اسمز معکوس

اسمز معکوس

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 مطابق شکل ۱ ،یکی حاوی آب نمک (۱) ودیگری حاوی آب خالص (۲) 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

(۲) به ظرف شماره (۱) 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 (۲) به ظرف شماره (۱) را ندهد. این فشر را فشار اسمزی می گویند و طبق قانون Vant Hoff تابعی است از غلظت نمک در هر دو ظرف غشاء.

F : فشار اسمزی F = (Cs1 – Cs2) RT
در معادله فوق Cs1 غلظت نمک در ظرف شماره (۱) (محلول خوراک)، Cs2 غلظت نمک در ظرف شماره (۲) (آب تصفیه شده) و R ثابت گازهاست و T درجه حرارت بر اساس درجه کلوین میباشد.

بر طبق شکل بالا در صورتی که بخواهیم جریان را بر عکس کرده یعنی از ظرف شماره (۱) به ظرف شماره (۲) انتقال دهیم لازم است فشاری بیش از فشار اسمزی به محلول آب نمک وارد آوریم. این فشار را فشار عملیاتی گفته و با P نمایش می دهند. لذا مقدار فشار خالص که باعث می گردد آب از ظرف آب نمک به ظرف آب خالص انتقال یابد برابر است با P – F و فشار محرکه یا Driving Pressure نامیده می شود. (شکل زیر)

مثال مذکور فرآیند اسمز معکوس به صورت Batch را ارائه میکرد. اما در صنعت لازم است تصفیه آب به صورت پیوسته صورت پذیرد و اگر بخواهیم مطابق با این مثال عمل تصفیه را انجام دهیم، افزایش غلظت نمک در ظرف خوراک (۱) باعث ازدیاد فشار اسمزی گشته لذا بایستی دائما فشار عملیاتی را زیاد کرده و برای جلوگیری از این مشکل همواره جریانی از قسمت محلول غلیظ از دستگاه خارج کنیم تا غلظت ثابت بماند. بنابراین همواره جریان Permeate کمتر از مقدار جریان خوراک میباشد.
انتخاب غشاء (Membrane Selection)

در سیستم اسمز معکوس غشاء مهمترین و حساسترین قسمت دستگاه می باشد. زیرا فشار عملیاتی مورد نیاز ارتباط مستقیم با ضخامت غشاء و قطر سوراخهای آن دارد. همچنین غشاء به علت تماس مداوم با مواد شیمیایی افزوده شده به آب، بایستی مقاوم بوده و با مواد بازدارنده و ضد زسوب گذار و زیست کشها (Biocides) واکنش ندهد.

عوامل مؤثر در مقایسه غشاءها عبارتند از:
۱- قطر سوراخها
۲- ضخامت
۳- مقاومت در مقابل مواد شیمیایی
۴- قیمت
۵- افت فشار
۶- شرکت سازنده
سعی می شود آب قبل از ورود به دستگاه اسمز معکوس، حتما تصفیه مقدماتی گردد. ولی با این حال لازم است پیش از انتخاب غشاء عملیت پایلوتی صورت پذیرد. به علت کیفیت بسیار عالی آب خروجی از سیستم اسمز معکوس امروزه بیشتر صنایع از این روش، بجای بکارگیری سیتمهای تعویض یونی استفاده می کنند. زیرا مبادله کننده های یونی به علت مصرف زیاد مواد شیمیایی و رزین، دارای هزینه راهبری و نگهداری زیادی می باشند.

اسمزمعکوس (R.O) :

در برخی منابع قطرمنافذغشاءهای صنعتی ROحدود۰۰۰۵/۰(۵۰۰ پیکومتر)واندازه تقریبی منافذغشاءهای دستگاه های تصفیه ی خانگی غشاءهای دستگاه های تصفیه ی خانگی نیزتا ۰۰۰۱/۰ میکرون(۱۰۰پیکومتر)ذکر شده است (شکل۴).ضمن این که قطر مولکول نیترات بدون آب ۲۵۰پیکومتر ۰۰۰۲۵/۰میکرون)ونیترات هیداراته ۰۰۰۶/۰میکرون اندازه گیری شده است. به دلیل قا بلیت های چشمگیری غشاءهای RO،امروز در سیستم های تصفیه درنقطه مصرف Pointof)Use)یا همان دستگاه های تصفیه ی خانگی بسیار متداول شده است.دراین موارد نیز عملکردفیلترهای

ROبستگی مستقیم به کیفیت وفشار آب ورودی داردوبه دلیل قرار گرفتن فیلتر کربن فعال درکنار فیلتر ROدراین دستگاه ها،قابلیت کاهش ترکیبات آلی فرارVOCs)نظیر کلروفرم وترکیبات نفتی وهمچنین ترکیبات آلی محلول SOCs)نظیر دی اکسین ها وآفت کش ها نیز فراهم آمده است.

تئوری های حذف درفرآینداسمزمعکوس :
به طورکلی حذف یون ها ،نمک ها و مولکول ها توسط روش اسمز معکوس ،براساس چهار عامل بارذرات ،وزن مولکولی ،اندازه ذرات وساختارشیمیائی آن ها می باشد.درواقع حذف ذرات توسط فرآیند اسمز معکوس تلفیقی از۴ عامل یادشده است.اگر از نظر وزن مولکولی بررسی کنیم ،MWCOیک فاکتور بسیار مهم برحسب دالتون است که نشان می دهد ۹۰درصدترکیبات باوزن

مولکولی بزرگتر ازآن توسط غشاءحذف خواهند شد.ازنظر بار ذرات،آب ورودی شامل آنیون ها وکاتیون هایی است که وقتی در مجاورت بار منفی غشاء قرار می گیرند،آنیون ها ازغشاءدفع می شوند وغلظت کاتیون ها درغشاءازغلظت آن ها درآب خروجی بیشتر می گردد.هم زمان غلظت آنیون ها در غشاءنسبت به آب خروجی کاهش یافته ودر نتیجه یک پتا نسیل الکتریکی بنام پتا نسیل دونان بین غشاءومحلول پدید می آید.این پتا نسیل ،کاتیون ها رابه سمت غشاءجذب کرده وبنا براین آنیون ها دفع ودرصد حذف آن ها افزایش می یابد.

بر طبق این تئوری حذف کلیه ی نمک ها بستگی به حذف آنیون ها دارد به ترتیب که هر چه بار منفی غشاءقوی تر باشد،حذف نمک ها نیز بهتر انجام می گیرد.ازطرفی چون آنیون ها وکاتیون ها به طور مداوم درحال حرکت هستند،گاهی اوقات به قدری به هم نزدیک می شوند که جذب یکدیگر شده وبار آن ها خنثی می گرددکه در نتیجه می توانندبه آسانی ازغشاءعبور کنند.همچنین درفرآینداسمز معکوس،ساختار شیمیایی ترکیبات نیتروژن تاثیر بسیار مهمی روی حذف آن ها دارد.ترکیبات یونی نیتروژن مانند آمونیوم،نیتروت ونیترات نسبت به ترکیبات آلی آن به علت فعل وانفعا لات الکتریکی با غشاءحذف بیشتری دارند.فعل وانفعا لات الکتریکی همانند اندازه ذرات نقش مهمی رادر حذف ترکیبات دارند.هرچه باتر ذارات بیشتر باشد میزان حذف نیزبهتر خواهدبود.باتخمین شعاع یون های محلول به شعاع منافذ غشاءمی توان بزرگتر از ۸%وپتانسیل دونان بزرگتر

ازV5%باشد،حذف ضعیف خواهد بود.لذا اثرات الکتریکی برای حذف یون ها ی کوچک ومولکولها بسیار مهم است.
نیترات یک بسیار محلول در آب بوده وبرای سیستم ROبه لحا ظ ایجاد رسوب وجرم مشکلی ایجاد نمی کنند.باتوجه به این که ترکیبات معدنی ونمک ها براساس تئوری هیداراتاسیون درآب محلول هستند،یون های دیسوسیه شده براساس بار یونی وشعاع یونی خود جذب مولکولهای آب شده وهیداراته می گردند.بسیاری از آنیون ها که نسبت بار به شعاع یونی بزرگتر یدارند (مانندSOو C)می تواننددر فیلتر اسمز معکوس ایجاد رسوب نمایند.
باافزایش PHبه دلیل اثر روی بار یون ها ،حذف نیترات بهتر انجام می یرد.کاهشPH،تعادل راازسمت یون تک ظرفیتی نیترات مولکول اسید نیتریک(که بدون بار است)جا بجا می نمایدودرنتیجه چنین مولکول بدون بار کوچکی ،به راحتی می تواند ازغشاءهای ROعبور نماید.با افزایش PHسطوح غشاءها شدیدادارای بار منفی شده که درنتیجه آنیونها طبق پدیده دونان دفع می گردند.درمقایسه دوغشاءپلی آمیدی آروماتیک(PA)واستات سلولز CA))،حذف یون نیترات توسط غشاءها PAبهتر انجام میگیردکه این امربه علت تفاوت درخصوصیات شیمیایی سطح پلیمری غشاءهاوکوچک تربودن قطرمنافذPAمی باشد.
نفوذ پذیری موادمحلول توسط اثر دونان کنترل می گرددلذا دانستن مختلف جهت تعیین میزان نفوذپذیری الکترولیت های یونی بسیار مفیداست. به طور مثال شعاع اندازه گیری شده یون نیترات برابر۰۰۰۱۲۵/۰میکرون است اما طبق جدول شماره ۲شعاع یونی نیترات هیدارته

حدود۰۰۰۳/۰میکرون می گردد که تقریبا بیش از دوبرابر حالت بدون آب است.

ساختار فیلتر اسمز معکوس :
اغلب موادی که در تهیه غشا های ROبه کار می روند،مخلوطی از لایه نازک پلی آمید(TFC )یا انواع سلولزی آن مانند سلولز استات( CTA )ویا مخلوطی ازهردومی باشند.موادبه کار رفته در غشاءها می توانندبه صورت یک الیاف مارپیچی دور یک لوله ویا فیبرتوخالی که بهم گره خورده اند،قرار گیرند که در نتیجه سطح وسیعی برای تصفیه ی آب درداخل یک محیط استوانه ای فشرده فراهم می آورند .
غشاءهای CA/CATA دارای ظرفیت کافی برای اغلب مصارف خانگی هستند ولی اگر نیاز به تصفیه حجم زیادی از آب باشد،غشاءهای TFCمورد استفاده قرار می گیرند.غشاءهای ROبراساس توانایی شان در حذف تر کیبات موجود درآب دسته بندی می گردند.اگر چه غشاءهای لایه نازک بسیار گران هستند ولی در عوض دارای دوام واستحکام بالائی می باشند ومیزان حذف TDSدرآن ها بیش از ۹۵درصداست ولی درصورت استفاده ازغشاءهای سلولز ی ،میزان حذف حدود ۹۴-۸۸درصد میگردد.درجدول ۳درصدحذف برخی ازترکیبات قابل حذف به طور متوسط۹۰تا۹۵ درصد می باشدکه بسته به نوع غشاءمتفاوت است.
عملکرد یک سیستم ROبستگی به نوع غشاءکنترل جریان ،کیفیت آبورودی (مانند کدورتTDS،PH )دما وفشار دارد.میزان کارآئی سیتم از طریق تقسیم کردن حجم آب تصفیه شده تولیدی به حجم آب ورودی به سیستم محاسبه می گردد.اکثر سیستم های ROمناسب نباشد ،برای تولیدآب تصفیه شده ،مقادیر زیادی آب باید وارد سیستم گردد. اکثر سیستم های ROخانگی برای کارآئی ۲۰

-۳۰درصد طراحی شدهاند که افزایش این کارآئی ممکن است عمر غشاءها را کا هش دهد.
در صورتی که نا خالصی های جدا شده فورابه خارج ازفیلتر منتقل نگردند،غشاءهای ROبه آسانی آلوده می شوند.اگر میزان جریان ورودی خیلی زیاد باشد،کارآئی سیستم کاهش یافته وآب خیلی زیادی به سمت پساب Brineهدایت شده وهدر می رود.دریک سیستم ROبا عملکردمناسب،باید بایدفشار آب ورودی کافی باشد.اگر فشار شبکه آب از حدی کمتر باشد،کار آئی سیستم افت

نموده ودرنتیجه میزان حذف نا خالصی ها کاهش می یابد.به همین دلیل دراغلب سیستم های تصفیه،برای افزایش فشار وبهبود کارآئی ازبوستر پمپ های کمکی استفاده می شود.
برای اطمینان ازعملکرد بهینه،باید سیستم های ROبه خوبی نگهداری شوند .اگر آلودگی غشاءROدرمراحل اولیه تصفیه ،شنا سائی گردد،اغلب با تمیز کردن می تواند دوباره وارد مدار شود. روش تمیز کردن بسته به نوع غشاءومیزان آلودگی ،متفاوت است.درعین حال غشاءهای ROکه مسدودویا پاره شده باشند باید تعویض گردند.علاوه بر این ،فیلتر های قبل وبعد از غشاءROبسته به کیفیت آب ورودی وحجم آب ورودی ،باید به طور مرتب تعویض شوند.چون آسیب دیدگی غشاءROبه راحتی قابل مشاهده نمی باشد بنابراین هدایت الکتریکی آب تصفیه شده بایدبه صورت دوره ای مورد آزمایش قرارگیرد.برای برخی آزآلاینده های خاص نظیر نیترات ویا سرب که دارای مخا طرات بهداشتی هستند،بهتر است که آب خروجی به طور دورهای آزمایش شود.با توجه به آن چه

گفته شد،مزایای روش اسمز معکوس به اختصارعبارتنداز:
محدودیت ظرفیت آبگذارسیستم وجود دارد که درواقع میزان بارگذاری حجمی سیستم غیر قابل انعطاف بوده ومحدود می باشد.
استفاده ازاین روش ممکن است سبب برهم زدن تعادل نسبت کلسیم /کربنات ،کاهش اکسیژن محلول وتغییر مزه آب خروجی می شود که ممکن است نیاز به تنظیم مجدد یا هوادهی داشته باشد.
به دلیل حسا سیت غشاءها،در صورت وجود رسو بات نیاز به یک پیش تصفیه ساده قبل از سیستم های اسمز معکوس وجود دارد. برای دفع پساب که به ازاءهر یک حجم آب خروجی حدود ۵تا۱۰ درصد حجم پساب تولید می گردد،باید از قبل تدابیر خاص اندیشیدهمی شود.
مقاسیه اقتصادی :
بررسی ها نشان داده که هزینه سرمایه گذاری اولیه برای احداث یک واحد اسمز معکوس نسبت به یک واحد تبادل یون در ظرفیت مساوی،بیشتر است .اما درادامه ،روش تبادل یون نیاز به هزینه بیشتری برای نگهداری (شامل هزینه عملیات احیاء کننده وهزینه جا یگزینی رزین هایی که کار آئی آن ها کاهش یافته است )دارد.ازبین موارد یادشده،قیمت مواد شیمیا ئی حدود ۷۰درصد هزینه های بهره برداری ونگهداری روش تبادل یون راشامل میشود.ازراه های دیگر برای کاهش هزینه

بهرهبرداری سیستم های تبادل یون،تاسیس واحد های تولیدی مواد شیمیائی مورد نیاز برای فرآیند،درکنار تصفیه خانه است که نیاز به سرمایه گذاری اولیه زیادی دارد. درمقابل روش اسمز معکوس نیاز به انرژی فراوان دارد که کاملا مرتبط با قیمت برق می باشد.
درسال های اخیر با دستیابی به فناوری تولید غشاءهای فشار پائین،مقدار برق مصرفی سیستم های اسمز معکوس بین ۳۰تا۶۰درصدکاهش یافته است.