اسمز معکوس

مقدمه
اسمز معکوس (به انگلیسی: Reverse osmosis) 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.
اسمز معکوس، فرآیند جداسازی است که از سیستم فشار استفاده می کند برای وارد کردن یک محلول از طریق غشایی که ماده حل شده را در یک طرف نگه میدارد و به حلال خالص اجازه عبور به سمت دیگر را میدهد.
اسمز معکوس، فرآیند جداسازی است که از سیستم فشار استفاده می کند برای وارد کردن یک محلول از طریق غشایی که ماده حل شده را در یک طرف نگه میدارد و به حلال خالص اجازه عبور به سمت دیگر را میدهد.
تعریف رسمی تر این فرآیند عبارتست از: عبور حلال از میان غشاء با استفاده از فشار زیاد اسمزی از یک منطقه پرغلظت و ورود به منطقه کم غلظت.
این فرآیند در واقع عکس فرآیند اسمز طبیعی است که عبارتست از حرکت طبیعی حلال از یک منطقه دارای غلظت پایین از طریق غشاء و ورود به منطقه دارای غلظت بالا بدون استفاده از فشار زیاد. غشاء در اینجا نیمه تراواست بدین معنا که اجازه عبور حلال را میدهد اما نه از ماده حل شده. غشاهای مورد استفاده در اسمز معکوس دارای مانعی متراکم در شبکه پلی مر هستند که بیشترین جداسازی در آن صورت می گیرد، در حالیکه از عبور مواد حل شده مثل یونهای نمکی جلوگیری میکند. این فرآیند احتیاج به فشار بالایی دارد که روی بخشی از غشاء که دارای غلظت بالاست وارد میشود که معمولا 17-2 بار (30-250psi) برای آب تازه و آب شور و 70-40 بار (600-1000psi) برای آب دریا میباشد که دارای 24 بار (350psi) فشار اسمزی طبیعی است که باید به آن غلبه شود. وقتی دو محلول با غلظت های مختلف ماده حل شده ترکیب می شوند تمام مقادیر مواد حل شده در دو محلول بطور یکسان در تمام مقادیر حلال از دو محلول توزیع خواهند شد. به جای ترکیب دو محلول با هم، میتوان آن دو را در دو محفظه ای که بوسیله یک غشای نیمه تراوا از هم جدا شده اند، قرار داد. این غشای نیمه تراوا اجازه عبور مواد حل شده از یک محفظه به محفظه دیگر را نمیدهد، اما به حلال اجازه عبور میدهد.
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.
این فرآیند به کاربرد آن در نمک زدایی (زدودن نمک از آب دریا برای دستیابی به آب تازه) معروف است اما از دهه 1970 از این فرآیند در جهت تصفیه آب تازه برای موارد استفاده پزشکی، صنعتی و خانگی نیز استفاده شده است.
از آنجایی که با حرکت مواد حل شده از محفظه پر غلظت به محفظه کم غلظت دستیابی به تعادل ممکن نیست، اما در عوض با حرکت ماده حل شده از مناطق دارای غلظت پایین به مناطق دارای غلظت بالا، قابل دستیابی است. وقتی حلال از منطقه کم غلظت دور می شود، باعث اشباع این مناطق می گردد. از طرف دیگر، حرکت حلال به منطقه پرغلظت باعث کاهش غلظت ماده حل شده خواهد شد. این فرآیند، “اسمز” نامیده میشود. تمایل جاری شدن حلال از طریق غشاء به عنوان “فشار اسمزی” شناخته میشود چرا که شباهت به جاری شدن در نتیجه تفاوت فشار دارد. همچون مورد مشابه آن در اسمز، فشار در محفظه پرغلظت بکار می رود. در این صورت، دو نیروی موثر بر حرکت آب وجود دارد: فشار حاصل از تفاوت غلظت ماده حل شده بین دو محفظه (فشار اسمزی) و فشار مورد استفاده بیرونی.
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.
آب صنایع مختلف در حد غیر مجاز مشکلات عدیده ای را برای تولیدات هر صنعت بوجود خواهد آورد. با بکارگیری این تکنولوژی می توان راه را برای بهتر شدن کیفیت محصولات کارخانجات و صنایع هموار ساخت. برخی از عملکردهای رایج اسمز معکوس عبارتند از:

نمک زدایی از آب دریا و تبدیل آن به آب قابل شرب
نمک زدایی از آب چاه، شور، لب شوره و غیره ….
تولید آب فوق خالص برای آزمایشگاه ها، صنایع الکترونیک و داروسازیها
تغلیظ آب میوه، شیر یا محلول های شکر
تغلیظ قهوه، چای، سوپ و غیره
تغلیظ آمینواسیدها (وسایر مواد آلی) و موارد مشابه

تشریح فرایند اسمز معکوس
خاصیت اسمزی به عبور یک حلال از بخش محلول رقیق به بخش محلول غلیظ از درون یک غشاء نیمه تراوا گفته می شود. همانطور که در شکل پیداست در ابتدا سطح مایعات در دو بخش مساوی می باشند ولی به دلیل وجود تمایل یکسان نمودن غلظتها در دو بخش، مولکولهای آب از بخش محلول رقیق از غشاء عبور نموده و به درون محلول غلیظ نفوذ می کنند و سطح مایع در بخش غلیظ افزایش می یابد. جریان مولکولهای آب از درون غشاء تا آنجا انجام می گیرد که اختلاف سطح مایع (اختلاف فشار) در دو بخش، مانع حرکت مولکولهای آب شود. اختلاف فشار در بخش جدا شده توسط غشاء که در آن از جریان خالص مولکولهای آب جلوگیری می نماید، را فشار اسمزی می نامند. حال چنانچه فشاری بیش از فشار اسمزی به بخش محلول غلیظ وارد شود، عکس پدیده اسمزی بروز می کند. به عبارت دیگر مولکولهای آب از بخش محلول غلیظ تر به بخش محلول رقیق تر جریان می یابند. این پدیده را اسمز معکوس می گویند

پیشینه تاریخی
تحقیق در مورد اسمز معکوس در سال 1950 در دانشگاه فلوریدا، جائیکه رید و بوتون که توانستند خاصیت نمک زدایی ممبرن استات سلولز را شرح دهند، آغاز شد، لوب و سوریرجان، گسترش تکنولژی اسمز معکوس را با ایجاد نخستین ممبرن استات سلولز نا متقارن ادامه دادند.تحقیق در مورد این پیشرفت خوب و امیدوار کننده منجر به ایجاد پیکر بندی بهتر و جدیدتر اجزای اسمز معکوس شد. به طوریکه امروزه این صنعت اکثرا اجزای مارپیچ فنری و در برخی موارد اجزای فیبر توخالی را تولید می کنند. در اوایل سال 1980 تحقیق و بررسی در لابراتوارهای دولتی آمریکا، منجر به تولید نخستین ممبرن پلی آمیر مرکب شد. این ممبرن ها عمدتاً نسبت به ممبرن های سلولزیک، از جریان تراوش و نمک زدایی بالاتری برخوردارند. امروزه با معرفی ESPA3 توسط هیدراناتیک ها، این صنعت با ترتیب کاهش بزرگی در مسیر نمک، به افزایش 20 دفعه ای در جریان هر فشار بر روی ممبرن های سلولزیک اصلی رسیده است.

اسمز معکوس
در مخزن، آب به سمت قسمت نمک دار ممبرن حرکت می کند تا تعادل برقرار شود. بکارگیری فشار خارجی برای همسان سازی قسمت محلول نمک با فشار اسمزی همچنین باعث برقراری تعادل خواهد شد. فشار مضاعف باعث افزایش اختلاف سطح شیمیایی آب موجود در محلول نمک می شود و سبب عبور حلال به سمت قسمت آب خالص می گردد. زیرا در آن حالت دارای اختلاف سطح شیمیایی پائین تری می باشد. این پدیده اسمز معکوس نامیده می شود. نیروی محرک شیوه اسمز معکوس، فشار کاربردی است. مقدار انرژی مورد نیاز برای تفکیک اسمزی مستقیماً به میزان شوری حلال مربوط می شود. بنابراین، انرژی بیشتری برای تولید مقدار یکسان آب از حلال با غلظت بالای نمک لازم است.

اسمز معکوس چگونه کار میکند؟
برای درک اسمز معکوس بهتر است با اسمز نرمال شروع کنیم. بر طبق دیکشنری وبستر هریام، اسمز به معنای حرکت و جنبش حلال از ممبرن نیمه تراوا (مثل سلول زنده) به داخل محلول بسیار غلیظ شده ای است که تمایل به همسان سازی غلظت حل شده روی دو طرف ممبرن دارند. این یک تعریف صحیح محسوب می شود. در سمت چپ، بشر پر از آب قرار دارد و مخزنی که در آب نیمه غوطه ور است. همانطور که انتظار دارید سطح آب در مخزن به اندازه سطح آب در بشر است. در آنجا، انتهای مخزن به ممبرن نیمه تراوا چسبیده است و مخزن با محلول نمکی نیمه پر است و در آن غوطه ور است. در ابتدا سطح محلول نمک و آب برابر است اما با گذشت زمان، وقایع غیر منتظره ای روی میدهد. آب داخل مخزن افزایش می یابد. این افزایش را به فشار اسمزی نسبت می دهند. ممبرن نیمه تراوا ممبرنی است که برخی از اتم ها یا مولکول ها را عبور می دهد، اما مانع عبور بقیه می گردد. Saran wrap ممبرن است اما تقریبا برای هر چیزی که ما معمولاً از آن عبور می دهیم، ناتراوا می باشد. بهترین مثال ممبرن نا تراوا، آستر روده های شما یا دیوار سلول است gore- tex از یک ممبرن نیمه تراوا معمول دیگر است. ساختار gore- tex شامل لایه نسبتاً نازک پلاستیکی است که در داخل آن میلیونها روزنه کوچک ایجاد کرده اند. روزنه ها برای عبور بخار آب از آن به اندازه کافی بزرگ هستند اما برای جلوگیری از عبور آب مایع به اندازه کافی کوچکند. ممبرن به غیر از مولکول های نمک به مولکول های آب اجازه عبور میدهد. یک روش برای درک فشار اسمزی این است که مولکول های آب را بر روی دو طرف ممبرن تصور کنید. این تصور در تضاد با Brownian motion است. بر روی قسمت نمکی، بعضی از روزنه ها با اتم های نمک مسدود شده اند اما در قسمت آب خالص چنین چیزی وجود ندارد. بنابراین آب بیشتری از قسمت آب خالص عبور می کند، چون روزنه های بیشتری برای عبور آب خالص در قسمت آب خالص وجود دارد. آب موجود در قسمت نمکی افزایش می یابد تا یکی از این دو حالت روی دهد:

1) غلظت نمک در دو طرف ممبرن مساوی شود (البته در این مورد این حالت روی نمی دهد، چون آب خالص در یک قسمت و آب شور در طرف دیگر وجود دارد.)
2) همانطور که ارتفاع ستون آب شور افزایش می یابد فشار آب نیز افزایش پیدا می کند تا اینکه فشار اسمزی برابر شود. در این نقطه اسمز متوقف خواهد شد. به هر حال، اسمز دلیل این مسئله است که نوشیدن آب شور (مثل آب اقیانوس) شما را خواهد کشت. زمانیکه آب شور وارد معده تان می شود، فشار اسمزی، آب را به بیرون بدنتان هدایت میکند، تا نمک در داخل معده شما رقیق شود، بنابراین شما آب بدنتان را از دست می دهید (آب بدنتان خشک می شود) و می میرید. در اسمز معکوس، هدف این است که از ممبرن به گونه ای استفاده شود که شبیه فیلتری برای تولید آب قابل نوشیدنی آب شور (یا آب آلوده دیگر) عمل نماید. آب شور روی یک طرف ممبرن گذاشته می شود و فشار برای متوقف کردن اعمال می شود. سپس وارونه میشود، یعنی جریان اسمزی روی میدهد، در مجموع این کار فشار زیادی میگیرد و نسبتاً کند پیش میرود اما به هر حال این کار انجام می شود.

ممبرین‌های اسمز معکوس مقاوم در برابر جرم گرفتگی
ممبرین‌های انتخاب کننده برای جداسازی ماده‌ی حل شده‌، که به‌صورت محلول یا معلق وجود دارد، از حلال به‌کار برده می‌شوند. به‌عنوان مثال، ممبرین‌های اسمز معکوس (RO)، اولترافیلتراسیون (UF) و میکروفیلتراسیون (MF) که بر حسب افزایش اندازه‌ی منافذ طبقه‌بندی می‌شوند، این‌گونه می‌باشند. ممبرین‌های RO آب را عبور می‌دهند، اما نمک‌ها و مواد حل شونده آلی با وزن مولکولی بیش‌ از 100 را دفع نموده و برای خالص سازی آب از قبیل نمک‌زدایی از آب لب شور و آب دریا استفاده می‌شوند. به‌هرحال، یکی از مشکلات اصلی در مورد استفاده از ممبرین، جرم گرفتگی آن‌‌ها توسط مواد حل شده در آب طبیعی یا پساب‌های صنعتی یا فاضلاب‌های شهری می‌باشد. چنین موادی بر روی ممبرین‌ها رسوب کرده و در حین بهره‌برداری، سبب کاهش نفوذ آب و نیز در برخی مواقع مقدار دفع ماده‌ی حل شده می‌شوند. بنابراین ساختن ممبرین‌هایی که در برابر رسوب‌گذاری مقاوم باشند مطلوب می‌باشد. این مواد رسوب‌گذار در اثر فعل و انفعال متقابل هیدروفوبیک و/یا جاذبه‌ی الکتریکی بین مواد حل شده و سطح ممبرین، به سطح ممبرین جذب شده و باعث ایجاد رسوبات کلوئیدی می‌شوند.

این مقاله به‌طور ویژه به مبحث ممبرین‌های اسمز معکوس که در مقابل جرم گرفتگی مقاوم می‌باشند، می‌پردازد. این ممبرین‌ها با هیروفوبیک بیش‌تر (مولکول قطبی با خاصیت انحلال بیش‌تر در آب – آب‌دوستی بیش‌تر) و بار الکتریکی کم‌تر ساخته می‌شوند یا دارای مقدار بار الکتریکی هستند که در آن مواد رسوب‌گذار دارای فعل و انفعال هیدروفوبیک (آب‌دوستی بیش‌تر) و جاذبه‌ی الکتریکی کم‌تر بوده یا دافعه‌ی الکتریکی در آن‌ها زیاد است. اخیراً ممبرین‌های مقاوم در برابر رسوب‌گذاری با پوششی از منومرهای هیدروفوبیک (آب‌دوست) از طریق واکنش پلیمری‌کردن و اتصال عرضی، توسط شرکت کره‌ای صنایع Saehan ساخته می‌شوند. با آزمایش معلوم شد که به‌ترتیب در مورد شیر خشک (30 ppm)، یک ماده‌ی فعال سطحی کاتیونی (50 ppm)، یک ماده‌ی فعال سطحی غیر یونی (50 ppm) و اسید‌هومیک (50 ppm)، ممبرین‌های RO مقاوم در برابر رسوب‌گذاری دارای شدت نفوذ بسیار کم‌تری نسبت به ممبرین معمولی اسمز معکوس می‌باشند.

ممبرین‌های پوشش‌دار از نظر بار سطحی (قابلیت zeta) و هیدروفوبیسیتی (زاویه‌ی اتصال) طبقه‌بندی می‌شوند. این ممبرین‌ها دارای بار منفی بسیار کم‌تری نسبت به ممبرین‌های معمولی بدون پوشش هستند، اما زاویه‌ی اتصال در ممبرین‌های پوشش‌دار تقریباً برابر با ممبرین‌های معمولی است. با استفاده از ترکیبات پوششی مختلف، بار سطحی ممبرین کنترل می‌شود. ممبرین‌هایی که دارای بار سطحی متفاوت هستند با مواد رنگی کاتیونی مانند متیلن‌بلو رنگ می‌شوند. شدت رنگ‌شدن به اندازه‌ی بار منفی موجود در سطح ممبرین، به‌طور خطی بستگی دارد. ممبرین‌های معمولی بدون پوشش بسیار بیش‌تر رنگین می‌شوند زیرا دارای بار منفی بیش‌تری هستند. جرم گرفتگی ممبرین با مواد فعال سطحی کاتیونی نیز به‌طور خطی به مقدار بار منفی موجود در سطح ممبرین بستگی دارد. جرم گرفتگی ممبرین توسط مواد فعال سطحی غیر یونی و اسید هومیک، به فعل و انفعال متقابل هیدروفوبیک (آب‌دوستی) بین رسوب‌گذارها و ممبرین‌ها ارتباط دارد. جرم‌گرفتگی ممبرین با شیر خشک نشان دهنده‌ی ترکیبی از اثرات مختلف مانند اثر هیدروفوبیک (آب‌دوستی)، اثر بار الکتریکی و برخی از رسوبات کلوئیدی می‌باشد.

در آزمایشی بر روی المان‌های 8040 انجام شد و در آن فاضلاب صنعتی شرکت هیوندایی موتور، در طی مدت 40 روز به‌عنوان خوراک مورد استفاده قرار گرفت، ممبرین‌های مقاوم در برابر جرم گرفتگی مقدار نفوذ بسیار بالاتری نسبت به ممبرین‌های معمولی نشان دادند. هم‌چنین ممبرین‌های مقاوم در برابر جرم گرفتگی در مورد تصفیه‌ی پساب شرکت سامسونگ الکتریک، در حدود پنج ماه با موفقیت به‌کار گرفته شدند.

منابع:
fa.wikipedia.org
ta-alborz.com
tasnimco.com
osmahab.com

گردآورنده : mammad_1313 (همکار تالار مهندسی شیمی)