فرایند اسمز معکوس (RO)

اسمز معکوس Reverse Osmosis  (RO) ، اسمز معكوس از جمله شيوه هايي است که امروزه بطور گسترده در شيرين سازي آب دريا، جداسازي مواد آلي و سمي از پساب های صنعتي بکار برده مي شود. بطور کلي اين روش بر پايه انتقال جرم حلال با استفاده از غشای نيمه تراوا و نيز فشار هيدرواستاتيك استوار است. جهت آشنايي با فرايند اسمز معکوس، شناخت پديده اسمز از اهميت بالايي برخوردار است.


اُسمز پديده‌اي است كه به طور طبيعي در فرآيندهاي بيولوژيكي متفاوت رخ مي‌دهد. ديواره‌هاي سلول، اجازه عبور مواد غذايي و بازمانده محصولات را داده، در حاليکه ساير مواد را از خود دفع مي‌كنند. در اين حالت، ديواره‌هاي سلول به عنوان يك غشاي نيمه تراوا عمل مي کند.
در رابطه با غشاء نيمه تراواي مورد استفاده در اسمز معکوس، آب در رقابت با نمک، ذرات معلق و مواد آلي با وزن مولکولي بالا در اولويت قرار داشته و از غشا عبور مي کند. اسمز معكوس، يک حرکت وارونه نسبت به اسمز استاندارد است به نحوي که در آن حلال از سمت غليظتر به سمت رقيقتر حرکت مي‌كند.
چنانچه يک محلول آب نمك در يك ظرف ريخته شود و توسط غشاي نيمه تراوا از آب خالص جدا شود، يک تغيير حجم در هر يك از دو سمت ظرف مشاهده مي‌شود. آب خالص از ميان غشا به سمت محلول آب نمك جريان خواهد يافت. در نتيجه ارتفاع آب ظرف در سمت آب نمك افزايش يافته در حالي كه در بخش آب خالص ارتفاع آب كاهش پيدا مي‌كند. اين عبور جريان از سمت خالص به طرف محلول آب نمك اُسمز ناميده مي‌شود (شكل a. 1). اختلاف ارتفاع مايع بين آب خالص و آب نمك، موجب اختلاف فشار خالص در دو طرف غشا مي‌شود. اين اختلاف فشار، فشار اُسمزي محلول آب نمك ناميده شده كه تابعي از خصوصيات نمكها و غلظت آن ها مي باشد.  

     


شکل-فرآيند اسمز و اسمز معکوس


در اصطلاح فيزيك، آب موجب رقيق شدن آب نمك مي‌شود و اين به معناي افزايش آنتروپي سيستم است. بر طبق قانون آنتروپي، هر فرآيندي كه به طور خود به خود در طبيعت اتفاق افتد، موجب افزايش بي‌نظمي مي‌شود، مگر آنكه انرژي صرف شود تا از جهات مختلف جلوي انجام فرآيند گرفته شود.
چنانچه با اعمال فشار فيزيكي يا افزايش ارتفاع محلول آب نمك، تعادل بين آب خالص و آب نمك به هم خورد، 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  b.1)

 

حذف ذرات توسط اسمزمعکوس

اعمال فشار به قسمت آب نمك مي‌تواند توسط يك پمپ صورت گيرد. 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، اُسمز معكوس ناميده مي‌شود.



نوع غشاء غیرمتقارن یا مرکب
ضخامت

لایه زیرین : 150 میکرون

لایه بالایی : 1 میکرون

اندازه حفرات < 2 نانومتر
نیروی محرکه

فشار : آب لب شور (15 تا 25 بار)

آب دریا (40 تا 80بار)

اساس جداسازی حلالیت و نفوذ
جنس غشاء تري استات سلولز،پلي آميد آروماتيک، پلي آميد و پلي اتر اوره (پليمريزاسيون بين سطحي)
کاربردهای عمده نمک زدايي آب شور و آب دريا، توليد آب فوق خالص (صنايع الکترونيک)، تغليظ آب ميوه و شکر (صنايع غذايي )، تغليظ شير (صنايع لبني)


جدول - خلاصه مشخصات فرآيند اسمز معکوس





سيستم اسمز معکوس

 
اسمز معكوس از جمله شيوه هايي است که امروزه بطور گسترده در شيرين سازي آب دريا، جداسازي مواد آلي و سمي از پسابهاي صنعتي بکار برده مي شود. بطور کلي اين روش بر پايه انتقال جرم حلال با استفاده از غشاي نيمه تراوا و نيز فشار هيدرواستاتيك استوار است. از R.O. در كارهاي مختلفي مانند نمك زدايي از آب دريا يا آب شور، بازيافت پساب فرآيندهاي مواد غذايي و نوشابه، كارخانجات دارويي و تصفيه خانه هاي فاضلاب و … استفاده مي شود. از. R.Oبراي توليد آبهاي خيلي خالص جهت صنايع رساناها و يا نيروگاهها و كاخانجات مواد بهداشتي دارويي نيز استفاده مي شود. با توجه به بالا رفتن تكنولوژي ساخت غشاء و افزايش كارائي آن، امروزه بصورت سيستم هاي اوليه جهت حذف املاح در آب هاي نيروگاهي، صنعتي و … استفاده مي شود.
تفاوت‌هاي زيادي را مي‌توان بين اين سه نوع دسته‌بندي ملاحظه كرد. از جمله مي‌توان به مقدار فشار به كار گرفته، سرعت پساب‌دهي (Rate of permeation) و مكانيسم جداسازي اشاره نمود.

 

فرآيندهاي غشايي مرسوم ميكروفيلتراسيون، الترافيلتراسيون و اسمز معكوس (هايپرفيلتراسيون) ـ در كاربرد فشار هيدروليك براي سرعت دادن فرآيند جداسازي تفاوت مي‌كنند. البته طبيعت خود غشاء نيز تعيين كننده اين است كه چه تركيباتي عبور كرده و چه تركيباتي گرفته مي‌شوند. اسمز معكوس تمام مواد بجز حلال (مثل آب) را مي‌گيرد در حالي كه الترافيلتراسيون تنها ماكرومولكولها يا ذرات بزرگتر از 001/0-02/0 ميكرومتر را مي‌گيرد. ميكروفيلتراسيون ذرات سوسپانسيوني در ابعاد 1/0 تا 5 ميكرون را جدا مي‌كنند. ذرات بزرگتر از 10-5 ميكرون نيز بهتر است بوسيله فيلترهاي مرسوم جدا شوند.
بازیافت(Recovery) آب در سیستم اسمزمعکوس(RO)معمولی بین 90%-70% و میزان جداسازی نمک بین 90%-99٪ است.
واحدهای اسمز معکوس(RO)صنعتی با کارآیی و بازده بالا، با هزینه ای مقرون به صرفه ، آب با  بالا تولید می کنند.
بازیابی آب تصفیه شده به عوامل مختلفی بستگی دارد ، از جمله اندازه غشاء ، اندازه منافذ و سطح غشایی ، دما و فشار کارکرد.





جدول- استانداردهای آب ورودي به سيستم اسمز معکوس و نانوفيلتراسيون (شرکت DOW آمریکا)


آب قبل از ورود به سیستم اسمز معکوس(RO) وارد سیستم پیش تصفیه می شود. مهمترین مرحله در تصفیه خانه های فاضلاب صنعتی با روش اسمز معکوس (RO) ، مرحله ی پیش تصفیه است که از غشاء در مقابل رسوب مواد آلی ، رسوب گذاری مواد معدنی و تخریب شیمیایی محافظت می کند. قبل از اینکه اسمز معکوس (RO) در نظر گرفته شود ، یک تعادل کامل بین کاتیون ها و آنیون های موجود در آب مورد نیاز است. همچنین مقادیر بالای BOD و COD نیز می تواند در شکل گیری رسوب غشاء نقش داشته باشد. در حال حاضر طیف گسترده ای از فناوری های پیش تصفیه مورد استفاده ی صنایع مختلف می باشد.


 
در مرحله ی پیش تصفیه ی اسمز معکوس (RO) مواد شیمیایی ضد رسوب که باعث ایجاد آسیب به غشاهای دستگاه  اسمز معکوس(RO) می شود ، تزریق می شود. این گزینه های پیش از تصفیه، توانایی از بین بردن سختی ، کلر ، بو ، رنگ ، آهن و گوگرد را دارند. سپس آب توسط یک پمپ فشار قوی وارد واحد اسمز معکوس (RO) می شود که خروجی آن، جریانی از آب تمیز تولید شده و جریانی از آب تغلیظ شده حاوی نمک ها ، مواد معدنی و ناخالصی های باقی مانده که در مرحله ی پیش تصفیه ی سیستم اسمز معکوس(RO) از آب جدا نشده است و در آن باقی مانده  است. آب تمیز از انتهای غشاء خارج می شود در حالی که آب حاوی نمک ، مواد معدنی و سایر ناخالصی ها از طرف دیگر تخلیه می شوند. سرانجام ، آب از طریق دستگاه ضدعفونی کننده اشعه ماوراء بنفش یا سیستم کلر زنی عبور می کند تا باکتری ها و میکروب هایی که هنوز در آب وجود دارند را از بین ببرد.
مهمترین قسمت یک سیستم اسمز معکوس (RO) ، ماژول غشایی است. در طی چند سال گذشته فناوری غشاهای کم فشار بهبود یافته، غشاهای با قطر بزرگ و غشاهای ضد رسوب روندهای رو به پیشرفتی را پشت سر گذاشته است.


 
همچنین کیفیت و نوع پرشروسل (مخزن تحت فشار) و هوزینگ ها (محفظه ی فشار) نیز برای عملکرد موفقیت آمیز سیستم موثر می باشد. شستشوی غشاهای سیستم اسمز معکوس(RO) نیز بسیار مهم است. غالبا مخازن تحت فشار با جنس فایبر گلاس و استنلس استیل تقویت شده سیستم های اسمز معکوس(RO) تصفیه ی آب شهری و صنعتی به کار برده می شود.
جریان در سیستم های اسمز معکوس(RO) از طریق پمپ های فشار قوی قابل تنظیم است.
عملکرد سیستم اسمز معکوس(RO) به سه محدوده فشار عملیاتی تقسیم می شود.: فشار کم در محدود ه ی psi40 تاpsi  65 ؛ فشار عملیاتی متوسط برای آب شور و فاضلاب در محدوده یpsi 150 تاpsi 250 ؛ و فشار بالا برای شیرین کردن و نمک زدایی آب دریا بینpsi 800 تاpsi 1200 می باشد. مخازن تحت فشار برای ماندگاری سیستم طراحی شده اند.
برای جلوگیری از کارکرد ناکارآمد ، خرابی، کاهش بهره وری و بازده و همچنین صرفه جویی در سرمایه گزاری و ... باید در انتخاب پمپ های مورد استفاده در سیستم اسمز معکوس(RO) محاسبات و دقت لازم را به کار برد. انتخاب پمپ مناسب بسته به شرایط فرایند از جمله خورنده بودن خوراک ورودی به ویژه در نمک زدایی آب دریا حائز اهمیت است.
برای تکمیل ساخت یک سیستم بزرگ و پیچیده اسمز معکوس (RO)، اجزای جانبی متفاوتی لازم است. بسته به اندازه سیستم و کاربرد آن ، اجزای مورد نیاز می توانند شامل سوپاپ ، فشار سنج ، کنترلگر کامپیوتری ، لوله کشی، مخازن نگهدارنده ، منیفولد ، صفحه کنترل ، فلومتر، تجهیزات اندازه گیری و مخازن مواد شیمیایی باشند. این که چه نوع و چه تعداد از این مؤلفه ها در یک پلنت خاص مورد استفاده قرار می گیرد به سایت و اندازه سیستم اسمز معکوس(RO) بستگی دارد.


مزایای اسمز معکوس ( RO)


•    در سیستم اسمز معکوس(RO) جداسازی بدون تغییر فاز انجام می پذیرد. بنابراین ، نیاز به مصرف انرژی کم می باشد.
•    هزینه های مصرفی آب و فاضلاب را کاهش می دهد.
•    سیستم های اسمز معکوس(RO) کم جا هستند و نیاز به  فضا کمتر از سایر سیستم های نمک زدایی است ، به عنوان مثال تقطیر.
•    فرایند اسمز معکوس(RO) برای تصفیه آب نیاز به انرژی حرارتی ندارد
•    تجهیزات مورد استفاده در سیستم اسمز معکوس(RO) استاندارد می باشد از جمله  پمپ ها ، موتورها ، سوپاپ ها ، فلومتر ها ، فشارسنج و غیره. بنابراین ، در مدت زمان کوتاهی توسط اوپراتور قابل یادگیری می باشد.
•    سیستم های اسمز معکوس(RO) معمولا خودکار هستند و به گونه ای طراحی شده اند که بطور خودکار راه اندازی و خاموش شوند. بنابراین ، پلنت های RO معمولاً به نیروی کمی نیاز دارند.
•    با توجه به طراحی ماژولار آنها ، تعمیر و نگهداری آسان است. تعمیر و نگهداری برنامه ریزی شده می تواند بدون خاموش کردن کل سیستم انجام شود.


مضرات اسمز معکوس(RO)


•    از آنجا که تمام غشاها و دستگاه های سیستم اسمز معکوس (RO) مستعد رسوب گرفتن هستند ، فرآیند RO معمولاً بدون پیش تصفیه قابل استفاده و نتیجه دادن نیست.
•    جریان خوراک ROباید با غشاها و سایر مصالح ساختاری مورد استفاده در دستگاه ها سازگار باشد. اگر جریان خوراکی حاوی ترکیبات ناسازگار باشد ، اینها باید در پیش تصفیه حذف شوند ، یا دستگاه یا غشای سازگار دیگری باید در نظر گرفته شود.
•    برخی بر این باورند که حذف همه ناخالصی ها از طریق فرآیند اسمز معکوس باعث کاهش تعداد مواد معدنی مفید نیز می شود. آب حاوی کلسیم و منیزیم به مقدار کافی برای رشد کودکان و بزرگسالان سالم است. مشکل آب تولیدی توسط فرایند اسمز معکوس(RO)این است که منجر به کاهش مواد معدنی مفید برای بدن نیز می شود. افرادی که از اسمز معکوس به عنوان منبع اصلی آب خود استفاده می کنند می توانند دچار عوارض جانبی مانند خستگی ، گرفتگی عضلات ، ضعف عمومی و در موارد شدید ، اختلالات قلبی عروقی شوند.