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

اسمزمعکوس(RO)
در فرایند اسمز معکوس آب با فشار زیاد از یک سری غشاء نیمه تراوا((Semipermeable Membrane عبور داده می شود .این فشار خارجی از فشار اسمزی طبیعی بیشتر است در نتیجه ملکول های کوچک تر از منافذ غشاء عبور می کنند  در حالی که ملکول های بزرگ تر،قادر به عبور از غشاء نیستند و سپس در جریانی جانبی ازکنار غشاء عبور داده شده و دفع می گردند. در این فرایند میکروگانیسم ها نیز از آب حذف می شوند. به طور کلی این فرایند برای شیرین کردن آب های شور به کار می رود ولی در سال های اخیر برای حذف آلاینده های خاص نظیر نیترات مورد توجه قرار گرفته است .
 
 اسمز معکوس یک روش تصفیه فیزیکی و نوع فیلتراسیون است که نیاز به مواد شیمیایی ندارد . در اغلب منابع از روش اسمز معکوس به عنوان روشی موفق واقتصادی در دراز مدت برای کنترل آلاینده های آب از جمله نیترات یاد شده است . در این روش علاوه بر نیترات کل جامدات محلول (TDS)آب نیز کاهش می یابد .اگرچه فرایند ROمی تواند میکرو گانیسم ها را نیز حذف کند،اما توصیه شده که آب پاک از نظر شاخص باکتریائی (بدون کلیفرم) به فرایندROوارد گردد .به طور کلی فرایند فیلتراسیون برای جداسازی آلاینده های چهار گروه کلی قابل طبقه بندی هستند .میکروفیلتراسیون (MF)،اولترافیلتراسیون (UF) نانوفیلتراسیون(NF)و اسمز معکوس که به هایپر فیلتراسیون(HF)شهرت یافته است.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

درباره اسمز معکوس
اسمز معكوس یك فرایند فیزیكی است كه می توان از محلولی (حلال + ناخالصی) به كمك یك غشاء نیمه تراوا، حلال تقریبا خالص تهیه كرد. بعنوان مثال به كمك این روش می توان از آب شور، آب آشامیدنی مطلوب تهیه كرد. اسمز معكوس می تواند تا 98% مواد معدنی حل شده و مواد آلی و كلوئیدی آب را حذف كند. تكنولوژی اسمز معكوس در دهه های اخیر با به بازار آمدن انواع جدیدی از غشاها، بطور قابل توجهی گسترش یافته است. اسمز معكوس با ظرفیت 10 لیتر در روز الی 40 متر مكعب در دقیقه را می توان از بازارهای جهانی تهیه كرد. جالب است بدانید كه در ریاض، پایتخت عربستان، دستگاه اسمز معكوسی با ظرفیت 31 متر مكعب در دقیقه (31 هزار لیتر در دقیقه) ، برای تهیه آب آشامیدنی وجود دارد.
اساس كار اسمز معكوس :
اگر یك غشاء نیمه تراوا (Semi-Permeable Membrane) بین دو محلول با غلظتهای متفاوت قرار گیرد، مقداری از حلال (رقیق) از یك طرف غشاء به طرف دیگر منتقل می شود. غشاء معمولا از جنس استات سلولوز و یا پلی آمید است. البته امروزه غشاء را از مخلوط استات سلولوز و تری استات سلولوز می سازند.

جهت طبیعی حركت حلال به گونه ای است كه محلول غلیظ تر، رقیق می شود.
در شكل زیر آب خالص از غشاء عبور كرده و وارد آب ناخالص می شود. اگر به سیستم اجازه رسیدن به تعادل داده شود، در آن صورت سطح آب نمك ( آب حاوی ناخالصی ) از سطح آب خالص بالاتر خواهد رفت. این اختلاف سطح در دو طرف غشاء را فشار اسمزی می گویند. در واقع تنها مولكولهای آب قادر به عبور از غشاء نیمه تراوا هستند.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

اسمز معکوس

بهترين روش نمك زدائي از آبهاي لب شور استفاده از فرآينداسمز معكوس ميباشد، زيرا سيستم پيچيدهاي نداشته و راهبري آن قابل كنترلتر از ديگر روشها ميباشد و با توجه به توسعه روشهاي پيشرفته توليد غشاهاي پليمري، بهكارگيري اين روش توجيه بيشتري دارد.

صنایع امروز برای تصفیه آب مورد استفاده در بخشهای تولید بخار و فرآیند خود از سیستم اسمز معکوس استفاده فراوانی می برند. اساس کار این دستگاهها بر عبور ملکولهای غیریونی مثل آب از یک غشاء با روزنه های بسیار ریز بنا شده است. این غشاءها به صورتی ساخته شده اند که ملکولهای خنثی را براحتی از خود عبور می دهند. به همین دلیل آب ورودی به سیستم، که دارای املاح مختلف است به آب تقریبا خالص تبدیل می گردد. در سیستم اسمز معکوس، جریان ورودی یا خوراک (Feed) به دو جریان آب تصفیه شده (Permeate) و پساب غلیظ (Reject) یا (Brine) تبدیل می شود.

اساس کار اسمز معکوس فرض کنید دو ظرف، یکی حاوی آب نمک (1) ودیگری حاوی آب خالص (2) توسط یک لوله به یکدیگر متصل بوده وهر دو دارای ارتفاع مساوی از آب و در یک سطح قرار داشته باشند. جهت برقراری تعادل در غلظت یونهای سدیم و کلراید از ظرف آب نمک، یونهای نمک به صورت نفوذ مولکولی به ظرف آب خالص انتقال یافته تا تعادل غلظت بین هر دو ظرف برقرار گردد. اما اگر بین این دو ظرف و در مسیر جریان آب یک غشاء قرار گیرد که فقط اجازه دهد مولکولهای آب از آن عبور کنند، یونهای نمک اجازه عبور نخواهند داشت. لذا برای برقراری تعادل در غلظت، آب خالص از ظرف شماره (2) به ظرف شماره (1) انتقال می یابد و این عمل تا آنجا ادامه می یابد که افزایش ارتفاع حاصله در ظرف آب نمک، فشار مضاعف ایجاد کرده و اجازه انتقال آب از ظرف شماره (2) به ظرف شماره (1) را ندهد. این فشار را فشار اسمزی می گویند و طبق قانون Vant Hoff تابعی است از غلظت نمک در هر دو ظرف غشاء.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

اسمز معکوس ( Reverse Osmosis ) یا به طور اختصار RO ، یک تکنولوژی است که تقریباًٌ در هر صنعتی که  احتیاج به تفکیک مواد حل شده از حلال باشد ( معمولاٌ حلال آب است ) عمومیت پیدا کرده است . متداولترین مورد مصرف RO  در تهیه آب خالص است . در صنعت ، جهت تهیه آب DM و تصفیه فاضلاب بهداشتی استفاده زیادی از RO می شود.   فرآیند RO در تهیه آب آشامیدنی از طریق نمک زدایی آب دریا و حتی بهبود مزه ی آب از طریق حذف آلودگی های مضر ، مورد استفاده قرار می گیرد .

فشار اسمزی : اسمز، پدیده ای است که بطور طبیعی در فرایند  های بیولوژیکی متفاوت رخ می دهد. دیواره های سلول، سایر سلولهای مغذی را از خود عبور می دهد و سایر مواد را از خود دفع می کند. در این حالت، دیواره های سلول به عنوان یک غشای نیمه تراوا در نظر گرفته می شود. عبور آب از غشای نیمه تراوا که به عنوان حلال در اسمز معکوس به کار گرفته می شود، نسبت به عبور نمکها، جامدات معلق و مواد آلی سنگین در اولویت قرار دارد. در اسمز معکوس، عبور مواد بر خلاف پدیده اسمز است، به طوری که جریان از سمت غلیظ تر به سمت رقیق تر عبور می کند. اگر محلول آب نمک در داخل یک ظرف ریخته شود و توسط غشای نیمه تراوا از آب خالص جدا شود، تغییر در حجم هر یک از دو قسمت ظرف مشاهده می شود. آب خالص از میان غشا به سمت محلول آب نمک حرکت می کند در نتیجه، در سمت آب نمک، ارتفاع آب بالاتر می رود، در حالی که در بخش آب خالص ارتفاع آب، کاهش پیدا می کند. این عبور جریان آب از غشا به طرف محلول آب نمک، اسمز نامیده می شود. اگر با اعمال فشار فیزیکی یا افزایش ارتفاع محلول آب نمک، تعادل بین آب خالص و آب نمک به هم بخورد، آب خالص از طریق غشا از قسمت آب نمک به قسمت آب خالص نفوذ می کند و نفوذ تا زمانی ادامه می یابد که تعادل، مجدداٌ برقرار شود، به طوری که فشار اسمزی محلول آب نمک با فشار محلول آب نمک بروی غشای نیمه تراوا برابر شود که این نیز بستگی به فشار آب خالص بر روی غشا دارد. اعمال فشار به قسمت آب نمک را می توان توسط یک پمپ اعمال نمود. در این حالت، پمپ نیروی مورد نیاز جهت راندن مولکولهای آب از میان غشا را تامین می کند. عبور جریان آب از بخش آب نمک به بخش آب خالص، اسمز معکوس نامیده می شود.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

اسمز معکوس فرآیندی است که در آن از فشار برای معکوس نمودن جریان اسمزی آب از درون یک غشای نیمه‌تراوا استفاده می‌شود. اگر یک غشای نیمه‌تراوا بین دو محلول آب خالص و آب ناخالص قرار گیرد آب بطور طبیعی و تحت خاصیت اسمزی از غلظت بالاتر به غلظت پائین‌تر جریان می‌یابد. این پدیده تا زمانی که پتانسیل‌های شیمیایی دو طرف برابر گردند ادامه خواهد یافت. در حالت تعادل اختلاف فشار بین دو طرف غشا برابر اختلاف فشار اسمزی است. اگر فشاری برابر با اختلاف فشار اسمزی به محلول غلیظ‌تر اعمال گردد جریان آب قطع خواهد شد. در صورتیکه فشار اعمال شده بیشتر از فشار اسمزی باشد جهت جریان طبیعی آب معکوس خواهد گردید.

این روش برای حذف مواد معلق ، کدورت ، رنگ ، بو ، طعم ، کلرمازاد ، باکتری ها ، ویروس ها ، میکروب ها و در نهایت املاح محلول در داخل آب به کار می رود. تمامی این موارد توسط دو واحد پیش تصفیه فیزیکی و اسمز معکوس از داخل آب تا درصد زیادی حذف می شوند.

دستگاه های تصفیه فیزیکی آب به روش اسمز معکوس امروزه در صنایع بسیار زیادی از جمله نفت ، گاز ، پتروشیمی ، آب و فاضلاب ، صنایع دارویی ، بهداشتی ، غذایی ، الکترونیک و ... کاربرد فراوانی دارند همچنین این دستگاهها می توانند کل مواد جامد محلول در آب را از مقدار مجاز برای آبیاری و آشامیدن و خط فرآیند تا حد صفر نیز پایین بیاورند.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

اساس کار اسمز معکوس
فرض کنید دو ظرف مطابق شکل 1 ،یکی حاوی آب نمک (1) ودیگری حاوی آب خالص (2) توسط یک لوله به یکدیگر متصل بوده وهر دو دارای ارتفاع مساوی از آب و در یک سطح قرار داشته باشند. جهت برقراری تعادل در غلظت یونهای سدیم و کلراید از ظرف آب نمک، یونهای نمک به صورت نفوذ مولکولی به ظرف آب خالص انتقال یافته تا تعادل غلظت بین هر دو ظرف برقرار گردد. اما اگر بین این دو ظرف و در مسیر جریان آب یک غشاء قرار گیرد که فقط اجازه دهد مولکولهای آب از آن عبور کنند، یونهای نمک اجازه عبور نخواهند داشت. لذا برای برقراری تعادل در غلظت، آب خالص از ظرف شماره (2) به ظرف شماره (1) انتقال می یابد و این عمل تا آنجا ادامه می یابد که افزایش ارتفاع حاصله در ظرف آب نمک، فشار مضاعف ایجاد کرده و اجازه انتقال آب از ظرف شماره (2) به ظرف شماره (1) را ندهد. این فشر را فشار اسمزی می گویند و طبق قانون Vant Hoff تابعی است از غلظت نمک در هر دو ظرف غشاء.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

برای فهم اسمزی معکوس اول بايد بدانيم که اسمزی چيست و برای فهم اسمزی ابتدا بايد دفيوژن را تعريف کنيم. بنابراين داريم:دفيوژن بيان می کند که مولکول ها در يک محلول از قسمتی که غلظت بيشتر است به قسمت با غلظت کمتر نفوذ می کنند. به عنوان مثال هنگامی که شما يک سوپ خوشمزه را در آشپز خانه می جوشانيد آن مولکول های خوشمزه فقط در ظرف باقی نمی مانند و رفته رفته در جای جای خانه به حرکت در می آيند و محيط را با بوی خود پر می کنند. به عبارت ديگر عمل دفيوژن صورت گرفته است يعنی مولکول ها از يک محيط غليظ (ظرف سوپ) به يک محيط با غلظت کمتر (فضای خانه) نفوذ کرده اند.

اسمزی نوع مخصوصی از دفيوژن است که در آن تمام مولکول ها در آب قرار دارند و آب از طريق يک مانع موسوم به غشای نيمه تراوا به دو قسمت تقسيم شده است.يک غشای نيمه تراوا به آب اجازه عبور می دهد ولی يون ها مانند (^- Na⁺, Ca⁺⁺, Cl) و مولکول های بزرگ مانند هيدرو کربن ها اجازه عبور از غشا را ندارند. غشای نيمه تراوا می تواند از مواد مختلفی ساخته شود ولی بيشتر از استات سلولز و پلی آميدهای صمغ گياهان ساخته می شود. يکی از موادی که يک غشای نيمه تراوا نيست Saran wrap است دليلش اين است که همه چيز به اين ماده می چسبد.

در اسمزی آب از يک محيط رقيق به يک محيط غليظ نفوذ می کند. دليل آن اين است که آب با اين عمل می خواهد محيط غليظ را رقيق تر گرداند. در شکل زير ما اسمزی را در عمل مشاهده می کنيم مولکول ها با نقطه های زرد نشان داده شده اند.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب