اسمز معکوس چیست؟

آیا تا به حال به این فکر افتاده‌اید که چگونه می‌توانیم منابع آبیاری و آب آشامیدنی خود را حفظ کنیم؟ آب، یکی از منابع طبیعی گران‌بها و اساسی برای زندگی در سطح جهان است و همچنین نقش بسیار مهمی در توسعه پایدار دارد. با افزایش جمعیت جهانی و نیازهای رو به رشد انسانی، تقاضا برای این مایع حیاتی نیز روز به روز بیشتر می‌شود. در این شرایط، تصفیه آب به روش اسمز معکوس به صورتی که بتواند به طور موثر و پایدار منابع آب را تامین کند، امری بی‌نیاز از آب‌های زیرزمینی و سطحی است.

اما آیا می‌دانید که چگونه می‌توان از فناوری‌های نوین برای تصفیه آب استفاده کرد؟ در اینجا به دنبال ارائه یک راه حل نوین در تصفیه آب هستیم که با استفاده از این فناوری، قدمی مهم در جهت حفظ منابع آبی و خلق آینده‌ای سبز برمی‌داریم.

در این مقاله، برای شما به طور دقیق فرایند اسمز معکوس را توضیح می‌دهیم، به تعاریف مهم در آن و مقایسه روش اسمز معکوس با فیلتراسیون می‌پردازیم و در نهایت با توجه به نتایج تحقیقات مربوطه، نقش این فناوری در حفظ منابع آبی و ایجاد آینده‌ای سبز را بررسی خواهیم کرد.

آیا شما نیز علاقه‌مند به شناخت بیشتر درباره این فناوری نوین هستید؟ پس با ما همراه شوید تا در ادامه مقاله به این موضوعات پرداخته و راهکارهای جذابی را برای استفاده مؤثر از اسمز معکوس در تصفیه آب به شما نشان دهیم.

 

تعریف اسمز معکوس

اسمز معکوس، فناوری است که به شما امکان می‌دهد تا آب را از طریق ممبران تصفیه کنید. این فرایند در برابر روش‌های تصفیه‌های سنتی که بر پایه استفاده از فیلترهای مکانیکی و محلول‌های شیمیایی استوار است، بسیار پیشرفته‌تر و بهینه‌تر است. با استفاده از این فناوری، می‌توان آب را به صورتی تصفیه کرد که شامل حذف مواد رنگی، معدنی، شوری و حتی میکروارگانیسم‌های آلوده باشد. علاوه بر این موارد، با این فناوری می‌توان آب شور دریاها و اقیانوس‌ها را تصفیه کرده و به آب قابل مصرف تبدیل نمود.

روش اسمز معکوس در تصفیه آب، با گسترش مطالعات صورت گرفته بر روی شرایط فیزیکی ایده آل، که در آن یک حلال خالص و یک محلول به وسیله غشاء نیمه نفوذ پذیر جدا شده اند، بسط و گسترش یافته است. اختلاف فوگاسیته میان حلال و محلول نیرو محرکه انتقال جرم در فرایند اسمزی است و با معکوس کردن این پدیده در این فرآیند، مولکول های آب از غشا (ممبران) عبور کرده و یون‌ها و ناخالصی‌های آب از آن جدا و تصفیه می‌گردند.

اسمز معکوس به عنوان یک فرایند غشایی با جریان متقاطع در مقایسه با سایر روش‌های فیلتراسیون مانند میکروفیلتراسیون، اولترافیلتراسیون و نانوفیلتراسیون از راندمان بالاتری نسبت به حذف شوری و املاح برخوردار می‌باشد و این مساله به دلیل قطر حفره‌های ممبران این روش می‌باشد که کمتر از  nm 1 است.

 

اسمز معکوس چیست؟

برای توضیح اینکه اسمز معکوس چیست؟ وضعیت فیزیکی ایده آل در شکل نشان داده شده را در نظر بگیرید.

با توجه به این شکل، محفظه ای با یک دیواره نیمه نفوذپذیر به دو بخش تقسیم شده است. بخش سمت چپ حاوی یک مخلوط مایع دوجزیی حل شونده (۱) و حلال (۲) و بخش سمت راست حاوی حلال خالص (۲) است.

 

در مورد تصفیه آب به روش اسمز معکوس می‌توان گفت که بخش سمت چپ، حاوی آب شور و بخش سمت راست حاوی آب شیرین (تصفیه شده) و دیواره نیمه نفوذ پذیر غشا اسمز معکوس (RO) است و دیواره فقط نسبت به جز حلال (۲) یا همان آب نفوذپذیر است.

در این بخش دما ثابت است؛ اما می‌توان به کمک پیستون‌های متحرک، فشار دو بخش را مستقلاً تنظیم نمود.

توجه داشته باشید که اگر فشار P=P` باشد، فوگاستیه حلال در بخش چپ کوچکتر از سمت راست خواهد بود.

تفاوت فوگاسیته‌های حلال همان نیروی محرکه انتقال جرم است که باعث می‌شود تا حلال از دیواره راست به چپ نفوذ کند و تعادل زمانی برقرار می‌شود که فشار P` تا مقدار متناسب P* افزایش یابد و فوگاسیته حلال دو طرف، برابر گردد.

چنانچه آبی دارای کسر مولی x1=0.001  از یک جز حل شونده باشد؛ آن‌گاه فشار اسمزی آن برابر با ۱.۳۶ اتمسفر می‌گردد و این عدد در این فرآیند بدان معنا است که به ازای فشار حلال خالص یعنی P=1atm بایستی فشار P` روی محلول برابر با ۲.۶۳atm باشد تا از نفوذ حلال از راست به چپ جلوگیری شده و یعنی تعادل اسمز ایجاد شود.

 

 

این مشاهده به عنوان یک ایده برای فرآیندی به نام اسمز معکوس مورد آزمایش قرار گرفت که در آن حلال که معمولاً آب است و با اعمال فشار کافی برای ایجاد نیرو محرکه لازم برای انتقال حلال از غشایی که عملاً فقط نسبت به حلال نفوذپذیر است، از محلول جدا می‌شود.

توجه داشته باشید که اختلاف فشار مایع در برابر فشار حلال خالص همان فشار اسمزی است.

در عمل، اختلاف فشار بسیار بیشتر از فشار اسمزی است. به عنوان مثال، آب دریا دارای فشار اسمزی ۲۵bar می‌باشد؛ اما فشار عملیاتی ۵۰~۸۰bar برای افزایش شدت بازیافت آب آشامیدنی به کار می‌رود. ویژگی بارز این روش تصفیه آب آن است که بر خلاف تقطیر که معمولاً بخار منبع انرژی است، فقط نیازمند توان مکانیکی برای پمپ کردن محلول است.

جنس غشاء اسمز معکوس چیست؟

در تصفیه آب صنعتی به روش اسمز معکوس، مهمترین بخش از سیستم را ممبران یا همان غشا نیمه تروا تشکیل می‌دهد. ممبران در این دستگاه به صورت رایج از جنس پلی آمید و به صورت Spiral wound ساخته می‌شود. ممبران پلی آمید به رنج‌های گسترده‌ای از pH مقاوم می‌باشد و به وسیله آن می‌توان غشا با قطر حفر‌های کمتر از ۱nm را تولید نمود.

ممبران اسمز معکوس پلی آمید به شدت به مواد اکسید کننده مانند کلر آزاد حساس بوده و در صورت ترکیب، از بین خواهد رفت.

همچنین استفاده از ممبران Spiral wound در این روش سبب می‌‌شود که سطح موثر و در نتیجه آبدهی بیشتری به دست بیاید. از سوی دیگر سهولت در راهبری و افزایش تکنیک‌های طراحی در روش اسمز معکوس، از دیگر مزایای این قبیل ممبران‌ها می‌باشد.

در یک ممبران آب خام ورودی پس از برخورد با سطح غشا به دو بخش تقسیم می‌شود. یک بخش آب تصفیه شده می‌باشد که در واقع مولکول‌های آب از لابه لای صفحات در هم تنیده شده غشا عبور می‌نمایند و به لوله مرکزی ممبران اسمز معکوس می‌رسند و در بخش دیگر کلیه املاح، ذرات معلق و مولکول‌های درشت‌تر به همراه جریان پساب از ممبران خارج می‌شوند.

 

تقسیم بندی ممبران‌های اسمز معکوس

ممبران‌های اسمز معکوس بر اساس میزان آبدهی، سایز و کاربرد آن در آب‌های شور یا آب دریا تقسیم بندی می‌شوند. هرچه قطر ممبران بزرگ‌تر باشد، سطح موثر و آبدهی آن بالاتر می‌باشد.

در تکنولوژی اسمز معکوس هرچه شوری آب ورودی به ممبران بالاتر باشد، فشار اسمزی آن افزایش می‌یابد. سازندگان ممبران‌ها با ارائه طبقه بندی از انواع ممبران‌های تولیدی خود، شرایط آبدهی، حداکثر تحمل فشار، میزان Salt rejection و حداکثر میزان ریکاوری را اعلام می‌نمایند تا طراحان و سازندگان دستگاه تصفیه آب اسمز معکوس، بر اساس آن واحدهای مورد نظر را طراحی نمایند.

 

تعاریف مهم در اسمز معکوس

 

اسمز معکوس روش فیلتراسیون متقاطع می‌باشد و این بدان معنا است که آب ورودی به این دستگاه تصفیه آب به دو بخش آب تصفیه شده (Permeate)  و پساب (Concentrate) تقسیم  می‌شود.

اسمز معکوس به صورت ساده از دو بخش واحدهای پیش تصفیه و بخش اسمز معکوس تشکیل شده و برخی از مهم‌ترین تعاریف آن شامل موارد ذیل می‌باشد:

درصد بازیافت (Recovery) :

درصد بازیافت، نسبت دبی آب شیرین به دبی آب ورودی بر حسب درصد است.

درصد ریکاوری، پارامتر مهم در طراحی می‌باشد که علاوه بر تاثیر مستقیم بر روی فشار ورودی به ممبران، بر روی کیفیت آب شیرین و  بر روی عمر مفید ممبران‌های اسمز معکوس تاثیر می‌گذارد.

درصد عبور ناخالصی:

درصد عبور ناخالصی، نسبت مقدار ناخالصی در آب شیرین به ناخالصی در آب ورودی بر حسب درصد است.

 

درصد طرد (Salt rejection) :

درصد طرد نمک در سیستم اسمز معکوس یا همان Salt rejection توسط سازندگان ممبران برآورد شده و ارائه می‌گردد و از تفریق ۱۰۰ از درصد عبور ناخالصی به دست می آید.

بر این اساس می‌توان تخمین زد که با استفاده از دستگاه تصفیه آب اسمز معکوس تا چه میزان می‌توان آب شور یا آب دریا را تصفیه نمود.

 

مقایسه اسمز معکوس با فیلتراسیون

صاف کردن یا فیلتراسیون روشی فیزیکی برای حذف مواد معلق از آب است و روش‌های پیشرفته در فیلتراسیون شامل حذف املاح محلول و ذرات کلوئیدی نیز می‌شوند.

به طور کلی می‌توان دستگاه‌های تصفیه آب صنعتی را با توجه به توان جداسازی به شکل ذیل طبقه بندی نمود.

 

 

همانطور که در شکل مشاهده می‌شود؛ در روش اسمز معکوس صرفاً مولکول‌های آب و گاز از غشا نیمه تراوا عبور می‌کنند؛ اما در روش‌های دیگر فیلتراسیون این توانایی در حذف املاح و شوری آب وجود ندارد.

 

علت این امر در اندازه قطر غشاء در برابر ذرات می‌باشد و این مساله در تصویر زیر به خوبی نمایش داده شده است.
همچنین غشا اسمز معکوس با سطح موثر بسیار بالا و قطر حفره‌های کوچکتر از nm  ۱می‌تواند کلیه املاح محلول، ذرات معلق و ارگانیزم‌ها را از آب جدا نماید.

 

در این مقاله، به بررسی فناوری اسمز معکوس در تصفیه آب پرداختیم و متوجه شدیم که این فناوری نوین توانسته است به طور چشمگیری منابع آبی را حفظ و به خلق یک آینده‌ای سبز کمک کند.

با استفاده از این روش، می‌توان آب را به صورتی تصفیه کرد که به آب قابل مصرف و بدون نیاز به منابع آبیاری طبیعی تبدیل شود.

اما آیا می‌خواهید آینده‌ای سبز و پایدار را برای نسل‌های آینده بسازید؟ حالا فرصتی مناسب پیش روی شماست. با اطلاعاتی که در این مقاله به دست ‌آورید، می‌توانید فناوری اسمز معکوس را در زندگی خود به کار بگیرید و آب را به طور بهینه تصفیه کنید.

همچنین، با انتخاب این راهکار سبز و پایدار؛ می‌توانید به کاهش هدررفت آب، حفظ منابع آبی و حتی کمک به رونق کشاورزی و توسعه پایدار شهرها و روستاها کمک کنید. برای اطلاعات بیشتر همین حالا با تیم طرح و کار تماس بگیرید!