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 ته مانده (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 یون ها، مولکول ها 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 میکروارگانیسم ها (عمدتاً باکتری ها) را حذف می‌کند. نیم تا دو سوم آب پشت این غشا باقی می‌ماند که به عنوان آب پسمانده (Concentrate) دور ریخته می‌شود. می توان 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 لب شور و شور استفاده از فرایند اسمز معکوس می‌باشد، زیرا سیستم پیچیده‌ای نداشته و راهبری آن قابلیت کنترل بیشتری از دیگر روش‌ها دارا می باشد 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 می کنند. اساس کار این دستگاه‌ها بر عبور مولکولهای غیر یونی مثل آب از یک غشاء با روزنه‌های بسیار ریز بنا شده‌ است. این غشاء ها به صورتی ساخته شده‌اند که مولکول های 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 می شود عملیات جداسازی مولکول را انجام می دهد. به این صورت که غشاء یا لایه های به هم تابیده شده به دور یک لوله استوانه ای که بیشتر از جنس پلاستیک است با روزنه هایی که اندازه آنها از یک ده هزارم میکرون کوچکتر هستند آلاینده های آب را جدا سازی می کند. این آلاینده های آب شامل نیترات، انگل، باکتری، قارچ، سموم کشاورزی، نمک و سایر املاح محلول آلوده کننده می باشند.

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 یون های سدیم و کلراید از ظرف آب نمک، یون های 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 مولکول های آب از آن عبور کنند، یون های 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 می باشد.

تاریخچه

فرایند اسمزی از طریق غشاهای نیمه تراوا ابتدا در سال 1748 توسط ژان آنتوان نولت مشاهده شد. تا 200 سال بعد، اسمز تنها پدیده ای بود که در آزمایشگاه مشاهده شد. در سال 1950، 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 1950 از آب دریا ،آب شیرین تولید می کردند، 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 کُش ها (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 به کارگیری سیستم های تبادل یونی استفاده می‌کنند. زیرا مبادله‌کننده‌های یونی به علت مصرف زیاد مواد شیمیایی و رزین تبادل یونی، دارای هزینه راهبری و نگهداری زیادی می‌باشند.

پمپ های فشار قوی

پمپ های فشار بالا فشار لازم برای عبور آب از غشا را فراهم می کنند. فشار لازم برای آب لب شور معمولی از 1.6 تا 2.6 مگاپاسکال (225 تا 376 psi) است. در مورد آب دریا، فشار از 5.5 تا 8 مگاپاسکال (800 تا 1180 psi) متغیر است. تامین این فشار نیاز به مقدار زیادی انرژی دارد. در سیستم هایی که از بازیافت انرژی استفاده می شود، بخشی از کار پمپ فشار بالا توسط دستگاه بازیابی انرژی تامین می شود، که باعث کاهش انرژی ورودی به سیستم می شود.

تصفیه آب و فاضلاب

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

در صنعت، در نیروگاه ها، اسمز معکوس مواد جامد حل شده را از آب دیگ های بخار حذف می‌کند. این کار رسوب گذاری را در تاسیسات کاهش داده و از خرابی آنها جلوگیری می کند. رسوب گذاری داخل یا خارج لوله‌های دیگ بخار با کاهش کارآیی 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 500 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 می یابد و عمر غشاء سیستم اسمز معکوس افزایش می یابد.

فرآیند 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 سوراخ های غشاء، دما، فشار عملیاتی و مساحت جانبی غشاء دارد.

صنایع غذایی

علاوه بر نمک زدایی، اسمز معکوس یک فرایند ارزان تر برای افزایش غلظت مایعات غذایی (برای مثال آب میوه ها) نسبت به فرآیندهای معمول حرارتی است. با تحقیقاتی که روی افزایش غلظت آب پرتقال و آب گوجه فرنگی انجام شده‌ است مزایای آن عبارت بوده اند از: هزینه عملیاتی پایین تر و توانایی اجتناب از فرایندهای نیاز به گرما که آن را برای مواد حساس به گرما مانند پروتئین ها 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 6% مواد جامد محلول به 10-20% مواد جامد محلول (قبل از الترافیلتراسیون) تغلیظ می شود. پس از اتمام فرایند اولترافیلتراسیون می‌توان از پودرهای مختلف آب پنیر، از جمله پروتئین وِی ایزولات استفاده کرد. علاوه بر این، خروجی رقیق (Permeate) فرآیند اولترافیلتراسیون که حاوی لاکتوز است، توسط اسمز معکوس از 5٪ جامد تا 22- 18٪ 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.