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 ( 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

گرفتگي بیولوژیکی غشاهاي پلي آميد اسمز معكوس يكي از مشكل ترين و كم شناخته شده ترين نوع گرفتگي غشاء مي باشد. مواردي از گرفتگي بيولوژيكي در بسياري از سيستم هاي هوازي (آب دريا، آب رود خانه ها و فاضلاب ) و در بعضي از سيستم هاي غير هوازي (آب چاه شور ) ديده شده اند.

بدليل طبيعت پيچيده مكانيزم هاي رشد ميكرو بي و آثار زيان بخش گرفتگي بيولوژيكي بر عملكرد سيستم  كه اغلب بازگشت ناپذيرند  تدارك عملي و موثر به همراه طراحي مناسب براي تثبيت و بهبود عملكرد سيستم هاي اسمز معکوس الزامي است.

سيستم هاي آب سطحي از قبيل كانال هاي باز، آب دريا، آب رودخانه و درياچه آب شور نيز همانند فاضلاب هاي صنعتي اغلب ميزان نسبتاً زيادي فعاليت بيولوژيكي دارند. انواع متعدد و مختلفي از باكتري ها، جلبك ها، قارچ ها و ديگر ميكرو ارگانيسم هاي آبزي در يك محيط مطلوب رشد كرده و توسعه مي يابند.

بعضي از سيستم هاي بسته آب چاه نيز در صورت وجود ميكروارگانيسم هاي غير هوازي از قبيل باكتري احياء كننده (يا كاهنده) سولفاته (S.R.B) مي توانند بستر مناسبي براي رشد قابل ملاحظه ميكروبيولوژيكي باشند. نوع ، غلظت و پتانسيل رشد نمونه هاي بيولوژيكي در يك نمونه آب داده شده، بوسيله عوامل بحراني از قبيل دما، نور خورشيد، pH مقدار اكسيژن حل شده و وجود مواد غذايي آلي و غير آلي تعيين مي شوند.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

طی دهه گذشته بیشتر تحقیقات پایه و کاربردی در باره گرفتگی بیولوژیکی غشاء در جنوب کالیفرنیا در حال انجام بوده است. برای مثال در واحد آب 21 که در کالیفرنیا واقع شده است لجن گرفتگی غشاء سالیانه بیش از 700 هزار دلار هزینه در بر دارد که این رقم تقریباً 25% هزینه سالیانه بهره برداري که شامل  شستشوی شیمیایی و افت کارآیی غشاء است. این واحد در سال 1970 ساخته شد تا جهت جلوگیری از نفوذ آب دریا، فاضلاب شهری را تصفیه و به آبهای زیر زمینی تزریق کند. در این واحد مشخص گردید که لجن گرفتگی در کار آیی غشاء تاثیر زیادی دارد. همچنین کاهش آشکار و عمده شار غشاء بر اثر تجمع لایه ژلاتین که مانع نفوذ می شود. ( به عنوان مثال بیو فیلم ) ، این ماده موجب تخریب سریعتر غشاء یا اجزای سیستم ( به عنوان مثال ، لوله ها) توسط تماس مستقیم (آنزیم باکتری ) یا فرآیند غیر مستقیم (تغییر pH ) همراه با سوخت وساز میکروبی طبیعی و گسترش لایه بیولوژیکی به وقوع می پیوند.

در ایالت متحده کاهش تولید در اثر گرفتگی بیولوژیکی اسمز معکوس، موجب استفاده از فرآیندهای مخصوص پیش تصفیه آب خوراک و مواد شیمیایی، افزایش هزینه بهره برداری و نگهداری، مصرف انرژی توسط سیستم و کاهش عمر مفید غشاء شده است که در نهایت ده ها میلیون دلار خسارت به همراه داشته است.

از دیگر تحقیقات انجام شده، در خصوص گرفتگی بیو لوژیکی می توان به تحقیقات در واحد یوما واقع در ایالت آریزونای آمریکا اشاره کرد. این واحد قادر است میلیونها لیتر آب از رودخانه کارداو، قبل از ورود به مکزیکو را نمک زدایی کند. در نمک زدایی یوما، به آب خوراک، آمونیاک تزریق می شود. آمونیاک با کلر آزاد واکنش داده، کلر آمین تشکیل می دهد که حالت اکسید کنندگی آن به اندازه کلر آزاد نیست. و کلر آمین دارای خاصيت بایوساید بوده، درنتیجه از غشاء در مقابل فعالیت بیولوژیکی محافظت می کند.

در یک سیستم اسمز معکوس در سان دیاگو ایالت کالیفرنیا، طی یک هفته30% از آب محصول کاهش پیدا کرد. اسمز معکوس در پایین دست صافی های کربن فعال قرار داشت که تعداد بیشماری باکتری توسط این صافی ها وارد آب خوراک می شد. تعداد باکتریهای مهاجر بالغ بر چندین هزار عدد در یک میلی ليتر بودند. در این واحد زمانی که سیستم اسمز معکوس در سرویس است، اسید پر استیک با غلظت ppm 4/0 (در حضور  ppm 2 پر اکسید هیدروژن ) به آب خوراک تزریق می شد. اگر چه با تزریق اسید، کاهش قابل توجهی در شمار باکتریها مشاهده نمی شد. ولی روند کاهش آب محصول متوقف می شد. بعد از گذشت دو ماه دبی آب محصول ثابت گردید.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

غشاها در دستگاههاي اسمز معکوس(Ro ) پس از بکارگيري هر چند مدت يکبار نياز به تميزکردن دارند.انتخاب ماده شيميايي تميز کننده بستگي به جنس پليمر به کار رفته دارد. اين غشاها در مقابل کلرين موجود در مواد شيميايي حساس هستند و در نتيجه نمي توان از موادکلر دار براي تميز کردن اين گونه غشاها استفاده نمود.

ميکروارگانيزم ها همانند باکتري ها مي توانند موجب گرفتگي غشاها شوند، حتي در برخي موارد نيز آنزيم هاي ترشح شده از ميکروارگانيزم ها بر روي غشاها اثر تخريبي داشته، به اين منظور آب پس از عبور از روي غشا به وسيله تابش ماورابنفش و يا کلرين ضد عفوني مي شود. در صورت استفاده از کلرين به خاطر جلوگيري از کاهش عمر مفيد غشاها بايد کلرين اضافي حذف شود که اين عمل با استفاده از ذغال فعال و سولفيت ها انجام مي يابد.

مواد اکسيد شونده هماننداکسيدها، هيدروکسيدهاي آهن، منگنز و سيليس مي تواند طي فرآيند املاح زدايي با رسوب نمودن روي غشاها مشکلاتي را بوجود آورند و در نتيجه کارايي غشاها را کاهش دهند.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب