اسمز معکوس (reverse osmosis) یکی از فرآیندهای بسیار کاربردی در صنایع مختلف از جمله تصفیه آب است که عکس فشار اسمزی طبیعی عمل می کند. در طبیعت و بدن انسان آب رقیق تحت فشار اسمزی قرار گرفته و به سمت آب غلیظ حرکت می کند. این روند تا زمانی ادامه دارد که غلظت آب نهایی به تعادل برسد و در اسمز معکوس جهت حرکت آب عکس فشار اسمزی طبیعی است. در ادامه تاریخچه اسمز معکوس و ممبران های به کار رفته در آن، کاربرد و نقش آن در دستگاه آب شیرین کن صنعتی را بررسی خواهیم کرد.
اسمز معکوس چیست؟
اگر در یک لوله u شکل یک فیلتر یا ممبران قرار دهید و آب غلیظ و رقیق را در دو سمت آن وارد کنید، فشار اسمزی ایجاد می شود. این فشار باعث حرکت آب رقیق به سمت آب غلیظ میشود و این حرکت های رفت و برگشتی در نهایت باعث ایجاد تعادل در غلظت آب دو سمت لوله می شود. به این پدیده فشار اسمزی گفته میشود که در کلیه انسان، ریشه درختان می توان آن را مشاهده کرد.
اسمز معکوس کاملا عکس فشار اسمزی عمل می کند و آب غلیظ را به سمت آب رقیق هدایت می کند. در این روند ممبران های قرار گرفته در مسیر حرکت آب غلیظ املاح، فلزات سنگین و آلاینده های موجود در آب را حذف می کنند و آب با غلظت کمتر از آن عبور می کند. با توجه به اینکه این روند عکس پدیده طبیعی است، در نتیجه برای هدایت آب در خلاف فشار اسمزی از پمپ های هوا استفاده می شود.
تاریخچه اسمز معکوس
فشار اسمزی تا سال 1748 میلادی پدیده ای ناشناخته در طبیعت و بدن انسان بود و در نهایت توسط فیزیولوژییست فرانسوی به نام Jean-Antoine Nollet شناسایی و کشف شد. بعد از کشف این پدیده، نولت از مثانه خوک برای پیاده سازی آن در محیط آزمایشگاهی استفاده کرد. مثانه خوک در این آزمایش نقش ممبران را برعهده داشت و آب بعد از عبور از آن از نظر غلظت به تعادل می رسید. فیلترهای تولید شده با مثانه خوک به مرور در سال 1876 با ممبران های تولید شده از فروسیانید مس که توسط Moritz Traube معرفی شد، جایگزین گردید.
تا سال 1963 اسمزمعکوس کاربرد نداشت و در صنعت جایگاهی پیدا نکرد. در پروژه شیرین سازی آب در آمریکا از سال 1940 این پدیده مورد توجه قرار گرفته و تحقیقات گسترده ای در این زمینه انجام شد. در دانشگاه کالیفرنیا در سال 1963 اولین ممبران های اسمز معکوس از پلیمر استات سلولز تولید شد. تولید این ممبران ها انقلابی در این صنعت ایجاد کرد و اسمز معکوس بیشتر مورد توجه قرار گرفت. Srinivasa souriajan ،Sidney leob در تولید این ممبران ها نقش اصلی را ایفا کردند.
در نهایت در سال 1977 کیپ کورال فلوریدا در ایالت متحده آمریکا برای تصفیه آب و شیرین سازی آن از این اسمز معکوس استفاده کرد. راندمان بسیار بالای این روش در نهایت منجر به استقبال سایر کشورها برای تصفیه و شیرین سازی آب دریا و آب های لب شور شد. به طوریکه کشور عربستان در دقیقه 31 مترمعکب آب شیرین با این روش تولید می کند.
بیشتر بخوانید: آب شیرین کن های عربستان و رفع مشکلات کم آبی
تاریخچه مختصر اسمز معکوس
- کشف اولیه: پدیده اسمز برای اولین بار در قرن 17 توسط ژان آنتوان نولت مشاهده شد. او متوجه شد که آب به طور طبیعی از محلول رقیق به سمت محلول غلیظتر حرکت میکند.
- توسعه غشاهای مصنوعی: در اواسط قرن 18، موریتس تراوب اولین غشای مصنوعی را برای مطالعه پدیده اسمز ساخت.
- اسمز معکوس: در اوخر قرن نوزردهم، دانشمندان با اعمال فشار بر آب، جهت حرکت را معکوس کرده و موفق شدند آب را از محلول غلیظ به سمت محلول رقیقتر حرکت دهند. این فرآیند، اسمز معکوس نام گرفت.
- توسعه تجاری: در دهه 1960 و 1970، با توسعه غشاهای پلیآمیدی، فناوری اسمز معکوس به صورت تجاری در دسترس قرار گرفت.
تاریخچه ممبران های اسمز معکوس
ممبران یا غشای نیمه تراوا اصلی ترین نقش را در پیاده سازی اسمز معکوس دارد و صنعت تولید آن گذشته پر از فراز و نشیبی را طی کرده است. اولین ممبران به کار رفته برای شبیه سازی فشار اسمزی از مثانه خوک تولید شد. به مرور این پدیده مورد توجه قرار گرفته و از متریال های گوناگونی برای تولید غشا استفاده شد.
- اولین ممبران تولید شده از فروسیانید مس در سال 1867 توسط Moritz Traube ارائه شد.
- در سال 1950 جان کادوت غشایی از جنس تری مسوئیل کلرید را با پلیمریزاسیون سطحی ارائه داد که شار بالایی داشت.
- ممبران های پلیمر استات سلولز در سال 1963 در دانشگاه کالیفرنیا تولید شد.
- در سال 1970 ممبران از جنس کامپوزیت پلی آمید توسط کمپانی فیلمتک ارائه شد.
- در سال 1972 ممبران های TFC تولید شدند. این ممبران ها از جنس پلیمرهای پلی آمید بود.
بیشتر بخوانید: دستگاه تصفیه آب صنعتی
ممبرانهای مورد استفاده در اسمز معکوس
ممبران یا غشا، عضو کلیدی سیستم اسمز معکوس است. این غشاها، ساختارهای بسیار نازکی هستند که دارای منافذ بسیار ریز بوده و تنها به مولکولهای آب اجازه عبور میدهند. انواع مختلفی از ممبرانها در سیستمهای اسمز معکوس استفاده میشود که از جمله مهمترین آنها میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
- ممبرانهای سلولوزی: از اولین نسل ممبرانها بوده و امروزه کمتر مورد استفاده قرار میگیرند.
- ممبرانهای پلیآمیدی: رایجترین نوع ممبران در سیستمهای اسمز معکوس بوده و دارای کارایی و انتخابپذیری بالایی هستند.
- ممبرانهای کامپوزیتی: ترکیبی از چندین لایه هستند و دارای خواص مکانیکی و شیمیایی بهبودیافتهای میباشند.
وضعیت کنونی و آینده اسمز معکوس
امروزه، اسمز معکوس یکی از مهمترین و پرکاربردترین فناوریهای تصفیه آب در جهان است. با توجه به افزایش تقاضا برای آب شیرین و نگرانیهای زیستمحیطی، انتظار میرود که اهمیت این فناوری در آینده بیشتر شود. برخی از حوزههای تحقیقاتی فعلی در زمینه اسمز معکوس عبارتاند از:
- توسعه غشاهای جدید: تولید غشاهایی با کارایی بالاتر، انتخابپذیری بیشتر و عمر طولانیتر.
- کاهش مصرف انرژی: بهبود طراحی سیستمها و استفاده از انرژیهای تجدیدپذیر برای کاهش هزینههای عملیاتی.
- کاربردهای نوین: گسترش کاربردهای اسمز معکوس در حوزههای جدید مانند تولید هیدروژن و بازیافت مواد ارزشمند از پسابها.
نحوه کار دستگاه اسمز معکوس
در تمام دستگاه هایی که از RO برای حذف آلاینده های موجود در آب استفاده می کنند روند زیر طی می شود:
- آب شور با غلظت بالا به کمک فشار تولید شده با پمپ هوا به سمت ممبران های وسط مخزن هدایت می شوند
- املاح، فلزات سنگین، باکتری ها و سایر آلاینده های محلول و نامحلول روی سطح ممبران تجمع یافته و آب با غلظت پایین از آن عبور می کند.
اجزای لازم برای پیاده سازی اسمز معکوس
بر اساس تعریف و نکاتی که برای این فرآیند ارائه شد، پیاده سازی آن نیاز به قطعات و اجزای متعددی دارد. اصلی ترین این قطعات، ممبران، پمپ و ابزارهای اندازه گیری است. ممبران ها دارای انواع مختلفی بوده و متناسب با پارامترهای کیفی آب انتخاب می شوند. پمپ ها برای ایجاد فشار و هدایت آب خلاف فشار اسمزی استفاده می شوند و به شدت بر سرعت تصفیه آب تاثیرگذار هستند.
بعد از اجرای اسمز معکوس به مرور ممبران ها رسوب زیادی می گیرند و کارایی آنها کاهش پیدا می کند. ابزارهای اندازه گیری مقدار TDS آب خروجی و فشار را مشخص می کند. در صورت غیراستاندارد بودن این پارامترها شستشوی ممبران های اسمز معکوس اجرا می شود.
آلاینده های قابل حذف با اسمز معکوس چیست؟
با توجه به نوع ممبران های به کار رفته برای پیاده سازی این فرآیند، آلاینده های متفاوتی قابل حذف هستند. از جمله آلاینده هایی که با این روش حذف می شوند می توان به گزینه های زیر اشاره کرد:
- فلزت سنگین
- املاح و نمک های موجود در آب
- باکتری ها، قارچ، چلبک
- ذرات جامد معلق در آب
کاربرد اسمز معکوس در تصفیه آب صنعتی
اسمز معکوس در صنایع مختلف برای تولید آب با کیفیت بالا مورد استفاده قرار میگیرد. برخی از مهمترین کاربردهای آن عبارتند از:
- تولید آب آشامیدنی: حذف نمکها، مواد معدنی و میکروارگانیسمها از آب شور و لبشور برای تولید آب آشامیدنی.
- صنایع غذایی و دارویی: تولید آب با خلوص بالا برای شستشوی محصولات، تهیه محلولها و دیالیز.
- صنایع الکترونیک: تولید آب فوق خالص برای استفاده در فرآیندهای تولید نیمهرساناها و قطعات الکترونیکی.
- نیروگاهها: تولید آب دیاری برای دیگهای بخار و سیستمهای خنککننده.
- صنایع شیمیایی: تولید آب با کیفیت بالا برای استفاده در فرآیندهای شیمیایی و تولید محصولات شیمیایی.
- تصفیه آب نساجی
- تصفیه آب رنگرزی
- تصفیه آب صنایع دارویی
- تصفیه آب صنایع غذایی
- تصفیه آب کشاورزی
- تصفیه آب مرغداری
- تصفیه آب بیمارستان
- تصفیه آب کارخانه آب معدنی
مزایای استفاده از اسمز معکوس در تصفیه آب صنعتی
- تولید آب با کیفیت بالا: حذف طیف وسیعی از آلایندهها از جمله نمکها، مواد آلی، باکتریها و ویروسها.
- کارایی بالا: توانایی حذف مواد محلول با وزن مولکولی بالا.
- هزینه عملیاتی مناسب: با توجه به پیشرفتهای تکنولوژیکی، هزینههای عملیاتی سیستمهای اسمز معکوس کاهش یافته است.
- دوستدار محیط زیست: عدم استفاده از مواد شیمیایی خطرناک در فرآیند تصفیه.
نتیجه گیری
اسمز معکوس فرآیندی خلاف فشار اسمزی است که در آن آب شور با غلظت بالا از ممبران عبور کرده و به آب با غلظت پایین تبدیل می شود. با توجه به اینکه این پدیده خلاف اسمز است، برای پیاده سازی آن نیاز به پمپ های هوا می باشد. علاوه براین، از غشای نیمه تراوا نیز برای جداسازی املاح، ذرات جامد و مواد محلول و نامحلول آب استفاده میشود. از این فرآیند در صنعت تصفیه آب و فاضلاب و در صنایع گوناگون استفاده شده و تا 98 درصد قابلیت حذف آلاینده ها را دارا است.
به طور خلاصه، تاریخچه اسمز معکوس نشان میدهد که این فناوری از یک پدیده طبیعی به یکی از مهمترین ابزارهای بشر برای تصفیه و شیرینسازی آب تبدیل شده است. با توجه به پیشرفتهای مستمر در این حوزه، میتوان انتظار داشت که اسمز معکوس نقش مهمی در تامین آب شیرین و حفظ محیط زیست در آینده ایفا کند.
