اساس کار اسمز معکوس
اساس کار اسمز معکوس
اساس کار اسمز معکوس بدين نحو است كه اگر در دو سوي يك غشاي نيمه تراوا دو محلول با غلظتهاي متفـاوت داشته باشيم، قاعدتاً حلال از سمت محيط رقيقتر به سمت محيط غليظ تر در سوي ديگر غشاي نيمـه تـراوا بـه حركت در خواهد آمد. اين پديده كه تحت فشار اسمزي واقع مي شود را اسمز گويند. اگر فشاري بيش از فشـار اسمزي را به محلول غليظ تر وارد كنيم حلال از طريق غشاء نيمه تراوا از محيط با غلظت زياد به سمت محيط با غلظت كم حركت كرده كه اين پديده را اسمز معكوس گويند. در نمودار زیر مقایسه انواع فیلتر های تصفیه آب نشان داده شده است :
تاریخچه سیستم های اسمز معکوس
از زمان ظهور و توسعه و استفاده عملیاتی و کاربردی گسترده از سیستم های اسمز معکوس (Reverse Osmosis) یا (RO) و سیستم های الترافیلتراسیون (ultrafiltration(UF)) در اواخر 1950 و اوایل 1960 ، گسترده استفاده از این تجهیزات بسیار توسعه یافته است. در ابتدا ، سیستم های اسمز معکوس (Reverse Osmosis) برای شیرین کردن آب دریا و آب های شور و بد مزه استفاده می شود. افزایش تقاصا برای سیستم های اسمز معکوس در صنایعی مانند صنایع بسته بندی آب آشامیدنی ، صنایعی برای بهینه سازی و کاهش مصرف انرژی ، کنترل آلودگی و صنعت بازیافت مواد از جریان های فاضلاب ، کاربرد های جدید و اقتصادی پیدا کرده است. سیستم های RO و NF ، در صورت استفاده به صورت جداگانه یا به صورت ترکیبی یا با سیستم های تبادل یونی، باعث کاهش هزینه ها و افزایش راندمان تصفیه می گردد. شکل زیر فرآیند های مورد استفاده برای تصفیه آب بر اساس مقدار نمک موجود در آب را نشان می دهد.
به علاوه ، پیشرفت هایی در زمینه بیوتکنولوژی ، صنایع دارویی همگام با توسعه صنعت ممبران ها باعث شده است که ممبران ها به عنوان بخش اصلی سیستم جداسازی (Seperation) باشد. سیستم های اسمز معکوس در مقایسه با سیستم های تقطیری تصفیه باعث کاهش مصرف انرژی شده است. به صورت کلی ، ممبران های RO امکان حذف نمک های موجود در آب با راندمان بالایی دارد به طوریکه فشار زیادی بر روی تجهیزات تامین فشار وارد نشده و هزینه های عمومی نگه داری سیستم بالا نرود. فناوری ممبران های نانوفیلتراسیون ، یک ظرفیت انتخاب محدوده حذف نمک ها (کاتیون ها و آنیون ها) و ترکیبات مختلف در فشار های پایین را می دهد.
فناوری های مختلف فیلتراسیون که در حال حاضر در سیستم های تصفیه آب مورد استفاده قرار می گیرد، بر اساس سایز ذرات حذف شده از آب خام ورودی دسته بندی می شود. ماکرو فیلتراسیون های متعارف برای حذف مواد معلق به این شکل می باشد که با عبور آب خام از بستر فیلتر به صورت عمودی کار می کند. کل آب از بستر فیلتر عبور می کند و تنهای یک جریان خروجی از پایین بستر خارج می گردد. مثل هایی از این فیلتر ها ، شامل فیلتر های کارتریجی ،فیلتر های شنی و فیلتر های چند لایه می باشد. طرفیت جداسازی ماکروفیلتراسیون محدود به ذرات نامحلول با قطر ذرات بیشتر از 1 میکرومتر می گردد.
برای حذف ذارت کوچک و نمک های محلول ممبران های فیلتراسیون کراس فلو(Crossflow membrane filtration) مورد نیاز است. ممبران های فیلتراسیون کراس فلو با استفاده از جریان پرفشار تغذیه ای که به صورت موازی در سطح ممبران جریان دارد ، عمل می کند. بخشی از این جریان از ممبران عبور می کند و مقداری از جامدات و ذرات را در پشت ممبران به جا می گذارد که در واقع نمک ها و املاح موجود در آب هستند که باقی می ماند. به دلیل اینکه جریان پایداری از سطح ممبران عبور می کند ، ذرات حذف شده تجمیع نمی گردد و با جریان concentrate از سیستم خارج می شود. بنابراین ، یک جریان آب خام ورودی به سیستم به دو بخش تقسیم می شود ، آبی که از ممبران عبور می کند با عنوان Permeate water و آبی که از سیستم خارج می شود تحت عنوان concentrate water.
روش کار سیستم های اسمز معکوس (RO)
پدیده اسمز زمانی رخ می دهد که جریان آب خالص از یک محلول رقیق (محلول با املاح کمتر) از طریق یک ممبران (غشا یا یک پوسته) به سمت محلول غلیط (محلول با املاح بیشتر یا محلول شور) حرکت می کند. فرآیند اسمز در شکل زیر نشان داده شده است که یک غشا نیمه تراوا بین دو آب رقیق و غلیط قرار داده شده است. نیمه تراوا به این معنا که ممبران فقط برای سایز مشخصی از ذرات موجود در آب قابل نفوذ است نه برای همه اجزا موجود در آب. فرض کنید این ممبران فقط برای عبور مولکول های آب نفوذ پذیر (تراوا) است نه برای املاح نمک موجود در آب. بنابراین ، محلول غلیظ در یک طرف ممبران و محلول رقیق در طرف دیگر ممبران قرار می گیرد. این ممبران اجازه می دهد که فقط مولکلول های آب از یک طرف ممبران به طرف دیگر نفوذ کنند. و نمک ها و املاح محلول امکان عبور را ندارند.
به عنوان یک اصل طبیعی ، این سیستم ، در مسیر تعادل خواهد رفت. و این تعادل تاجایی پیش خواهد رفت که غلظت مایع ها در دو طرف ممبران یکسان شود. تنها راه ممکن برای رسیدن به تعادل این است که آب از قسمت رقیق (با غلظت نمک کمتر) به سمت آب در قسمت غلیط (با غلظت نمک بیشتر) حرکت کند تا زمانی که غلظت نمک متعادل شود.
اين نوع ممبران ها به مولكول هاي حلال اجازه عبور مي دهد ولي مانع از انتقال املاح و نمک ها به آن سوي ممبران مي شود. ممبران به كار رفته در فرآیند اسمز معكوس داراي مانعي متراكم در شبكه پليمري است كه بيشترين جداسازي در آن انجام مي شود و در عين حال از عبور مواد حل شده مثل يون هاي نمكي جلوگيري مي كند. علاوه بر ممبران، بايد فشار بالايي را به آب ناخالص اعمـال كرد كـه معمولا بين 40تا 70برابر فشار هوا در سطح دريا است. شكل زیر اساس کار اسمز معکوس را بصورت شماتيك نشان ميدهد.
آب ورودي ، به وسيله خارج كردن ذرات جامد معلق، تنظيم pH و قرار دادن يك مانع براي جلوگيري و كنترل گرفتگي منافذ غشائي به وسيله ذراتي نظير: سولفات كلسيم، ازبيش تصفيه مي شود تا متناسب با اندازه منافذ غشاها شود.در مرحله بعد پمپ، فشار آب ورودي را به اندازه اي بالا مي برد تا مناسب با منافذ غشاء و ميزان نمك موجود در آب ورودي شود. آب حاصل از فرآيند نمك زدائي از غشاهاي نفوذپذيرعبور مي كنند در حالي كه اين غشاها منابع عبور نمك هاي محلول مي شوند.
عبور آب ورودي از غشاء منجربه توليد جريان آب شيرين و جريان آب شور تغليظ شده مي شود. از آنجائي كه غشاها نمي توانند كاملاً مـانع عبور نمك هاي محلول در آب شوند، درصد ناچيزي از نمك از غشا عبور مي كند و در آب حاصل باقي مي ماند. نحوه قرار گرفتن غشاهاي مارپيچي و رشته اي كوچك تو خالي از رايج ترين غشاهاي مـورد استفاده مي باشند. معمـولاً غشاها را از استات سلوز، پلي آميدهاي آروماتيك و يا امروزه از تركيبات با لايه نازكي ازپليمرو پلي سولفات ها مي سازند.
از هر دو نـوع غشا براي نمك زدائي بشور و آب دريا استفاده مي شود. گرچه نوع غشا و ساختمان مجراي فشار بسته به فشارهاي عملياتي مختلف مورد استفاده براي همه دو نوع آب متفاوت مي باشد. قبل از انتقال آب حاصل از غشـا بـه سيسـتم توزيع و مصرف آن به عنوان آب آشاميدني بايد pH آن تنظيم و گندزدائي شود. آب حاصل از ميان ستون تهويـه عبور مي كند و pH ان تقريباً از 5به 7 افزايش مي يابد. در بيشتر مواقع آب حاصل در مخزن ذخيـره مي شود تا بعدها مورد استفاده قرار گيرد. مواد معدني نيز بايستي جهت افزايش TDSبه آب خروجي اضافه و مجـدداً گندزدائي گردد.
