تصفیه آب به روش سیستم اسمز معکوس (RO)

اسمز معکوس چیست

اسمز معکوس، تکنولوژی مدرنی است که آب را برای مصارف متعددی از جمله نیمه رساناها، خوراک‌پزی، تکنولوژی زیستی، داروها، تولید برق، نمک زدایی آب دریا و آب خوردنی شهری، تصفیه می‌نماید.
از اولین آزمایشاتی که در سال 1950 انجام شد طی آن هر ساعت چند قطره آب تولید می‌شد، امروزه نتیجه صنعت اسمز معکوس در تولید مشترک جهانی به بیشتر از 7/1 میلیون گالن در هر روز رسیده است.
با افزایش روز افزون تقاضاها برای آب خالص (تصفیه شده)، رشد صنعت اسمز معکوس در قرن آینده با افزایش روبه‌رو خواهد شد.

پیشینه‌ی تاریخی

تحقیق در مورد اسمز معکوس در سال 1950 در دانشگاه فلوریدا، جایی که رید و بوتون که توانستند خاصیت نمک زدایی ممبرن استات سلولز را شرح دهند، آغاز شد.
لوب و سوریرجان، گسترش تکنولژی اسمز معکوس را با ایجاد نخستین ممبرن استات سلولز نا متقارن ادامه دادند.
تحقیق در مورد این پیشرفت خوب و امیدوار کننده منجر به ایجاد پیکر بندی بهتر و جدیدتر اجزای اسمز معکوس شد، به طوریکه امروزه این صنعت اکثرا اجزای مارپیچ فنری و در برخی موارد اجزای فیبر توخالی را تولید می‌کنند. دراوایل سال 1980 تحقیق و بررسی در لابراتوارهای دولتی آمریکا، منجر به تولید نخستین ممبرن پلی آمیر مرکب شد. این ممبرن‌ها عمدتا نسبت به ممبرن‌های سلولزیک، از جریان تراوش و نمک زدایی بالاتری برخوردارند.
امروزه با معرفی ESPA3 توسط هیدراناتیک‌ها، این صنعت با ترتیب کاهش بزرگی در مسیر نمک، به افزایش 20 دفعه‌ای در جریان هر فشار بر روی ممبرن‌های سلولزیک اصلی رسیده است.

نیمه تراوا چیست

نیمه تراوا به ممبرنی اشاره می‌کند که بطور انتخابی به اقسام خاصی اجازه‌ی عبور می‌دهد در حالیکه الباقی گونه‌ها باقی می‌مانند.
در واقع بیش‌تر گونه‌ها از ممبرن خواهند گذشت اما با سرعت متفاوت و قابل توجه.
در اسمز معکوس، محلول (آب) با سرعت بیش‌تری نسبت به ذرات نامحلول (نمک‌ها) از ممبرن‌ها عبور می‌کنند، با توجه به اینکه آب خالص تولید می‌شود، پیامد نهایی این است که تفکیک حلال حل شده روی می‌دهد. در برخی موارد عدم آبیاری باعث غلیظ شدن نمک می‌شود.

اسمز چیست

اسمز یک روش و شیوه‌ی نرمال (طبیعی) شامل عبور یک محلول غیلظ از میان مانع ممبرن نیمه تراوا می‌باشد. یک مخزن آب خالص را با ممبرن نیمه تراوا که به دو قسمت تقسیم شده، تصور کنید. آب خالص در مقایسه با دو قسمت یک ممبرن نیمه تراوا ایده‌آل در فشار و دما برابر از میان ممبرن‌ها عبور نمی‌کند، زیرا اختلاف سطح شیمیایی دو قسمت برابر است.

اگر نمک قابل حل به یک قسمت اضافه شود، اختلاف سطح شیمیایی این محلول نمک کاهش پیدا می‌کند. استمرارا قسمت آب خالص از میان ممبرن به سمت قسمت محلول نمک حرکت می‌کند تا تعادل اختلاف سطح شیمیایی احیا گردد.
در شرایط علمی، دو قسمت مخزن از لحاظ اختلاف سطح شیمیایی شان تفاوت دارند و محلول، از طرف اسمز، اختلاف سطح شیمیایی‌اش را در کل سیستم همسان می‌سازد. تعادل زمانی برقرار می‌شود که ناهمسانی و تفاوت فشار هیدرواستاتیک ناشی از تغییرات گنجایش حجم در قسمت، با فشار اسمزی برابر می‌شود. فشار اسمزی، یک تناسب خاصیت محلول به غلظت نمک و استقلال ممبرن است.

اسمز معکوس چیست

در مخزن، آب به سمت قسمت نمک‌دار ممبرن حرکت می‌کند تا تعادل برقرار شود. بکارگیری فشار خارجی برای همسان سازی قسمت محلول نمک با فشار اسمزی همچنین باعث برقراری تعادل خواهد شد. فشار مضاعف باعث افزایش اختلاف سطح شیمیایی آب موجود در محلول نمک می‌شود و سبب عبور حلال به سمت قسمت آب خالص می‌گردد. زیرا در آن حالت دارای اختلاف سطح شیمیایی پایین‌تری می‌باشد. این پدیده اسمز معکوس نامیده می‌شود.

نیروی محرک شیوه‌ی اسمز معکوس، فشار کاربردی است. مقدار انرژی مورد نیاز برای تفکیک اسمزی مستقیما به میزان شوری حلال مربوط می‌شود. بنابراین، انرژی بیش‌تری برای تولید مقدار یکسان آب از حلال با غلظت بالای نمک لازم است.

اسمز معکوس چگونه کار می‌کند

برای درک اسمز معکوس بهتر است با اسمز نرمال شروع کنیم. بر طبق دیکشنری وبستر هریام، اسمز به معنای حرکت و جنبش حلال از ممبرن نیمه تراوا (مثل سلول زنده) به داخل محلول بسیار غلیظ شده‌ای است که تمایل به همسان سازی غلظت حل شده روی دو طرف ممبرن دارند. این یک تعریف صحیح محسوب می‌شود. در سمت چپ، بشر پر از آب قرار دارد و مخزنی که در آب نیمه غوطه ور است. همانطور که انتظار دارید سطح آب در مخزن به اندازه‌ی سطح آب در بشر است. در آن جا، انتهای مخزن به ممبرن نیمه تراوا چسبیده است و مخزن با محلول نمکی نیمه پر است و در آن غوطه ور است. در ابتدا سطح محلول نمک و آب برابر است اما با گذشت زمان، وقایع غیر منتظره‌ای روی می‌دهد. آب داخل مخزن افزایش میابد. این افزایش را به فشار اسمزی نسبت می‌دهند.
ممبرن نیمه تراوا ممبرنی است که برخی از اتم‌ها یا مولکول‌ها را عبور می‌دهد، اما مانع عبور بقیه می‌گردد.
ممبرن است اما تقریبا برای هر چیزی که ما معمولا از آن عبور می‌دهیم، ناتراوا می‌باشد.

مثال ممبرن نا تراوا، آستر روده‌های شما یا دیوار سلول است gore-tex از یک ممبرن نیمه تراوا معمول دیگر است.
ساختار gore-tex شامل لایه‌ی نسبتا نازک پلاستیکی است که در داخل آن میلیون‌ها روزنه‌ی کوچک ایجاد کرده‌اند. روزنه‌ها برای عبور بخار آب از آن به اندازه کافی بزرگ هستند اما برای جلوگیری از عبور آب مایع به اندازه کافی کوچک‌اند.
ممبرن به غیر از مولکول‌های نمک به مولکول‌های آب اجازه عبور می‌دهد.
یک روش برای درک فشار اسمزی این است که مولکول‌های آب را بر روی دو طرف ممبرن تصور کنید.
این تصور در تضاد با Brownian motion است.
بر روی قسمت نمکی، بعضی از روزنه‌ها با اتم‌های نمک مسدود شده‌اند اما در قسمت آب خالص چنین چیزی وجود ندارد.
بنابراین آب بیش‌تری از قسمت آب خالص عبور می‌کند، چون روزنه‌های بیش‌تری برای عبور آب خالص در قسمت آب خالص وجود دارد.

آب موجود در قسمت نمکی افزایش می‌یابد تا یکی از این دو حالت روی دهد:
غلظت نمک در دو طرف ممبرن مساوی شود، البته در این مورد این حالت روی نمی‌دهد، چون آب خالص در یک قسمت و آب شور در طرف دیگر وجود دارد.
همان‌طور که ارتفاع ستون آب شور افزایش می‌یابد فشار آب نیز افزایش پیدا می‌کند تا اینکه فشار اسمزی برابر شود. در این نقطه اسمز متوقف خواهد شد.
به هر حال، اسمز دلیل این مسئله است که نوشیدن آب شور(مثل آب اقیانوس) شما را خواهد کشت. زمانیکه آب شور وارد معده‌تان می‌شود، فشار اسمزی، آب را به بیرون بدنتان هدایت می‌کند، تا نمک در داخل معده‌ی شما رقیق شود، بنابر این شما آب بدنتان را از دست می‌دهید (آب بدنتان خشک می‌شود) و می‌میرید.
در اسمز معکوس، هدف این است که از ممبرن به گونه‌ای استفاده شود که شبیه فیلتری برای تولید آب قابل نوشیدنی آب شور (یا آب آلوده‌ی دیگر) عمل نماید.
آب شور روی یک طرف ممبرن گذاشته می‌شود و فشار برای متوقف کردن اعمال می‌شود.
سپس وارونه می‌شود، یعنی جریان اسمزی روی می‌دهد، در مجموع این کار فشار زیادی می‌گیرد و نسبتا کند پیش می‌رود اما به هر حال این کار انجام می‌شود.