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) فرایندی است که در آن از فشار برای معکوس نمودن جریان اسمزی آب از درون یک غشای نیمه‌تراوا استفاده می‌شود. اگر یک غشای نیمه‌تراوا بین دو محلول آب خالص و آب ناخالص قرار گیرد آب به گونهٔ 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 را فیلتر می‌کند. نیم تا دو سوم آب پشت این غشا باقی می‌ماند که به عنوان آب پسمانده دور ریخته می‌شود.البته پسماند خروجی را میتوان مجددا به سیستم برگشت داد تا در مصرف آب صرفه جویی لازم بعمل آید، اگر پسآب خروجی که نیم تا دو سوم آب را تشکیل میدهد در یک سیکل چرخشی وارد شود میتوان راندمان سیستم را بالا برد . سیستم‌های اسمز معکوس با کارایی بالا از فشارهای در حد یک میلیون پاسکال استفاده می‌کنند.

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 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 استفاده فراوانی می‌برند. اساس کار این دستگاه‌ها بر عبور ملکولهای غیر یونی مثل آب از یک غشاء با روزنه‌های بسیار ریز بنا شده‌است. این غشاءها به صورتی ساخته شده‌اند که ملکولهای خنثی را براحتی 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 (Concentrated) یا (Brine) تبدیل می‌شود. سیستم اسمز معکوس که بواسطه فیلتری که به آن ممبران گفته میشود عملیات جداسازی مولکول را انجام می دهد . به این صورت که غشاء یا لایه های بهم تابیده شده بدور 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) ودیگری حاوی آب خالص (۲) توسط یک لوله به یکدیگر متصل بوده وهر 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 طبق قانون Vant Hoff تابعی است از غلظت نمک در هر دو طرف غشاء.

انتخاب غشاء

در سیستم اسمز معکوس غشاء 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 کشها (Biocides) واکنش ندهد.

عوامل مؤثر در مقایسه غشاءها عبارتند از:

1. قطر سوراخ‌ها
2. ضخامت
3. مقاومت در مقابل مواد شیمیایی
4. قیمت
5. افت فشار
6. شرکت سازنده

سعی می‌شود آب قبل از ورود به دستگاه اسمز معکوس، حتماً تصفیه مقدماتی گردد؛ ولی با این حال لازم است پیش از انتخاب غشاء عملیت پایلوتی صورت پذیرد. به علت کیفیت بسیار عالی آب خروجی از سیستم اسمز معکوس امروزه بیشتر صنایع از این روش، به جای بکارگیری سیتمهای تعویض یونی استفاده می‌کنند. زیرا مبادله‌کننده‌های یونی به علت مصرف زیاد مواد شیمیایی و رزین، دارای هزینه راهبری و نگهداری زیادی می‌باشند.

تصفیه آب و فاضلاب

آب باران جمع‌آوری شده از تخلیه طوفان با استفاده از پردازشگرهای اسمز معکوس و برای آبیاری چشمگیر و صنعتی در لس آنجلس و دیگر شهرها به عنوان یک راه حل برای مشکل کمبود آب مورد استفاده قرار می‌گیرد.

در صنعت، اسمز معکوس مواد جامد را از دیگ بخار در نیروگاه‌ها حذف می‌کند. آب چند بار دفع می‌شود. آب باید تا آنجا که ممکن است خالص باشد، بنابراین ته نشینی را در ماشین آلات کاهش و یا باعث خوردگی نمی‌کند. ذخایر داخل یا خارج لوله‌های دیگ بخاطر عدم کارآیی دیگ بخار، کاهش کارآیی آن و همچنین تولید بخار ضعیف، تولید برق ضعیف در توربین می‌شود.

همچنین برای تمیز کردن پساب و آب‌های زیرزمینی سدیم استفاده می‌شود. فاضلاب در حجم‌های بزرگتر (بیش از 500 متر مکعب در دسیالر) باید در یک کارخانه تصفیه فاضلاب اول درمان شود و پس از آن پساب پاکیزه تحت سیستم اسمز معکوس قرار می‌گیرد. هزینه درمان به‌طور قابل توجهی کاهش می یابد و عمر غشایی سیستم اسمز معکوس افزایش می یابد.

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

فرایند اسمز معکوس برای تصفیه آب انرژی حرارتی ندارد. سیستم‌های جریان اسمز معکوس را می‌توان با پمپ‌های فشار بالا تنظیم کرد. بازیابی آب خالص بستگی به عوامل مختلف، از جمله اندازه غشاء، اندازه ذرات غشاء، دما، فشار عملیاتی و سطح سطح غشاء است.

در سال 2002، سنگاپور اعلام کرد که بخش قابل توجهی از برنامه‌های آب آینده خود را یک فرایند به نام NEWater خواهد ساخت. این شامل استفاده از اسمز معکوس برای درمان فاضلاب خانگی قبل از تخلیه مجدد ویتور به مخازن است.

صنایع غذایی

علاوه بر نمک زدایی، اسمز معکوس یک عملیات ارزان تر برای تمرکز مایعات غذایی (مانند آب میوه ها) از فرآیندهای معمول حرارتی است. تحقیقات روی غلظت آب پرتقال و آب گوجه فرنگی انجام شده‌است. مزایای آن عبارتند از: هزینه عملیاتی پایین و توانایی اجتناب از فرایندهای پردازش گرما، که آن را برای مواد حساس به گرما مانند پروتئین و آنزیم‌های موجود در اکثر محصولات غذایی مناسب می‌سازد.

اسمز معکوس به‌طور گسترده‌ای در صنعت لبنی برای تولید پودر پروتئین آب پنیر و غلظت شیر ​​برای کاهش هزینه‌های حمل و نقل استفاده می‌شود. در برنامه‌های کاربردی پنیر، آب پنیر (مایع باقی‌مانده پس از تولید پنیر) با اسمز معکوس از 6٪ جامد جامد تا 10-20٪ کل مواد جامد قبل از پردازش اولترافیلتراسیون متمرکز می‌شود. پس از اتمام فرایند اولترافیلتراسیون می‌توان از پودرهای مختلف پنیر، از جمله جدایه پروتئین آب پنیر استفاده کرد. علاوه بر این، نفوذ اولترافیلتراسیون که حاوی لاکتوز است، توسط اسمز معکوس از 5٪ جامد جامد تا 22- 18٪ جامدات جامد متمرکز می‌شود تا هزینه‌های کریستال شدن و خشک شدن پودر لاکتوز را کاهش دهد.

جستارهای وابسته

• اسمز
• اسمز مستقیم
• فشار اسمزی
• توان اسمزی

منابع

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