشار اسمزی به اندازه یک واحد psi افزایش میابد.

به عنوان مثال برای محلول 35000ppm نمک طعام در آب، فشار اسمزی برابر 398 psi و برای محلول 1000ppm ناخالصی، فشار اسمزی برابر 11.4 psi می باشد.

تعاریف مهم در اسمز معکوس

مدول:

به محفظه حاوی غشاء که دارای فشار هم می باشد مدول گویند.

پلاریزاسیون غلظتی

چون غشاء اسمز معکوس بیشتر املاح را از خود عبور نمی دهد از این رو غلظت املاح در اطراف آن سطحی از غشاء که در تماس با آب شور است.

بیشتر از غلظت املاح در آب شور خروجی می شود.

این پدیده را پلاریزاسیون غلظتی می نامند که هم باعث کاهش کیفیت آب شیرین می شود و هم فشار اسمزی را افزایش می دهد.

درصد بازیافت

100×(نسبت دبی آب شیرین به دبی آب ورودی)

%R = P/F ×100

درصد عبور ناخالصی

نسبت مقدار ناخالصی در محصول به مقدار ناخالصی در آب ورودی

%P = C_P/C_F

توجه کنید که درصد عبور ناخالصی برای هر یون می تواند متفاوت باشد.

درصد طرد

درصد عبور ناخالصی – 100= درصد طرد

%r = 100 - %P

:CP فاکتور تغلیظ

CP = 1/(1-R)

CP فاکتور تغلیظ

CP = 1/(1-R)

تکنولوژی اسمز معکوس

در اسمز معکوس، آب ورودی (تصفیه نشده) توسط پمپ با فشار به داخل محفظه ای که دارای غشای نیمه تراوا می باشد، رانده می شود.

چون ناخالصی ها تقریبا قادر به عبور از غشاء نیستند.

از این رو در یک غشاء آب تقریبا خالص (آب شیرین) و در طرف دیگر آن آب تغلیظ شده از ناخالصی ها (آب شور) وجود خواهد داشت.

هر دستگاه اسمز معکوس به صورت ساده شامل قسمت های زیر است

الف) پمپ که بتواند فشار لازم آب ورودی به سیستم را تامین می کند.

(برای آب های شور 25-12 اتمسفر و برای آب دریا 80-54 اتمسفر)

ب) غشای نیمه تراوا که مولکول های آب و گازها می توانند از آن عبور کنند.

ج) شیر کنترل در مسیر محلول تغلیظ شده (آب شور) برای کنترل درجه تغلیظ.

مسیر آب ورودی، آب شور و آب شیرین در سیستم اسمز معکوس

البته قبل از ورود آب به داخل محفظه غشاء، آب در معرض فرآیندهای مختلفی قرار می گیرد تا تصفیه ی مقدماتی شود که در صفحات بعدی مورد بحث قرار می گیرد.

به دو نکته درمورد پمپ نوجه کنید

1- از پمپ سانتریفوژی استفاده کنید تا نوسانات سرعت آب خروجی باعث صدمه دیدن غشا نگردد.

2- در ورودی پمپ، آب باید دارای فشار کافی باشد تا مشکل پدیده ی کاویتاسیون نداشته باشید.

به طور کلی برای کارکرد مناسب پمپ های با فشار بالا، وجود جریان مایع کافی با یک حداقل فشار در ورودی آنها ضرورت دارد.

کار کردن خالی پمپ حتی برای چند لحظه باعث صدمه دیدن پروانه پمپ و خوردگی می شود.

اسمز معکوس به طور پیوسته کار می کند و می تواند املاح آب خام را تا 99% کاهش دهد.

با اسمز معکوس، باکتری ها، ویروس ها و دیگر میکروارگانیسم ها یا ذرات بزرگتر از میکرون تقریبا 100% حذف می شوند.

اما به علت عدم آب بندی کامل سیستم اسمز معکوس مقدار کمی از این ناخالصی ها ممکن است از غشاء عبور کرده و در آب تصفیه شده دیده شوند.

گازها می توانند 100% از غشاء عبور کنند.

این فرآیند برای تهیه ی آب آشامیدنی از آب هایی که حاوی املاح معدنی زیاد و ناخالصی های آلی می باشد.

بسیار مناسب است و حتی قادر است از آب دریا با30000ppm ناخالصی و نیز آب های شور، آب آشامیدنی تهیه کند.

برای تصفیه ی آب های معمولی با TDS (غلظت کل املاح) حدود 5000ppm یا بیشتر، اسمز معکوس یک روش کاملا اطمینان بخش است.

از اسمز معکوس می توان در دارو سازی و پزشکی برای تهیه آب خالص و عاری از میکروارگانیسم ها به جای روش تقطیر استفاده کرد.

امروزه روش اسمز معکوس، اقتصادی ترین فرآیند برای تهیه آب آشامیدنی از آب شور می باشد.

راندمان، E، در فرآیند اسمز معکوس با توجه به شکل زیر چنین تعریف می شود.

E = C_ib/C_if ((Q-Q_p)/Q)

که C_ib غلظت ماده ناخالصی i در آب شور و C_ip غلظت ماده ناخالصی i در جریان محصول می باشد.

دبی جریان های عبوری از غشاء

شار(فلاکس) جریان آب از غشاء متناسب با اختلاف فشار اعمال شده و فشار اسمزی بوده که می توان با رابطه زیر نشان داد:

QW = KW A/t (P -∆π )

که QW دبی آب شیرین، A سطح غشاء و t ضخامت غشاء و p فشار اعمال شده ∆π اختلاف فشار اسمزی محلول های دو طرف غشاء می باشد.

KW ضریب تراوایی غشاء می باشد که بستگی به جنس و چگونگی طراحی غشاء دارد.

در عمل، مقداری ماده حل شده (ناخالصی ) از طریق نفوذ مولکولی از غشاء اسمز معکوس عبور می کند.

وارد آب شیرین می شود که دبی آن QS، متناسب با اختلاف غلظت است.

QS = KS A/t (CS – CP)

که در آن QS دبی ماده حل شده، CS غلظت ماده حل شده درآن طرف غشاء که در تماس با آب شور است.

CP غلظت ماده حل شده در آن طرف غشاء که در تماس با آب شیرین است و KS ضریب تراوایی غشاء برای ماده حل شده می باشد.

این رابطه نشان می دهد که دبی ماده حل شده (ناخالصی) متناسب با اختلاف غلظت دو طرف غشاء می باشد.

با افزایش فشار خارجی ( اعمال شده) دبی آب تصفیه شده افزایش میابد اما افزایش دبی با فشار خارجی همیشه خطی نیست.

چون شار آب تصفیه به فشار اسمزی دو طرف غشاء نیز بستگی دارد.

از این رو با افزایش بازیابی آب خالص از آب شور، فشا اسمزی آب شور هم افزایش یافته و در نتیجه، شار آب تصفیه شده با فشار بطور خطی افزایش نمیابد.

دیده می شود که اگر غلظت نمک در آب 1000 mg/liter باشد فشار اسمزی محلول (آب + نمک) 11.4 psi می باشد.

اما به مرور زمان که آب نمک بیشتر تغلیظ می شود و غلظت نمک در آب به 35000 mg/liter می رسد فشار اسمزی به 398 psi خواهد رسید.

یعنی فشار اسمزی بیش از سی برابر افزایش میابد.

بنابراین برای یک فشار اعمال شده ثابت، از نظر علمی محدودیت تغلیظ داریم.

همچنین با افزایش محلول (آب تصفیه شده) به دلیل فوق، غلظت نمک در طرف آب شور افزایش یافته و در نتیجه اختلاف غلظت نمک در دو طرف غشاء افزایش میابد.

گاهس استدلال می شود که برای کاهش هزینه دستگاه اسمز معکوس، فشار پمپاژ را کم کنیم اما این بدترین انتخاب است .

چون کاهش فشار پشت غشاء، نه فقط دبی آب تصفیه شده را کاهش می دهد بلکه باعث افزایش غلظت ناخالصی در آب تصفیه شده می گردد.

مقایسه ی اسمز معکوس با فیلتراسیون معمولی

اسمز معکوس شباهتی به فیلتراسیون معمولی و سانتریفوژ دارد.

چون در هر سه فرآیند با استفاده از فشار، ناخالصی ها از آب جدا می شوند.

از این رو گاهی در منابع علمی به اسمز معکوس، هایپر فیلتراسیون می گویند.

اما باید توجه داشت که:

1- در فیلتراسیون، جریان آب عمود بر بستر فیلتر است.

در حالی که در اسمز معکوس جریان آب موازی بستر غشاء است.

موازی بودن جهت جریان با غشاء در اسمز معکوس باعث می شود که غشاء توسط جریان خوراک شستشو شود.

از این رو گرفتگی غشاء در RO بسیار کمتر از فیلترها می باشد، تقریبا در حدود یک به ده.

2- در اسمز معکوس دو جریان وجود دارد( محصول و خوراک تغلیظ شده) در حالیکه در فیلتراسیون یک جریان مطرح است.

3- در فیلتراسیون معمولی فشار اسمزی خیلی کم است و اصولا نقشی ندارد.

4- در فیلتراسیون اندازه ی ذرات مهم است ولی هر چه اندازه ی مولکول های ناخالصی درشت تر و درجه ی یونیزاسیون مولکول ناخالصی کمتر باشد.

فشار اسمزی محلول کمتر است اما هرچه غلظت مولکول های ناخالصی بیشتر شود.

در اسمز معکوس علاوه بر اندازه ی ذرات، بار الکتریکی و فاکتورهای مهم دیگر هم مطرح است.

5- هرچند در فیلتراسیون مسیر انتفال حلال، حفره است ولی در اسمز معکوس، غشاء دارای شاخه های پلیمری آبدوستی است که آب را جذب کرده و سپس آب در داخل پلیمر نفوذ مولکولی کرده و از آن عبور می کند.

6- دما باعث افزایش فشار اسمزی می شود ولی همزمان موجب کاهش ویسکوزیته ی محلول نیز می گردد.

بنابراین تاثیر دما در اسمزمعکوس پیچیده تر از فیلتراسیون است.

7- تقریبا میکروفیلتراسیون (MF) قادر به کاری است که با سانتریفوژهای خیلی سریع (500-1000 g) می توان تفکیک انجام داد.

آلترافیلتراسیون قابل مقایسه با جداسازی آلتراسانتریفوژ (10000 -100000 g) می باشد.

اما چون سانتریفوژ قادر به جداسازی یون ها نیست از این رو مشابه اسمز معکوس با سانتریفوژ امکان ندارد.

غشای اسمز معکوس 

شاید بتوان گفت که پیشرفت تکنولوژی اسمز معکوس از یک پدیده ساده آزمایشگاهی به یک روش بسیار مهم صنعتی برای تصفیه آب، مرهون پیشرفت تکنولوژی ساخت غشاء بوده است.

غشاء را معمولا از استات سلولز، پلی آمید، پلی فنیل اکسید و غیره تهیه می کنند.

دیدیم که دبی آب تصفیه شده به مساحت غشا و ضریب تراوایی آن بستگی دارد.

از این رو تکنولوژی ساخت غشا از دو جنبه پیشرفت است:

الف) قرار دادن مساحت بیشتری از صفحات غشا در حجم کمتر

ب) استفاده از غشاهای کارآمدتر

الف: -برای افزایش مساحت غشا چند روش معمول است از جمله استفاده از لوله های بسیار باریک (حدود کمتراز میلی متر) از جنس غشا، استفاده از صفحات متعدد و نیز صفحات حلزونی شکل لوله شده.

ب: غشای اسمز معکوس نیمه تراوا می نامند چون همچون یک فیلتر مولکولی عمل می کند به گونه ای که مولکول های حلال از آن عبور کرده ولی مولکول های ناخالصی قادر به عبور از غشا نیستند.

بنابراین غشا برای مولکول های حلال، تراوا و برای مولکول های ناخالصی، ناتراوا می باشد.

غشاء مناسب برای اسمز معکوس باید ویژگی های خاصی داشته باشد.

مثال

تراوایی آن برای آب زیاد و برای املاح بسیار کم باشد.

قدرت تحمل فشار اعمال شده را داشته باشد.

در برابر تغیرات PH مقاوم باشد.

در برابر حمله مواد شیمیایی یا بیولوژیکی مقاوم باشد.

الف-درصد عبور املاح از غشاء

هرچند از نظر تئوری فقط مولکول های آب می توانند از غشاء عبور کنند.

ولی در عمل، نمک ها و ناخالصی های موجود در آب به مقدار کمی از غشاء عبور می کنند. گازهایی چون O_2 یا 〖CO〗_2 صددرصد از غشاء عبور می کنند.

ب- تحمل تغییرات PH

محدوده ی PH قابل تحمل برای غشاء استات سلولزی 3 تا 8 و برای تری استات سلولزی 2 تا 9 و برای پلی آمیدی 2 تا 10 می باشد.

امروزه غشاها را از مخلوط استات سلولز و تری استات سلولز می سازند.

به تازگی نوع جدیدی از غشاها از جنس پلی سولفان باردار به بازار عرضه شده است.

ویژگی خوب استات سلولز (تحمل کلر) و ویژگی خوب پلی آمیدی (دبی زیاد) را دارا است که بهای آن بسیار زیاد است.

تصفیه ی مقدماتی آب خوراک RO

حدود نصف هزینه تصفیه آب با روش اسمز معکوس بخاطر تصفیه ی مقدماتی آب خوراک، قبل از ورود به اسمز معکوس است.

می توان گفت پر دردسر ترین قسمت یک دستگاه اسمز معکوس غشاء آن می باشد.

از این رو ضروری است که آب ورودی به دستگاه اسمز معکوس، قبلا تصفیه مقدماتی شده باشد.