فرآیند اسمز معکوس Reverse Osmosis
فرآیند اسمز معکوس Reverse Osmosis فرآیندی است که در آن از فشار برای معکوس نمودن جریان اسمزی آب از درون یک غشای نیمه تراوا استفاده می‌شود. اگر یک غشای نیمه تراوا بین دو محلول آب خاص و آب ناخالص قرار گیرد آب به گونۀ طبیعی و تحت خاصیت اسمزی از غلظت پایین‌تر به غلظت بالاتر جریان می‌یابد.
این پدیده تا هنگامی که پتانسیل‌های شیمیایی دو طرف برابر گردند ادامه خواهد یافت.
در حالت تعادل اختلاف فشار بین دوطرف غشا برابر اختلاف اسمزی است.
اگر فشاری برابر با اختلاف فشار اسمزی به محلول غلیظ‌تر اعمال گردد جریان آب قطع خواهد شد.
در صورتی که فشار اعمال شده بیشتر از فشار اسمزی باشد جهت جریان طبیعی آب، معکوس خواهد شد.
در این روش آب بافشار از میان غشایی گذرانده می‌شود که نیترات و سایر مواد معدنی را فیلتر می‌کند.
نیم تا دو سوم آب پشت این غشاء باقی‌می‌ماند. آب باقی‌مانده در پشت غشاء به عنوان پساب دور ریخته می‌شود.
سیستم‌های اسمز معکوس با کارایی بالا از فشارهای در حد یک میلیون پاسکال استفاده می‌کنند.
همچنین بهترین روش نمک‌زدائی از آب‌های لبشور استفاده از فرایند اسمز معکوس می‌باشد.
زیرا سیستم پیچیده‌ای نداشته و راهبری آن قابل کنترل‌تر از دیگر روش‌ها می‌باشد.
با توجه به توسعه روش‌های پیشرفته تولید غشاهای پلیمری، به‌کارگیری فرآیند اسمز معکوس توجیه بیشتری دارد.
صنایع امروز برای تصفیه آب مورد استفاده در بخش‌های تولید بخار و فرایند خود از فرآیند اسمز معکوس استفاده فراوانی می‌برند. این غشاءها به صورتی ساخته شده‌اند که ملکول‌های خنثی را به راحتی از خود عبور می‌دهند. به همین دلیل آب ورودی به سیستم، که دارای املاح مختلف است به آب تقریباً خالص تبدیل می‌گردد. در سیستم اسمز معکوس، جریان ورودی یا خوراک (Feed) به دو جریان آب تصفیه شده (Permeate) و پساب غلیظ (Concentrated) یا (Brine) تبدیل می‌شود.
اساس کار فرآیند اسمز معکوس Reverse Osmosis
اساس کار این دستگاه‌ها بر عبور ملکول‌های غیر یونی مثل آب از یک غشاء با روزنه‌های بسیار ریز بنا شده است.
فرض کنید دو ظرف، یکی حاوی آب نمک (۱) و دیگری حاوی آب خالص (۲) توسط یک لوله به یکدیگر متصل بوده و هر 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 بین هر دو ظرف برقرار گردد.
اما اگر بین این دو ظرف و در مسیر جریان آب یک غشاء قرار گیردکه 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 می‌یابد و این عمل تا آنجا ادامه می‌یابد 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 فشار را فشار اسمزی می‌گویند و طبق قانون want hoff تابعی است از غلظت نمک در هر دو طرف غشاء.
انتخاب غشاء
در سیستم اسمز معکوس غشاء مهم‌ترین و حساس‌ترین قسمت دستگاه می‌باشد.
زیرا عملیات 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 رسوب‌گذار و زیستکشها ( Biocides ) واکنش ندهد.
عوامل مؤثر در مقایسه غشاء عبارتند از:
- قطر سوراخ‌ها
- ضخامت
- مقاومت در مقابل مواد شیمیایی
- قیمت
- افت فشار
- شرکت سازنده
سعی می‌شود آب قبل از ورود به دستگاه اسمز معکوس، حتماً تصفیه مقدماتی گردد.
اما با این حال لازم است پیش از انتخاب غشاء عملیات پایلوتی صورت پذیرد.
به علت کیفیت بسیار عالی آب خروجی از سیستم اسمز معکوس امروزه بیشتر صنایع از این روش، به جای به کارگیری سیستم‌های تعویض یونی استفاده می‌کنند.
زیرا مبادله کننده‌های یونی به علت مصرف زیاد مواد شیمیایی و رزین، دارای هزینه راهبری و نگهداری زیاد می‌باشند.
تصفیه آب و فاضلاب
آب باران جمع‌آوری شده از تخلیه طوفان با استفاده از پردازشگرهای اسمز معکوس و برای آبیاری چشمگیر و صنعتی در لس آنجلس و دیگر شهرها به عنوان یک راه حل برای حل مشکل کمبود آب مورد استفاده قرار می‌گیرد. در صنعت، اسمز معکوس مواد جامد را از دیگ بخار در نیروگاه‌ها خذف می‌کند. آب چند بار دفع می‌شود. آب باید تا آنجا که ممکن است خالص باشد. بنابراین ته‌نشینی را در ماشین آلات کاهش و یا باعث خورندگی نمی‌شود. ذخایر داخل یا خارج لولههای دیگ بخاطر عدم کارآیی دیگ بخار، کاهش کارآیی آن و همچنین تولید بخار ضعیف، تولید برق ضعیف در توربین می‌شود.
همچنین برای تمیز کردن پساب و آب‌های زیرزمینی سدیم استفاده می‌شود. فاضلاب در حجم‌های بزرگتر ( بیش از ۵۰۰ متر مکعب در دسیالر) باید در یک کارخانه تصفیه فاضلاب اول درمان شود و پس از آن پساب پاکیزه تحت سیستم اسمز معکوس قرار می‌گیرد. هزینه درمان به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد و عمر غشایی سیستم اسمز معکوس افزایش می‌یابد.
فرآیند اسمز معکوس را می‌توان برای تولید آب دیونیزه استفاده کرد.
فرآیند اسمز معکوس را می‌توان برای تصفیه آب انرژی حرارتی ندارد. سیستم‌های جریان اسمز معکوس را می‌توان با پمپ‌های فشار بالا تنظیم کرد. بازیابی آب خالص بستگی به عوامل مختلف، از جمله اندازه غشاء اندازه ذرات غشاء، دما، فشار عملیاتی و سطح غشاء است.
صنایع غذایی
علاوه بر نمک‌زدایی، اسمز معکوس یک عملیات ارزان‌تر برای تمرکز مایعات غذایی ( مانند آب میوه‌ها) از فرآیندهای معمول حرارتی است. تحقیقات روی غلظت آب پرتقال و آب گوجه فرنگی انجام شده است. مزایای آن عبارتند از: هزینه عملیاتی پایین و توانایی اجتناب از فرآیندهای پردازش گرما، که آن را برای مواد حساس به گرما مانند پروتئین و آنزیم‌های موجود در اکثر محصولات غذایی مناسب می‌سازد.
اسمز معکوس به طور گسترده‌ای در صنعت لبنی برای تولید پودر پروتئین آب پنیر و غلظت شیر برای کاهش هزینه‌های حمل و نقل استفاده می‌شود.
