اسمز معکوس

طرح واره‌ای از یک سیستم اسمز معکوس (آب شیرین کن)
۱: جریان ورودی از آب دریا
۲: جریان آب تصفیه شده (۴۰٪)
۳: جریان تغلیظ شده (۶۰٪)
۴: جریان آب دریا (۶۰٪)
۵: مواد ته‌مانده (فاضلاب)
A: پمپ فشار بالا
B: پمپ گردش آب
C: واحد اسمز به همراه غشا
D: مبدل فشار

اسمز معکوس (به انگلیسی: 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 حل شده 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 سایر 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 صرفه جویی به عمل آید. اگر پسآب خروجی که نیم تا دو سوم آب را تشکیل می‌دهد در یک سیکل چرخشی وارد شود می‌توان راندمان سیستم را افزایش داد.

همچنین بهترین روش نمک زدائی از آب‌های شور استفاده از فرایند اسمز معکوس 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 اسمز معکوس 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 راحتی از خود عبور می‌دهند. به همین دلیل آب ورودی به سیستم، که دارای املاح مختلف است به آب تقریباً خالص تبدیل می‌گردد. در سیستم اسمز معکوس، جریان ورودی یا خوراک (Feed) به دو جریان آب تصفیه شده (Permeate) و پساب غلیظ (Concentrate) یا (Brine) تبدیل می‌شود. سیستم اسمز معکوس 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 استوانه ای 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 سایر املاح محلول آلوده‌کننده می‌باشند.

اساس کار اسمز معکوس

فرض کنید دو ظرف، یکی حاوی آب نمک (۱) و دیگری حاوی آب خالص (۲) توسط یک لوله به یکدیگر متصل بوده و هر دو دارای ارتفاع مساوی از آب و در یک سطح قرار داشته باشند. جهت برقراری تعادل در غلظت یون‌های سدیم و کلراید از ظرف آب نمک، یون‌های نمک به صورت نفوذ مولکولی به ظرف آب خالص انتقال یافته تا تعادل غلظت بین هر دو ظرف برقرار گردد. اما اگر بین این دو ظرف و در مسیر جریان آب یک غشاء قرار گیرد که فقط اجازه دهد مولکول‌های آب از آن عبور کنند، یون‌های نمک اجازه عبور نخواهند داشت؛ لذا برای برقراری تعادل در غلظت، آب خالص از ظرف شماره (۲) به ظرف شماره (۱) انتقال می‌یابد و این عمل تا آنجا ادامه می‌یابد که افزایش ارتفاع حاصله در ظرف آب نمک، فشار مضاعف ایجاد کرده و اجازه انتقال آب از ظرف شماره (۲) به ظرف شماره (۱) را ندهد. این فشار را فشار اسمزی می‌گویند و تابعی از غلظت نمک در هر دو طرف غشاء می‌باشد.

تاریخچه

فرایند اسمزی از طریق غشاهای نیمه تراوا ابتدا در سال ۱۷۴۸ توسط ژان آنتوان نولت مشاهده شد. تا ۲۰۰ سال بعد، اسمز تنها پدیده ای بود که در آزمایشگاه مشاهده شد. در سال ۱۹۵۰، دانشگاه کالیفرنیا در لس آنجلس ابتدا آب نمک زدایی را با استفاده از غشاهای نیمه تراوا مورد بررسی قرار داد. محققان هر دو دانشگاه کالیفرنیا در لس آنجلس و دانشگاه فلوریدا در اواسط دهه ۱۹۵۰ از آب دریا، آب شیرین تولید می‌کردند، اما جریان به قدری کم بود که قابل تجاری سازی نبود.

انتخاب غشاء

در سیستم اسمز معکوس غشاء یا ممبران مهم‌ترین و حساسترین قسمت دستگاه می‌باشد. زیرا فشار عملیاتی مورد نیاز ارتباط مستقیم با ضخامت غشاء و قطر سوراخ‌های آن دارد. همچنین غشاء به علت تماس مداوم با مواد شیمیایی افزوده شده به آب، بایستی مقاوم بوده و با مواد بازدارنده و ضد رسوب‌گذار و زیست کُش‌ها (Biocides) واکنش ندهد.

عوامل مؤثر برای مقایسه غشاءها عبارتند از:

• قطر سوراخ‌ها
• ضخامت
• مقاومت در مقابل مواد شیمیایی
• افت فشار
• شرکت سازنده
• قیمت

سعی می‌شود آب قبل از ورود به دستگاه اسمز معکوس، حتماً تصفیه مقدماتی گردد.

به علت کیفیت بسیار عالی آب خروجی از سیستم اسمز معکوس امروزه بیشتر صنایع از این روش، به جای به‌کارگیری سیستم‌های تبادل یونی استفاده می‌کنند. زیرا مبادله‌کننده‌های یونی به علت مصرف زیاد مواد شیمیایی و رزین تبادل یونی، دارای هزینه راهبری و نگهداری زیادی می‌باشند.

پمپ‌های فشار قوی

پمپ‌های فشار بالا فشار لازم برای عبور آب از غشا را فراهم می‌کنند. فشار لازم برای آب لب شور معمولی از ۱٫۶ تا ۲٫۶ مگاپاسکال (۲۲۵ تا 376 psi) است. در مورد آب دریا، فشار از ۵٫۵ تا ۸ مگاپاسکال (۸۰۰ تا 1180 psi) متغیر است. تأمین این فشار نیاز به مقدار زیادی انرژی دارد. در سیستم‌هایی که از بازیافت انرژی استفاده می‌شود، بخشی از کار پمپ فشار بالا توسط دستگاه بازیابی انرژی تأمین می‌شود، که باعث کاهش انرژی ورودی به سیستم می‌شود.

تصفیه آب و فاضلاب

تصفیه آب باران با روش اسمز معکوس برای آبیاری فضای سبز و مصارف سرمایش دستگاه‌های آب خنک در شهرهای بزرگ دنیا به عنوان راه حلی برای مشکل کمبود آب مورد استفاده قرار می‌گیرد.

در صنعت، در نیروگاه‌ها، اسمز معکوس مواد جامد حل شده را از آب دیگ‌های بخار حذف می‌کند. این کار رسوب گذاری را در تأسیسات کاهش داده و از خرابی آن‌ها جلوگیری می‌کند. رسوب گذاری داخل یا خارج لوله‌های دیگ بخار با کاهش کارایی آن و همچنین تولید بخار ضعیف، باعث تولید برق ضعیف در توربین می‌شود.

همچنین برای تمیز کردن پساب و آب‌های زیرزمینی لب شور از اسمز معکوس استفاده می‌شود. فاضلاب در حجم‌های بزرگ (بیش از ۵۰۰ متر مکعب در روز) ابتدا باید در یک تصفیه خانه پیش تصفیه شود و پس از آن پساب پاکیزه تحت سیستم اسمز معکوس قرار می‌گیرد. به این طریق هزینه تصفیه به‌طور قابل توجهی کاهش می‌یابد و عمر غشاء سیستم اسمز معکوس افزایش می‌یابد.

فرایند اسمز معکوس را می‌توان برای تولید آب دیونیزه استفاده کرد.

فرایند اسمز معکوس برای تصفیه آب نیاز به انرژی حرارتی ندارد. دبی جریان سیستم‌های اسمز معکوس را می‌توان با پمپ‌های فشار بالا کنترل کرد. بازیابی آب خالص بستگی به عوامل مختلفی، از جمله اندازه غشاء، اندازه سوراخ‌های غشاء، دما، فشار عملیاتی و مساحت جانبی غشاء دارد.

صنایع غذایی

علاوه بر نمک زدایی، اسمز معکوس یک فرایند ارزان‌تر برای افزایش غلظت مایعات غذایی (برای مثال آب میوه‌ها) نسبت به فرآیندهای معمول حرارتی است. با تحقیقاتی که روی افزایش غلظت آب پرتقال و آب گوجه فرنگی انجام شده‌است مزایای آن عبارت بوده‌اند از: هزینه عملیاتی پایین‌تر و توانایی اجتناب از فرایندهای نیاز به گرما که آن را برای مواد حساس به گرما مانند پروتئین‌ها و آنزیم‌ها که در اکثر محصولات غذایی موجود است مناسب می‌سازد.

از اسمز معکوس به‌طور گسترده‌ای در صنعت لبنی برای تولید پودر پروتئین وِی (Whey) و افزایش غلظت شیر (برای کاهش هزینه‌های حمل و نقل) استفاده می‌شود. در فراِیند ساخت پنیر، آب پنیر یا Whey (مایع باقی‌مانده پس از تولید پنیر) با استفاده از اسمز معکوس از غلظت ۶٪ مواد جامد محلول به ۱۰–۲۰٪ مواد جامد محلول (قبل از الترافیلتراسیون) تغلیظ می‌شود. پس از اتمام فرایند اولترافیلتراسیون می‌توان از پودرهای مختلف آب پنیر، از جمله پروتئین وِی ایزولات استفاده کرد. علاوه بر این، خروجی رقیق (Permeate) فرایند اولترافیلتراسیون که حاوی لاکتوز است، توسط اسمز معکوس از ۵٪ جامد تا ۲۲–۱۸٪ جامد تغلیظ می‌شود تا هزینه‌های کریستال سازی و خشک کردن پودر لاکتوز را کاهش داد.

جستارهای وابسته

• اسمز
• اسمز مستقیم
• فشار اسمزی
• توان اسمزی
• رزین تبادل یونی
• آب فوق خالص
• آب خالص

منابع

• Concise Encyclopedia of Chemistry. New York: McGraw-Hill. 2004. ISBN 0-07-143953-6.