آشنایی با مبانی فرایند اسمز معکوس

برای توضیح اسمز معکوس باید ابتدا بگوییم ، لزوم روش های تصفیه پیشرفته آب به طور کلی فرآیندهای معمول تصفیه آب برای تبدیل آبهای سطحی یا زیرزمینی بـه آب آشـامیدنی مناسـب میباشند، با این حال در برخی مواقع منابع آب حاوی موادی هستند که توسط این فرآیندها قابل تصفیه نیستند .

به عنوان مثال آب های زیرزمینی دارای جامدات محلول اضافی بوده و نیز در برخی شرایط آب های سطحی حاوی ترکیبات آلی ناشی از پسابهای شهری یا صنعتی و یا مواد آلی طبیعی نظیر اسید هیومیک و اسـید فولویـک و یـا محـصولات حاصل از فعالیتهای جلبکی می باشند . جهت حذف این آلایندهها و نیز تصفیه آب به منظور استفاده در مصارف ویژه، از تکنولوژیهای پیشرفته تصفیه استفاده میگردد.

روش های تصفیه

روش های تصفیه پیشرفته معطوف به متدهایی هستند که از آب طبیعی یا فاضلاب های پیش تصفیه شده، آب خالص یا فوق خالص تولید میکنند که در پزشکی، صنایع غذایی، صنایع شیمیایی و سلولزی، تولیـد نیـروی محرکـه بخـار و دیگر زمینههای صنعتی موارد مصرف دارند.

از اصلی ترین روش های تصفیه پیشرفته آب میتوان به بسترهای تبادل یونی، تقطیر یا تبخیر، اسمز معکوس، الکترو دیالیز، الترافیلتراسیون اشاره نمود که به سه روش آخر اصطلاحاً روشهای غشایی اطلاق میگردد. فرآیندهای غشایی از روشهای نوین جداسازی هستند که بـدون اسـتفاده از تغییـرفـاز، اجـزاء مـورد نظـر را از سیال جدا مینمایند. . عدم تغییر فاز در طول فرایند جداساز ی موجب میشود تـا عملیـات جداسـازی بـا صـرف انـرژی کمتری صورت پذیرد.

امروزه فرایندهای غشایی در تمامی شاخه ها از جمله تصفیه آب، تصفیه انواع پساب های خـانگی و صنعتی، پزشکی، پتروشیمی، داروسازی، صنایع غذائی، بیوتکنولوژی و … بکار گرفته شـده و رانـدمان بـالایی را از خود نشان دادهاند.

مروری بر فیلتراسیون غشائی

فیلتراسیون غشائی از انواع فیلتراسیون مکانیکی است که فرایند غالب حذف در آن، صافسازی مکانیکی بـر پایه اندازه قطر مواد میباشد. بطور خلاصه جریان ورودی در این فیلترها به دو بخش اصلی جریان خروجـی تـصفیه  (Permeate ) شده  و پساب تغلیظ شده (Concentrate) تفکیک میگردد.

علیرغم وجود معیارهای مختلف جهت تقسیم بندی غشاها از جمله نحـوه سـاخت، اسـتقرار، جـنس و نیـروی محرک جریان، عمده ترین تقسیمبندی در فیلترهای غشائی مطابق با جدول ارائه شده، بر اساس فشار عملکرد و قطر منافذ غشاها میباشد.

مبانی فرایند اسمز معکوس

 اسمز معکوس از جمله شیوه هایی است که امروزه بطور گسترده در بطور کلی این روش بر پایه انتقال جرم حلال با استفاده از غـشای نیمه تراوا، جداسـازی مـواد آلی و سمی از پسابهای صنعتی بکار برده میشود. بطور کلی این روش بر پایه انتقال جرم حلال با استفاده از غـشای نیمه تراوا و نیز فشار هیدرواستاتیک استوار است. جهت آشنایی با فرایند اسـمز معکـوس، شـناخت پدیـده اسـمز از اهمیت بالایی برخوردار است

اُسمز پدیدهای است که به طور طبیعی در فرآیندهای بیولوژیکی متفاوت رخ مـیدهـد . دیـواره هـای سـلول، اجازه عبور مواد غذایی و بازمانده محصولات را داده، در حالیکه سایر مواد را از خود دفـع مـیکننـد. در ایـن حالـت، دیوارههای سلول به عنوان یک غشای نیمه تراوا عمل میکند.

در رابطه با غشاء نیمه تراوای مورد استفاده در اسمز معکوس، آب در رقابت با نمک، ذرات معلق و مواد آلی با وزن مولکولی بالا در اولویت قرار داشته و از غشا عبور میکند. اسمز معکوس، یک حرکـت وارونـه نـسبت بـه اسـمز استاندارد است به نحوی که در آن حلال از سمت غلیظتر به سمت رقیقتر حرکت میکند.

چنانچه یک محلول آب نمک در یک ظرف ریخته شود و توسط غشای نیمه تراوا از آب خالص جدا شود، یک تغییر حجم در هر یک از دو سمت ظرف مشاهده میشود. آب خالص از میان غشا به سمت محلول آب نمک جریـان خواهد یافت. در نتیجه ارتفاع آب ظرف در سمت آب نمک افزایش یافته در حالی که در بخش آب خالص ارتفاع آب کاهش پیدا میکند.

این عبور جریان از سمت خالص به طرف محلول آب نمک اُسمز نامیده مـیشـودشـکل (a 1) اختلاف ارتفاع مایع بین آب خالص و آب نمک، موجب اختلاف فشار خالص در دو طرف غشا میشود. ایـن اخـتلاف فشار، فشار اُسمزی محلول آب نمک نامیده شده که تابعی از خصوصیات نمکها و غلظت آنها میباشد.

در اصطلاح فیزیک، آب موجب رقیق شدن آب نمک میشود و این به معنای افزایش آنتروپی سیستم اسـت. بر طبق قانون آنتروپی، هر فرآیندی که به طور خود به خود در طبیعت اتفاق افتد، موجب افزایش بینظمی میشود، مگر آنکه انرژی صرف شود تا از جهات مختلف جلوی انجام فرآیند گرفته شود.

چنانچه با اعمال فشار فیزیکی یا افزایش ارتفاع محلول آب نمک، تعادل بین آب خالص و آب نمـک بـه هـم خورد، آب خالص از طریق غشا از قسمت آب نمک به قسمت آب خالص نفوذ میکند و نفوذ تا زمانی ادامه مـییابـد که تعادل مجدداً برقرار شود، به طوری که فشار اُسمزی محلول آب نمک با فشار محلـول آب نمـک بـر روی غـشای نیمه تراوا برابر شود.

که این نیز بستگی به فشار آب خالص برروی غشا دارد. به عنوان مثال، اگر مقداری آب نمک به ظرف محتوی آن اضافه شود، مقداری آب از غشا عبور خواهد کرد. اگر غلظت آب نمـک اضـافه شـده بـا غلظـت آب نمک اولیه برابر باشد، آب تا زمانی از غشا عبور خواهد کرد که اختلاف ارتفاع بین دو طرف به اختلاف ارتفـاع اولیـه برسد. (شکل b( . 1 اعمال فشار به قسمت آب نمک میتواند توسط یک پمپ صورت گیرد. در این حالت، پمپ نیروی مورد نیـاز جهت راندن مولکولهای آب از میان غشا را تأمین میکند . عبور جریان آب از بخش آب نمک بـه بخـش آب خـالص، اُسمز معکوس نامیده میشود.

نرخ نفوذ آب از غشا

نرخ نفوذ آب از غشا توسط رابطه زیر بیان میشود.

در این رابطه:

-شار نفوذ عبارت است از نرخ جریان عبوری از غشا تقسیم بر واحد سطح

– KT ضریب ثابتی است که با توجه به نوع غشا تعیین میشود و تابعی از درجه حرارت و اختلاف فشار غـشا برحسب psi میباشد.

–( فشار غشا برحسب Psid 1 ): اختلاف فشار بین دو طرف غشا (به عنوان مثال اختلاف فشار ناشـی از وجـود اختلاف ارتفاع)

– فشار اُسمزی (برحسب Psid :(اختلاف فشار اُسمزی سیال در دو طرف غشا (وقتی که غلظت ماده محلول در سمت آب خالص غشا ناچیز باشد، فقط فشار اُسمزی محلول در بخش غلیظ در نظر گرفته میشود)

تمام آب موجود در محلول آب نمک قادر به عبور از غشا نیست. همچنان که آب از محلول آب نمـک خـارج میشود، محلول غلیظتر میگردد و برای غلبه بر افزایش فشار اُسمزی آن نیاز به افزایش فشار هیدرولیکی خواهد بود. به عبارت دیگر، عبور جریان آب زمانی متوقف خواهد شد که فشار اعمال شده، برابر با فشار اُسـمزی محلـول غلـیظ گردد.

اُسمز معکوس تنها قادر به تقسیم جریان خـوراک بـه دو جریـان آب خـالص و جریـان غلـیظ یـا آب نمـک میباشد. به جریان غلیظتر، آب شور و یا دور ریز گفته میشود. معمولاً مقدار جریان دورریز، توسط حلالیت نمکهـا و یا فشار اُسمزی جریان غلیظ تعیین میشود

. اگر چه برای غشا نیمه تراوای مورد استفاده در فرایند اسمز معکوس عبور آب برتری دارد، اما مقدار مشخصی از نمکهای محلول نیز از غشا عبور خواهند کرد. میزان نفوذ نمکها متناسب با شیب غلظت در دو طـرف غـشا خواهـد بود. (بدین معنی که اختلاف غلظت بین قسمت خوراک و سمت جریان محصول غشا چقدر باشد)

. (غلظت نمک در ماده محصول- غلظت نمک در ماده محلول (خوراک ) × K = جریان نمک

به طوری که:

– K، ضریب ثابتی است که با توجه به نوع غشا و ضخامت آن تعیین میشود. – غلظت نمک یا نمکها در جریان خوراک و محصول برحسب ppm میباشد.

مفهوم دو عبارت آخر در این است که میزان عبور نمک از غشا تابعی از فشار نیست، بلکه در حقیقت، تابعی از دبی آب است. بنابراین، اگر فشار بیشتری در قسمت آب غلیظ شده به آن وارد شود، نتیجه آن، اثری در غلظت نمک در بخش آب خالص نخواهد داشت.

منابع مورد استفاده:

1روش های پیشرفته در صـنعت تـصفیه آب – تـألیف مهنـدس محمـد کرمـانی، انتـشارات شـرکت ملـی صـنایع پتروشیمی – 1382

2تئوری اسمز معکوس، راهنمای عملی بـرای اسـتفاده در صـنایع تـصفیه آب، وس بـایرن. ترجمـه مهنـدس مجیـد خاکساری – 1383

3 ارزیابی مشکلات ناشی از لایه گذاری شـیمیایی در راهبـری فیلترهـای غـشائی و ارائـه پیـشنهادات لازم. محـسن فاضلی، ستار صالحی، دومین همایش ملی آب و فاضلاب با رویکرد بهره برداری – 1387

4مبانی تصفیه آب، تألیف دکتر محمود پیکری – دکتر ارجمند مهربانی، انتشارات ارکان –1383

5 شیمی آب، تألیف سوزان کگلی و جون آندرسون – ترجمه: رحمت زرکامی و صادق حـسینی، انتـشارات دانـشگاه گیلان –1383

6 مهندسی محیط زیست، تألیف: هـ. س .پوی – . در .روو – . ج چبانوگلاس، دانشگاه صنعتی سهند تبریز – 1382