اسمز و اسمز معکوس ، هر گاه دو محلول آب با غلظت های متفاوت نمک، توسط یک غشاء نیمه تراوا، که فقط امکان عبور آب را فراهم می سازد، از هم جدا شده باشند، به صورت طبیعی آب از سمت محلول رقیق به سمت محلول غلیظ منتقل می شود.
این فرایند تحت فشاری انجام می شود که آن را فشار اسمزی Osmotic Pressure می نامند:
Π = RT.n / V = R.T.C
Where:
ח: Osmotic pressure (Pa)
T: Temperature (°K)
R: Ideal gas constant = 8.314 (J/ mol.° K)
C: Concentration gradient (difference) ,
حال چنانچه فشاری به اندازه(P>) P روی محلول غلیظ وارد شود، جهت انتقال آب، معکوس می شود.
به این ترتیب، آب از محلول شور جدا می شود و آب شیرین تولید می گردد.
فرآیند اسمز و فشار اسمزی ( Osmosis Process and Osmotic Pressure)
فرآیند اسمز یا اسمز معکوس ، پديده‌اي است كه به طور طبيعي در فرآيندهاي بيولوژيكي متفاوت رخ مي‌دهد. ديواره‌هاي سلول، ساير سلول های مغذي را از خود عبور مي‌دهد و ساير مواد را از خود دفع مي‌كند. در اين حالت، ديواره‌هاي سلول به عنوان يك غشاي نيمه تراوا در نظر گرفته مي‌شود. عبور آب از غشاي نيمه تراوا كه به عنوان حلال در اسمز معكوس به كار گرفته مي‌شود، نسبت به عبور نمكها، جامدات معلق و مواد آلي سنگين در اولويت قرار دارد. در اسمز معكوس، عبور مواد بر خلاف پديده اسمز است، به طوری كه جريان از سمت غليظتر به سمت رقيق تر عبور مي‌كند.
اگر محلول آب نمك در داخل يك ظرف ريخته شود و توسط غشاي نيمه تراوا از آب خالص جدا شود، تغيير در حجم هر يك از دو قسمت ظرف مشاهده مي‌شود. آب خالص از ميان غشا به سمت محلول آب نمك حركت مي‌كند در نتيجه، در سمت آب نمك، ارتفاع آب بالاتر مي‌رود، در حالي كه در بخش آب خالص ارتفاع آب، كاهش پيدا مي‌كند. اين عبور جريان آب از غشا به طرف محلول آب نمك، اُسمز ناميده مي‌شود. (شكل 1)
در اصطلاح فيزيك، آب، موجب رقيق شدن آب نمك مي‌شود و اين، به معناي افزايش آنتروپي سيستم است. آنتروپي، يك قانون ترموديناميكي است كه بيان مي‌كند: «هر فرآيندي كه به طور خود به خود در طبيعت اتفاق افتد، موجب افزايش بي‌نظمي مي‌شود، مگر اينكه انرژي مصرف شود تا از جهات مختلف، جلوي انجام فرآيند را بگيرد».
اختلاف در ارتفاع مايع بين آب خالص و آب نمك، موجب اختلاف فشار خالص در دو طرف غشا مي‌شود. اين اختلاف فشار، فشار اسمزي محلول آب نمك ناميده مي‌شود كه تابعي از خصوصيات نمكها و غلظت آن ها است.
اگر با اعمال فشار فيزيكي يا افزايش ارتفاع محلول آب نمك، تعادل بين آب خالص و آب نمك به هم بخورد، آب خالص از طريق غشا از قسمت آب نمك به قسمت آب خالص نفوذ مي‌كند و نفوذ تا زماني ادامه مي‌يابد كه تعادل، مجدداً برقرار شود، به طوري كه فشار اُسمزي محلول آب نمك با فشار محلول آب نمك بر روي غشاي نيمه تراوا برابر شود كه اين نيز بستگي به فشار آب خالص برروي غشا دارد. به عنوان مثال، اگر مقداري آب نمك به ظرف محتوي آن اضافه شود، مقداري آب از غشا عبور خواهد كرد. اگر غلظت آب نمك اضافه شده با غلظت آب نمك اوليه برابر باشد، آب تا زماني از غشا عبور خواهد كرد كه اختلاف ارتفاع بين دو طرف به اختلاف ارتفاع اوليه برسد.(شكل 2)
اعمال فشار به قسمت آب نمك را مي‌توان توسط يك پمپ اعمال نمود. در اين حالت، پمپ نيروي مورد نياز جهت راندن مولكول‌هاي آب از ميان غشا را تأمين مي‌كند. عبور جريان آب از بخش آب نمك به بخش آب خالص، اسمز معكوس ناميده مي‌شود. ميزان عبور آب از غشا توسط رابطه‌ي زير مشخص مي‌شود.
شار آب محصول
(Psid اُسمزي – Psidغشا)KT= شارآب محصول
شار آب محصول، مقدار جرياني است كه در واحد زمان از واحد سطح غشا عبور مي‌كند. KT ضريب ثابتي است كه بستگي به غشا دارد و تابعي از دما است.
Psid(Pounds Per Square Inch Differential) غشا:
اختلاف فشار بين دو طرف غشا (به عنوان مثال، اختلاف فشار در نتيجه وجود اختلاف ارتفاع) است.
Psid اُسمزي:
اختلاف بين فشار اُسمزي هريك از محلول‌هاي دو طرف غشا مي‌باشد. (وقتي كه غلظت ماده محلول در سمت آب خالص غشا ناچيز باشد، فقط فشار اُسمزي محلول در بخش نمكي غشا در نظر گرفته مي‌شود.)
تمام آب موجود در محلول آب نمك قادر به عبور از غشا نيست. همچنان كه آب از محلول آب نمك خارج مي‌شود، محلول، غليظ تر مي‌شود. براي غلبه بر افزايش فشار اُسمزی محلول تغليظ شده، احتياج به افزايش فشار هيدروليكی خواهد بود. به عبارت ديگر، عبور جريان آب، زماني متوقف خواهد شد كه فشار اعمال شده، برابر با فشار اُسمزی محلول آب نمك باشد.
اسمز معكوس ، تنها قادر است يك محلول را به آب خالص تر و محلول غليظ تر تقسيم كند. به جريان غليظتر، آب شور و يا دور ريز هم گفته مي‌شود. معمولاً مقدار جريان دورريز، توسط حلاليت نمكها و يا فشار اُسمزي جريان غليظ مشخص مي‌شود.
اگر چه غشا، آب خالص را از خود عبور مي‌دهد، اما در عين حال، مقداری نمك نيز از داخل غشا نفوذ مي‌كند كه اين مقدار، متناسب با گراديان غلظت در سطح غشا است. (برای مثال، اختلاف غلظت بين قسمت آب خوراك و آب محصول)
(غلظت ماده محلول (محصول)- غلظت ماده محلول (خوراك) × k = جريان نمك
K ، ضريب ثابتي است كه بستگي به جنس غشا و ضخامت آن دارد.
غلظت ماده محلول (خوراك)، غلظت نمك در بخش آب خوراك غشا است.
غلظت ماده محلول (محصول)، غلظت نمك در بخش آب محصول غشا است.
مفهوم دو عبارت آخر اين است كه ميزان عبور نمك از غشا تابعي از فشار نيست، بلكه در حقيقت، تابعي از دبي آب است. بنابراين، اگر فشار بيشتری در قسمت آب غليظ شده به آن وارد شود، نتيجه آن، اثری در غلظت نمك در بخش آب خالص نخواهد داشت.
فشارهای اسمزی نمونه وار در دمای 25 درجه سانتیگراد
نمودار غلظت جامدات محلول به عنوان تابعی از فشار اسمزی
انواع غشا در فرآیند اسمز معکوس (Types of Reverse Osmosis Membranes)
جهت تهيه آب خالص، از غشای سولز استات (CA) و پلي اميد (PA) استفاده مي‌شود كه اين دو، از گروه پليمرها هستند. نوع سوم غشاء كه در سال های اخير از آن استفاده می‌شود، پلي سولفان باردار است.
سلولز استات
غشای سلولز استات، اولين بار به صورت حلزوني مورد استفاده قرار گرفت. سلولز استات، كار يكنواخت ارايه مي‌كند (تحت شرايط عملياتی مخصوص به خودش) و نسبت به غلظت های زياد، ولي بدون كلر آزاد، مقاوم است.
انتخاب اين نوع غشا در سيستم RO تا زماني بود كه هنوز پلي‌اميد در دسترس قرار نگرفته بود.
غشاي سلولز استات، يك غشاي بدون بار به حساب مي‌آيد، بدين معنا كه حلقه‌هاي انتهایی پليمر به شدت قطبی نيستند و اين يك مزيت نسبت به ساير غشاها نظير پلي‌اَميد و پلي سولفان باردار است. به طوري كه تمايل غشا به گرفتگي سطح بسيار ناچيز است. در غشاي سلولز استات، سطحي كه در معرض آب خوراك قرار دارد بسيار نازك و شبيه به يك لايه صاف است كه چرم و يا پوست ناميده مي‌شود. همچنين به نظر مي‌رسد كه زبري اين لايه به مقاومت سلولز استات در مقابل گرفتگي كمك مي‌كند.
شکل – نمايي از غشاء سلولزاستات اسمز معكوس
شكل -گرفتگي غشاي سلولز استات
مهمترين فاكتور براي غشای سلولزاستات، كنترل PH است. غشاي سلولزاستات با گذشت زمان، هيدروليز خواهد شد. در اين حالت، غشا خاصيت دفع نمك را از دست خواهد داد. سرعت تخريب، به دما و PH بستگي دارد.همچنان كه در شكل نشان داده شده، اختلاف فاحشي در سرعت هيدروليز وجود دارد كه به شرايط عملياتي بستگي دارد.
جهت كاهش سرعت هيدروليز غشاي سلولزاستات، بيشتر سيستم‌هاي محتوي اين نوع غشا، جهت كاهش PH از اسيد استفاده مي‌كنند. PH مطلوب حدود 8/4 است، تنظيم PH به مقدار كمتر از 5/6، سرعت هيدروليز سلولز استات (CA) را به حداقل مي‌رساند به طوري كه غشا، حداقل سه سال كارآيی خواهد داشت.
ماده اوليه سلولزاستات، يك نوع بخصوص از سلولز دي‌استات است كه پس از مخلوط شدن با سلولز تري استات، سلولز استات با كيفيت بهتري توليد مي‌شود. اين غشاي تركيبي، دبي آب محصوص بيشتري دارد و مقاومت بيشتري در مقابل حمله‌ي باكتری ها و هيدروليز از خود نشان مي‌دهد. تقريباً تمام غشاهای سلولزاستات كه امروزه در ساخت المنتهاي RO مورد استفاده قرار مي‌گيرند و به فروش مي‌رسند، تركيبي از پليمرهاي سلولز استات هستند.
شكل – سرعت هيدروليز غشاي سلولز استات برحسب PH
غشاهای سلولز استات در مقابل غلظت‌هاي معمول عوامل ميكروب كش و اكسيد كننده مانند كلر آزاد و كلرامين، مقاوم هستند. در نتيجه غشاي سلولز استات براي استفاده در جاهايي مناسب است كه امكان بيوفولينگ (گرفتگي بيولوژيكي) زياد است. (بيوفولينگ، عبارت از گرفتگي است كه بر اثر رشد مواد بيولوژيكي به وجود مي‌آيد). در اين موارد، امكان تزريق كلر تا حد Pmm1 به آب خوراك RO و به صورت پيوسته وجود دارد تا بدون اينكه عمر غشا را كاهش دهد، رشد بيولوژيكي را كنترل كند.
مشخصات كارآيي غشاي سلولز استات براي استفاده در اسمز معكوس در محدوده وسيعي قرار دارد و بستگي به اين دارد كه چگونه غشا ساخته شده باشد. غشاي سلولز استات كه به منظور كاربرد با دور ريز زياد ساخته شده، در مقايسه با غشايي كه به منظور كاربرد با دور ريز كم آب ساخته شده است، جريان آب محصول كمتري توليد مي‌كند. دو نوع از متداولترين غشاهاي سلولز استات در حالت استاندارد قابليت دور ريز 90% از كلرايد كلسيم و در حالت ماكزيمم قابليت دورريز 97% تا 98% آن را دارا هستند. غشا با دورريز بيشتر با تغيير لطافت در اتصال و بادوام كردن آن قابل ساخت است. بعضي از كارخانه‌هاي سازنده غشای سلولز استات، با روش تميزكاري سطحي، غشاهاي بلا استفاده را مجدداً بازيافت مي‌كنند. به اين حالت، «جوانگرايي غشاء گفته مي‌شود. تخمين زماني در مورد اينكه چه مدت، سطح غشا به صورت تميز باقي خواهد ماند و مقدار آب دورريز چه ميزان خواهد بود، غيرقابل پيش‌بيني است.
در سيستم‌هاي بزرگ RO معمولاً از غشاي سلولز استات زماني كه فشار آب خوراك بين 200 تا 400Psig است، استفاده مي‌شود. اگر فشار Psig200 باشد، دبي آب محصول در حدود نصف آن در فشار psig400 خواهد بود. در فشار Psig 200 غلظت املاح در آب محصول تقريباً دو برابر زماني است كه فشار psig400 است.
اگر فشار آب خوراك psig500 باشد، سرعت گرفتگي زياد خواهد بود. غشای سلولز استات براي كاربردهايي كه فشار آب خوراك آن ها زياد است، مناسب نيستند. اين نوع غشا براي نمك‌زدايي آب دريا مناسب نيست، زيرا فشار بايد بين 800 تا psig1000 باشد.
پلي‌اَميد/لايه‌ي نازك
استفاده از غشاهاي پلي‌اميد به خاطر زياد بودن آب محصولشان نسبت به سطح غشاي آنها، گسترش يافته‌اند. غشاي پلي‌اميد در ابتدا با آرايش تارهاي پوستي مورد استفاده قرار گرفت. ساختمان شيميايي آن از پلي‌اميد آروماتيك خطي است كه به شكل تارهاي پوك بسيار ريز، قالب گرفته مي‌شود. غشاي پلي اميد كه با آرايش حلزوني مورد استفاده قرار مي‌گيرد از لايه نازك پلي اميد آروماتيك ساخته شده كه به شكل فرعي پلي سولفان با جرم حجمي كم درآمده است. اين نوع خاص از غشا، لايه نازك ناميده مي‌شود. ساختمان شيميايي اين غشا، چليپايي است كه در مقابل عوامل اكسيد كننده مقاومت بيشتري دارد.
غشاي پلي اميد لايه نازك، اساساً داراي شار بيشتري نسبت به سلولزاستات است. اين، موجب مي‌ـشود كه فشار راهبري سيستم اسمز معكوس براي غشاي پلي اميد نيمي از فشار غشاي سلولزاستات باشد و دفع نمك بهتر صورت پذيرد. اين بدين معنا است كه يك سيستم RO با استفاده از غشاي لايه نازك نيمي از انرژي سيستم RO با غشاي سلولز استات را مصرف مي‌كند. (psig200 در مقابل Psig 400).
شکل – نمايي از غشاء پلي آميد اسمز معكوس
هزينه اوليه دستگاه های سيستم RO با غشاي لايه‌ي نازك معمولاً به دو دليل از نوع مشابه آن با غشاي سلولز استات ارزانتر است. هزينه لوله‌كشي و اتصالات پمپي كه Psig200 فشار دارد، كمتر است.
همچنان كه تشريح شد، سيستم غشاي سلولز استات براي راهبري در psig200 قابل طراحي است. بنابراين، تعداد المنتها و لوله‌هاي مورد نياز در اين فشار دو برابر آنچه كه در فشار Psig400 لازم است، خواهد بود و به علاوه، اتصالات داخلي، لوله‌كشي اضافي و اسكلت بزرگتري، مورد نياز خواهد بود و غلظت نمك در آب محصول حدود دو برابر بيشتر خواهد شد.
زماني كه غشاي پلي‌اميد لايه‌ي نازك با شار زياد براي اولين بار در صنايع مورد استفاده قرار گرفت، راهبري آنها همچون غشاي سلولزاستات در Psig400 صورت مي‌گرفت.
حتي تصور مي‌شد كه اين كار به سيستم لايه‌ي نازك اين اجازه را مي‌دهد كه دو برابر سيستم سلولزاستات، آب محصول داشته باشد و مقدار نمك در آب محصول هم نصف باشد، ولي سرعت گرفتگي غشا به دليل شار زياد افزايش محسوسي خواهد داشت.
سازندگان غشا در عوض فروش غشاي جديد، ترجيح دادند كه با راهبري در فشار پايين، انرژي ذخيره شود. متناوب بودن رانش شار اضافي از ميان غشا توسط اعمال فشار Psig400 موجب صرف هزينه كمتر در تهيه دستگاههاي اوليه مي‌شود (به عنوان مثال، غشا و محفظه كمتري لازم است تا همان دپي به دست آيد)، اما هزينه نگهداري زياد مي‌شود. افزايش گرفتگي كه ناشي از زياد بودن شار است موجب مي‌شود كه شستشوي شيميايي و تعويض غشاها زودتر انجام پذيرد.
شكل – فرمول ساختماني غشاي 30- FT
شكل -. فرمول ساختماني غشاي 15-B و 9-Dupton B
غشاي پلي‌اميد به عوامل اكسيد كننده نظير كلر آزاد يا يُد آزاد، بسيار حساس است.
بدن معنا كه اگر در آب خوراك سيستم، كلر آزاد وجود دارد بايد توسط يك عامل احيا كننده، نظير بي‌سولفيت سديم، يا با عبور آب خوراك از كربن فيلتر، كلر آزاد از ميان برداشته شود. (توجه: با سازنده غشا تماس گرفته شود.)
به محض حذف عامل اكسيد كننده از نوع بايو سايدي در آب خوراك، احتمال فعاليت بيولوژيكي و متعاقب آن، گرفتگي غشا بيشتر خواهد شد. در مورد بسياري از آبهاي سطحي و بعضي از چاههاي آب، رشد بيولوژيكي موجب غيرقابل استفاده شدن غشاي PA مي‌شود؛ مخصوصاً اگر از سيستم به تناوب (نوبتي) استفاده شود.
غشاي پلي اميد لايه‌ي نازك كه غالباً در صنايع تصفيه آب مورد استفاده قرار مي‌گيرد، داراي مشخصات بار منفي است. در بعضي از منابع آب، اين بار منفي ساير ذرات را كه موجب گرفتگي شده‌اند، جذب مي‌كند. تنها مواد شيميايي كه با اين بار سازگار هستند بايد در تماس با غشا قرار بگيرند. به عنوان مثال، فقط تَر سازهاي آنيوني بايد براي شستشوي غشاي پلي‌اميد آنيوني مورد استفاده قرار بگيرند.
مقايسه غشاهاي پلي آميدي و استات سلولز
میزان حذف آلاینده ها توسط غشاهای پلی آمید و استات سلولز سیستم اسمز معکوس
غشای پلي اَميد سیستم اسمز معکوس براي آب دريا
نوع خاصي از غشای پلي‌اميد براي تصفيه آب دريا و ساير كاربردهايي كه در آن ها نياز به فشار زياد است، موجود مي‌باشد. اين نوع المنت های غشا از يك لايه ضخيم‌تر پلي‌اميد استفاده مي‌كنند. ميزان شار آب محصول با وجود لايه ضخيم تر غشاء كمتر است، اما دفع نمك، بهتر صورت مي‌گيرد.
كاربرد غشای پلي اميد براي آب دريا مزايايي دارد و نيز براي كاربردهايي غير از آب دريا مناسب است. افزايش دور ريز املاح موجب بهبود كيفيت آب محصول مي‌شود. همچنين، كاهش شار آّ محصول مي‌تواند به كاهش پتانسيل گرفتگي غشا كمك كند.
در كاربردهايي كه نياز است غلظت آب دو ريز بسيار زياد باشد، فشار اُسمزي سيستم در حالي كه آب خوراك تغليظ مي‌شود، به طور محسوسي افزايش مي‌يابد. براي رفع اين مُعضل در مراحل بعدي، به فشار بيشتري نياز است. به هرحال، پايين بودن فشار اُسمزي در ابتداي مرحله در صورت استفاده از المنت غشاي پلي اميد مخصوص آب دريا، موجب افزايش بيش از حد آب محصول مي‌شود. المنت غشا براي آب دريا مي‌تواند مورد استفاده قرار گيرد تا ميزان شار را در سيستم RO موازنه كند و قادر به كاهش سرعت گرفتگي در المنتهاي ابتدايي سيستم است.