فرآیند اسمز معکوس و چگونگی آن
اسمز معکوس (Reverse Osmosis) که معمولاً به‌طور مختصر RO نامیده می‌شود، فرآیندی است که در طی آن آب خالص از طریق یک غشاء نیمه‌تراوا و تحت‌فشار تولید می‌شود. این روش به‌عنوان یکی از بهترین روش‌های حذف یون‌ها از آب شناخته می‌شود. اسمز معکوس ازجمله شیوه‌هایی است که امروزه به‌طور گسترده در شیرین سازی آب دریا، جداسازی مـواد آلی و سمی از پساب‌های صنعتی بکار برده می‌شود. به‌طورکلی این روش بر پایه انتقال جرم حلال با استفاده از غـشای نیمه‌تراوا و نیز فشار هیدرو استاتیک استوار است. جهت آشنایی با فرایند اسمز معکوس، شناخت پدیده اسمز از اهمیت بالایی برخوردار است.
اسمز پدیده‌ای است که به‌طور طبیعی در فرآیندهای بیولوژیکی متفاوت رخ می‌دهد. دیواره‌های سلول، اجازه عبور مواد غذایی و بازمانده محصولات را داده، درحالی‌که سایر مواد را از خود دفع می‌کنند. در این حالت، دیواره‌های سلول به‌عنوان یک غشای نیمه‌تراوا عمل می‌کند. جذب آب توسط ریشه گیاهان و جذب آب از خون توسط شش‌ها از نمونه‌های پدیده‌های اسمز است.
فرآیند اسمز معکوس چگونه است؟
اسمز معکوس به‌طورکلی یک فرآیند اسمز به‌صورت معکوس است. درحالی‌که اسمز به‌طور طبیعی بدون نیاز به انرژی اتفاق می‌افتد، برای معکوس کردن فرایند اسمز نیاز به استفاده از انرژی برای محلول با شوری زیاد است. در رابطه با غشاء نیمه‌تراوای مورداستفاده در اسمز معکوس، آب در رقابت بانمک، ذرات معلق و مواد آلی با وزن مولکولی بالا در اولویت قرار داشته و از غشا عبور می‌کند. اسمز معکوس، یک حرکت وارونه نسبت به اسمز استاندارد است به نحوی که در آن حلال از سمت غلیظ‌تر به سمت رقیق‌تر حرکت می‌کند.
مهم‌ترین کاربردهای اسمز معکوس
اسمز معکوس می‌تواند هم برای خالص‌سازی آب و هم برای تغلیظ و بازیافت جامدات حل‌شده در آب خوراک (که آب‌زدایی نامیده می‌شود) مورداستفاده قرار گیرد. عمومی‌ترین کاربرد RO تعویض یونی، شامل نرم کردن آب با استفاده از سدیم، جهت خالص‌سازی آب مصرفی موردنیاز برای بویلرهای با فشار کم تا متوسط، است. از دیگر کاربردهای اسمز معکوس نمک‌زدایی از آب دریا و آب لب‌شور برای تولید آب آشامیدنی است که این کار در مناطق ساحلی و خاورمیانه که تهیه آب تازه مشکل است، عمومیت زیادی دارد.
همچنین تولید آب فوق خالص برای صنایع مختلف، تصفیهٔ پساب برای بازیافت مواد مصرفی و بازیافت آب از فاضلاب شهری و صنعتی نیز ازجمله کاربردهای مهم اسمز معکوس است.
عملکرد اسمز معکوس
با ذکر مثال به چگونگی عملکرد فرآیند اسمز معکوس می‌پردازیم. چنانچه یک محلول آب‌نمک در یک ظرف ریخته شود و توسط غشای نیمه‌تراوا 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 آب‌نمک جریان خواهد یافت. درنتیجه ارتفاع آب ظرف در سمت آب‌نمک افزایش‌یافته درحالی‌که در بخش آب خالص ارتفاع آب کاهش پیدا می‌کند. این عبور جریان از سمت خالص به‌طرف محلول آب‌نمک اُسمز نامیده می‌شود. اختلاف ارتفاع مایع بین آب خالص و آب‌نمک، موجب اختلاف فشار خالص در دو طرف غشا می‌شود. این اختلاف فشار، فشار اُسمزی محلول آب‌نمک نامیده شده که تابعی از خصوصیات نمک‌ها و غلظت آن‌ها می‌باشد.
حال چنانچه با اعمال فشار فیزیکی یا افزایش ارتفاع محلول آب‌نمک، تعادل بین آب خالص و آب‌نمک به هم خورد، آب خالص از طریق غشا از قسمت آب‌نمک به قسمت آب خالص نفوذ می‌کند و نفوذ تا زمانی ادامه میابد که تعادل مجدداً برقرار شود، به‌طوری‌که فشار اُسمزی محلول آب‌نمک با فشار محلول آب‌نمک بر روی غشای نیمه‌تراوا برابر شود که این نیز بستگی به فشار آب خالص بر روی غشا دارد. به‌عنوان‌مثال، اگر مقداری آب‌نمک به ظرف محتوی آن اضافه شود، مقداری آب از غشا عبور خواهد کرد. اگر غلظت آب‌نمک اضافه‌شده با غلظت آب‌نمک اولیه برابر باشد، آب تا زمانی از غشا عبور خواهد کرد که اختلاف ارتفاع بین دو طرف به اختلاف ارتفاع اولیه برسد. اعمال فشار به قسمت آب‌نمک می‌تواند توسط یک پمپ صورت گیرد. در این حالت، پمپ نیروی موردنیاز جهت راندن مولکول‌های آب از میان غشا را تأمین می‌کند. عبور جریان آب از بخش آب‌نمک بـه بخش آب خالص، اُسمز معکوس نامیده می‌شود. آب عبوری از غشاها پرمیت یا محصول نامیده می‌شود و معمولاً حدود ۹۵ تا ۹۹ درصد نمک‌های حل‌شده از آن حذف می‌گردند. نرخ نفوذ آب از غشا توسط رابطه زیر بیان می‌شود:
(فشار اسمزی – فشار غشا) KT = شار نفوذ
در رابطه فوق 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 غشا برحسب psi می‌باشد، فشار غشا اختلاف فشار بین دو طرف غشا و فشار اُسمزی اختلاف فشار اُسمزی سیال در دو طرف غشا است.
اسمز معکوس و حذف آلاینده‌ها
فرآیند RO قادر به حذف حدود ۹۹ درصد یون‌ها یا نمک‌های محلول در آب، کلوئیدها، مواد آلی، باکتری‌ها و… از آب است. غشای اسمز معکوس ذرات آلاینده را بر اساس اندازه و بار آن‌ها حذف می‌کند. هر آلاینده با وزن مولکولی بزرگ‌تر از ۲۰۰ با اجرای مناسب سیستم اسمز معکوس، احتمالاً حذف می‌شود. همچنین آلاینده‌ها با بار یونی بزرگ‌تر، قادر به عبور از غشای اسمز معکوس نخواهد بود برای مثال یک یون سدیم تک‌ظرفیتی به‌خوبی کلسیم دو ظرفیتی توسط غشای اسمز معکوس حذف نمی‌شود. گازهایی مانند کربن‌دی‌اکسیدی نیز چون در محلول به‌خوبی به یون تبدیل نمی‌شوند و وزن مولکولی بسیار کمی دارند به‌خوبی توسط این فرآیند قابل حذف نیستند و چون سیستم اسمز معکوس گازها را حذف نمی‌کند، pH آب حاصله می‌تواند اندکی کمتر از pH طبیعی باشد که این بستگی به میزان کربن‌دی‌اکسیدی در آب خوراک هنگام تبدیل کربن‌دی اکسید به کربنیک اسید دارد.
اجزای سیستم اسمز معکوس
یک سیستم اسمز معکوس شامل اجزا اصلی زیر است:
-واحد پیش‌تصفیه
-پمپ فشار بالا
-مجموعه غشاها
-واحد شستشوی خودکار CIP
پیش از تصفیه توسط فرآیند اسمز معکوس، در واحد پیش‌تصفیه معمولاً از فیلتر شنی و فیلتر کربن به‌منظور جداسازی ذرات بزرگ‌تر و همچنین برای از بین بردن آلودگی‌های میکروبی برای جلوگیری از رسوب‌گذاری بیولوژیک استفاده می‌شود. پمپ در اسمز معکوس به‌منظور خنثی کردن فشار اسمزی و جبران کردن افت فشار ناشی از وجود غشا و تجهیزات موجود در مسیر مورداستفاده قرار می‌گیرد. پمپ مورداستفاده در سیستم اسمز معکوس باید بتواند نه‌تنها فشار اسمزی را خنثی کند بلکه فشار و نیروی بیشتری را برای عبور آب از غشا یا ممبران ها فراهم کند. سپس کار اصلی تصفیه آب توسط قسمت غشاها انجام می‌شود که شامل پوسته و ممبرین های از جنس پلی آمید و پلی‌استر و … است. غشاهای اسمز معکوس که به آن‌ها ممبران نیز گفته می‌شوند به‌صورت مجموعه‌های معمولاً هفت عددی در پرشر وسل قرار می‌گیرند.