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، خوراک پزی، تکنولوژی زیستی، داروها، تولید برق، نمک زدایی آب دریا و آب خوردنی شهری، تصفیه می‌نماید.
از اولین آزمایشاتی که در سال ۱۹۵۰ انجام شد طی آن هر ساعت چند قطره آب تولید می‌شد، امروزه نتیجه صنعت اسمز معکوس در تولید مشترک جهانی به بیشتر از ۷/۱ میلیون گالن در هر روز رسیده است.
با افزایش روز افزون تقاضاها برای آب خالص (تصفیه شده) ، رشد صنعت اسمز معکوس در قرن اینده با افزایش روبه رو خواهد شد.

پیشینه تاریخی

تحقیق در مورد اسمز معکوس در سال ۱۹۵۰ در دانشگاه فلوریدا، جائیکه رید و بوتون که توانستند خاصیت نمک زدایی ممبرین استات سلولز را شرح دهند، آغاز شد.
لوب و سوریرجان، گسترش تکنولوژی اسمز معکوس را با ایجاد نخستین ممبرین استات سلولز نا متقارن ادامه دادند.
تحقیق در مورد این پیشرفت خوب و امیدوار کننده منجر به ایجاد پیکربندی 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 ۱۹۸۰ تحقیق و بررسی در لابراتوارهای دولتی آمریکا، منجر به تولید نخستین ممبرین پلی آمیر مرکب شد. این ممبرین‌ها عمدتاً نسبت به ممبرین‌های 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 ۲۰ دفعه ای در جریان هر فشار بر روی ممبرین‌های سلولزیک اصلی رسیده است.

تصفیه آب به روش سیستم اسمز معکوس RO

نیمه تراوا چیست؟

نیمه تراوا به ممبرینی اشاره می‌کند که به طور انتخابی به اقسام خاصی اجازه عبور می‌دهد در حالیکه الباقی گونه‌ها باقی می‌مانند.
در واقع بیشتر گونه‌ها از ممبرین خواهند گذشت اما با سرعت متفاوت و قابل توجه.
در اسمز معکوس، محلول (آب) با سرعت بیشتری نسبت به ذرات نامحلول (نمکها) از ممبرین‌ها 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.

تصفیه آب به روش سیستم اسمز معکوس RO" width="292" height="173" />

اسمز چیست؟

اسمز یک روش و شیوه نرمال(طبیعی) شامل عبور یک محلول غیلظ از میان مانع ممبرین نیمه تراوا می‌باشد. یک مخزن آب خالص را با ممبرین نیمه تراوا که به دو قسمت تقسیم شده، تصور کنید. آب خالص در مقایسه با دو قسمت یک ممبرین نیمه تراوا ایده آل در فشار و دما برابر از میان ممبرین‌ها 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. استمراراً قسمت آب خالص از میان ممبرین به سمت قسمت محلول نمک حرکت می‌کند تا تعادل اختلاف سطح شیمیایی احیاء گردد.
در شرایط علمی، دو قسمت مخزن از لحاظ اختلاف سطح شیمیایی شان تفاوت دارند و محلول، از طرف اسمز، اختلاف سطح شیمیایی اش 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 ممبرین است.

تصفیه آب به روش سیستم اسمز معکوس RO

اسمز معکوس چیست؟

در مخزن، آب به سمت قسمت نمک دار ممبرین حرکت می‌کند تا تعادل برقرار شود. به کارگیری 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 پائین تری می‌باشد.
این پدیده اسمز معکوس نامیده می‌شود.

نیروی محرک شیوه اسمز معکوس، فشار کاربردی است. مقدار انرژی مورد نیاز برای تفکیک اسمزی مستقیماً 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 ممبرین نیمه تراوا (مثل سلول زنده) به داخل محلول بسیار غلیظ شده ای است که تمایل به همسان سازی غلظت حل شده روی دو طرف ممبرین دارند. این یک تعریف صحیح محسوب می‌شود.
ممبرین نیمه تراوا ممبرینی است که برخی از اتم‌ها یا مولکول‌ها را عبور می‌دهد، اما مانع عبور بقیه می‌گردد.
ممبرین است اما تقریبا برای هر چیزی که ما معمولاً از آن عبور می‌دهیم، ناتراوا می‌باشد.

تصفیه آب به روش سیستم اسمز معکوس RO
مثال ممبرین نا تراوا، آستر روده‌های شما یا دیوار سلول است gore-tex از یک ممبرین نیمه تراوا معمول دیگر است.
ساختار gore-tex شامل لایه نسبتاً نازک پلاستیکی است که در داخل آن میلیون‌ها روزنه کوچک ایجاد کرده اند. روزنه‌ها برای عبور بخار آب از آن به اندازه کافی بزرگ هستند اما برای جلوگیری از عبور آب مایع به اندازه کافی کوچکند.
ممبرین 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 ممبرین تصور کنید.
این تصور در تضاد با Brownian motion است.

تصفیه آب به روش سیستم اسمز معکوس RO

بر روی قسمت نمکی، بعضی از روزنه‌ها با اتم‌های نمک مسدود شده اند 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:
۱- غلظت نمک در دو طرف ممبرین مساوی شود، البته در این مورد این حالت روی نمی‌دهد، چون آب خالص در یک قسمت و آب شور در طرف دیگر وجود دارد.
۲- 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. زمانی که آب شور وارد معده تان می‌شود، فشار اسمزی، آب را به بیرون بدنتان هدایت می‌کند، تا نمک در داخل معده شما رقیق شود، بنابراین شما آب بدنتان را از دست می‌دهید (آب بدنتان خشک می‌شود) و می‌میرید.

در اسمز معکوس، هدف این است که از ممبرین به گونه ای استفاده شود که شبیه فیلتری برای تولید آب قابل نوشیدنی آب شور (یا آب آلوده دیگر) عمل نماید.

تصفیه آب به روش سیستم اسمز معکوس RO

آب شور روی یک طرف ممبرین 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 نسبتاً کند پیش می‌رود اما به هر حال این کار انجام می‌شود.

آب که بر زمین می‌ریزد و در آن نفوذ می‌کند، از طرفی با تولید نیترات در فرایندهای زیست شناختی و از طرف دیگر بدلیل صاف شدت طبیعی در اثر دخالت پدیده‌های فیزیکی و مکانیکی در داخل زمین مورد تصفیه قرار می‌گیرد.
تولید نیترات
مواد آلی که بوسیله آب حمل می‌شوند، بتدریج که در زمین نفوذ می‌کنند، در اثر کاهش و اکسایش پی در پی متلاشی می‌شوند.

مجموع پدیده‌هایی که طی آنها مواد آلی اولیه به نیترات‌های حل پذیر و مستقیما قابل جذب برای گیاه تبدیل می‌شوند، تولید نیترات است. نقش تفکیک مولکول آلبومینوئید مربوط به میکروب‌های هوازی و ناهوازی‌ ای است که در خاک ، زندگی و در اولین مرحله این مولکول را به سوی تبدیل به نمکهای آمونیاکی هدایت می‌کنند. سپس تحت تاثیر باکتری‌های ویژه ، این نمکها ابتدا به نیتریت و بعد به نیترات تبدیل می‌شوند. بنابراین ، نیتروژن به شکل نیترات بوسیله گیاهان جذب می‌شود. گیاهان نیز مانند فرایند تولید نیترات به شرایطی مانند دما ، رطوبت و اکسایش نیاز دارند، اما حضور آهک نیز بسیار مهم است. به این دلیل است که توانایی تولید نیترات در سازنده‌های رخنه‌دار و سنگ آهک زیاد است، در حالی‌که در زمینهای سیلیسی و از لحاظ آهک ، فقیر این توانایی اندک است. بطور خلاصه ، تولید نیترات عبارت است از نقطه پایان تبدیل محیط آبی به محیط معدنی شده ای که در آن ، میکروبهایی که احتمالا از ابتدا در ماده آلی گفته شده وجود داشته اند، دیگر چندان زنده نمانند. به‌علاوه ، این میکروبها با گونه‌های دیگری که با محیط کاملا سازش یافته‌اند، رقابت حیاتی پیدا می‌کنند و در این مبارزه بیشتر گونه‌های بیماری‌زا از بین می‌روند. صاف شدن طبیعی

تصفیه آب به روش سیستم اسمز معکوس RO
از طریق صاف شدن طبیعی ، میکروبهایی که بوسیله مواد آلی حمل می‌شوند، بدلیلی مکانیکی که نتیجه در هم بر هم بودن دانه‌های تشکیل دهنده سازند تراواست، متوقف می‌شوند. مبنای این فرایند تصفیه ، پدیده جذب سطحی است. منظور از پدیده جذب سطحی ، خاصیت بعضی اجسام جامد است که می‌توانند اجسام محلول ، معلق یا کلوئیدی را در سطح خود نگهدارند. پدیده جذب سطحی ، پدیده ای کاملا فیزیکی دارای ماهیت الکتروستاتیک است. از طرفی ، چون در خاکهای ماسه‌ای ، این دیواره جذب کننده از سطح گسترده دانه‌های ماسه تشکیل می‌شود، فوق العاده وسیع است. بنابراین ، تصفیه در مسافت که متغیری تابع قطر و نظم دانه‌ها و نیز نحوه آرایش درونی لایه است، انجام می‌شود.

تصفیه آب به روش سیستم اسمز معکوس RO