مرجع تخصصی آب و فاضلاب

تصفیه آب به روش اسمز معکوس (RO) و روش طراحی و محاسبات آن

اسمز معکوس (Reverse Osmosis) یک فناوری پیشرفته برای حذف ناخالصی‌ها، املاح، و آلاینده‌ها از آب با استفاده از غشای نیمهتراوا است. این روش بهطور گسترده در نمکزدایی آب دریا، تصفیه آب آشامیدنی، و صنایعی مانند داروسازی و الکترونیک استفاده می‌شود. در زیر به تشریح اصول کار، طراحی سیستم، و محاسبات کلیدی آن پرداخته می‌شود:

۱. اصول کارکرد اسمز معکوس
اسمز طبیعی: در شرایط عادی، آب از محلول رقیق (کمتراکم) به سمت محلول غلیظ (پرتجمع) از طریق غشای نیمهتراوا حرکت می‌کند تا تعادل غلظت برقرار شود.

اسمز معکوس: با اعمال فشار خارجی بیشتر از فشار اسمزی طبیعی، جهت جریان آب معکوس می‌شود. در نتیجه، آب خالص از محلول غلیظ (مانند آب شور) عبور کرده و ناخالصی‌ها (نمک‌ها، یون‌ها، باکتریها) پشت غشا باقی می‌مانند.

۲. اجزای اصلی سیستم اسمز معکوس
۱. پیشتصفیه:

فیلتر شنی/کربنی: حذف ذرات معلق و کلر.

میکروفیلتراسیون (MF) یا اولترافیلتراسیون (UF): حذف ذرات ریزتر (تا ۰. ۱ میکرون).

تزریق آنتیاسکالانت: جلوگیری از رسوبگذاری (Scaling) روی غشا.

۲. پمپ فشار بالا: تأمین فشار مورد نیاز (معمولاً ۱۵–۸۰ بار بسته به نوع آب ورودی).

۳. ماژول‌های غشایی:

غشای نیمهتراوا: جنس معمولاً پلیآمید یا استات سلولوز.

انواع ماژول‌ها: مارپیچی (Spiral Wound)، صفح‌های (Plate and Frame)، یا لول‌های (Hollow Fiber).

۴. سیستم بازیافت انرژی: کاهش مصرف انرژی با بازیافت فشار از جریان پساب (مثلاً با استفاده از مبدل فشار).

۵. شستشوی معکوس (CIP): تمیزکردن دور‌های غشا‌ها با مواد شیمیایی.

۳. پارامتر‌های کلیدی طراحی
فشار عملیاتی (P): باید بیشتر از فشار اسمزی (π) آب ورودی باشد.

P>π=i⋅C⋅R⋅T
i: ضریب وانت هاف (تعداد یونها)،
C: غلظت نمک،
R: ثابت گاز‌ها،
T: دمای مطلق.

دبی آب محصول (Q_p): مقدار آب تصفیه شده در واحد زمان.

دبی آب تغلیظشده (Q_c): مقدار پساب تولیدی.

نرخ ریکاوری (Recovery Rate):

R=Qf​Qp​​×100
​

Qf​: دبی آب ورودی.

رد کردن نمک (Salt Rejection):

SR=(1−Cf​Cp​​)×100

Cp​: غلظت نمک در آب محصول، Cf​: غلظت نمک در آب ورودی.

۴. مراحل طراحی سیستم RO
الف) تعیین نیاز‌ها
کیفیت آب ورودی (TDS، دما، pH، وجود آلایندهها).

کیفیت مورد نیاز آب خروجی (مثلاً TDS < ۵۰۰ ppm برای آب آشامیدنی).

ظرفیت سیستم (مثلاً ۱۰۰۰ مترمکعب در روز).

ب) محاسبات پایه
۱. محاسبه فشار اسمزی (π):

π(bar)=۰. ۷×TDS(ppm)
مثال: برای آب دریا با TDS=۳۵، ۰۰۰ ppm، فشار اسمزی ≈ ۲۴. ۵ بار.

۲. تعیین فشار عملیاتی:

فشار عملیاتی معمولاً ۱. ۵–۲ برابر فشار اسمزی (برای آب دریا: ۵۵–۸۰ بار).

۳. محاسبه سطح غشا (A):

Qp​=A×J

J: شار عبوری آب (L/m². h) که به فشار، دما و نوع غشا بستگی دارد (معمولاً ۱۵–۳۰ L/m². h).

۴. تعیین تعداد ماژول‌ها:

بر اساس سطح غشای مورد نیاز و ظرفیت هر ماژول (مثلاً یک ماژول ۸ اینچی ≈ ۳۷ m² سطح).

ج) بهینه سازی سیستم
انتخاب آرایش ماژول‌ها: سری برای افزایش ریکاوری، موازی برای افزایش دبی.

W=ηQp​×ΔP​

• ΔP: اختلاف فشار، ηη: بازده پمپ (معمولاً ۷۰–۸۵%).

۵. چالش‌ها و راهکار‌ها
گرفتگی غشا (Fouling):

راهکار: پیشتصفیه دقیق، شستشوی دور‌های با اسید یا باز.

رسوبگذاری (Scaling):

راهکار: تزریق آنتیاسکالانت، کاهش pH آب ورودی.

هزینه انرژی:

راهکار: استفاده از مبدل‌های بازیافت انرژی (Energy Recovery Devices).

۶. مثال طراحی
نیاز: تصفیه آب لبشور با TDS=۵۰۰۰ ppm به ظرفیت ۱۰ m³/h و ریکاوری ۷۵%.

• فشار اسمزی: π=0.7×5000=3.5 barπ=0.7×5000=3.5bar.

• فشار عملیاتی: انتخاب ۱۵ bar (با در نظر گرفتن تلفات).

• شار عبوری: فرض J=20 L/m2.hJ=20L/m2.h.

• سطح غشا:

  A=10,000 L/h20 L/m2.h=500 m2A=20L/m2.h10,000L/h​=500m2

• تعداد ماژولها: اگر هر ماژول ۳۷ m² سطح داشته باشد:

  N=50037≈14 ماژولN=37500​≈14ماژول

۷. کاربرد‌های سیستم RO
نمکزدایی آب دریا (SWRO).

تصفیه آب صنعتی (برج‌های خنککننده، دیگ‌های بخار).

تولید آب فوقخالص (صنایع دارویی و نیمه رساناها).

بازیافت پساب (صنایع نساجی و غذایی).

۸. جمع بندی
سیستم اسمز معکوس با ترکیب فناوری غشا، پیشتصفیه، و مدیریت فشار، یکی از مؤثرترین روش‌های تصفیه آب است. طراحی دقیق آن نیازمند محاسبات فشار، سطح غشا، و بهینهسازی انرژی است. با پیشرفت فناوری نانوغشا‌ها و سیستم‌های بازیافت انرژی، راندمان این روش در حال بهبود است و نقش کلیدی در مقابله با بحران آب جهانی ایفا می‌کند.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب