تصفیه آب به روش اسمز معکوس
اسمز معکوس Reverse Osmosis، که به اولترافیلتراسیون Ultra-Filtration هم شناخته شده، جدیدترین فناوری در تصفیه آب است. اسمز معکوس (RO) در اواخر دهه 1950 تحت بودجه دولت امریکا به عنوان روشی برای نمک‌زدایی از آب دریا بکار گرفته شد. امروزه اسمز معکوس نام مناسب‌ترین و کامل‌ترین روش تصفیه آب را به خود گرفته است. بیشترین استفاده را در کارخانجات آب معدنی و بسیاری از صنایعی دارد که نیازمند آب فوق تصفیه شده در تولید هستند. این فناوری پیشرفته همچنین در خانه‌ها و دفاتر کاری برای تصفیه آب آشامیدنی در دسترس است.
به منظور درک «اسمز معکوس» احتمالا بهتر است با اسمز عادی شروع کنیم. طبق فرهنگ لغات دانشگاهی میریام وبستر Merriam-Webster’s، اسمز «حرکت یک حلال از یک غشای نیمه تراوا (مثل یک سلول زنده) در محلولی با غلظت حل شده بالاتر است که تمایل دارد غلظت محلول را در دو طرف غشا برابر کند.
غشای نیمه تراوا غشایی است که برخی اتم‌ها یا مولکول‌ها و نه همه آنها را عبور می‌دهد.
پوشش ساران Saran نمونه‌ای از غشا است اما تقریبا در برابر هرچیزی که به آن پرتاب می‌کنیم نفوذ ناپذیر است. بهترین نمونه رایج غشای نیمه تراوا پوشش روده شما یا یک دیواره سلولی است. پارچه GORE-TEX گورتکس یکی دیگر از غشاهای نیمه رسانای رایج است. پارچه گور تکس شامل یک غشا پلاستیکی بسیار نازک است که در آن میلیاردها منافذ ریز وجود دارد. منافذ آنقدر بزرگ هستند که اجازه دهند آب از طریق آنها بخار شود اما اینقدر کوچک هستند که مانع از عبور مایع از آن شوند.
غشا اجازه عبور مولکول‌های آب را می‌دهد اما مولکول‌های نمک نمی توانند عبور کنند. یک راه درک فشار اسمزی این است که مولکول‌های آب را در دو طرف غشا در نظر بگیریم. آنها در حرکت ثابت هستند. در سمت شور، برخی از این منافذ با اتم‌های نمک پر می‌شوند اما در سمت آب خالص این اتفاق رخ نمی‌دهد. بنابراین، هرچه آب بیشتری از سمت آب خالص به قسمت شور عبور کند، منافذ بیشتری برای عبور مولکول‌های آب وجود دارد. آب در طرف شور افزایش می‌یابد تا وقتی که دو اتفاق بیافتد:
- غلظت نمک در هر دو طرف غشا یکسان شود (که در این صورت رخ نمی‌دهد چون آب خالص در یک طرف و آب شور در طرف دیگر است).
- با افزایش ارتفاع ستون آب شور، فشار آب افزایش می‌یابد تا زمانی که برابر با فشار اسمزی باشد. در آن نقطه، اسمز متوقف می‌شود.
به همین دلیل است که نوشیدن آب شور (مثل آب اقیانوس) شما را می‌کشد. وقتی آب شور وارد معده شما می‌شود، فشار اسمزی شروع به بیرون کشیدن آب از بدن شما می‌کند تا نمک را در شکم شما رقیق کند. سرانجام، دچار کم آبی شده و می‌میرید.
در اسمز معکوس، ایده این است که از غشا استفاده شود تا مانند یک فیلتر بسیار ریز عمل کند و از آب شور (یا آلوده) آب آشامیدنی تولید کند. آب شور در یک طرف غشا قرار گرفته و فشار اعمال می‌شود تا فرایند اسمز متوقف و سپس معکوس شود. عموما به فشار زیادی نیاز دارد و نسبتا آهسته است اما جواب می‌دهد.
تصفیه آب به روش اسمز معکوس چگونه کار می‌کند؟
اسمز معکوس با استفاده از یک پمپ پرفشار برای افزایش فشار در سمت نمکی دستگاه و عبور دادن آب از غشای نیمه تراوای اسمز معکوس کار می‌کند، تقریبا (حدود 95% تا 99%) نمک‌های محلول را حذف می‌کند. مقدار فشار مورد نیاز به غلظت نمک آب ورودی بستگی دارد. هرچه غلظت نمک در آب بیشتر باشد، برای پیروز شدن بر فشار اسمزی به فشار بیشتری نیاز است.
به زبان بسیار ساده، آب ورودی به دستگاه تصفیه آب اسمز معکوس تزریق شده و شما به دو نوع آب خروجی از دستگاه تصفیه آب اسمز معکوس می‌رسید: آب خوب و آب بد. آب خوب آب خروجی از دستگاه تصفیه آب اسمز معکوس است که بیشتر آلوده کننده‌های آن حذف شده‌اند و نشتی نام دارد. عبارت دیگر برای آب نشتی، آب حاصل است که هر دو یک معنا دارند. نشتی آبی است که از غشای اسمز معکوس عبور کرده و مقدار بسیار کمی آلوده کننده دارد.
آب بد آبی است حاوی تمام آلوده کننده‌هایی که نتوانستند از غشا عبور کنند و به تغلیظ، رد شده یا شوراب شناخته می‌شود. هر سه عبارت (غلظت، رد شده و شوراب) به جای هم استفاده شده‌اند و به یک معنا هستند. تصویر زیر نشان می‌دهد اسمز معکوس است که چگونه کار می‌کند. با ورود آب ورودی به غشای تحت فشار (فشار کافی برای پیروز شدن بر فشار اسمزی) مولکول‌های آب از غشای نیمه تراوا عبور کرده و نمک و سایر آلوده کننده‌ها نمی‌توانند عبور کرده و از طریق جریان تغلیظ تخلیه شده، به خروجی رفته یا در برخی شرایط به قسمت تامین آب وارد می‌شود تا دوباره از طریق اسمز معکوس بازیابی شده و در آب صرفه جویی شود. آبی که از غشای اسمز معکوس می‌گذرد آب نشتی یا حاصل نامیده شده و معمولا حدود 95% تا 99% نمک‌های محلول آن حذف شده‌اند.
مهم است بدانیم که دستگاه تصفیه آب اسمز معکوس از فیلتراسیون متقاطع بیشتر از فیلتراسیون استاندارد استفاده می‌کند که آلوده کننده‌ها درون واسط فیلتر جمع می‌شوند. با فیلتراسیون متقاطع، محلول از طریق فیلتر عبور کرده یا از فیلتر می‌گذرد با دو خروجی: آب فیلتر شده به یک طرف رفته و اب آلوده به مسیر دیگری می‌رود. برای جلوگیری از ایجاد آلوده کننده‌ها، فیلتراسیون جریان متقاطع به آب امکان می‌دهد آلوده کننده‌ها را شسته همچنین با مقدار کافی آشفتگی، سطح غشا را تمیز نگهدارد.
در تصفیه آب به روش اسمز معکوس چه چیزهایی را از آب حذف می‌کند؟
اسمز معکوس می‌تواند تا 99% نمک‌های محلول (یون‌ها)، ذرات، کلوییدها، ارگانیک‌ها، باکتری‌ها و پیروژن‌های آب ورودی را حذف کند (هرچند اطمینانی وجود ندارد که یک دستگاه تصفیه آب اسمز معکوس بتواند 100% باکتری‌ها و ویروس‌ها را از بین ببرد.). غشای اسمز معکوس، آلوده کننده‌ها را براساس اندازه و بار آنها حذف می‌کند. هر آلوده کننده‌ای که وزن مولکولی بیشتر از 200 داشته باشد احتمالا با اجرای درست دستگاه تصفیه آب اسمز معکوس، رد خواهد شد. همچنین بار یونی بالاتر آلوده کننده احتمالا نمی‌تواند از غشای اسمز معکوس عبور کند. برای مثال، یک یون سدیم تنها یک بار دارد (یک ظرفیتی) و توسط غشای اسمز معکوس حذف نمی‌شود، همچنین کلسیم که به عنوان مثال دارای دو بار است. به همین دلیل است که یک دستگاه تصفیه آب اسمز معکوس گازهایی مثل مونوکسید کربن را به خوبی حذف نمی‌کند چون یون (بار) بالایی ندارند با اینکه در محلول و وزن مولکولی بسیار پایینی دارد. چون دستگاه تصفیه آب اسمز معکوس گازها را حذف نمی‌کند، آب نشتی بسته به سطح مونوکسید کربن در آب ورودی می‌تواند سطح pH بسیار پایین‌تری داشته باشد زیرا مونوکسید کربن به اسید کربنیک تبدیل شده است.
اسمز معکوس در تصفیه آب شور، سطحی و زمینی برای جریان‌های بزرگ و کوچک بسیار موثر است. مثالهایی از صنایعی که از آب اسمز معکوس استفاده می‌کنند شامل دارویی، گرمایشی، خوراک و نوشیدنی، جلادهی آهن و تولید نیمه رساناها هستند.
عملکرد اسمز معکوس و طراحی محاسبات
محاسبات کمکی وجود دارند که برای قضاوت در مورد عملکرد دستگاه تصفیه آب اسمز معکوس و همچنین برای ملاحظات طراحی استفاده شده‌اند. دستگاه تصفیه آب اسمز معکوس ترتیبی دارد که نشان دهنده کیفیت، جریان، فشار و گاهی داده‌های دیگر مثل ساعت کار است. به منظور سنجش دقیق عملکرد یک دستگاه تصفیه آب اسمز معکوس، به حداقل پارامترهای عملیاتی زیر نیاز دارید:
- فشار ورودی
- فشار نشتی
- فشار غلظت
- رسانایی ورودی
- رسانایی نشتی
- جریان ورودی
- جریان نشتی
- دما
رد نمک
این معادله به شما می‌گوید که غشاهای اسمز معکوس چقدر در حذف آلوده کننده‌ها موثر هستند. به شما نمی‌گوید که هر غشا چگونه عمل می‌کند بلکه عملکرد متوسط کل سیستم را می‌گوید. یک دستگاه تصفیه آب اسمز معکوس به خوبی طراحی شده (با اندازه و بار خاص) 95 تا 99% آلوده‌کننده‌های آب ورودی را حذف می‌کند. با استفاده از معادله زیر می‌توانید موثر بودن غشای اسمز معکوس را تعیین کنید:
درصد حذف نمک= رسانایی آب ورودی- رسانایی آب نشتی × 100 تقسیم بر رسانایی ورودی
هرچه حذف نمک بیشتر باشد، عملکرد سیستم بهتر است. حذف پایین نمک می‌تواند بدین معنا باشد که غشا نیازمند پاکسازی یا تعویض است.
درصد عبور نمک
برعکس رد نمک است که در معادله قبلی توضیح داده شد. مقدار نمکی است که بصورت درصد عبوری از طریق دستگاه تصفیه آب اسمز معکوس نشان داده شده است. هرچه نمک کمتری بگذرد، عملکرد سیستم بهتر است. میزان بالای نمک عبوری بدین معنا است که غشاها نیاز به پاکسازی یا تعویض دارند.
درصد عبور نمک = (1- درصد حذف نمک)
درصد بازیابی
درصد بازیابی مقدار آبی است که به عنوان آب نشتی خوب بازیابی شده است. به زبان دیگر، درصد بازیابی مقدار آبی است که به عنوان غلظت به خروجی فرستاده نشده، بلکه بعنوان آب نشتی یا حاصل جمع‌آوری شده است. درصد بالاتر بازیابی بدین معنا است که آب کمتری به خروجی رفته و آب نشتی بیشتری ذخیره می‌شود. هرچند، اگر درصد بازیابی برای طراحی اسمز معکوس خیلی بالا باشد، به علت پوسته شدن و رسوب می‌تواند منجر به مشکلات بزرگتری شود. درصد بازیابی دستگاه تصفیه آب اسمز معکوس با کمک نرم افزار طراحی ایجاد شده که چندین عامل از جمله وضعیت شیمیایی آب ورودی و پیش تصفیه اسمز معکوس پیش از دستگاه تصفیه آب اسمز معکوس را در نظر می‌گیرد. بنابراین، درصد بازیابی مناسبی که اسمز معکوس باید در آن کار کند بستگی دارد به آنچه که برای آن طراحی شده است. با محاسبه درصد بازیابی می‌توانید به سرعت تعیین کنید آیا سیستم خارج از طراحی مورد نظر کار می‌کند یا خیر. محاسبه درصد بازیابی در زیر آورده شده است:
درصد بازیابی= نرخ جریان نشتی (gpm) × 100 تقسیم بر نرخ جریان رودی (gpm)
برای مثال اگر نرخ بازیابی 75% باشد یعنی از هر 100 گالن آب ورودی به دستگاه تصفیه آب اسمز معکوس، 75 گالن آن آب نشتی قابل استفاده و 25 گالن به عنوان تغلیظ به خروجی می‌رود. سیستم‌های اسمز معکوس صنعتی معمولا بسته به خصوصیات آب ورودی و سایر ملاحظات طراحی از 50% تا 85% بازیابی می‌کنند.
