اسمز معکوس چیست؟ کاربرد اسمز معکوس (Reverse Osmosis) در تصفیه آب

اگر شما هم در صنعت تصفیه آب فعالیت می‌کنید بطور قطع واژه اسمز معکوس (Reverse Osmosis) یا در اصطلاح RO را شنیده‌اید. فرایند اسمز معکوس یکی از روش‌های مهم و پرکاربرد برای نمکزدایی یا شیرین سازی آب است. در صنایع تصفیه فاضلاب و پساب نیز استفاده‌های زیادی از آن می‌شود. اگر به مناطقی از کشور که وضعیت آب شهری در آن‌ها مطلوب نیست سفر کرده باشید، مانند استان خوزستان یا مازندران، بطور حتم خواهید دید که از دستگاه تصفیه آب برای مصارف شرب استفاده می‌کنند، این سیستم‌های تصفیه خانگی نیز از اسمز معکوس برای افزایش کیفیت آب بهره می‌برند. این‌ها همگی بیانگر دایره بسیار گسترده استفاده از reverse osmosis است.‍ اگر مایلید بدانید اسمز معکوس چیست و چه خصوصیاتی دارد با ما همراه باشید.

اسمز معکوس چیست؟

ساده ترین تعریفی که می توان برای اسمز چیست ارایه داد بدین صورت است; فرایندی است که در آن آب تقریبا خالص و عاری از هر گونه یون، در اصطلاح آب دیونیزه (Deionized Water)، توسط یک غشای نیمه‌تراوا تحت فشار تولید می‌شود. برای درک بهتر مفهوم و اساس کار این فرایند لازم است در ابتدا با یک فرایند طبیعی به نام اسمز آشنا شویم.

اسمز طبیعی چیست؟

اسمز یک پدیده طبیعی است که به شکل‌های گوناگون در طبیعت در حال رخ دادن است. در این پدیده یک محلول با غلظت کمتر به‌طور طبیعی به سمت محلول با غلظت بیشتر حرکت می‌کند تا در اثر اختلاط این تفاوت غلظت جبران شود، این حرکت طبیعی تا رسیدن به تعادل ادامه می‌یابد. بطور مثال، ریشه درخت آب را با استفاده از همین پیدیده اسمز از خاک جذب می‌کند. حال اگر بین دو محلول که غلظت‌های متفاوتی دارند نیز یک غشا قرار دهیم در اثر پیدیده اسمز آب از محلول رقیق تر به محلولی که غلیظ‌ تر است جریان می‌یابد. به نیرویی که باعث ایجاد این جریان طبیعی می‌شود فشار اسمزی گفته می‌شود.

اسمز معکوس فرایندی است که در آن آب تقریبا خالص و عاری از هر گونه یون، در اصطلاح آب دیونیزه، توسط یک غشای نیمه‌تراوا تحت فشار تولید می‌شود.

در اسمز معکوس reverse osmosis با استفاده از یک نیروی فشار خارجی مانند فشار پمپ این جریان طبیعی را معکوس می‌کنند، به عبارتی فشار پمپ باعث انتقال آب از محلول غلیظ به سمت محلول رقیق می شود. این فرایند معکوس شده اساس کار سیستم‌های تصفیه آب غشایی نظیر اسمز معکوس، نانو فیلتراسیون و …است.

حتما بخوانید:‌ آنتی اسکالانت چیست؟

فشار اسمزی چیست؟

فشار اسمزی، فشاری است که برای جلوگیری از جریان آب در یک ممبران نیمه تراوا که دو محلول با قدرت یونی متفاوت را از هم جدا می‌کند، لازم است. در سیستم‌های اسمز معکوس، برای تولید پرمیت باید بر این فشار اسمزی غلبه کرد. به ازای هر mg/L ۱۰۰ اختلاف TDS بین خوراک و پرمیت، ۱ psi فشار اسمزی وجود دارد.

تفاوت اسمز معکوس با اسمز مستقیم

تفاوت‌های چشم‌گیری بین اسمز معکوس (RO) و اسمز مستقیم (FO) وجود دارد. این تفاوت‌ها عبارتند از:

جهت جریان

نحوه عبور آب از ممبران در اسمز معکوس و اسمز مستقیم به طور قابل توجهی متفاوت است. اسمز مستقیم، جریان طبیعی مایع از ناحیه‌ای با غلظت کم به ناحیه‌ای با غلظت زیاد است؛ در حالی که اسمز معکوس، جریان معکوس مایع از ناحیه با غلظت زیاد به ناحیه با غلظت کم از طریق اعمال فشار مکانیکی است.

فشار

اسمز مستقیم و اسمز معکوس هر دو روش‌های تصفیه آب هستند، اما عملکرد آن‌ها متفاوت است. هر دو از یک ممبران نیمه تراوا استفاده می‌کنند، اما در اسمز معکوس، آب با اعمال فشار خارجی از ممبران عبور می‌کند، در حالی که در اسمز مستقیم، آب بر اساس فشار اسمزی طبیعی از ممبران عبور می‌کند.

در اسمز معکوس، برای غلبه بر فشار اسمزی طبیعی، آب با استفاده از فشار هیدرولیکی از ممبران‌ها عبور داده می‌شود. هر چه شوری محلول خوراک بیشتر باشد، فشار بیشتری مورد نیاز است. در نتیجه، پمپ‌های فشار بالا و پرشروسل‌هایی برای تحمل این فشار مورد نیاز است.

اسکیلینگ و فولینگ

سیستم اسمز معکوس (RO) نسبت به اسمز مستقیم (FO) دارای نرخ اسکیلینگ و فولینگ بیشتری است. در حقیقت، اسکیلینگ و فولینگ مشکلات شایع ممبران‌های اسمز معکوس هستند که کارایی ممبران‌ها را کاهش می‌دهند و نیازمند نگهداری دوره‌ای و شستشوی شیمیایی (CIP) هستند. در حالی که، در اسمز مستقیم، فشار کم محلول خوراک باعث می‌شود ممبران اسمز مستقیم کمتر در معرض مشکلات اسکیلینگ و فولینگ قرار گیرد. این امر نیاز به تمیز کردن ممبران را کاهش داده و طول عمر ممبران را افزایش می‌دهد.

آموزش نحوه شستشوی ممبران دستگاه تصفیه آب صنعتی اسمز معکوس از طریق عملیات CIP

بهره‌وری انرژی

برای به دست آوردن آب پاک از منابع آب آلوده، دستگاه‌ها و فرآیندهای تصفیه آب مبتنی بر غشا به انرژی نیاز دارند. روش‌های سنتی مبتنی بر فشار هیدرولیک مانند اسمز معکوس، نانوفیلتراسیون، الترافیلتراسیون و میکروفیلتراسیون نیاز به انرژی الکتریکی دارند، در حالی که فناوری اسمز مستقیم نیازمند انرژی شیمیایی است.

در تصفیه آب با اسمز معکوس، آب از یک ممبران نیمه تراوا در برابر گرادیان فشار اسمزی بین جریان خوراک (فشار اسمزی بالا) و جریان پرمیت (فشار اسمزی پایین) توسط فشار هیدرولیکی عبور داده می‌شود. در نتیجه، پرمیت (آب تصفیه شده) و پساب RO تولید می‌شود.

در تصفیه آب با اسمز مستقیم یک گرادیان فشار اسمزی بین جریان خوراک (فشار اسمزی کم) و جریان کشنده (فشار اسمزی بالا)، باعث انتقال آب از یک ممبران نیمه تراوا می‌شود. یک جریان کشنده رقیق شده با آب تمیز (پرمیت) و یک جریان خوراک تغلیظ شده، خروجی‌های تصفیه آب اسمز مستقیم هستند.

به دلیل این تفاوت اساسی در انرژی لازم برای انتقال آب، فرآیندهای اسمز مستقیم نسبت به فرآیندهای اسمز معکوس تا ۹۰ درصد انرژی کمتری نیاز دارند.

همچنین بخوانید:ممبران تصفیه آب صنعتی چیست؟ 

کاربردهای اسمز معکوس

اسمز معکوس به دلیل توانایی در حذف ناخالصی‌ها از جمله نمک‌های محلول، مواد معدنی و مواد آلی، کاربردهای صنعتی گسترده‌ای دارد.

اسمز معکوس در درجه اول برای نمک‌زدایی آب در مقیاس بزرگ، تصفیه آب خانگی (مانند حذف مواد شیمیایی مضر و سایر آلاینده‌ها از آب آشامیدنی) و تصفیه فاضلاب استفاده می‌شود. اسمز معکوس در برخی از صنایع تولید مواد غذایی برای تولید آب تمیز مورد نیاز برای فرآیندهای آن‌ها استفاده می‌شود. برخی از صنایع که از آب RO استفاده می‌کنند، عبارتند از: داروسازی، آب خوراک بویلر، غذا و نوشیدنی، صنایع فولاد و …

نحوه کار فرایند اسمز معکوس در شیرین‌سازی آب

فرایند اسمز معکوس به این صورت است که از یک پمپ فشار بالا برای افزایش فشار در سمت نمک سیستم RO استفاده می‌شود و آب را از یک ممبران نیمه تراوا به سمت دیگر ممبران می‌فرستد، تقریباً تمام (حدود ۹۵ تا ۹۹ درصد) نمک‌های حل شده را در جریان ریجکت در پشت ممبران باقی می‌گذارد. مقدار فشار مورد نیاز به غلظت نمک در آب خوراک وابسته است. هرچه آب خوراک غلیظ‌تر باشد، به فشار بیشتری برای غلبه بر فشار اسمزی نیاز خواهد بود.

آب تصفیه شده که دیونیزه شده و املاح آن حذف شده است، آب پرمیت (یا محصول) نامیده می‌شود. جریان آب که حاوی آلودگی‌های تغلیظ شده است و از ممبران اسمز معکوس عبور نکرده است، جریان ریجکت (یا جریان تغلیظ شده) نامیده می‌شود.

هنگامی‌که آب خوراک با فشار (فشار کافی برای غلبه بر فشار اسمزی) وارد ممبران اسمز معکوس می‌شود، مولکول‌های آب از ممبران نیمه تراوا عبور می‌کنند و نمک‌ها و سایر آلاینده‌ها اجازه عبور ندارند و از جریان ریجکت (جریان تغلیظ شده یا پساب) دفع می‌شوند، که به سمت مسیر تخلیه رفته یا تحت شرایطی ممکن است دوباره به منبع آب خوراک برگردد تا مجدداً از طریق سیستم RO استفاده شود و آب ذخیره شود. آبی که از ممبران اسمز معکوس عبور می‌کند، آب پرمیت یا محصول نامیده می‌شود و معمولاً حدود ۹۵ تا ۹۹ درصد از نمک‌های محلول از آن حذف شده است.

یک سیستم اسمز معکوس از فیلتراسیون متقاطع به جای فیلتراسیون استاندارد که آلاینده‌ها در داخل مدیا فیلتر جمع می‌شوند، استفاده می‌کند. در فیلتراسیون متقاطع، محلول از فیلتر عبور می‌کند با دو خروجی: آب تصفیه شده یک جهت می‌رود و آب آلوده جهت دیگری می‌رود. برای جلوگیری از تجمع آلاینده‌ها، فیلتراسیون متقاطع این امکان را می‌دهد که آب آلودگی‌ها را با خود ببرد و هم‌چنین به اندازه کافی تلاطم ایجاد کند تا سطح ممبران تمیز باقی بماند.

مزایای استفاده از اسمز معکوس

چهار مزیت اصلی اسمز معکوس عبارتند از: صرفه‌جویی در هزینه، کیفیت آب، اثرات زیست محیطی و افزایش بهره‌وری. بیایید نگاه دقیق‌تری به این موارد بیندازیم.

صرفه‌جویی در هزینه

استفاده از یک سیستم اسمز معکوس صنعتی می‌تواند با کاهش مصرف آب و هزینه‌های دفع پسماند، باعث صرفه‌جویی قابل توجهی در هزینه کارخانه‌های تولیدی شود.

هزینه دقیق اجرای چنین سیستمی متغیر است و به اندازه ابعاد کارخانه و نیازهای خاص عملیات بستگی دارد. با این حال، این صرفه‌جویی در طولانی مدت، سرمایه‌گذاری ارزشمندی برای بسیاری از کاربردهای صنعتی است.

کیفیت آب

سیستم‌های اسمز معکوس صنعتی در حذف ناخالصی‌ها و آلاینده‌ها از آب بسیار مؤثر هستند و در نتیجه آب با کیفیت بالا مطابق با استانداردهای سخت‌گیرانه صنعت تولید می‌شود.

فن آوری اسمز معکوس می تواند تا ۹۹ درصد از جامدات محلول، باکتری‌ها و سایر آلاینده‌ها را حذف کند و اطمینان حاصل می‌کند که آب مناسبی برای استفاده در تولید و سایر کاربردهای صنعتی فراهم می‌آید.

اثرات زیست محیطی

واحدهای اسمز معکوس را می‌توان در مراحل اولیه تصفیه فاضلاب برای تصفیه آب خوراک پس زده شده یا در پایان فرآیند برای بازیافت فاضلاب مورد استفاده قرار داد. یک سیستم استفاده مجدد اسمز معکوس می‌تواند تا ۹۰٪ آب قبل و بعد از فرآیند را بازیابی کند و به بهبود مصرف آب کمک کند، که این امر منجر به استفاده صحیح از منابع آب و در نتیجه کاهش آسیب به محیط زیست می‌شود. در شرایطی که رعایت محدودیت‌های تخلیه پساب به صورت یک چالش است، یک سیستم استفاده مجدد اسمز معکوس می‌تواند آب پس زده شده را تا سطحی قابل قبول تصفیه کند.

در شرایطی که مشکلاتی برای رعایت حداکثر مجازات دفع فاضلاب وجود دارد، این سامانه می‌تواند آب پس زده شده را تا سطحی قابل قبول تصفیه کند.

هم‌چنین، سیستم‌های RO برای تولید پرمیت نیازی به مواد شیمیایی سمی ندارند و همین امر آن‌ها را به یکی از سازگارترین روش‌ها برای تصفیه فاضلاب صنعتی تبدیل می‌کند.

 افزایش بهره‌وری

سیستم‌های اسمز معکوس صنعتی به دلیل تولید آب با خلوص بالا، بهره‌وری را در بسیاری از فرآیندهای صنعتی افزایش داده اند.

سیستم‌های اسمز معکوس می‌توانند بسیاری از ناخالصی‌ها، از جمله مواد معدنی، باکتری‌ها و مواد آلی را حذف کنند و بر فرآیندهای صنعتی تأثیر منفی بگذارند.

با اسمز معکوس، سیستم‌های صنعتی می‌توانند با نرخ بهره‌وری بالاتر با مشکلات تعمیر و نگهداری کمتر و کاهش زمان خرابی کار کنند. همچنین، آب تصفیه شده توسط سیستم اسمز معکوس می‌تواند کیفیت محصول را بهبود بخشد و منجر به بازده بیشتر و پساب کمتر شود.

صرفه جویی طولانی مدت در هزینه، استفاده از سیستم‌های اسمز معکوس برای تصفیه آب صنعتی می‌تواند منجر به افزایش سودآوری کسب و کار شود.

همچنین بخوانید: آموزش طراحی حرفه ای اسمز معکوس

معایب استفاده از اسمز معکوس

در حالی که سیستم‌های اسمز معکوس صنعتی (RO) مزایای متعددی دارند، معایبی نیز دارند:

مصرف انرژی

سیستم‌های اسمز معکوس معمولاً به مقدار قابل توجهی انرژی نیاز دارند، به‌ویژه در مواردی که با فشارهای بالا سر و کار دارند. نیاز به استفاده از پمپ‌ها برای ایجاد فشار لازم برای فرآیند اسمزی به افزایش مصرف انرژی منجر می‌شود.

هزینه اولیه بالا

نصب یک سیستم اسمز معکوس صنعتی مستلزم سرمایه گذاری اولیه قابل توجهی است. این هزینه شامل خرید و راه اندازی تجهیزات لازم مانند ممبران‌ها، پمپ‌ها و سیستم‌های مانیتورینگ می‌باشد. این هزینه اولیه ممکن است مانعی برای برخی صنایع باشد و آن‌ها را از استفاده از این سیستم‌ها باز دارد.

فولینگ و اسکیلینگ ممبران

فولینگ زمانی رخ می‌دهد که ناخالصی‌ها، ذرات یا میکروارگانیسم‌ها روی سطح ممبران RO جمع شوند و کارایی آن را کاهش دهند. اسکیلینگ، رسوب مواد معدنی بر روی سطح ممبران است که منجر به کاهش عملکرد آن می‌شود. فولینگ و اسکیلینگ هر دو نیاز به نگهداری و تمیز کردن منظم دارند که بر کارایی و طول عمر کلی سیستم تأثیر می‌گذارد.

تولید فاضلاب

فرآیند اسمز معکوس پساب یا آب پس زده شده تولید می‌کند که حاوی آلاینده‌های حذف شده از آب خوراک است. دفع صحیح این پساب تغلیظ شده ممکن است چالش برانگیز باشد و پیامدهای زیست محیطی داشته باشد.

حساس به کیفیت آب خوراک

عملکرد سیستم‌های RO به شدت به کیفیت آب خوراک بستگی دارد. مقادیر بالای جامدات معلق، کلر، یا آلاینده‌های خاص ممکن است بر عملکرد و طول عمر ممبران تأثیر منفی بگذارد و فرآیندهای پیش تصفیه اضافی را ایجاب کند.

حذف محدود برخی از آلاینده‌ها

در حالی که RO در حذف بسیاری از ناخالصی‌ها مؤثر است، ممکن است در از بین بردن برخی گازهای محلول، آفت‌کش‌ها و برخی ترکیبات آلی فرار چندان کارآمد نباشد. ممکن است برای تصفیه کامل به روش‌های تصفیه اضافی نیاز باشد.

حساسیت به pH

تغییرات شدید در مقادیر pH آب خوراک ممکن است پایداری و عملکرد ممبران‌های RO را تحت تأثیر قرار دهد. شرایط اسیدی یا قلیایی ممکن است برای اطمینان از عملکرد بهینه نیاز به تنظیمات خاصی داشته باشد تا عملکرد بهینه را تضمین کند.

امکان وقوع بایو‌فولینگ

تحت شرایط خاص، میکروارگانیسم‌ها ممکن است روی سطح ممبران تکثیر شوند و منجر به بایو‌فولینگ شوند. فولینگ بیولوژیکی کارایی سیستم را کاهش داده و ممکن است به روش‌های تمیز کردن خاصی نیاز داشته باشد.

با وجود این معایب، استفاده از سیستم‌های اسمز معکوس همچنان یک فناوری پر‌کاربرد و موثر برای تصفیه آب صنعتی است، به خصوص زمانی که کیفیت و خلوص آب برای فرآیندهای صنعتی خاص اهمیت دارد.