اسمز معکوس Reverse osmosis

اسمز معکوس RO (Reverse osmosis) یکی از بهترین و کارآمدترین روش‌های تصفیه آب می‌باشد که در این مقاله به آن می‌پردازیم.

روش‌های مختلفی برای تصفیه آب دریا وجود دارد. انواع نمک زدایی مکانیکی را می‌توان به دو روش حرارتی یا غشایی طبقه‌بندی کرد.

در حال حاضر بسیاری از کشورهای خاورمیانه، آسیای جنوب شرقی و شمال آفریقا به عنوان نواحی با تنش آبی بالا طبقه بندی می‌شوند.

مصرف جهانی آب به دلیل افزایش چشمگیر جمعیت جهان در مناطق با تنش آبی بالا، از نسبت ۱۴ درصد در سال ۱۹۰۰ تا نزدیک به ۵۸ درصد در دهه ۲۰۰۰ افزایش قابل توجهی یافته است.

با توجه به تحقیقات صورت گرفته توسط سازمان بهداشت جهانی (WHO)، نزدیک ۱٫۲ میلیارد نفر در جهان دارای کمبود آب آشامیدنی سالم می‌باشند که پیش بینی شده است با ادامه این روند تا سال ۲۰۲۵، نصف جمعیت کره زمین در نواحی و مناطقی با تنش آبی بالا زندگی خواهند کرد.

علاوه بر این، کمبود منابع آب شیرین نیز تأثیر چشمگیری بر توسعه کشاورزی دارد.

 این مجموعه حقایق نگران کننده، تلاش‌های گسترده‌ای را برای رفع کمبود آب آشامیدنی سالم با توسعه ابزارهای جایگزین برای منابع آب شیرین می‌طلبد.

 نمک زدایی (desalination) یکی از رویکردهای اتخاذ شده برای تصفیه آب‌ها می‌باشد.

مقدمه

در مقاله پیش رو ابتدا به شرح مختصری از چگونگی فرایند اسمز اشاره کرده، سپس به مقدمه‌ای بر روش اسمز معکوس، چگونگی کارکرد آن و مراحل کلیدی و اساسی این روش در جهت تصفیه آب خواهیم پرداخت.

علاوه بر این، به شرح مختصری از انواع غشاها و چگونگی کاربرد آن در جداسازی املاح و ذرات از آب می‌پردازیم.

در انتها نیز به بررسی مزایای و معایب استفاده از روش اسمز معکوس (RO) در تصفیه آب پرداخته‌ایم.

مطالب گفته شده در این مقاله به شرح زیر می‌باشد:

• اسمز ( osmosis) چیست ؟
• مقدمه ای بر روش اسمز معکوس(RO)
• فرایند اسمز معکوس (RO)
• اسمز معکوس (RO) چگونه کار می‌کند ؟
• تفاوت بین اسمز و اسمز معکوس(RO)
• غشاهای مورد استفاده در فرایند اسمز معکوس (RO)
• مراحل اساسی یک سیستم اسمز معکوس (RO)
• اجرای کلیدی یک سیستم RO
• مزایای اسمز معکوس (RO)
• معایب اسمز معکوس (RO)

اسمز osmosis، در لغت به معنای فرآیندی طبیعی و خود به خودی است که طی آن مولکول‌های یک حلال تمایل دارند از یک غشای نیمه تراوا به وسیله اولترافیلتراسیون از سمت محلولی با غلظت کمتر به سمت محلول غلیظ‌ تر حرکت کند.

شکل زیر، نمایی شماتیکی از فرآیند اسمز می‌باشد.

                                                                                                                     شکل(۱) – شماتیک فرآیند اسمز معکوس Reverse Osmosis

ویژگی های اساسی برای فرایند اسمز

• یک غشای نیمه تراوا
• یک فرایند آرام و خودبه خودی
• در محیط های مایعی رخ می دهد.
• نیازی به مصرف انرژی نداشته و بنابراین انتشار غیرفعال (passive diffusion) نیز نامیده می شود.
• این فرآیند تا زمانی ادامه می یابد که غلظت محلول در دو طرف غشای نیمه تراوا یکسان شود.

معکوس این فرایند، یعنی فرایند اسمز معکوس Reverse osmosis، به عنوان یکی از پرکاربردترین روش ها برای تصفیه آب و جداسازی مواد محلول استفاده می شود که در زیر به توضیح آن می پردازیم .

مقدمه ای بر تصفیه آب با روش اسمز معکوس Reverse osmosis

اسمز معکوس یکی از قدیمی ترین و درعین حال محبوب ترین روش های جداسازی بوده که عمدتاً برای تصفیه آب استفاده می شود.

این فرآیند در سال ۱۹۵۰ برای نمک‌زدایی آب دریا به کار گرفته شد، جایی که کل فرآیند نسبتاً کند و محدود به آزمایشگاه‌های خاصی بود.

با این حال، پس از تحقیقات فراوان و پیشرفت‌های فناوری، پیشرفت‌های چشمگیری به‌ویژه در زمینه پلیمرها و تولید غشاهای کار آمد صورت گرفت.

امروزه، این روش به طور گسترده ای در سراسر جهان برای تصفیه آب برای مقاصد صنعتی، مسکونی، تجاری و علمی استفاده می شود.

اسمز معکوس شامل استفاده از فشار (معمولاً بیشتر از فشار اسمزی) در یک طرف محلول است که در آن یک غشای نیمه تراوا بین محلول ها قرار می گیرد.

این غشاء برای فیلتر کردن آلاینده ها تا کوچکترین ذرات استفاده می شود.

در اسمز معکوس، آب و ذرات محلول توسط یک غشای نیمه تراوا از هم جدا می شوند.

آب از طریق غشاء از محلول با غلظت کم تر به محلول با غلیط تر، تا زمانی که غلظت آب در هر دو طرف به غلظت یکسان برسد، عبور می کند.

اگر به محلول با غلظت بالاتر، فشاری وارد شود، این فرآیند می تواند معکوس شود. با این کار، آب از طریق غشای نیمه تراوا از جامدات و مواد محلول دور شده و جدا می شود.

 این فرآیندی است که در اسمز معکوس برای جداسازی نمک ها و مواد معدنی محلول از آب استفاده می شود.

فرآیند اسمز معکوس Reverse osmosis

فشار اسمزی، حداقل فشار مورد نیاز برای توقف جریان حلال از طریق غشای نیمه تراوا می باشد.

بنابراین، هنگامی که طرف محلول (سمت محلول که غلظت املاح در آن بالاتر است) تحت فشاری بیشتر از فشار اسمزی قرار می گیرد، ذرات حلال در طرف محلول از بین غشای نیمه تراوا به سمت ناحیه ای که غلظت املاح کم تر می باشد، حرکت می کنند.

چنین حرکت معکوس حلال از طریق غشای نیمه تراوا، اسمز معکوس نامیده می شود.

توجه به این نکته ضروری می باشد که به منظور ادامه یافتن فرایند اسمز معکوس (RO)، فشار وارد شده به سمت محلول باید بیشتر از فشار اسمزی باشد.

 فشار اسمزی یک خاصیت جمعی است که به غلظت محلول بستگی دارد.

 در تصفیه آب، فرآیند اسمز معکوس (RO) بسیار مهم است.

بسیاری از دستگاه های تصفیه آب که امروزه استفاده می شوند از اسمز معکوس (RO) در فرآیند تصفیه به عنوان یکی از مراحل استفاده می کنند.

اسمز معکوس Reverse osmosis چگونه کار می کند؟

یک آزمایش ساده را می توان با مقداری آب و یک محلول آبی غلیظ انجام داد.

محلول ها باید در دو طرف مختلف غشای نیمه تراوا قرار بگیرند تا دو محلول از هم جدا شوند.

فشار باید روی طرف محلول غلیظ تر اعمال شود. اکنون این روش باعث می شود که مولکول های آب از طریق غشاء به سمت آب شیرین حرکت کنند.

تصویر زیر اساس فرآیند تصفیه آب با روش اسمز معکوس (RO) را خلاصه می کند.

فیلم زیر روند تصفیه آب با روش اسمز معکوس در کارخانه آب شیرین کن را نشان می دهد.

روی لینک زیر کلیک کنید و در صفحه آب پاک در سایت آپارات فیلم کامل را مشاهده نمایید.

https://www.aparat.com/v/KackB

تفاوت بین اسمز و اسمز معکوس Reverse osmosis

اکنون که هم مفهوم اسمز  وهم اسمز معکوس را فهمیدیم، یک بار دیگر تفاوت بین این دو روش را با هم مرور می کنیم .

اگرچه هر دو فرآیند شامل حرکت مولکول‌های آب می‌شوند، اما کاملاً با یکدیگر متفاوت هستند. در زیر تفاوت های اصلی بین فرایند اسمز و اسمز معکوس آورده شده است.

• اسمز نوعی انتشار (diffusion) است که در آن مولکول های آب ازمیان  یک غشای نیمه تراوا از یک ناحیه با پتانسیل آب بالا به سمت یک ناحیه با پتانسیل پایین تر عبور می کنند.

از طرف دیگر، اسمز معکوس (RO) فرآیندی است که در آن حرکت مولکول های آب از میان یک غشای نیمه تراوا در برابر گرادیان غلظت رخ می دهند.

• فرآیند اسمز نیازی به انرژی ندارد در حالی که در اسمز معکوس، شما نیاز به تامین منبع انرژی مناسب دارید.
• اسمز یک فرآیند طبیعی می باشد، در حالی که اسمز معکوس به صورت تجاری برای اهداف مختلف استفاده می شود.

غشای های مورد استفاده در فرایند اسمز معکوس (RO)

یک سیستم اسمز معکوس به غشاهای آن وابسته بوده  و حول محور آن ساخته می شود. هر غشاء متشکل از یک ورق مارپیچی(اسپیرال) از مواد نیمه تراوا است (بسته به کاربرد متفاوت است).

 غشاها در قطرهای ۲ اینچ، ۴ اینچ و ۸ اینچ موجود می باشند، به طوری که غشاهایی با قطر ۴ و ۸ اینچ بیشتر در صنعت تصفیه آب استفاده می شود.

صنعت تصفیه آب، به طور کلی، طول ۴۰ اینچ را به عنوان اندازه استاندارد پذیرفته است تا غشاهای تولید کنندگان مختلف در سیستم های تجهیزات قابل تعویض و جایگزینی باشند.

 یکی از اندازه گیری های اولیه یک غشاء، فوت مربع آن می باشد.

غشاها در محدوده ۳۵۰-۴۵۰ فوت مربع از سطح موجود می باشند.

غشاهای نیمه تراوا ابتدا با استفاده از استات سلولز (CA) ساخته شدند، با این حال، صنعت به استفاده از کامپوزیت لایه نازک (TFC) قرار گرفته روی یک بستر قوی‌تر، روی آورد.

 امروزه غشاهای TFC عمدتاً مورد استفاده قرار می گیرند.

رایج ترین غشاء RO

دوتا از رایج ترین غشاء RO که بیشترین کاربرد را در تصفیه آب صنعتی دارند عبارتند از :

• استات سلولز (CA)
• کامپوزیت پلی آمید (PA)

در حال حاضر، اکثر غشاها نوع زخم مارپیچی (spiral wound) هستند. با این حال، اطلاعات و پیکره بندی های فیبر توخالی نیز در دسترس می باشند.

غشاء زخم اسپیرال

در پیکربندی زخم اسپیرال، یک غشای ورقه‌ای مسطح و اسپیسرها در اطراف لوله جمع‌آوری تراوش پیچیده می‌شوند تا کانال‌های جریان برای آب نفوذی و تغذیه ایجاد کنند.

 این طراحی جریان را به حداکثر رسانده، در حالی که اندازه ماژول غشاء را به حداقل می رساند.

شکل زیر ساختار و الگوهای جریان را در پیکربندی غشای زخم اسپیرال نشان می دهد.

غشاء فیبر تو خالی

سیستم‌های فیبر توخالی، دسته‌ای از لوله‌های غشایی ریز می باشند.

هنگامی که آب به دیواره های این لوله ها نفوذ می کند، یون ها دفع می شوند و نفوذ از طریق مرکز حفره الیاف جمع آوری می شود.

آب غلیظ در قسمت بیرونی الیاف موجود در محفظه ماژول تولید می شود.

شکل زیر ساختار و الگوهای جریان را در یک سیستم غشایی فیبر توخالی نشان می دهد :

مشخصات سیستم اسمز معکوس

اسمز معکوس (RO) با معکوس کردن اصل اسمز، یعنی تمایل طبیعی آب با نمک های محلول به جریان از طریق غشا از غلظت نمک کمتر به بالاتر، عمل می کند. این فرآیند در سراسر طبیعت یافت می شود.

گیاهان، از آن برای جذب آب و مواد مغذی از خاک استفاده می کنند. همچنین، این فرایند را می توان در انسان و سایر حیوانات نیز مشاهده کرد، جایی که کلیه ها از فرایند اسمز برای جذب آب از خون استفاده می کنند.

سیستم‌های اسمز معکوس می‌توانند تا ۱۰۰ درصد از جامدات معلق و تقریباً ۹۰ درصد از جامدات محلول، سیلیس محلول، قلیاییت و سختی را حذف کنند.

یک استفاده متداول از RO برای تصفیه آب است که می تواند املاح، مواد معدنی و سایر ناخالصی ها را از بین ببرد. همه این ها به بهبود رنگ، طعم و بوی آب کمک می کند.

هر دو اندازه گیری pH و رسانایی برای محافظت از عملکرد موفقیت آمیز یک سیستم RO استفاده می شود.

برخی از انواع غشاهای RO به pH آب حساس می باشد.

اگر PH خارج از محدوده یعنی ۵ تا ۸ باشد، ممکن است آسیب ببینند.

یک سنسور pH در بالادست غشاء می تواند سیگنال بازخوردی برای کنترل دوز معرف اسیدی یا بازی برای حفظ pH در محدوده قابل قبول را ارائه دهد.

اندازگیری‌های رسانایی هم در ورودی و هم در خروجی واحد RO استفاده می‌شود تا مشخص شود که آیا کل جامدات محلول به طور موثر فیلتر می‌شوند یا خیر.

فرایند RO به طور منظم برای تصفیه آب های تجاری و مسکونی استفاده می شود و همچنین به طور گسترده توسط قایق ها برای نمک زدایی آب دریا برای استفاده در کشتی استفاده می شود.

در زیر مراحل اساسی یک سیستم اسمز معکوس (RO) صنعتی آورده شده است:

                                                                                                                                         شکل (۷) مراحل اساسی یک سیستم اسمز معکوس (RO) صنعتی

• پیش فیلتراسیون

سیستم های اسمز معکوس دارای دو نوع پیش فیلتر هستند که ذرات بزرگتر مانند رسوب و کلر را فیلتر می کنند.

 آب ابتدا از طریق یک پیش فیلتر رسوبی جریان می یابد که ذراتی مانند گرد و غبار را از بین می برد.

سپس از میان یک پیش فیلتر کربن فعال جریان می یابد.

به موادی مانند کلر و ترکیبات آلی فرار (VOCs) متصل و آن ها را حذف می کند.

• اسمز معکوس

پس از پیش فیلتراسیون، رویداد اصلی اسمز معکوس رخ می دهد.

در این مرحله، پمپ، آب را از طریق غشای نیمه تراوا عبور می دهند. سپس ذرات جامد حل شده کوچکتر و سخت تر را به دام می اندازد.

این مرحله از اسمز معکوس اغلب می تواند اکثریت قریب به اتفاق مواد جامد محلول در آب را حذف کند.

• زهکشی 

هنگامی که آب از طریق غشای نیمه تراوا جریان یافت، مرحله بعدی زهکشی است که ناخالصی های حذف شده را زهکشی می کند.

این مرحله ضروری است، زیرا آلاینده هایی که روی غشاء جمع می شوند می توانند کارایی آن را به خطر بیندازند.

افزایش راندمان سیستم RO با تخلیه ناخالصی ها امکان پذیر است.

• ذخیره سازی 

مرحله آخر، ذخیره سازی آب تصفیه به منظور استفاده نهایی است.

مخزن ذخیره سازی اغلب یک ظرف تحت فشار بزرگ است تا آب تصفیه شده را بدون نیاز به ضایعات در خود جای دهد.

 آب تصفیه شده همچنین ممکن است از میان یک فیلتر کربن اضافی جریان یابد که می تواند هر گونه ناخالصی های سرگردان را حذف کند.

اجزای کلیدی سیستم RO

اجزای ضروری هر سیستم اسمز معکوس عبارتند از :

• غشاهای RO

غشاهای مجزا در یک محفظه بارگذاری می شوند که می تواند تا شش غشا را به صورت سری و پشت سر هم  نگه دارد.

• محفظه (Housing)

محفظه ها به منظور ثابت نگه داشتن فیلترهای اسمز معکوس در جای خود ضروری هستند.

آنها همچنین به شیرهای چک و خطوط زهکشی وصل می شوند که از جریان برگشتی جلوگیری کرده و آب را قادر می سازند تا به طور موثر تخلیه شود.

• مراحل (Stages)

سپس محفظه ها به جریان های موازی به نام مراحل، گروه بندی می شوند. یک سیستم اسمز معکوس منفرد می تواند تا سه مرحله پشت سر هم ادامه پیدا کند.

مزیت اصلی استفاده از مراحل RO به صورت سری، کاهش فاضلاب می باشد.

در یک سیستم مرحله ای RO کارآمد، فاضلاب را می توان تا ۱۵٪ از کل جریان کاهش داد، در حالی که جریان دفع از یک غشاء منفرد به تنهایی می تواند تا ۵۰٪ باشد.

• فیلتر کارتریج پیش تصفیه

یک سیستم RO کامل، همچنین شامل یک فیلتراسیون کارتریج پیش تصفیه و یک پمپ فشار می باشد.

فیلترهای کارتریج پیش تصفیه، مواد جامد بزرگتر را قبل از اینکه به سمت غشای نیمه تراوا پیش برود، از آب جدا می کنند.

 این مرحله برای جلوگیری از رسوب غشاء و افزایش طول عمر آن ضروری است.

فیلترهای کارتریج ساختار ساده ای دارد. از رشته های پلی پروپیلن ساخته می شوند.

• سیستم کنترل

یک سیستم جامع RO همچنین دارای یک سیستم کنترل می باشد.

یک سیستم بزرگتر حاوی فرستنده های جریان، دما و فشار و همچنین شیرهای کنترلی است

این سیستم از واسطه انسان و ماشین (HMI) یا به وسیله کنترل گر منطقی برنامه پذیر (PLC) کار می کند.

سیستم‌های بزرگ‌تر همچنین از درایوهای فرکانس-متغیر (VFD) برای پمپ‌های تحت فشار و در بعضی مواقع برای دستگاه‌های بازیابی انرژی استفاده می‌ شود.

سیستم کنترل به کاربران اجازه می دهد تا سیستم RO را از ابتدا تا انتها نظارت و کنترل کنند.

همچنین اغلب حاوی هشدار هایی است که می تواند اپراتورها را از مشکلات سیستم RO که نیاز به توجه و اقدام فوری دارد، مطلع سازند.

مزایای استفاده از روش اسمز معکوس (RO)

در زیر ما به چند مورد از مهمترین مزایای روش اسمز معکوس (RO) اشاره می کنیم.

• برای حذف موثر بسیاری از انواع ذرات شیمیایی محلول و معلق و همچنین موجودات بیولوژیکی (مانند باکتری) از آب از فرایند RO استفاده می شود.

فیلترهای آب اسمز معکوس بسیاری از باکتری ها و عوامل بیماری زا را از آب لوله کشی حذف می کنند.

باکتری های بیماری زا مانند ژیاردیا و کریپتوسپوریدیوم (دو نوع انگل که باعث بروز بیماری های عفونی در روده انسان می شوند) به طور موثر از منبع آب شما فیلتر خواهند شد.

بنابراین خطر ابتلا به بیماری های گوارشی یا سایر انواع بیماری های مرتبط با این نوع پاتوژن ها و باکتری ها را از بین می برند.

طعم و بوهای کلر نیز حذف می شوند. آب تصفیه شده شما با فرایند RO نه تنها سالم تر، بلکه خوش طمع تر نیز خواهد بود.

• با یک فیلتر آب RO در هزینه آب بطری گران قیمت صرفه جویی خواهید کرد.
• سیستم های RO فضاگیر نبوده و مصرف انرژی پایینی دارند.

واحد های فعال نسبتا متراکم و فشرده می باشد. به همین علت به فضای کمی نیاز دارند.

بنابراین، برای تصفیه خانگی مناسب می باشد. فیلترهای آب اسمز معکوس مقرون به صرفه هستند و آب با کیفیت فوق العاده ای را ارائه می دهند.

سیستم‌های فیلتر آب RO ممکن است مسدود شوند.

به همین دلیل استفاده از آن به همراه یک پیش فیلتر رسوبی ایده خوبی است، زیرا می تواند ذراتی را که ممکن است غشاء های RO را مسدود کرده یا به آن آسیب وارد کند، به راحتی فیلتر کرده و از خرابی و عملکرد نامناسب سیستم جلوگیری کند.

مزایای RO

• تکنیک تصفیه RO کاربرد گسترده ای در تصفیه پساب ها دارد.
• برای نمک زدایی آب دریا استفاده می شود.
• عمر مفید غشاها به طور متوسط، کمی بیشتر از یک تا دو سال قبل از تعویض آن می باشد.
• تعمیر و نگهداری سیستم بسیار ساده است.
• سیستم RO نیازی به استفاده از مواد شیمیایی برای تصفیه آب ندارد.

معایب استفاده از تصفیه آب با روش اسمز معکوس (RO)

در زیر ما به چند مورد از معایب روش اسمز معکوس (RO) اشاره می کنیم.

• غشاهای استات سلولز تحمل pH محدودی دارند. در دمای بالاتر از ۳۵ درجه سانتی گراد تجزیه و در برابر باکتری ها آسیب پذیر می باشند. در نتیجه نهایتاً هیدرولیز می شوند.
• کامپوزیت های با ضخامت نازک نسبت به کلر غیر قابل تحمل می باشند.

پلی سولفون های با شار بالا برای عملکرد مناسب نیاز به نرم شدن یا یونیزاسیون آب آشامیدنی دارند.

• نیاز به تعویض و تعمیر و نگهداری همیشگی فیلتر دارد.
• وقتی صحبت از کاربرد خانگی می شود، کل فرآیند بسیار کند است، زیرا فشار استفاده شده بسیار کم است.

مزایای استفاده از سیستم اسمز معکوس بستگی زیادی به نیازهای کیفی آب فیلتر شده مورد نظر شما دارد.

در مکان هایی با تصفیه عالی آب (مانند آزمایشگاه ها یا مطب های دندانپزشکی)، استفاده از سیستم RO بهترین انتخاب می باشد.

گردآورنده : محمد علی بابایی

Reference 

https://byjus.com/chemistry/reverse-osmosis

https://complete-water.com/resources/what-is-reverse-osmosis#:~:text=Reverse%20Osmosis%20(RO)%20works%20by,and%20nutrients%20from%20the%20soil

https://www.waterfiltershop.co.uk/blog/advantages-and-disadvantages-of-reverse-osmosis-water-filters

https://www.sciencefacts.net/osmosis.html

https://www.yokogawa.com/us/library/resources/application-notes/ph-orp-measurement-for-reverse-osmosis/

https://www.idreco.com/reverse-osmosis/

https://www.vedantu.com/chemistry/reverse-osmosis

شرکت مهندسی آب پالایش آراکیا با تجربه چندین ساله خود در زمینه طراحی، ساخت، نصب و راه اندازی انواع پکیج های تصفیه آب و فاضلاب آماده ارائه مشاوره رایگان به شما عزیزان می باشد.

جهت کسب اطلاع و مشاوره با کارشناسان مجموعه تماس حاصل فرمایید:

۰۲۶-۳۴۲۴۵۸۹۱

۰۲۶-۳۴۲۴۲۵۰۶

۰۲۶-۳۴۲۸۳۸۵۹

۰۲۶-۳۴۲۷۹۹۵۶

شماره تلگرام و واتس آپ مجموعه “آب پاک“

۰۹۰۱۲۳۶۲۰۱۸