«اسمز معکوس» (Reverse Osmosis) که معمولا به اختصار با عنوان «RO» شناخته می‌شود، فرایندی است که در آن «آب دیونیزه» (Deionized Water) توسط یک غشا نیمه‌تراوا تحت فشار تولید می‌گردد.
آب دیونیزه یا آب یون زدوده همان آب مقطر است که قبل یا طی تقطیر یا حتی بعد از آن، با افزودن مراحلی مثل گذراندن از رزین تبادلگر یونی یا روش‌های دیگر مثل اسمز معکوس میزان یون‌های آن به کمترین مقدار رسیده باشد.
اسمز
برای درک هدف و فرایند اسمز معکوس ابتدا باید به طور طبیعی فرایند ایجاد اسمز را درک کنید. اسمز یک پدیده‌ی طبیعی و یکی از مهم‌ترین فرایندهای طبیعت است. فرایندی که در آن آب از محلول رقیق تمایل به مهاجرت به سمت محلول غلیظ دارد. نمونه‌های اسمز شامل جذب آب توسط ریشه‌های گیاهان از خاک و جذب آب از خون توسط کلیه‌ها هستند.
شکل زیر دیاگرام روش کار کردن اسمز را نمایش می‌دهد. محلول با غلظت کم به طور طبیعی تمایل به مهاجرت به سمت محلول با غلظت بیشتر دارد. به عنوان مثال، یک ظرف پر از آب با یک غلظت کم نمک و یک ظرف دیگر پر از آب با غلظت نمک بالا را در نظر بگیرید. این دو ظرف توسط یک غشای نیمه‌تراوا از هم جدا شده‌اند. مشاهده می‌شود آب در محلوا با غلظت کم نمک شروع به مهاجرت به سمت مخزن با غلظت بالای نمک میکند.
«غشای نیمه‌تراوا» (semi-permeable membrane) غشایی است که فقط به بعضی اتم‌ها یا مولکول‌ها اجازه‌ی عبور می‌دهد. یک مثال ساده برای غشای نیمه‌تراوا درهای توری هستند. این درها فقط اجازه‌ی عبور مولکول‌های هوا را می‌دهند و آفات یا هر چیزی بزرگ‌تر از روزنه‌های موجود روی درب را عبور نمی‌دهند. مثال دیگری از این مورد پارچه‌ی گورتکس دارای یک فیلم پلاستیکی بسیار نازک با میلیاردها حفره‌ی کوچک است. منافذ به اندازه‌ی کافی بزرگ است تا بخار آب از طریق آن عبور کنند. از طرفی قطر منافذ به اندازه‌ای کوچک است که از عبور آب مایع جلوگیری میکند.
اسمز معکوس یک فرآیند اسمز به صورت معکوس است. در حالی که اسمز به طور طبیعی بدون نیاز به انرژی اتفاق می‌افتد، برای معکوس کردن فرایند اسمز نیاز به استفاده از انرژی برای محلول با شوری زیاد است. یک غشای اسمز معکوس، غشایی نیمه‌تراوا است که اجازه‌ی عبور به مولکول‌های آب را می‌دهد. این امکان برای مهاجرت بیشتر نمک‌های محلول، مواد آلی، باکتری‌ها و pyrogenها وجود ندارد. با این وجود، باید آب را از طریق غشای نیمه‌تراوا با به کارگیری فشار به سمت جلو فشار دهید. این فشار به طور طبیعی از فشار اسمزی جهت نمک‌زدایی (یونیزه کردن) آب در فرایند بیشتر است.
شکل زیر دیاگرام نشان دهنده‌ی فرایند اسمز معکوس است. هنگام اعمال فشار به محلول غلیظ، به مولکول‌های آب نیرویی برای عبور از غشای نیمه‌تراوا وارد می‌شود. ولی آلاینده‌ها مجاز به عبور نیستند.
اسمز معکوس چگونه کار میکند؟
اسمز معکوس با استفاده از یک پمپ فشار بالا برای بالا بردن فشار سمت محلول نمکی فعالیت میکند. این فشار نیرویی را به آب برای عبور از غشای نیمه‌تراوا وارد می‌نماید. آب از این طریق تمام (حدودا 95 تا 99 درصد) نمک‌های حل‌شده را ترک میکند. مقدار فشار مورد نیاز بستگی به غلظت آب خوراک دارد. هرچه غلظت آب خوراک بیشتر باشد، فشار بیشتری برای غلبه کردن به فشار اسمزی نیاز است.
آب یونیزه شده، «آب پرمیت» (permeate water) یا محصول نامیده می‌شود. جریان آب که حاوی آلاینده‌های غلیظ است و از طریق غشای اسمز معکوس عبور نمی‌کنند، «جریان ریجکت» (reject stream) یا غلیظ نام‌گذاری شده است.
هنگامی که آب خوراک به غشای اسمز معکوس تحت فشار وارد می‌شود (فشار کافی برای غلبه بر فشار اسمزی)، مولکول‌های آب از غشای نیمه‌تراوا عبور می‌کنند و نمک‌ها و دیگر آلاینده‌ها اجازه‌ی عبور ندارند؛ در همین حال این مواد به جریان ریجکت (جریان غلیظ یا آب‌نمک) تخلیه می‌گردد. همچنین آب ریجکت می‌تواند وارد زهکش یا به آب خوراک اضافه شود. در شرایط خاصی این آب به سیستم اسمز معکوس برگشت داده می‌شود تا در مصرف آب صرفه‌جویی نمایند. آب عبوری از غشاها پرمیت یا محصول نامیده می‌شود و معمولا حدود 95 تا 99 درصد نمک‌های حل‌شده از آن حذف می‌گردند.
مهم است بدانید که در یک سیستم اسمز معکوس فیلتراسیون متقابل را به جای فیلتراسیون استاندارد به کار می‌گیرند. جایی که آلاینده‌ها در محیط فیلتر جمع می‌گردند. با فیلتراسیون متقابل، محلول از فیلتر عبور میکند. فیلتر دارای دو خروجی است: آب فیلتر شده از یک مسیر و آب حاوی آلاینده از مسیر دیگر خارج می‌گردد. برای جلوگیری از ایجاد آلاینده، فیلتراسیون جریان متقابل به آب اجازه می‌دهد تا آلودگی را از بین ببرد. همچنین باعث ایجاد آشفتگی کافی جهت تمیز نگه‌داشتن سطح غشا می‌شود.
اسمز معکوس کدام آلاینده‌ها را از آب حذف میکند؟
اسمز معکوس قادر به حذف 99٪ از نمک‌های محلول (یون‌ها)، ذرات، کلوئیدها، مواد آلی، باکتری‌ها و pyrogens از آب خوراک هستند (اگرچه از یک سیستم اسمز معکوس نباید انتظار حذف 100٪ باکتری و ویروس‌ها را داشت). یک غشای اسمز معکوس، آلاینده‌ها را بر اساس اندازه و بار آن‌ها حذف میکند. هر آلاینده با وزن مولکولی بزرگ‌تر از 200 با اجرای مناسب سیستم اسمز معکوس، احتمالا حذف می‌شود (وزن مولکولی یک مولکول آب 18 است). همچنین آلاینده‌ها با بار یونی بزرگ‌تر، قادر به عبور از غشای اسمز معکوس نخواهد بود. به عنوان مثال، یک یون سدیم تک ظرفیتی به خوبی کلسیم دو ظرفیتی توسط غشای اسمز معکوس حذف نمیشود. گازهایی مانند کربن‌دی‌اکسید به این دلیل به خوبی قابل حذف نیستند؛ زیرا در محلول به خوبی به یون تبدیل نمی‌شوند و وزن مولکولی بسیار کمی دارند.
چون سیستم اسمز معکوس گازها را حذف نمی‌کند، pH آب پرمیت می‌تواند اندکی کمتر از pH طبیعی باشد که این بستگی به میزان کربن‌دی‌اکسید در آب خوراک هنگام تبدیل کربن‌دی اکسید به کربونیک اسید دارد. اسمز معکوس در تصفیه‌ی آب شور، آب‌های سطحی و زیرزمینی در هر دو عملیات با جریان بزرگ و کوچک بسیار موثر است. صنایع استفاده‌کننده از آب اسمز معکوس شامل دارویی، «آب خوراک دیگ بخار» (boiling feed water)، صنایع غذایی و نوشیدنی هستند.
محاسبات، طراحی و عملکرد اسمز معکوس
تعداد انگشت شماری از روش‌های محاسبات برای ارزیابی عملکرد یک سیستم اسمز معکوس و نیز ملاحظات طراحی وجود دارند. یک سیستم اسمز معکوس دارای تجهیزات ابزار دقیق برای نمایش کیفیت، جریان، فشار و گاهی اوقات اطلاعات دیگر نظیر دما و ساعت‌های کارکرد است. به منظور اندازه‌گیری دقیق عملکرد سیستم اسمز معکوس، باید حداقل پارامترهای عملیات ذکر شده در زیر را داشته باشید:
فشار خوراک
فشار پرمیت
فشار خروجی غلیظ شده
هدایت الکتریکی خوراک
هدایت الکتریکی پرمیت
میزان جریان خوراک
میزان جریان آب پرمیت
دما
معادله درصد حذف نمک
این معادله بیانگر میزان مؤثر بودن غشاهای اسمز معکوس در حذف آلاینده‌ها است. در این معادله به چگونگی کارکرد کل سیستم به صورت متوسط پرداخته می‌شود. عملکرد هر غشا به صورت جداگانه بحثی خارج از این معادله است. یک سیستم اسمز معکوس با طراحی خوب همراه با غشاهای با عملکرد مناسب، 95 تا 99 درصد از آلاینده‌های آب خوراک (با سایز و بار معین) را حذف می‌نماید.
معادله‌ی زیر تأثیر غشاهای اسمز معکوس بر حذف آلاینده‌ها را تعیین میکند:
درصد حذف نمک = (هدایت الکتریکی خوراک – هدایت الکتریکی آب پرمیت) / (هدایت الکتریکی خوراک) * ۱۰۰
درصد حذف بالای نمک نشان‌دهنده‌ی عملکرد بهتر سیستم است. درصد حذف پایین نمک نیاز سیستم به پاک‌سازی یا جایگزینی غشاها را بیان میکند.
معادله‌ی میزان عبور نمک
معادله‌ی میزان عبور نمک برعکس معادله‌ی قبلی است. این معادله میزان نمک عبوری از غشاها را بر حسب درصد نشان می‌دهد. درصد عبوری پایین نمک، عملکرد بهتر سیستم و درصد عبور بالا نیاز غشاها به پاک‌سازی یا جایگزینی را بیان میکند.
درصد عبور ٪ = (1- درصد حذف٪)
درصد بازیافت
درصد بازیافت به مقداری از آب که با عنوان محصول غلیظ، تخلیه نمیشود اطلاق می‌گردد. این سهم به صورت آب محصول یا پرمیت جمع‌آوری می‌شود. درصد بازیافت بالا به معنای ارسال کمتر محصول غلیظ و ذخیره‌ی بیشتر آب پرمیت است. با این حال، اگر درصد بازیابی برای طراحی اسمز معکوس بیش از حد بالا باشد، می‌تواند به مشکلات بزرگ‌تر از قبیل رسوب منجر شود. درصد بازیافت یک سیستم اسمز معکوس به کمک طراحی نرم‌افزار با توجه به فاکتورهای متعددی مانند شیمی آب خوراک و پیش‌تصفیه‌ی اسمز معکوس قبل از فرآیند اسمز معکوس تعیین می‌شود. به هر حال میزان بازیافت بستگی به طراحی مورد نظر مهندس دارد.
با محاسبه‌ی درصد بازیافت، می‌توان به سرعت تعیین کرد که آیا سیستم در خارج از محدوده‌ی طراحی مورد نظر عمل میکند یا خیر؟ محاسبات درصد بازیابی به شرح زیر است:
درصد بازیافت= (میزان دبی جریان پرمیت) / (میزبان دبی جریان خوراک) * ۱۰۰
به عنوان مثال، اگر میزان بازیافت 75٪ باشد، به ازای 100 گالن آب خوراکی ورودی به سیستم اسمز معکوس، 75 گالن آب پرمیت قابل استفاده و 25 گالن به عنوان محصول ریجکت تخلیه می‌گردد. به طور معمول سیستم‌های اسمز معکوس صنعتی با توجه به مشخصات آب خوراک و سایر ملاحظات طراحی با درصد بازیافتی از 50 تا 85 درصد اجرا می‌شوند.
فاکتور تغلیظ
«فاکتور تغلیظ» (CONCENTRATION FACTOR) به میزان بازیافت سیستم اسمز معکوس مربوط و یک معادله‌ی مهم برای طراحی این سیستم است. با تولید آب بیشتر به عنوان آب پرمیت (ریکاوری بالاتر)، محلول نمک غلیظ شده و آلودگی بیشتری در جریان غلیظ شده (concentrate) جمع می‌گردد. این جریان به پتانسیل رسوب‌گذاری بیشتر روی سطح غشا اسمز معکوس می‌انجامد؛ مخصوصا زمانی که فاکتور تغلیظ برای طراحی سیستم و ترکیب آب خوراک ورودی خیلی بالا باشد.
فاکتور تغلیظ = ۱ / (۱ – درصد بازیافت)
این مفهوم برای دیگ بخار و برج خنک‌کننده تفاوتی ندارد. در هر دو آب تصفیه شده از سیستم به صورت بخار خارج می‌شود و محلول غلیظ شده را در سیستم به جا می‌گذارند. با افزایش درجه‌ی تغلیظ ممکن است روی سطوح تجهیزات رسوب‌گذاری شود.
منبع: فرادرس