اسمز معکوس
اسمز معکوس) Rever osmosis ( R.O
مقدمه :
امروزه در صنایع برای تأمین آب مورد نیاز از دستگاههای تصفیه آب به روش اسمز معکوس بطور گسترده‌ای استفاده می شود . اساس کار این دستگاهها بر عبور ملکولهای غیر یونی مثل آب ، از یک غشاء نیمه تراوا با روزنه های بسیار ریز بناشده است . این غشاء های نیمه تراوا طوری ساخته شده اند که مولکولهای خنثی را به راحتی از خود عبور می دهند و آب خام ورودی که دارای املاح مختلف می باشد به آب تقریباً خالص مبدل می گردد .در این روش ، جریان آب ورودی یا خوراک ( Feed ) به دو جریان خروجی تبدیل می شود :
۱/ آب تصفیه شده ( Permeate ) .
2. آب تغلیظ شده که املاح آن افزایش یافته است بنام دور ریز ( Reject یا Brine ) .
اساس کار دستگاه اسمز معکوس : برای تشریح تصفیه آب با این روش لازم است ابتدا قانون اسمز شرح داده شود .
تعریف کلی :
طبق قانون اسمز در صورتیکه دو محلول با غلظت های مختلف به وسیله یک غشاء نیمه تراوا از هم جدا گردند ، ملکولهای محلول رقیق تر ، از طریق منفذهای غشاء نیمه تراوا به طرف محلول غلیظ تر حرکت می کنند . عاملی را که توسط آن این حرکت انجام می پذیرد ، فشار اسمز می نامند . این جریان ادامه پیدا می کند تا اینکه فشار اسمزی خنثی شود . اگر از طرف محلول غلیظ فشاری بیشتر از فشار اسمزی اعمال گردد ، حرکت معکوس میشود و ملکولهای آب از محلول غلیظ به طرف محلول رقیق جریان پیدا می نماید . و موجب باقی ماندن املاح در طرف غلیظ می گردد . برای درک بهتر این پدیده فرض نمائید ، دو ظرف مطابق شکل الف
یکی محتوی آب نمک (A) و دومی محتوی آب خالص (B) باشد و این دو ظرف توسط یک لوله به هم وصل شده باشند و ارتفاع آب داخل دو ظرف مساوی و هم سطح باشند ، در این صورت برای ایجاد تعادل در غلظت ، یونهای سدیم و کلراید از ظرف حاوی آب نمک به صورت نفوذ ملکولی به طرف ظرف آب خالص منتقل می شوند تا تعادل غلظت بین دو ظرف برقرار گردد . حال اگر در مسیر جریان آب بین دو طرف یک غشاء نیمه تراوا قرار دهیم که فقط اجازه دهد ملکولهای آب از آن عبور نماید ، ( شکل ب ) متوجه می شویم که یونهای نمک اجازه عبور نخواهند یافت . لذا جهت برقراری تعادل در غلظت ، آب خالص از ظرف (B ) به طرف ظرف آب غلیظ (A ) منتقل می گردد . و این عمل تا حدی ادامه پیدا می کند که افزایش ارتقاع آب در ظرف آب نمک ( A ) فشار مضاعف پیدا می کند و دیگر اجازه انتقال آب از ظرف B به ظرف A را نمی دهد ، این فشار را فشار اسمزی می‌گویند ، که طبق قانون وانت هف ( Vant Hoff ) فشار اسمزی تابعی از غلظت در دو طرف غشاء می باشد .
P1 = ( CS1 – CS2 ) R.T
در این فرمول :
P = فشار اسمزی
CS1 = غلظت نمک در ظرف A ( یا محلول خوراک دستگاه )
CS2 = غلظت نمک در ظرف B ( آب محصول تصفیه شده )
R = ثابت گازهاست
T = درجه حرارت ( درجه کلوین )
حال اگر بخواهیم جهت جریان را معکوس کنیم یعنی اینکه مولکولهای آب از ظرف نمک ( A ) به سمت ظرف آب خالص ( B ) جریان پیدا نماید ( عکس حالت قبل ) ، لازم است ، فشاری بیشتر از فشار اسمزی به محلول ظرف آب نمک وارد نماییم ، این فشار P2 و فشار عملیاتی نام دارد . لذا مقدار فشار خالص که باعث می شود مولکولهای آب از ظرف آب نمک به طرف ظرف آب خالص منتقل گردد برابر خواهد بود با :
D.P = P2 – P1
D.P = Driving pressure ( فشار عقب راندن )
مثال فوق فرآیند اسمز معکوس را به صورت یک مقدار کم ( Batch ) نشان می دهد ، ولی در عمل اگر برای تصفیه آب به صورت دائم بخواهیم مطابق مثال عمل کنیم ، افزایش غلظت نمک در ظرف A باعث زیاد شدن دائم فشار اسمزی می شود . که لازم است مدام فشار عملیاتی را افزایش دهیم ، لذا برای جلوگیری از این مشکل بطور دائم مقداری از محلول غلیظ را از دستگاه خارج می نمائیم ( تحت عنوان پس آب Reject یا آب نمک .Brine) تا غلظت ثابت بماند .
در این سیستم آب توسط پمپ های فشار قوی به داخل غشاء های نیمه تراوا که دارای منافذ بسیار ریزی به قطر تقریبی ۴۲ میکرون می باشد تزریق می گردد . این منافذ از عبور ملکولهایی که بزرگتر از مولکولهای آب می باشند جلوگیری می نمایند و آب تقریباً خالص ( Permeate ) از یک سمت و آب تغلیظ شده ( پر املاح یا آب نمک Brine ) از طرف دیگر جریان می نماید . اسمز معکوس می تواند حدود ۹۰ تا ۹۹% کلیه املاح آب ( T.D.S ) و کلوئیدی موجود در آب را حذف نماید این املاح شامل نمکهای سدیم ، پتاسیم ، سولفات ، بی کربنات و سلیکات و باکتریها و ویروسها و سایر املاح محلول در آب می باشند . مزیت استفاده از این دستگاه نسبت به روشهای دیگر ، صرفه اقتصادی ، مصرف انرژی کم – عدم آلوده سازی محیط زیست و سهولت کار با این دستگاه و کاهش هزینه های تعمیراتی و نگهداری می باشد .
تصفیه آب به روش اسمز معکوس در محدوده بسیار زیادی از صنایع مختلف کاربرد فراوان دارد برخی از موارد به شرح زیر می باشد :
« تأمین آب آشامیدنی شهرها و روستاها و صنایع
« تأمین آب تصفیه مورد نیاز و مناسب صنایع مانند دیگهای بخار ، صنایع دارو سازی و لاستیک سازی ، الکترونیک ، آزمایشگاهها و …
« سیستمهای حرارتی و برجهای خنک کننده
« نمک زدایی از آب شور و آب دریا
« تغلیظ آب میوه ، شیر ، محلول های شکر
« شیرین کردن آب شور صنایع غذایی و پلیمری
غشاء ( Membrane )
اصلی ترین بخش یک سیستم اسمز معکوس غشاء آن می باشد ، بطوریکه تمام نمکهای موجود در آب مانند مواد آلی و غیر آلی و میکرو ارگانیسم ها توسط غشاء بطور کامل یا تا درصد بسیار بالایی حذف میگردد . غشاء در اسمز معکوس در برابر مواد شیمیائی و یا بیولوژیکی مقاوم بوده و همچنین تحمل فشار اعمال شده به آن را دارد و در برابر اسیدیته آب ( PH ) نیز مقاوم می باشد .
غشاء در انواع مدلهای اسپیرال‌وند ( Spiral wound ) و هالوفایبر ( Halo faiber ) ساخته می شوند که قادر به حذف نمک ها و املاح محلول در آب ( اعم از آب دریا – آب شود و … ) می باشد .
نمک زدایی به روش اسمز معکوس
نمک‌زدائی فرآیند جداسازی است که برای کم کردن مقدار نمک محلول در آب شور مورد استفاده قرار می کلیه فرآیندهای نمک‌زدائی دارای اینجریان می‌باشند،آب ورودی شور (آب شور یا آب دریا) آب خروجی با شوری کم (کم نمک)، آب تعلیظ شده خیلی شور (شور آب یا آب برگشتی).
منابع آب‌های ورودی شور اقیانوس‌ها یا آب‌های زیرزمینی می‌باشند که به‌وسیله فرآیند نمک زدائی به دو جریان خروجی، جریان آب با شوری کم، جریان آب تغلیظ شده خیلی شور تبدیل میشوند. بیشتر جوامع ساحلی دسترسی به منابع تمام نشدنی از آب شور دارند که با استفاده از فرآیند نمک‌زدائی می‌توانند از این منابع استفاده کنند. برای خارج کردن موادی همچون کربنات کلسیم محلول در آب می‌توان از روشهای تصفیه شیمیائی استفاده کرد. اما برای خارج کردن مواد دیگری، نظیر، کلرید سدیم نیاز به روشهای پیشرفته‌تر فنی می‌باشد که این روشها تحت عنوان فرآیند نمک‌زدائی شناخته شده‌اند.
در گذشته خارج کردن املاح مختلف محلول در آب، کاری بسیار مشکل و پر هزینه بود. از این رو از آب‌های شور به‌عنوان منابع قابل شرب استفاده نمی‌کردند. گرچه با شروع دهه ۵۰ سال ۱۹۵۰ استفاده از فرآیند نمک زدائی تحت شرایط خاص برای استفاه عادی از نظر اقتصادی امکان‌پذیر شد. آب حاصل از فرآیند نمک‌زدائی معمولاً آبی است با کمتر از ۵۰۰mg/۱ املاح محلول که در مصارف خانگی، صنعتی و کشاورزی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
محصول جانبی فرآیند نمک‌زدائی شور آب است. شور آب محلول تغلیظ شده نمکی است که معمولاً به آبخیزهای عمیق آب شور یا آب‌های سطحی پر نمک ریخته میشوند (با بیش از ۳۵،۰۰۰ mg/۱ املاح محلول). شور آبها را همچنین می‌توان به‌وسیله فاضلاب تصفیه شده رقیق کرده و با اسپری کردن روی زمین‌های گلف فضاهای آزاد به محیط خارج انتقال داد.
● شرح فنی فرآیند
برای نمک زدائی از دو فرآیند غشائی اسمز معکوس (RO) و الکترودیالیز (ED) استفاده میشود. فرآیند الکترودیالیز معمولاً در آمریکای لاتین و دریای کارائیب کاربردی ندارد. در فرآیند اسمز معکوس آب محلول نمکی (شور) بافشار تنظیم شده باعبور از یک غشاء نفوذپذیر نسبت به آب از نمکهای موجود در محلول جدا میشود. اختلاف فشار ایجاد شده بین فشار آب ورودی و آب حاصل باعث عبور جریان آب از غشاء نفوذناپذیر میشود و فشار اولیه آب ورودی انرژی زیادی لازم است میزان فشار لازم جهت انجام عمل نمک‌زدائی برای آب‌های شور از ۲۵۰ تا Psi ۴۰۰ و برای آب دریا از ۸۰۰ تا ۱۰۰۰Psi می‌باشد. در عمل آب ورودی به یک محفظه بسته در برابر غشاء پمپ تا فشارش تنظیم شود. با عبور آب حاصل از غشاء، آب ورودی باقیمانده و محلول شور مدام غلیظ‌تر میشوند و به‌منظور کاهش غلظت املاح محلول باقیمانده باید بخشی از این محلول ورودی غلیظ شده شور از محفظه خارج شود. اگر این املاح تخلیه نشوند غلظت املاح موجود در آب ورودی افزایش می‌یابد و برای غلبه بر فشار اسمزی که به‌طور طبیعی افزایش یافته نیاز به انرژی ورودی زیادی می‌باشد. روش اسمز معکوس دارای چهار فرآیند مهم می‌باشد: ۱) پیش تصفیه ۲) تنظیم فشار ۳) جداسازی غشائی ۴) پس تصفیه
● پیش تصفیه
آب ورودی به‌وسیله خارج کردن ذرات جامد معلق، تنظیم PH و قرار دادن یک مانع برای جلوگیری و کنترل گرفتگی منافذ غشائی به‌وسیله ذراتی نظیر: سولفات کلسیم، از بیش تصفیه میشود تا متناسب با اندازه منافذ غشاها شود.
● تنظیم فشار
پمپ فشار آب ورودی را به اندازه‌ای بالا می‌برد تا مناسب با منافذ غشاء و میزان نمک موجود در آب ورودی
شود.
● جداسازی
آب حاصل از فرآیند نمک‌زدائی از غشاهای نفوذپذیر عبور میکنند در حالی که این غشاها منابع عبور
نمکهای محلول میشوند. عبور آب ورودی از غشاء منجر به تولید جریان آب شیرین و جریان آب شور تغلیظ شده میشود. از آنجائی که غشاها نمی‌توانند کاملاً مانع عبور نمکهای محلول در آب شوند، درصد ناچیزی از نمک از غشا عبور می‌کند و در آب حاصل باقی می‌ماند. نحوه قرار گرفتن غشاهای مارپیچی و رشته‌ای کوچک تو خالی از رایج‌ترین غشاهای مورد استفاده می‌باشند.معمولاً غشاها را از استات سلوز، پلی‌آمیدهای آروماتیک و یا امروزه از ترکیبات با لایه نازکی از پلیمر می‌سازند. از هر دو نوع غشا برای نمک‌زدائی آب‌شور و آب دریا استفاده میشود گرچه نوع غشا و ساختمان مجرای فشار بسته به فشارهای عملیاتی مختلف مورد استفاده برای همه دو نوع آب متفاوت می‌باشد.
● پایابی
قبل از انتقال آب حاصل از غشا به سیستم توزیع و مصرف آن به‌عنوان آب آشامیدنی باید PH آن تنظیم و گاز
زدائی شود. آب حاصل از میان ستون تهویه عبور می‌کند و Ph ان تقریباً از ۵ به ۷ افزایش می‌یابد. در بیشتر
مواقع آب حاصل در مخزن ذخیره میشود تا بعدها مورد استفاده قرار گیرد.
● موارد کاربرد
از سال ۱۹۶۰ تا ۱۹۸۰ (در طی ۲۰ سال) ظرفیت دستگاههای نمک‌زدائی اسمز معکوس فروخته یانصب شده ۱،۰۵۰،۶۰۰ متر مکعب در روز بوده است. در طی ۱۵ سال گذشته به‌دلیل کاهش هزینه و پیشرفت‌های فنی این ظرفیت رو به افزایش بوده است. آب نمک زدائی شده به روش اسمز معکوس برای آشامیدن مناسب و دارای مصارف صنعتی و کشاورزی می‌باشد.
● آب آشامیدنی
از فن‌آوری اسمز معکوس اخیراً در آرژانتین و منطقه شمال شرق برزیل برای نمک‌زدائی آب‌های زیرزمینی مورد استفاده قرار می‌گیرد. نحوه طراحی غشاهای جدید به گونه‌ای است که در فشارهای بالاتر (۷ تا ۵/۸ اتمسفر) قابل بهره‌بردای هستند و دارای کارآئی بیشتری نیز می‌باشند (۶۰ تا ۷۵ درصد از املاح (نمک) به اضافه تقریباً همه موجودات ریز زنده، ویروسها، باکتریها و سایر آلاینده‌های شیمیائی از آب ورودی میشوند).
● صنعت
در صنایعی نظیر ساخت و تولید قطعات الکتریکی مخصوصاً صنایع غذائی و فرآورده‌های داروئی نیاز به آب خالص است که از اسمز معکوس به‌عنوان عامل فرآیند تولید جائی که غلیظ شدن و یا تجزیه و تفکیک جریانی از مایع استفاده میشود.
● کشاورزی
کشاورزان گلخانهای و آبکشتی نیز اقدام به استفاده از اسمز معکوس برای نمک‌زدائی و تصفیه آب مورد نیاز
جهت آبیاری کرده‌اند (تعداد باکتریها و نماتدهای موجود در آب حاصل از اسمز معکوس رو به کاهش است که این مسئله همچنین باعث کنترل بیماری‌های گیاهان نیز میشود). در ایالت فلوریدای آمریکا کشاورزی که تولید کننده خیارهای اروپائی در گلخانهای به اندازه ac۲۲ است. برای آبیاری به‌جای استفاده از آب‌های سطحی آلوده از یک منبع آب زیرزمینی شور که به روش اسمز معکوس نمک‌زدائی شده است استفاده کرده که محصولش از dozen خیار در روز به ۷۰۰۰dozen افزایش یافته است. دستگاه اسمزی به ظرفیت ۳۰۰۰ لیتر در روز آبی با کمتر از ۱۵ میلیگرم لیتر سدیم تولید می‌کند. در برخی از جزایر دریای کارائیب مانند آنتیگوا، با هاماس و جزایر دست نخورده انگلیس از فن‌آوری اسمز معکوس برای تأمین ذخایر آب همگانی که نسبتاً موفق نیز بوده است استفاده میشود. شرکت آب آنتیگوا با استفاده از ۵ دستگاه اسمز معکوس آب مورد نیاز منطقه را تأمین می‌کند. هر دستگاه اسمز معکوس ظرفیتی معادل ۷۵۰،۰۰۰ لیتر در روز دارد. از ژانویه ۱۹۹۴ تا جون ۱۹۹۵ (در طی ۱۸ ماه) دستگاه آنتیگوا آبی در حدود ۱/۶ تا ۷/۹ میلیون لیتر در روز تولید کرده است. علاوه بر این هتل‌های بزرگ و یک شرکت بطری سازی نیز مجهز به دستگاههای نمک‌زدائی شده‌اند. در جزایر دست نخورده انگلیس کل آب مورد نیاز جزیرهتورتولا و تقریبا ۹۰ درصد آب مورد نیاز جزیرهدست نخورده گورد با استفاده از نمک‌زدائی تأمین میشود. در تورتولا با استفاده از ۴۰۰۰ اتصال آبی موجود، آب مورد نیاز ساکنان آن که در حدود ۱۳۵۰۰ نفر و بازدید کنندگان که تقریباً ۲۵۶،۰۰۰ نفر در سال هستند، تأمین میشود. در سال ۱۹۹۴شرکت آب تورتولا ۹۵۰ میلیون لیتر آب نمک‌زدائ شده خریداری کرد. جزیره گورد دارای دو دستگاه نمک‌زدائی آب دریا است که هر دو دستگاه دارای دو ورودی به دریا هستند که در حدود ۴۵۰ متر در امتداد دریا گسترده شده‌اند. این دستگاهها ساکنان این منطقه را که حدود ۲۵۰۰نفر هستند و گردشگران سالیانه آن که در حدود ۴۹۰۰۰ نفر می‌باشند تحت پوشش قرار داده است. در گورد حدود ۶۷۵ مشترک آب شهری وجود دارد.در سال ۱۹۹۴ شرکت آب جزیره گورد ۸۰ میلیون لیتر آب برای توزیع خریداری کرد. در آمریکای جنوبی مخصوصاً در نواحی روستانشین آرژانتین برزیل و شیلی شمالی از روش اسمز معکوس برای نمک‌زدائی کمتر استفاده میشود.
● راه‌اندازی و نگهداری
در طی ۱۵ سال گذشته نحوه استفاده و کار با فن‌آوری اسمز معکوس بهتر شده است و تعداد کمی از دستگاهها دارای مشکلات کاربردی دراز مدتی بوده‌اند. زمانی که دستگاهی که دارای طراحی و ساخت مناسبیاست نصب میشود. برای استفاده از فن‌آوری اسمز معکوس باید سیستم به‌طور روزانه کنترل شود وی ک برنامه سازمان یافته‌ای جهت حفاظت پیشگیرانه وجود داشته باشد. محافظت پیشگیرانه شامل کالیبره کردن وسایل، تنظیم پمپ، بررسی و تنظیم سوخت شیمیائی، یافتن محل نشت و تعمیر آن، تعمیر ساختاری سیستم براسا یک برنامه زمان‌بندی شده می‌باشد. مشکل اصلی کاربردی (عملیاتی) که مرتبط میشود به استفاده از دستگاههای اسمز معکوس؛ گرفتگی منافذ غشاها می‌باشد. گرفتگی زمانی ایجاد میشود که منافذ غشاها به‌وسیله املاح یا ذرات ریز معلق مسدود میشوند که این مسئله باعث کاهش مقدار آبی میشود که می‌تواند تصفیه شود. گرفتگی غشاء را می‌توان به‌وسیله شستشو یا تمیز کردن (هر ۴ ماه یکبار) و یا به‌وسیله تعویض قطعات صافی فشنگی (هر ۸ هفته یک بار) بر طرف کرد. عمر غشاها در آرژانتین ۲ تا ۳ سال است گرچه در کاتالوگ عمر آن بیشتر گزارش شده است. جهت راه اندازی، نگهداری، کنترل و تنظیم دستگاههای اسمز معکوس کادر مهندسی آموزش دیده مورد نیاز برای دستگاهی به ظرفیت ۲۰۰ متر مکعب در روز تقریباً یک نفر و دستگاهی به ظرفیت ۴۰۰۰ متر مکعب در روز سه نفر می‌باشد.
● پیچیدگی دستگاه
با توجه به هزینه زیاددستگاه‌های اسمز معکوس، تنها شرکت‌های خدماتی نظیر شرکت آب با تعداد زیادی مصرف کننده و صنایع و هتل‌ها از این تکنولوژی استفاده میکنند. در نواحی روستانشین جائی که هیچ راه دیگری برای تأمین آب وجود ندارد از دستگاههای اسمز معکوس با ظرفیت کم، استفاده میشود. در مناطقی نظیر جزایر دست نخورده انگلیس، دولت زمین مورد نیاز را تأمین و مالیات و بخشودگی‌های مالیاتی را پرداخت و کیفیت و کمیت آب حاصل را کنترل می‌کند. دولت همچنین آب را توزیع کرده و در برخی موارد در راه اندازی دستگاهها نیز مشارکت می‌کند.
● هزینه‌ها
علاوه بر سرماه اصلی جهت راه اندازی دستگاههای اسمز معکوس هزینه‌هائی نظیر برق، تعویض غشاء، و کارگر نیز وجود دارد.
تمام فن آوری‌های نمک‌زدائی متداول نیاز به انرژی زیادی دارند. مجمع بین‌المللی نمک زدائی با طراحی برنامه نرم‌افزاری درباره هزینه‌های نمک‌زدائی آب دریا باعث فراهم آوردن ابزارهای ریاضی (دقیق و حساب شده) به منظور بر آورد سرمایه نسبی و کل هزینه‌های مربوط به فرآیندهای نمک‌زدائی آب دریا شده است.
● سودمندی فن‌آوری
۲۵ سال پیش محققان تلاش می‌کردند تا با استفاده از فشار ۶۰۰psi و با عبور جریانی معادل ۱۸۰ از غشا سبب جدا شدن آب از آب ورودی شوری که دارای ۹۰ درصد نمک است (کل املاح محلول در آب ۱۵۰۰ میلیگرم در لیتر) شوند.
امروزه تأسیسات آب‌های شور می‌توانند ۹۸ درصد از نمک آب ورودی که کل املاح محلول آب ۲۵۰۰ تا ۳۰۰۰ میلیگرم در لیتر می‌باشد را با استفاده از فشار ۶/۱۳ تا ۱۷ اتمسفر و با عبور جریانی معادل ۲۴ متر مکعب در روز و با ضمانت ۵ سال کار بدون تعویض غشا جدا کنند.در پیشرفته‌ترین فن‌آوری روز به جای استفاده از غشاهای استات سلولز و پلی آمید از غشاهای مرکب با لایه نازک استفاده میکنند. غشاهای مرکب می‌توانند در میدان بیشتری از تغییرات PH در دما‌های بالاتر و در محدوده شیمیائی وسیعتری کار کنند و نسبت به شرایط و استفاده‌های نادرست موجود در بیشتر مصارف صنعتی مقاوم می‌باشند. به‌وطر کلی با گذشت زمان بهبود کارآئی دستگاههای نمک‌زدائی اسمز معکوس افزایش یافته تا جائی که دیگر غشاها دچار گرفتگی و انسداد نمی‌شوند. استفاده از این تکنولوژی در مناطقی که به‌راحتی به آب دریا و یا آب‌های زیرزمینی شور دسترسی دارند مناسب می‌باشد.
● مزایا
▪ روش انجام فرآیند کار ساده‌ای است، تنها مشکل یافتن یا تولید کردن یک منبع آب ورودی بدون مواد
خارجی می‌باشد که این مسئله سبب میشود تا غشا کمتر نیاز به شستشو داشته باشد.
▪ ممکن است نحوه مونتاژ دستگاهها از قطعات از پیش بسته‌بندی شده باشد که میزان تولید آب حاصل از چندلیتر در روز تا ۷۵۰ هزار لیتر در روز برای آب‌های شوروتا ۴۰۰ هزار لیتر در روز برای آب دریا می‌باشد و در نتیجه دستگاههای اسمز معکوس در مواقع مورد نیاز برای استفاده از آب ذخیره بسیار مناسب می‌باشد.
▪ هزینه نصب پائین
▪ ظرفیت تولید دستگاههای اسمز معکوس خیلی زیاد است و از ۲۵،۰۰۰ تا ۶۰،۰۰۰ متر مکعب در روز می‌باشد.
▪ در ساخت دستگاهها از مواد غیر فلزی که به نگهداری کمتری نیاز دارند استفاده میشود.
▪ بای تولید ۱۰۰۰ لیتر آب حاصل از آب شور از ۱ تا ۳ کیلووات ساعت انرژی مورد نیاز می‌باشد. فن‌آوری‌های اسمز معکوس می‌توانند از منابع آبی نامحدودی چون دریا استفاده کند.
▪ به‌جزء نیاز به تخلیه آب شور اسمز معکوس دارای اثر زیست محیطی بسیار ناچیزی دارد.
▪ این فن‌آوری استفاده از مواد شیمیائی را به حداقل می‌رساند.
● معایب
▪ استفاده درست از غشاها
▪ معمولاً باید برای خروج ذرات بسیار ریز آب ورودی از پیش تصفیه شود (به‌منظور افزایش طول عمر غشاء)
▪ در هنگام طوفان ممکن است وقفه‌ای در کار دستگاه‌هائی که از آب دریا استفاده میکنند ایجاد شود (به‌دلیل افزایش تعلیق ذرات بسیار ریز و افزایش ذرات جامد معلق در آب دریا در واحد حجم).
▪ برای به کار انداختن دستگاه اسمز معکوس نیاز به مصالح و تجهیزات استاندارد با کیفیت بالا می‌باشد.
▪ اغلب برای طراحی، ساخت و راه‌اندازی دستگاهها نیاز به افراد مجرب خارجی می‌باشد.
▪ باید لیستی از قطعات یدکی تهیه شود مخصوصاً اگر دستگاهها ساخت کشور خارجی باشند.
▪ برای جلوگیری از اثرات زیان بخش زیست محیطی باید برای خارج کردن آب‌های خیلی شور دقت کافی به‌عمل آید.
▪ در این فن‌آوری خطر آلوده شدن غشاها با باکتریها وجود دارد. وجود باکتریها در جریان آب‌شور سبب رشد آنها در روی غشا و این امر سبب بدبو و بدمزه شدن آب حاصل میشود.
▪ فن‌آوری‌های نمک‌زدائی به منبع انرژی مطمئنی نیاز دارند.
▪ فن‌آوری‌های نمک‌زدائی در مقایسه با سایر روشها نظیر استخراج آب‌های زیرزمینی یا بهره‌برداری از آب باران بسیار پرهزینه هستند.
● پذیرش فرهنگی
چنین استنباط میشود که فن‌آوری اسمز معکوس پزهزینه و پیچیده هستند و اینکه استفاده از این فن‌آوری
محدود میشود به مناطق ساحلی دارای آب‌های زیرزمینی شور که دسترسی به فن‌آوری‌های متداولتر را ندارند، بالتبع استفاده از این روش در شرایط معمولی که امکان دسترسی به آب شرب از روشهای ساده‌تر امکان‌پذیر است، رایج نمی‌باشد.
تصفیه آب با روش اسمز معکوس
تصفيه آب با روش اسمز معکوس - اب شیرین کن
اهميت تصفيه آب
● چه براي مصارف آشاميدني و چه براي مصارف صنعتي، معمولا آب طبيعي احتياج به تصفيه دارد. تصفيه آب براي مصارف آشاميدني هم آسان تر و هم ارزان تر از تصفيه آب برا ي مصارف صنعتي است. نگرانيهاي اساسي در مورد آب آشاميدني عبارتند از:
• باکتري هاي بيماري زا ( پاتوژن ها ) در آب.
• کمبود و يا وجود زيادي غلظت بعضي از يونها که در سلامتي انسان نقش دارند مانند: يون فلوئور. • ذرات معلق در آب.
• بو و مزه آب.
● دامنه نگراني هاي اساسي در مورد آب هاي صنعتي بستگي به محل مصرف آب دارد. آب به صورت هاي متفاوت در صنايع وابسته مطرح مي شود:
1- به عنوان ماده اوليه براي تهيه محصول نهايي، بدون اينکه تغيير شکل دهد.
2- به عنوان ماده اوليه براي شرکت در واکنش شيميايي تهيه محصول نهايي.
3- به عنوان حلال موادي که در واکنشهاي شيميايي شرکت مي کنند.
4- به عنوان ماده واسطه انتقال حرارت از دماي زير صفر( آب نمک ) تا دماي بخار آب.
5- به عنوان ماده ذخيره کننده انرژي.
6- به عنوان ماده واسطه جهت خارج کردن مواد ناخواسته (زائد).
7- به عنوان سپر محافظتي در برابر گرما و تشعشع آب سنگين( D2O ) مورد استفاده در نيروگاهها.
8- به عنوان ماده اي راحت و ارزان جهت استاندارد ساختن دستگاههاي اندازه گيري دما،دانسيته و ويسکوزيته.
9- به عنوان ماده اصلي جهت مبارزه با آتش به جز در موارد استثنائي مثل مواد نفتي.
10- خصوصا در مهندسي شيمي و پترو شيمي، بسياري از فرايندها همانند نمک زدايي، خشک کردن، تبخير کردن، کريستاليزاسيون، اختلاط، رزين هاي تعويض يوني، رطوبت زدايي، جذب سطحي و غيره در ارتباط مستقيم با آب هستند.
● مطلوب ترين آب براي هر صنعتي آب بدون يون مي باشد، اما هزينه تصفيه آب تا رسيدن به مرحله آب بدون يون بسيار زياد است. براي هر صنعتي مطلوب ترين آب آن است که هزينه تصفيه آب کمتر از مخارج درمان عواقب زيان بخش ناخا لصي ها باشد که براي اکثر صنايع، رسيدن به اين امر با تکيه بر استفاده از سيستم اسمز معکوس RO يا (Reverse Osmosis ) امکان پذير مي باشد. برخي اثرات زيان بخش ناخالصي هاي آب در صنعت:
1- توليد رسوب در دستگاه هاي حرارتي و ديگ بخار.
2- توليد بخار با کيفيت پايين.
3- خوردگي بويلرها و ديکر سيستم هاي حرارتي و لوله ها.
4- اتلاف مواد شيميايي مانند صابون.
5- باقي گذاردن لکه روي محصولات غذايي و نساجي. ناخالصي هاي آب: تقريبا هر ماده اي در آب محلول است و اين حلاليت به دما، فشار، PH ، پتانسيل شيميايي و به غلظت نسبي ديگر مواد در آب بستگي دارد. در طبيعت اين عوامل چنان به هم مربوط هستندکه کمتر مي توان حلاليت ماده اي را در آب به طور دقيق پيش بيني کرد. در واقع آب يکي از مشهورترين حلال هاست. مخصوصا مواد قطبي( مثل نمک ها ) به مقدار زيادي در آب حل مي شوند. از اين رو آب به طور خالص در طبيعت وجود ندارد. آب هميشه در حال انحلال ، انتقال و يا رسوب گذاري است. بخار آب موجود در هوا، در اثر ميعان به صورت باران در مي آيد که در موقع باريدن مقداري گردو خاک، اکسيژن، دي اکسيد کربن و ديگر گازها را در خود حل مي کند. در روي سطح زمين، آب مقداري از مواد معدني را در خود حل کرده و همراه مواد ديگر به نقاط مختلف منتقل مي کند. آب در هنگام نفوذ در لايه هاي مختلف زمين، قسمتي از مواد معلق و ميکروبها را در در لايه هاي مختلف زمين از دست مي دهد.
● ناخالصي هاي آب را مي توان به چهار دسته تقسيم کرد:
1- مواد معلق
2- گازها
3- نمکهاي محلول
4- ميکروب ها خصوصا اشريشيا کليفرم (کليفرم روده اي) ( E.coli coliform )
تکنولوژي هاي غشايي
فرآيندهاي غشايي از روشهاي نوين جداسازي هستند که بدون استفاده از تغيير فاز،اجزاء مورد نظر را از سيال جدا مي نمايند.عدم تغيير فاز در طول فرايند جداسازي موجب مي شود که جداسازي با صرف انرژي کمتري صورت گيرد. دو خصوصيت اصلي غشاها يعني توانايي قابل توجه در انجام انواع جداسازي ها و حداقل مصرف انرژي، عوامل گسترش روزافزون فرايندهاي غشايي مي باشند. غشاها کاربرد هاي فراواني در زمينه هاي مختلف علمي و صنعتي دارند که از جمله مي توان به شيرين کردن آب دريا، دياليز خون، تصفيه آب نظير آب رودخانه، چشمه و چاه، تصفيه پساب هاي خانگي، تصفيه انواع پساب هاي صنعتي مانند تصفيه پساب صنايع نساجي، کاغذ سازي، چرم سازي، الکل سازي، تغليظ شير در کارخانجات پنير سازي، تغليظ آب ميوه، جداسازس ميکروارگانيسمها،استريل کردن مايعات، جداسازي پروتئين ها از آب پنير، جداسازي گازهاي ترش از گاز طبيعي، جداسازي اکسيژن و نيتروژن از هوا، جداسازي اتيلن از گازهاي خروجي واحد توليد پلي اتيلن، بهينه سازي محيط زيست، صنايع داروسازي و بيوتکنولوژي اشاره نمود. با توجه به اهميت روزافزون آشنايي با فرآيندهاي غشايي به بررسي و شناخت غشاهاي اسمز معکوس مي پردازيم.
فرآيند اسمز معکوس
سيستمهاي *****اسيون غشايي با جريان متقابل از قبيل اسمز معکوس، نانو*****اسيون و اولترا*****اسيون انتخابات مناسبي جهت جايگزيني با *****اسيونهاي سنتي و تيمارهاي شيميايي مي باشند. با اين وجود جهت دستيابي به بهترين عملکرد اين سيستمها، توجهات دقيقي بايد در مورد شرايط آب ورودي به اين سيستمها مبذول داشت. بنابراين بايد در مورد ويژگي آب ورودي به سيستم از اطلاعات کافي برخوردار باشيم. ويزگيهاي انواع آبها جهت استفاده از دستگاههاي اسمز معکوس براي تصفيه آب ابتدا بايد خصوصيات آبهاي گوناگون و ناخالصي هاي موجود را شناسايي و مطالعه نمود، لذا در ذيل به ذکر ويزگيهاي انواع آب مي پردازيم:
الف- ويژگي آبهاي زيرزميني
• مواد معلق در آنها کم است.
• معمولا مواد آلي بسيار کم دارند.
• ممکن است داراي ذرات شن باشند.
• اين آبها حاوي آهن محلول و گاهي هم منگنز محلول هستند که وقتي آب در معرض اتمسفر قرار مي گيرد در اثر اکسيد شدن توسط هوا، ذرات زرد- قهوه اي درآنها ظاهر مي شود.
• دي اکسيد کربن ممکن است در اين آبها زياد باشد و PH اين آبها معمولا 9/7 – 9/6 مي باشد. • آب چاههاي خيلي عميق معمولا عاري از ميکوبها و ديگر ميکروارگانيسمها مي باشد ولي آب چاههاي کم عمق معمولا آلوده به ميکروارگانيسمها هستند.
• به خاطر انحلال جزئي مواد معدني، معمولا اين آبها داراي املاح زياد مي باشند حدود ppm 500 که بيشترين جزء آن بي کربنات کلسيم است.
• اين آبها معمولا سخت هستند ولي سختي آنها موقتي است( سوافات و نيترات کلسيم و منيزيم.( ب- ويژگي آبهاي سطحي:
1- زلال نيستند. 2
-2- PH اين آبها حدود 8-7 است.
3- مواد عالي موجود در اين آبها در نقات مختلف متفاوت است.ممکن است حاوي دترجنت ها، نفت، روغن و فلزات سنگين باشند.
4- معمولا آلوده به ميکروارگانيسمها هستند.
5- مقدار آمونياک، فنل و نيترات اين آبها ممکن است زياد باشد.
6- اگر آبهاي سطحي از آبهاي کشاورزي ناشي شوند، معمولا داراي نيترات و فسفات قابل توجهي هستند، بويژه در مناطقي که از کودهاي شيميايي استفاده مي شود.
ج- ويژگي آبهاي شور:
1- مقدار املاح اين آبها بسيار زياد و معمولا بيشتر از ppm 1000 مي باشد.
2- غلظت يون کلر و سديم اين آبها بسيار زياد و معمولا بيش از ppm 500 است. پيش تصفیه آب ورودي به سيستم مي تواند عمر غشاء را طولاني تر ساخته،کيفيت آب توليدي را بهبود بخشد و هزينه هاي نگهداري و پاکسازي سيستم را کاهش دهد. اهميت شرايط آب ورودي زماني آشکار مي شود که شما کارکرد غشاء با جريان متقابل را مورد آزمايش قرار دهيد. به زبان ساده، سيستمهاي *****اسيون جريان متقابل، جريان درون ريز را به دو جريان برون ريز يعني Permeate و Concentrate تقسيم و جداسازي مي کند. Permeate آن قسمت از جريان است که از غشاء نيمه تراوا عبور مي کند. جريان Concentrate (تلغيظ شده ) دربرگيرنده آن اجزايي است که توسط غشاء پس زده شده است. اساسي ترين مزيت *****اسيون جريان متقابل، قابليت آن براي کارکرد پيوسته و مداوم با سيستم پاکسازي خودبه خود است.
اساس كار اسمز معكوس:
اگر يك غشا نيمه تراوا بين دو محلول با غلظتهاي متفاوت قرار گيرد، مقداري از حلال از يك طرف غشا به طرف ديگر منتقل مي شود. جهت طبيعي حركت حلال به گونه اي است كه محلول غليظ تر رقيق مي شود، سپس آب خالص از غشا عبور كرده و وارد آب شور مي شود. اگر به سيستم اجازه رسيدن به تعادل داده شود، در ان صورت سطح اب نمك آن ( محلول غليظ تر ) از سطح آب خالص بالاتر خواهد رفت. اين اختلاف سطح را در دو طرف غشا فشار اسمزي مي گويند. در اسمز معكوس، آب خام ( تصفيه شده ) توسط پمپ به داخل محفظه اي كه داراي غشا نيمه تراوا مي باشد، رانده مي شود و چون ناخالصي ها قادر به عبور از غشا نيستند از اينرو در يك طرف غشا، آب تقريبا خالص و در طرف ديگر ان آب تغليظ شده از ناخالصي ها وجود خواهد داشت اين فرآيند براي تهيه اب اشاميدني از ابهايي كه حاوي املاح معدني زيلد و ناخالصي هاي آلي مي باشند، بسيار مناسب بوده و حتي قادر است از آب دريا با ( ppm 5000 TDS ) و نيز از ابهاي شور، آب آشاميدني تهيه كند. روش اسمز معکوس قادر به جداسازي مواد غير آلي حل شده، مواد آلي حل شده، آلاينده هاي ميکروبيولوژيکي از قبيل اندوتوکسين ها، ويروس ها، باکتري ها و ذرات مي باشد. به دليل اين طيف وسيع جداسازي روش اسمز معکوس يک فرآيند مهم در زمينه تيمارهاي آب است. اين روش به هايپر*****اسين ( Hyper filtration ) نيز معروف مي باشد، بدين ترتيب که با استفاده از اين روش ذراتي به کوچکي يونها را نيز مي توان جدا کرد. جهت زدودن نمکها و ساير ناخالصي هاي آب و بهبود رنگ، طعم و مزه مي توان از اين روش بهره گرفت. لازم به ذکر است که بيش از يک قن است که اين تکنولوژي شناخته شده است ولي تا شصت سال اخير يعني تا زماني که غشاء هاي خاص توسعه نيافته بودند، اين تکنولوژي گسترش چنداني پيدا نکرده بود. تکنولوژي اسمز معکوس به وفور در صنايع غذايي، توليد آب ميوه ها، صنايع برق، قدرت، ميکروالکترونيک، داروسازي و غيره مورد استفاده قرار مي گيرد. همچنين اين تکنولوؤي در دفع باکتري ها، پيروژن ها و آلودگي هاي آلي بسيارموثر است. همانگونه که ذکر شد روش اسمز معکوس به عنوان Hyper filtration نيز ناميده مي شود که دقيق ترين و ريز ترين سيستم *****اسيون شناخته شده مي باشد. اين تکنولوژي از انتقال ذراتي به کوچکي يونهاي منفرد حل شده در محلول نيز جلوگيري مي کند.سيستم اسمز معکوس قادر به جداسازي باکتريها، نمکها، قندها،پروتئين ها، ذرات، رنگ ها و ساير موادي است که داراي وزن مولکولي بيش از 250-150 دالتون باشند، لازم به ذکر است که جداسازي يون ها با اسمز معکوس به کمک ذرات باردار انجام مي شود. اين مطلب بدين معني است که يونهاي حل شده که داراي بار مي باشند مانند نمک ها، احتمال آن که توسط غشاء پس زده شوند نسبت به آنهايي که داراي بار نمي باشند مانند مواد آلي بسيار بيشتر است. به علت آن که سيستم اسمز معکوس در مقايسه با ساير روشها در درجه حرارت پايين تر و با انرژي مقرون به صرفه اي کار مي کند،کاربرد هاي فراواني مانند نمک زدايي، تيمار پسابها، بازيافت املاح معدني، تغليظ آب پنير و ساير محصولات غذايي و مهمتر از همه در خالص سازي آب دارد. در سالهاي اخير سيستم اسمز معکوس به ميزان فراوان در فرآوري آب مورد نياز جهت دياليز در بيمارستانها و جهت کارخانجات توليدي دارويي و بهداشتي مورد استفاده قرار گرفته است. علاوه بر اين، روش اسمز معکوس قادر به توليد آبي خالص جهت استفاده در تزريق( EFI )( Water For Injection ) و براي آماده سازي محلولهاي پراگوارشي و پراروده اي است.
محاسن سيستم RO
• سيستم پيوسته و مداوم ( Continues ) 24 ساعت در شبانه روز
• قابليت دريافت ورودي با) TDS کل مواد جامد محلول) بالا ( Total Dissolved Solid )
• ميزان بازدهي بالا در کل سيستم
• نرخ بالاي بازيافت آبهاي آلوده تا 98% منابع ورودي بر اساس ميزلن املاح و ناخالصي هاي موجود
• مصرف انرژي پايين
• نياز به حداقل شستشو
• جلوگيري از عبور سليکا تا 90%
• سادگي فرآيند تنها فاکتور پيچيده, کنترل آب ورودي به سيستم جهت به حداقل رساندن احتياجات مداوم جهت پاکسازي غشاء ها مي باشد.
• ظرفيتهاي توليد متعدد
• پايين بودن هزينه نگهداري سيستم
• عدم بکار گرفتن مواد زيان بخش براي انسان در اين سيستم
• مصرف پايين انرژي در سيستم
• استفاده از حداقل مواد شيميايي در سيستم اسمز معکوس
• از بين بردن تمامي آلاينده ها از قبيل آلاينده هاي آلي، غير آلي و ميکروبي
• امکان استفاده از منابع نامتناهي و قابل اطمينان يعني آب درياها در اين سيستم
• عدم تحميل هر گونه آثار منفي به محيط زيست
• پايين بودن هزينه نصب و راه اندازي سيستم
• قابليت جداسازي آلاينده هايي که به آب رنگ، مزه و بوي نامطلوبي مي دهند از قبيل طعم هاي قليايي و نمکي که بوسيله کلريدها و سولفات ها ايجاد مي گردند.
• قابليت جداسازي پاتوژن فوق العاده خطرناک به نام Cryptosponolium که باعث ايجاد بيماري مهلک و خطرناک ميشود.
• توليد خالص تري آب که آب توليدي توسط اين سيستم مورد تاييد NASA قرار گرفته و کاملا با استانداردهاي جهاني مطابقت دارد. خاصيت بسيار عالي حلاليت آن، متابوليسم را در بدن بهبود مي بخشد و اين امر باعث مي شود که ايمني بدن در مقابل عفونت ها افزايش يافته و باعث دفع سموم و ويروس ها گردد. لازم به ذکر استکه نوشيدن آب حاصل از سيستم اسمز معکوس به مدت طولاني به بهبود کارکرد سيستم هاي بدن و سلامتي کمک شاياني مي کند.
• قابليت جداسازي سمي تري عناصر و مواد مضر براي سلامتي انسان از قبيل کادميوم، سرب، سيانيد، ارسنيک و فنل توسط اين سيستم.
اسمز معکوس) Rever osmosis ( R.O
مقدمه :
امروزه در صنایع برای تأمین آب مورد نیاز از دستگاههای تصفیه آب به روش اسمز معکوس بطور گسترده‌ای استفاده می شود . اساس کار این دستگاهها بر عبور ملکولهای غیر یونی مثل آب ، از یک غشاء نیمه تراوا با روزنه های بسیار ریز بناشده است . این غشاء های نیمه تراوا طوری ساخته شده اند که مولکولهای خنثی را به راحتی از خود عبور می دهند و آب خام ورودی که دارای املاح مختلف می باشد به آب تقریباً خالص مبدل می گردد .در این روش ، جریان آب ورودی یا خوراک ( Feed ) به دو جریان خروجی تبدیل می شود :
۱/ آب تصفیه شده ( Permeate ) .
2. آب تغلیظ شده که املاح آن افزایش یافته است بنام دور ریز ( Reject یا Brine ) .
اساس کار دستگاه اسمز معکوس : برای تشریح تصفیه آب با این روش لازم است ابتدا قانون اسمز شرح داده شود .
تعریف کلی :
طبق قانون اسمز در صورتیکه دو محلول با غلظت های مختلف به وسیله یک غشاء نیمه تراوا از هم جدا گردند ، ملکولهای محلول رقیق تر ، از طریق منفذهای غشاء نیمه تراوا به طرف محلول غلیظ تر حرکت می کنند . عاملی را که توسط آن این حرکت انجام می پذیرد ، فشار اسمز می نامند . این جریان ادامه پیدا می کند تا اینکه فشار اسمزی خنثی شود . اگر از طرف محلول غلیظ فشاری بیشتر از فشار اسمزی اعمال گردد ، حرکت معکوس میشود و ملکولهای آب از محلول غلیظ به طرف محلول رقیق جریان پیدا می نماید . و موجب باقی ماندن املاح در طرف غلیظ می گردد . برای درک بهتر این پدیده فرض نمائید ، دو ظرف مطابق شکل الف
یکی محتوی آب نمک (A) و دومی محتوی آب خالص (B) باشد و این دو ظرف توسط یک لوله به هم وصل شده باشند و ارتفاع آب داخل دو ظرف مساوی و هم سطح باشند ، در این صورت برای ایجاد تعادل در غلظت ، یونهای سدیم و کلراید از ظرف حاوی آب نمک به صورت نفوذ ملکولی به طرف ظرف آب خالص منتقل می شوند تا تعادل غلظت بین دو ظرف برقرار گردد . حال اگر در مسیر جریان آب بین دو طرف یک غشاء نیمه تراوا قرار دهیم که فقط اجازه دهد ملکولهای آب از آن عبور نماید ، ( شکل ب ) متوجه می شویم که یونهای نمک اجازه عبور نخواهند یافت . لذا جهت برقراری تعادل در غلظت ، آب خالص از ظرف (B ) به طرف ظرف آب غلیظ (A ) منتقل می گردد . و این عمل تا حدی ادامه پیدا می کند که افزایش ارتقاع آب در ظرف آب نمک ( A ) فشار مضاعف پیدا می کند و دیگر اجازه انتقال آب از ظرف B به ظرف A را نمی دهد ، این فشار را فشار اسمزی می‌گویند ، که طبق قانون وانت هف ( Vant Hoff ) فشار اسمزی تابعی از غلظت در دو طرف غشاء می باشد .
P1 = ( CS1 – CS2 ) R.T
در این فرمول :
P = فشار اسمزی
CS1 = غلظت نمک در ظرف A ( یا محلول خوراک دستگاه )
CS2 = غلظت نمک در ظرف B ( آب محصول تصفیه شده )
R = ثابت گازهاست
T = درجه حرارت ( درجه کلوین )
حال اگر بخواهیم جهت جریان را معکوس کنیم یعنی اینکه مولکولهای آب از ظرف نمک ( A ) به سمت ظرف آب خالص ( B ) جریان پیدا نماید ( عکس حالت قبل ) ، لازم است ، فشاری بیشتر از فشار اسمزی به محلول ظرف آب نمک وارد نماییم ، این فشار P2 و فشار عملیاتی نام دارد . لذا مقدار فشار خالص که باعث می شود مولکولهای آب از ظرف آب نمک به طرف ظرف آب خالص منتقل گردد برابر خواهد بود با :
D.P = P2 – P1
D.P = Driving pressure ( فشار عقب راندن )
مثال فوق فرآیند اسمز معکوس را به صورت یک مقدار کم ( Batch ) نشان می دهد ، ولی در عمل اگر برای تصفیه آب به صورت دائم بخواهیم مطابق مثال عمل کنیم ، افزایش غلظت نمک در ظرف A باعث زیاد شدن دائم فشار اسمزی می شود . که لازم است مدام فشار عملیاتی را افزایش دهیم ، لذا برای جلوگیری از این مشکل بطور دائم مقداری از محلول غلیظ را از دستگاه خارج می نمائیم ( تحت عنوان پس آب Reject یا آب نمک .Brine) تا غلظت ثابت بماند .
در این سیستم آب توسط پمپ های فشار قوی به داخل غشاء های نیمه تراوا که دارای منافذ بسیار ریزی به قطر تقریبی ۴۲ میکرون می باشد تزریق می گردد . این منافذ از عبور ملکولهایی که بزرگتر از مولکولهای آب می باشند جلوگیری می نمایند و آب تقریباً خالص ( Permeate ) از یک سمت و آب تغلیظ شده ( پر املاح یا آب نمک Brine ) از طرف دیگر جریان می نماید . اسمز معکوس می تواند حدود ۹۰ تا ۹۹% کلیه املاح آب ( T.D.S ) و کلوئیدی موجود در آب را حذف نماید این املاح شامل نمکهای سدیم ، پتاسیم ، سولفات ، بی کربنات و سلیکات و باکتریها و ویروسها و سایر املاح محلول در آب می باشند . مزیت استفاده از این دستگاه نسبت به روشهای دیگر ، صرفه اقتصادی ، مصرف انرژی کم – عدم آلوده سازی محیط زیست و سهولت کار با این دستگاه و کاهش هزینه های تعمیراتی و نگهداری می باشد .
تصفیه آب به روش اسمز معکوس در محدوده بسیار زیادی از صنایع مختلف کاربرد فراوان دارد برخی از موارد به شرح زیر می باشد :
« تأمین آب آشامیدنی شهرها و روستاها و صنایع
« تأمین آب تصفیه مورد نیاز و مناسب صنایع مانند دیگهای بخار ، صنایع دارو سازی و لاستیک سازی ، الکترونیک ، آزمایشگاهها و …
« سیستمهای حرارتی و برجهای خنک کننده
« نمک زدایی از آب شور و آب دریا
« تغلیظ آب میوه ، شیر ، محلول های شکر
« شیرین کردن آب شور صنایع غذایی و پلیمری
غشاء ( Membrane )
اصلی ترین بخش یک سیستم اسمز معکوس غشاء آن می باشد ، بطوریکه تمام نمکهای موجود در آب مانند مواد آلی و غیر آلی و میکرو ارگانیسم ها توسط غشاء بطور کامل یا تا درصد بسیار بالایی حذف میگردد . غشاء در اسمز معکوس در برابر مواد شیمیائی و یا بیولوژیکی مقاوم بوده و همچنین تحمل فشار اعمال شده به آن را دارد و در برابر اسیدیته آب ( PH ) نیز مقاوم می باشد .
غشاء در انواع مدلهای اسپیرال‌وند ( Spiral wound ) و هالوفایبر ( Halo faiber ) ساخته می شوند که قادر به حذف نمک ها و املاح محلول در آب ( اعم از آب دریا – آب شود و … ) می باشد .
نمک زدایی به روش اسمز معکوس
نمک‌زدائی فرآیند جداسازی است که برای کم کردن مقدار نمک محلول در آب شور مورد استفاده قرار می کلیه فرآیندهای نمک‌زدائی دارای اینجریان می‌باشند،آب ورودی شور (آب شور یا آب دریا) آب خروجی با شوری کم (کم نمک)، آب تعلیظ شده خیلی شور (شور آب یا آب برگشتی).
منابع آب‌های ورودی شور اقیانوس‌ها یا آب‌های زیرزمینی می‌باشند که به‌وسیله فرآیند نمک زدائی به دو جریان خروجی، جریان آب با شوری کم، جریان آب تغلیظ شده خیلی شور تبدیل میشوند. بیشتر جوامع ساحلی دسترسی به منابع تمام نشدنی از آب شور دارند که با استفاده از فرآیند نمک‌زدائی می‌توانند از این منابع استفاده کنند. برای خارج کردن موادی همچون کربنات کلسیم محلول در آب می‌توان از روشهای تصفیه شیمیائی استفاده کرد. اما برای خارج کردن مواد دیگری، نظیر، کلرید سدیم نیاز به روشهای پیشرفته‌تر فنی می‌باشد که این روشها تحت عنوان فرآیند نمک‌زدائی شناخته شده‌اند.
در گذشته خارج کردن املاح مختلف محلول در آب، کاری بسیار مشکل و پر هزینه بود. از این رو از آب‌های شور به‌عنوان منابع قابل شرب استفاده نمی‌کردند. گرچه با شروع دهه ۵۰ سال ۱۹۵۰ استفاده از فرآیند نمک زدائی تحت شرایط خاص برای استفاه عادی از نظر اقتصادی امکان‌پذیر شد. آب حاصل از فرآیند نمک‌زدائی معمولاً آبی است با کمتر از ۵۰۰mg/۱ املاح محلول که در مصارف خانگی، صنعتی و کشاورزی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
محصول جانبی فرآیند نمک‌زدائی شور آب است. شور آب محلول تغلیظ شده نمکی است که معمولاً به آبخیزهای عمیق آب شور یا آب‌های سطحی پر نمک ریخته میشوند (با بیش از ۳۵،۰۰۰ mg/۱ املاح محلول). شور آبها را همچنین می‌توان به‌وسیله فاضلاب تصفیه شده رقیق کرده و با اسپری کردن روی زمین‌های گلف فضاهای آزاد به محیط خارج انتقال داد.
● شرح فنی فرآیند
برای نمک زدائی از دو فرآیند غشائی اسمز معکوس (RO) و الکترودیالیز (ED) استفاده میشود. فرآیند الکترودیالیز معمولاً در آمریکای لاتین و دریای کارائیب کاربردی ندارد. در فرآیند اسمز معکوس آب محلول نمکی (شور) بافشار تنظیم شده باعبور از یک غشاء نفوذپذیر نسبت به آب از نمکهای موجود در محلول جدا میشود. اختلاف فشار ایجاد شده بین فشار آب ورودی و آب حاصل باعث عبور جریان آب از غشاء نفوذناپذیر میشود و فشار اولیه آب ورودی انرژی زیادی لازم است میزان فشار لازم جهت انجام عمل نمک‌زدائی برای آب‌های شور از ۲۵۰ تا Psi ۴۰۰ و برای آب دریا از ۸۰۰ تا ۱۰۰۰Psi می‌باشد. در عمل آب ورودی به یک محفظه بسته در برابر غشاء پمپ تا فشارش تنظیم شود. با عبور آب حاصل از غشاء، آب ورودی باقیمانده و محلول شور مدام غلیظ‌تر میشوند و به‌منظور کاهش غلظت املاح محلول باقیمانده باید بخشی از این محلول ورودی غلیظ شده شور از محفظه خارج شود. اگر این املاح تخلیه نشوند غلظت املاح موجود در آب ورودی افزایش می‌یابد و برای غلبه بر فشار اسمزی که به‌طور طبیعی افزایش یافته نیاز به انرژی ورودی زیادی می‌باشد. روش اسمز معکوس دارای چهار فرآیند مهم می‌باشد: ۱) پیش تصفیه ۲) تنظیم فشار ۳) جداسازی غشائی ۴) پس تصفیه
● پیش تصفیه
آب ورودی به‌وسیله خارج کردن ذرات جامد معلق، تنظیم PH و قرار دادن یک مانع برای جلوگیری و کنترل گرفتگی منافذ غشائی به‌وسیله ذراتی نظیر: سولفات کلسیم، از بیش تصفیه میشود تا متناسب با اندازه منافذ غشاها شود.
● تنظیم فشار
پمپ فشار آب ورودی را به اندازه‌ای بالا می‌برد تا مناسب با منافذ غشاء و میزان نمک موجود در آب ورودی
شود.
● جداسازی
آب حاصل از فرآیند نمک‌زدائی از غشاهای نفوذپذیر عبور میکنند در حالی که این غشاها منابع عبور
نمکهای محلول میشوند. عبور آب ورودی از غشاء منجر به تولید جریان آب شیرین و جریان آب شور تغلیظ شده میشود. از آنجائی که غشاها نمی‌توانند کاملاً مانع عبور نمکهای محلول در آب شوند، درصد ناچیزی از نمک از غشا عبور می‌کند و در آب حاصل باقی می‌ماند. نحوه قرار گرفتن غشاهای مارپیچی و رشته‌ای کوچک تو خالی از رایج‌ترین غشاهای مورد استفاده می‌باشند.معمولاً غشاها را از استات سلوز، پلی‌آمیدهای آروماتیک و یا امروزه از ترکیبات با لایه نازکی از پلیمر می‌سازند. از هر دو نوع غشا برای نمک‌زدائی آب‌شور و آب دریا استفاده میشود گرچه نوع غشا و ساختمان مجرای فشار بسته به فشارهای عملیاتی مختلف مورد استفاده برای همه دو نوع آب متفاوت می‌باشد.
● پایابی
قبل از انتقال آب حاصل از غشا به سیستم توزیع و مصرف آن به‌عنوان آب آشامیدنی باید PH آن تنظیم و گاز
زدائی شود. آب حاصل از میان ستون تهویه عبور می‌کند و Ph ان تقریباً از ۵ به ۷ افزایش می‌یابد. در بیشتر
مواقع آب حاصل در مخزن ذخیره میشود تا بعدها مورد استفاده قرار گیرد.
● موارد کاربرد
از سال ۱۹۶۰ تا ۱۹۸۰ (در طی ۲۰ سال) ظرفیت دستگاههای نمک‌زدائی اسمز معکوس فروخته یانصب شده ۱،۰۵۰،۶۰۰ متر مکعب در روز بوده است. در طی ۱۵ سال گذشته به‌دلیل کاهش هزینه و پیشرفت‌های فنی این ظرفیت رو به افزایش بوده است. آب نمک زدائی شده به روش اسمز معکوس برای آشامیدن مناسب و دارای مصارف صنعتی و کشاورزی می‌باشد.
● آب آشامیدنی
از فن‌آوری اسمز معکوس اخیراً در آرژانتین و منطقه شمال شرق برزیل برای نمک‌زدائی آب‌های زیرزمینی مورد استفاده قرار می‌گیرد. نحوه طراحی غشاهای جدید به گونه‌ای است که در فشارهای بالاتر (۷ تا ۵/۸ اتمسفر) قابل بهره‌بردای هستند و دارای کارآئی بیشتری نیز می‌باشند (۶۰ تا ۷۵ درصد از املاح (نمک) به اضافه تقریباً همه موجودات ریز زنده، ویروسها، باکتریها و سایر آلاینده‌های شیمیائی از آب ورودی میشوند).
● صنعت
در صنایعی نظیر ساخت و تولید قطعات الکتریکی مخصوصاً صنایع غذائی و فرآورده‌های داروئی نیاز به آب خالص است که از اسمز معکوس به‌عنوان عامل فرآیند تولید جائی که غلیظ شدن و یا تجزیه و تفکیک جریانی از مایع استفاده میشود.
● کشاورزی
کشاورزان گلخانهای و آبکشتی نیز اقدام به استفاده از اسمز معکوس برای نمک‌زدائی و تصفیه آب مورد نیاز
جهت آبیاری کرده‌اند (تعداد باکتریها و نماتدهای موجود در آب حاصل از اسمز معکوس رو به کاهش است که این مسئله همچنین باعث کنترل بیماری‌های گیاهان نیز میشود). در ایالت فلوریدای آمریکا کشاورزی که تولید کننده خیارهای اروپائی در گلخانهای به اندازه ac۲۲ است. برای آبیاری به‌جای استفاده از آب‌های سطحی آلوده از یک منبع آب زیرزمینی شور که به روش اسمز معکوس نمک‌زدائی شده است استفاده کرده که محصولش از dozen خیار در روز به ۷۰۰۰dozen افزایش یافته است. دستگاه اسمزی به ظرفیت ۳۰۰۰ لیتر در روز آبی با کمتر از ۱۵ میلیگرم لیتر سدیم تولید می‌کند. در برخی از جزایر دریای کارائیب مانند آنتیگوا، با هاماس و جزایر دست نخورده انگلیس از فن‌آوری اسمز معکوس برای تأمین ذخایر آب همگانی که نسبتاً موفق نیز بوده است استفاده میشود. شرکت آب آنتیگوا با استفاده از ۵ دستگاه اسمز معکوس آب مورد نیاز منطقه را تأمین می‌کند. هر دستگاه اسمز معکوس ظرفیتی معادل ۷۵۰،۰۰۰ لیتر در روز دارد. از ژانویه ۱۹۹۴ تا جون ۱۹۹۵ (در طی ۱۸ ماه) دستگاه آنتیگوا آبی در حدود ۱/۶ تا ۷/۹ میلیون لیتر در روز تولید کرده است. علاوه بر این هتل‌های بزرگ و یک شرکت بطری سازی نیز مجهز به دستگاههای نمک‌زدائی شده‌اند. در جزایر دست نخورده انگلیس کل آب مورد نیاز جزیرهتورتولا و تقریبا ۹۰ درصد آب مورد نیاز جزیرهدست نخورده گورد با استفاده از نمک‌زدائی تأمین میشود. در تورتولا با استفاده از ۴۰۰۰ اتصال آبی موجود، آب مورد نیاز ساکنان آن که در حدود ۱۳۵۰۰ نفر و بازدید کنندگان که تقریباً ۲۵۶،۰۰۰ نفر در سال هستند، تأمین میشود. در سال ۱۹۹۴شرکت آب تورتولا ۹۵۰ میلیون لیتر آب نمک‌زدائ شده خریداری کرد. جزیره گورد دارای دو دستگاه نمک‌زدائی آب دریا است که هر دو دستگاه دارای دو ورودی به دریا هستند که در حدود ۴۵۰ متر در امتداد دریا گسترده شده‌اند. این دستگاهها ساکنان این منطقه را که حدود ۲۵۰۰نفر هستند و گردشگران سالیانه آن که در حدود ۴۹۰۰۰ نفر می‌باشند تحت پوشش قرار داده است. در گورد حدود ۶۷۵ مشترک آب شهری وجود دارد.در سال ۱۹۹۴ شرکت آب جزیره گورد ۸۰ میلیون لیتر آب برای توزیع خریداری کرد. در آمریکای جنوبی مخصوصاً در نواحی روستانشین آرژانتین برزیل و شیلی شمالی از روش اسمز معکوس برای نمک‌زدائی کمتر استفاده میشود.
● راه‌اندازی و نگهداری
در طی ۱۵ سال گذشته نحوه استفاده و کار با فن‌آوری اسمز معکوس بهتر شده است و تعداد کمی از دستگاهها دارای مشکلات کاربردی دراز مدتی بوده‌اند. زمانی که دستگاهی که دارای طراحی و ساخت مناسبیاست نصب میشود. برای استفاده از فن‌آوری اسمز معکوس باید سیستم به‌طور روزانه کنترل شود وی ک برنامه سازمان یافته‌ای جهت حفاظت پیشگیرانه وجود داشته باشد. محافظت پیشگیرانه شامل کالیبره کردن وسایل، تنظیم پمپ، بررسی و تنظیم سوخت شیمیائی، یافتن محل نشت و تعمیر آن، تعمیر ساختاری سیستم براسا یک برنامه زمان‌بندی شده می‌باشد. مشکل اصلی کاربردی (عملیاتی) که مرتبط میشود به استفاده از دستگاههای اسمز معکوس؛ گرفتگی منافذ غشاها می‌باشد. گرفتگی زمانی ایجاد میشود که منافذ غشاها به‌وسیله املاح یا ذرات ریز معلق مسدود میشوند که این مسئله باعث کاهش مقدار آبی میشود که می‌تواند تصفیه شود. گرفتگی غشاء را می‌توان به‌وسیله شستشو یا تمیز کردن (هر ۴ ماه یکبار) و یا به‌وسیله تعویض قطعات صافی فشنگی (هر ۸ هفته یک بار) بر طرف کرد. عمر غشاها در آرژانتین ۲ تا ۳ سال است گرچه در کاتالوگ عمر آن بیشتر گزارش شده است. جهت راه اندازی، نگهداری، کنترل و تنظیم دستگاههای اسمز معکوس کادر مهندسی آموزش دیده مورد نیاز برای دستگاهی به ظرفیت ۲۰۰ متر مکعب در روز تقریباً یک نفر و دستگاهی به ظرفیت ۴۰۰۰ متر مکعب در روز سه نفر می‌باشد.
● پیچیدگی دستگاه
با توجه به هزینه زیاددستگاه‌های اسمز معکوس، تنها شرکت‌های خدماتی نظیر شرکت آب با تعداد زیادی مصرف کننده و صنایع و هتل‌ها از این تکنولوژی استفاده میکنند. در نواحی روستانشین جائی که هیچ راه دیگری برای تأمین آب وجود ندارد از دستگاههای اسمز معکوس با ظرفیت کم، استفاده میشود. در مناطقی نظیر جزایر دست نخورده انگلیس، دولت زمین مورد نیاز را تأمین و مالیات و بخشودگی‌های مالیاتی را پرداخت و کیفیت و کمیت آب حاصل را کنترل می‌کند. دولت همچنین آب را توزیع کرده و در برخی موارد در راه اندازی دستگاهها نیز مشارکت می‌کند.
● هزینه‌ها
علاوه بر سرماه اصلی جهت راه اندازی دستگاههای اسمز معکوس هزینه‌هائی نظیر برق، تعویض غشاء، و کارگر نیز وجود دارد.
تمام فن آوری‌های نمک‌زدائی متداول نیاز به انرژی زیادی دارند. مجمع بین‌المللی نمک زدائی با طراحی برنامه نرم‌افزاری درباره هزینه‌های نمک‌زدائی آب دریا باعث فراهم آوردن ابزارهای ریاضی (دقیق و حساب شده) به منظور بر آورد سرمایه نسبی و کل هزینه‌های مربوط به فرآیندهای نمک‌زدائی آب دریا شده است.
● سودمندی فن‌آوری
۲۵ سال پیش محققان تلاش می‌کردند تا با استفاده از فشار ۶۰۰psi و با عبور جریانی معادل ۱۸۰ از غشا سبب جدا شدن آب از آب ورودی شوری که دارای ۹۰ درصد نمک است (کل املاح محلول در آب ۱۵۰۰ میلیگرم در لیتر) شوند.
امروزه تأسیسات آب‌های شور می‌توانند ۹۸ درصد از نمک آب ورودی که کل املاح محلول آب ۲۵۰۰ تا ۳۰۰۰ میلیگرم در لیتر می‌باشد را با استفاده از فشار ۶/۱۳ تا ۱۷ اتمسفر و با عبور جریانی معادل ۲۴ متر مکعب در روز و با ضمانت ۵ سال کار بدون تعویض غشا جدا کنند.در پیشرفته‌ترین فن‌آوری روز به جای استفاده از غشاهای استات سلولز و پلی آمید از غشاهای مرکب با لایه نازک استفاده میکنند. غشاهای مرکب می‌توانند در میدان بیشتری از تغییرات PH در دما‌های بالاتر و در محدوده شیمیائی وسیعتری کار کنند و نسبت به شرایط و استفاده‌های نادرست موجود در بیشتر مصارف صنعتی مقاوم می‌باشند. به‌وطر کلی با گذشت زمان بهبود کارآئی دستگاههای نمک‌زدائی اسمز معکوس افزایش یافته تا جائی که دیگر غشاها دچار گرفتگی و انسداد نمی‌شوند. استفاده از این تکنولوژی در مناطقی که به‌راحتی به آب دریا و یا آب‌های زیرزمینی شور دسترسی دارند مناسب می‌باشد.
● مزایا
▪ روش انجام فرآیند کار ساده‌ای است، تنها مشکل یافتن یا تولید کردن یک منبع آب ورودی بدون مواد
خارجی می‌باشد که این مسئله سبب میشود تا غشا کمتر نیاز به شستشو داشته باشد.
▪ ممکن است نحوه مونتاژ دستگاهها از قطعات از پیش بسته‌بندی شده باشد که میزان تولید آب حاصل از چندلیتر در روز تا ۷۵۰ هزار لیتر در روز برای آب‌های شوروتا ۴۰۰ هزار لیتر در روز برای آب دریا می‌باشد و در نتیجه دستگاههای اسمز معکوس در مواقع مورد نیاز برای استفاده از آب ذخیره بسیار مناسب می‌باشد.
▪ هزینه نصب پائین
▪ ظرفیت تولید دستگاههای اسمز معکوس خیلی زیاد است و از ۲۵،۰۰۰ تا ۶۰،۰۰۰ متر مکعب در روز می‌باشد.
▪ در ساخت دستگاهها از مواد غیر فلزی که به نگهداری کمتری نیاز دارند استفاده میشود.
▪ بای تولید ۱۰۰۰ لیتر آب حاصل از آب شور از ۱ تا ۳ کیلووات ساعت انرژی مورد نیاز می‌باشد. فن‌آوری‌های اسمز معکوس می‌توانند از منابع آبی نامحدودی چون دریا استفاده کند.
▪ به‌جزء نیاز به تخلیه آب شور اسمز معکوس دارای اثر زیست محیطی بسیار ناچیزی دارد.
▪ این فن‌آوری استفاده از مواد شیمیائی را به حداقل می‌رساند.
● معایب
▪ استفاده درست از غشاها
▪ معمولاً باید برای خروج ذرات بسیار ریز آب ورودی از پیش تصفیه شود (به‌منظور افزایش طول عمر غشاء)
▪ در هنگام طوفان ممکن است وقفه‌ای در کار دستگاه‌هائی که از آب دریا استفاده میکنند ایجاد شود (به‌دلیل افزایش تعلیق ذرات بسیار ریز و افزایش ذرات جامد معلق در آب دریا در واحد حجم).
▪ برای به کار انداختن دستگاه اسمز معکوس نیاز به مصالح و تجهیزات استاندارد با کیفیت بالا می‌باشد.
▪ اغلب برای طراحی، ساخت و راه‌اندازی دستگاهها نیاز به افراد مجرب خارجی می‌باشد.
▪ باید لیستی از قطعات یدکی تهیه شود مخصوصاً اگر دستگاهها ساخت کشور خارجی باشند.
▪ برای جلوگیری از اثرات زیان بخش زیست محیطی باید برای خارج کردن آب‌های خیلی شور دقت کافی به‌عمل آید.
▪ در این فن‌آوری خطر آلوده شدن غشاها با باکتریها وجود دارد. وجود باکتریها در جریان آب‌شور سبب رشد آنها در روی غشا و این امر سبب بدبو و بدمزه شدن آب حاصل میشود.
▪ فن‌آوری‌های نمک‌زدائی به منبع انرژی مطمئنی نیاز دارند.
▪ فن‌آوری‌های نمک‌زدائی در مقایسه با سایر روشها نظیر استخراج آب‌های زیرزمینی یا بهره‌برداری از آب باران بسیار پرهزینه هستند.
● پذیرش فرهنگی
چنین استنباط میشود که فن‌آوری اسمز معکوس پزهزینه و پیچیده هستند و اینکه استفاده از این فن‌آوری
محدود میشود به مناطق ساحلی دارای آب‌های زیرزمینی شور که دسترسی به فن‌آوری‌های متداولتر را ندارند، بالتبع استفاده از این روش در شرایط معمولی که امکان دسترسی به آب شرب از روشهای ساده‌تر امکان‌پذیر است، رایج نمی‌باشد.
تصفیه آب با روش اسمز معکوس
تصفيه آب با روش اسمز معکوس - اب شیرین کن
اهميت تصفيه آب
● چه براي مصارف آشاميدني و چه براي مصارف صنعتي، معمولا آب طبيعي احتياج به تصفيه دارد. تصفيه آب براي مصارف آشاميدني هم آسان تر و هم ارزان تر از تصفيه آب برا ي مصارف صنعتي است. نگرانيهاي اساسي در مورد آب آشاميدني عبارتند از:
• باکتري هاي بيماري زا ( پاتوژن ها ) در آب.
• کمبود و يا وجود زيادي غلظت بعضي از يونها که در سلامتي انسان نقش دارند مانند: يون فلوئور. • ذرات معلق در آب.
• بو و مزه آب.
● دامنه نگراني هاي اساسي در مورد آب هاي صنعتي بستگي به محل مصرف آب دارد. آب به صورت هاي متفاوت در صنايع وابسته مطرح مي شود:
1- به عنوان ماده اوليه براي تهيه محصول نهايي، بدون اينکه تغيير شکل دهد.
2- به عنوان ماده اوليه براي شرکت در واکنش شيميايي تهيه محصول نهايي.
3- به عنوان حلال موادي که در واکنشهاي شيميايي شرکت مي کنند.
4- به عنوان ماده واسطه انتقال حرارت از دماي زير صفر( آب نمک ) تا دماي بخار آب.
5- به عنوان ماده ذخيره کننده انرژي.
6- به عنوان ماده واسطه جهت خارج کردن مواد ناخواسته (زائد).
7- به عنوان سپر محافظتي در برابر گرما و تشعشع آب سنگين( D2O ) مورد استفاده در نيروگاهها.
8- به عنوان ماده اي راحت و ارزان جهت استاندارد ساختن دستگاههاي اندازه گيري دما،دانسيته و ويسکوزيته.
9- به عنوان ماده اصلي جهت مبارزه با آتش به جز در موارد استثنائي مثل مواد نفتي.
10- خصوصا در مهندسي شيمي و پترو شيمي، بسياري از فرايندها همانند نمک زدايي، خشک کردن، تبخير کردن، کريستاليزاسيون، اختلاط، رزين هاي تعويض يوني، رطوبت زدايي، جذب سطحي و غيره در ارتباط مستقيم با آب هستند.
● مطلوب ترين آب براي هر صنعتي آب بدون يون مي باشد، اما هزينه تصفيه آب تا رسيدن به مرحله آب بدون يون بسيار زياد است. براي هر صنعتي مطلوب ترين آب آن است که هزينه تصفيه آب کمتر از مخارج درمان عواقب زيان بخش ناخا لصي ها باشد که براي اکثر صنايع، رسيدن به اين امر با تکيه بر استفاده از سيستم اسمز معکوس RO يا (Reverse Osmosis ) امکان پذير مي باشد. برخي اثرات زيان بخش ناخالصي هاي آب در صنعت:
1- توليد رسوب در دستگاه هاي حرارتي و ديگ بخار.
2- توليد بخار با کيفيت پايين.
3- خوردگي بويلرها و ديکر سيستم هاي حرارتي و لوله ها.
4- اتلاف مواد شيميايي مانند صابون.
5- باقي گذاردن لکه روي محصولات غذايي و نساجي. ناخالصي هاي آب: تقريبا هر ماده اي در آب محلول است و اين حلاليت به دما، فشار، PH ، پتانسيل شيميايي و به غلظت نسبي ديگر مواد در آب بستگي دارد. در طبيعت اين عوامل چنان به هم مربوط هستندکه کمتر مي توان حلاليت ماده اي را در آب به طور دقيق پيش بيني کرد. در واقع آب يکي از مشهورترين حلال هاست. مخصوصا مواد قطبي( مثل نمک ها ) به مقدار زيادي در آب حل مي شوند. از اين رو آب به طور خالص در طبيعت وجود ندارد. آب هميشه در حال انحلال ، انتقال و يا رسوب گذاري است. بخار آب موجود در هوا، در اثر ميعان به صورت باران در مي آيد که در موقع باريدن مقداري گردو خاک، اکسيژن، دي اکسيد کربن و ديگر گازها را در خود حل مي کند. در روي سطح زمين، آب مقداري از مواد معدني را در خود حل کرده و همراه مواد ديگر به نقاط مختلف منتقل مي کند. آب در هنگام نفوذ در لايه هاي مختلف زمين، قسمتي از مواد معلق و ميکروبها را در در لايه هاي مختلف زمين از دست مي دهد.
● ناخالصي هاي آب را مي توان به چهار دسته تقسيم کرد:
1- مواد معلق
2- گازها
3- نمکهاي محلول
4- ميکروب ها خصوصا اشريشيا کليفرم (کليفرم روده اي) ( E.coli coliform )
تکنولوژي هاي غشايي
فرآيندهاي غشايي از روشهاي نوين جداسازي هستند که بدون استفاده از تغيير فاز،اجزاء مورد نظر را از سيال جدا مي نمايند.عدم تغيير فاز در طول فرايند جداسازي موجب مي شود که جداسازي با صرف انرژي کمتري صورت گيرد. دو خصوصيت اصلي غشاها يعني توانايي قابل توجه در انجام انواع جداسازي ها و حداقل مصرف انرژي، عوامل گسترش روزافزون فرايندهاي غشايي مي باشند. غشاها کاربرد هاي فراواني در زمينه هاي مختلف علمي و صنعتي دارند که از جمله مي توان به شيرين کردن آب دريا، دياليز خون، تصفيه آب نظير آب رودخانه، چشمه و چاه، تصفيه پساب هاي خانگي، تصفيه انواع پساب هاي صنعتي مانند تصفيه پساب صنايع نساجي، کاغذ سازي، چرم سازي، الکل سازي، تغليظ شير در کارخانجات پنير سازي، تغليظ آب ميوه، جداسازس ميکروارگانيسمها،استريل کردن مايعات، جداسازي پروتئين ها از آب پنير، جداسازي گازهاي ترش از گاز طبيعي، جداسازي اکسيژن و نيتروژن از هوا، جداسازي اتيلن از گازهاي خروجي واحد توليد پلي اتيلن، بهينه سازي محيط زيست، صنايع داروسازي و بيوتکنولوژي اشاره نمود. با توجه به اهميت روزافزون آشنايي با فرآيندهاي غشايي به بررسي و شناخت غشاهاي اسمز معکوس مي پردازيم.
فرآيند اسمز معکوس
سيستمهاي *****اسيون غشايي با جريان متقابل از قبيل اسمز معکوس، نانو*****اسيون و اولترا*****اسيون انتخابات مناسبي جهت جايگزيني با *****اسيونهاي سنتي و تيمارهاي شيميايي مي باشند. با اين وجود جهت دستيابي به بهترين عملکرد اين سيستمها، توجهات دقيقي بايد در مورد شرايط آب ورودي به اين سيستمها مبذول داشت. بنابراين بايد در مورد ويژگي آب ورودي به سيستم از اطلاعات کافي برخوردار باشيم. ويزگيهاي انواع آبها جهت استفاده از دستگاههاي اسمز معکوس براي تصفيه آب ابتدا بايد خصوصيات آبهاي گوناگون و ناخالصي هاي موجود را شناسايي و مطالعه نمود، لذا در ذيل به ذکر ويزگيهاي انواع آب مي پردازيم:
الف- ويژگي آبهاي زيرزميني
• مواد معلق در آنها کم است.
• معمولا مواد آلي بسيار کم دارند.
• ممکن است داراي ذرات شن باشند.
• اين آبها حاوي آهن محلول و گاهي هم منگنز محلول هستند که وقتي آب در معرض اتمسفر قرار مي گيرد در اثر اکسيد شدن توسط هوا، ذرات زرد- قهوه اي درآنها ظاهر مي شود.
• دي اکسيد کربن ممکن است در اين آبها زياد باشد و PH اين آبها معمولا 9/7 – 9/6 مي باشد. • آب چاههاي خيلي عميق معمولا عاري از ميکوبها و ديگر ميکروارگانيسمها مي باشد ولي آب چاههاي کم عمق معمولا آلوده به ميکروارگانيسمها هستند.
• به خاطر انحلال جزئي مواد معدني، معمولا اين آبها داراي املاح زياد مي باشند حدود ppm 500 که بيشترين جزء آن بي کربنات کلسيم است.
• اين آبها معمولا سخت هستند ولي سختي آنها موقتي است( سوافات و نيترات کلسيم و منيزيم.( ب- ويژگي آبهاي سطحي:
1- زلال نيستند. 2
-2- PH اين آبها حدود 8-7 است.
3- مواد عالي موجود در اين آبها در نقات مختلف متفاوت است.ممکن است حاوي دترجنت ها، نفت، روغن و فلزات سنگين باشند.
4- معمولا آلوده به ميکروارگانيسمها هستند.
5- مقدار آمونياک، فنل و نيترات اين آبها ممکن است زياد باشد.
6- اگر آبهاي سطحي از آبهاي کشاورزي ناشي شوند، معمولا داراي نيترات و فسفات قابل توجهي هستند، بويژه در مناطقي که از کودهاي شيميايي استفاده مي شود.
ج- ويژگي آبهاي شور:
1- مقدار املاح اين آبها بسيار زياد و معمولا بيشتر از ppm 1000 مي باشد.
2- غلظت يون کلر و سديم اين آبها بسيار زياد و معمولا بيش از ppm 500 است. پيش تصفیه آب ورودي به سيستم مي تواند عمر غشاء را طولاني تر ساخته،کيفيت آب توليدي را بهبود بخشد و هزينه هاي نگهداري و پاکسازي سيستم را کاهش دهد. اهميت شرايط آب ورودي زماني آشکار مي شود که شما کارکرد غشاء با جريان متقابل را مورد آزمايش قرار دهيد. به زبان ساده، سيستمهاي *****اسيون جريان متقابل، جريان درون ريز را به دو جريان برون ريز يعني Permeate و Concentrate تقسيم و جداسازي مي کند. Permeate آن قسمت از جريان است که از غشاء نيمه تراوا عبور مي کند. جريان Concentrate (تلغيظ شده ) دربرگيرنده آن اجزايي است که توسط غشاء پس زده شده است. اساسي ترين مزيت *****اسيون جريان متقابل، قابليت آن براي کارکرد پيوسته و مداوم با سيستم پاکسازي خودبه خود است.
اساس كار اسمز معكوس:
اگر يك غشا نيمه تراوا بين دو محلول با غلظتهاي متفاوت قرار گيرد، مقداري از حلال از يك طرف غشا به طرف ديگر منتقل مي شود. جهت طبيعي حركت حلال به گونه اي است كه محلول غليظ تر رقيق مي شود، سپس آب خالص از غشا عبور كرده و وارد آب شور مي شود. اگر به سيستم اجازه رسيدن به تعادل داده شود، در ان صورت سطح اب نمك آن ( محلول غليظ تر ) از سطح آب خالص بالاتر خواهد رفت. اين اختلاف سطح را در دو طرف غشا فشار اسمزي مي گويند. در اسمز معكوس، آب خام ( تصفيه شده ) توسط پمپ به داخل محفظه اي كه داراي غشا نيمه تراوا مي باشد، رانده مي شود و چون ناخالصي ها قادر به عبور از غشا نيستند از اينرو در يك طرف غشا، آب تقريبا خالص و در طرف ديگر ان آب تغليظ شده از ناخالصي ها وجود خواهد داشت اين فرآيند براي تهيه اب اشاميدني از ابهايي كه حاوي املاح معدني زيلد و ناخالصي هاي آلي مي باشند، بسيار مناسب بوده و حتي قادر است از آب دريا با ( ppm 5000 TDS ) و نيز از ابهاي شور، آب آشاميدني تهيه كند. روش اسمز معکوس قادر به جداسازي مواد غير آلي حل شده، مواد آلي حل شده، آلاينده هاي ميکروبيولوژيکي از قبيل اندوتوکسين ها، ويروس ها، باکتري ها و ذرات مي باشد. به دليل اين طيف وسيع جداسازي روش اسمز معکوس يک فرآيند مهم در زمينه تيمارهاي آب است. اين روش به هايپر*****اسين ( Hyper filtration ) نيز معروف مي باشد، بدين ترتيب که با استفاده از اين روش ذراتي به کوچکي يونها را نيز مي توان جدا کرد. جهت زدودن نمکها و ساير ناخالصي هاي آب و بهبود رنگ، طعم و مزه مي توان از اين روش بهره گرفت. لازم به ذکر است که بيش از يک قن است که اين تکنولوژي شناخته شده است ولي تا شصت سال اخير يعني تا زماني که غشاء هاي خاص توسعه نيافته بودند، اين تکنولوژي گسترش چنداني پيدا نکرده بود. تکنولوژي اسمز معکوس به وفور در صنايع غذايي، توليد آب ميوه ها، صنايع برق، قدرت، ميکروالکترونيک، داروسازي و غيره مورد استفاده قرار مي گيرد. همچنين اين تکنولوؤي در دفع باکتري ها، پيروژن ها و آلودگي هاي آلي بسيارموثر است. همانگونه که ذکر شد روش اسمز معکوس به عنوان Hyper filtration نيز ناميده مي شود که دقيق ترين و ريز ترين سيستم *****اسيون شناخته شده مي باشد. اين تکنولوژي از انتقال ذراتي به کوچکي يونهاي منفرد حل شده در محلول نيز جلوگيري مي کند.سيستم اسمز معکوس قادر به جداسازي باکتريها، نمکها، قندها،پروتئين ها، ذرات، رنگ ها و ساير موادي است که داراي وزن مولکولي بيش از 250-150 دالتون باشند، لازم به ذکر است که جداسازي يون ها با اسمز معکوس به کمک ذرات باردار انجام مي شود. اين مطلب بدين معني است که يونهاي حل شده که داراي بار مي باشند مانند نمک ها، احتمال آن که توسط غشاء پس زده شوند نسبت به آنهايي که داراي بار نمي باشند مانند مواد آلي بسيار بيشتر است. به علت آن که سيستم اسمز معکوس در مقايسه با ساير روشها در درجه حرارت پايين تر و با انرژي مقرون به صرفه اي کار مي کند،کاربرد هاي فراواني مانند نمک زدايي، تيمار پسابها، بازيافت املاح معدني، تغليظ آب پنير و ساير محصولات غذايي و مهمتر از همه در خالص سازي آب دارد. در سالهاي اخير سيستم اسمز معکوس به ميزان فراوان در فرآوري آب مورد نياز جهت دياليز در بيمارستانها و جهت کارخانجات توليدي دارويي و بهداشتي مورد استفاده قرار گرفته است. علاوه بر اين، روش اسمز معکوس قادر به توليد آبي خالص جهت استفاده در تزريق( EFI )( Water For Injection ) و براي آماده سازي محلولهاي پراگوارشي و پراروده اي است.
محاسن سيستم RO
• سيستم پيوسته و مداوم ( Continues ) 24 ساعت در شبانه روز
• قابليت دريافت ورودي با) TDS کل مواد جامد محلول) بالا ( Total Dissolved Solid )
• ميزان بازدهي بالا در کل سيستم
• نرخ بالاي بازيافت آبهاي آلوده تا 98% منابع ورودي بر اساس ميزلن املاح و ناخالصي هاي موجود
• مصرف انرژي پايين
• نياز به حداقل شستشو
• جلوگيري از عبور سليکا تا 90%
• سادگي فرآيند تنها فاکتور پيچيده, کنترل آب ورودي به سيستم جهت به حداقل رساندن احتياجات مداوم جهت پاکسازي غشاء ها مي باشد.
• ظرفيتهاي توليد متعدد
• پايين بودن هزينه نگهداري سيستم
• عدم بکار گرفتن مواد زيان بخش براي انسان در اين سيستم
• مصرف پايين انرژي در سيستم
• استفاده از حداقل مواد شيميايي در سيستم اسمز معکوس
• از بين بردن تمامي آلاينده ها از قبيل آلاينده هاي آلي، غير آلي و ميکروبي
• امکان استفاده از منابع نامتناهي و قابل اطمينان يعني آب درياها در اين سيستم
• عدم تحميل هر گونه آثار منفي به محيط زيست
• پايين بودن هزينه نصب و راه اندازي سيستم
• قابليت جداسازي آلاينده هايي که به آب رنگ، مزه و بوي نامطلوبي مي دهند از قبيل طعم هاي قليايي و نمکي که بوسيله کلريدها و سولفات ها ايجاد مي گردند.
• قابليت جداسازي پاتوژن فوق العاده خطرناک به نام Cryptosponolium که باعث ايجاد بيماري مهلک و خطرناک ميشود.
• توليد خالص تري آب که آب توليدي توسط اين سيستم مورد تاييد NASA قرار گرفته و کاملا با استانداردهاي جهاني مطابقت دارد. خاصيت بسيار عالي حلاليت آن، متابوليسم را در بدن بهبود مي بخشد و اين امر باعث مي شود که ايمني بدن در مقابل عفونت ها افزايش يافته و باعث دفع سموم و ويروس ها گردد. لازم به ذکر استکه نوشيدن آب حاصل از سيستم اسمز معکوس به مدت طولاني به بهبود کارکرد سيستم هاي بدن و سلامتي کمک شاياني مي کند.
• قابليت جداسازي سمي تري عناصر و مواد مضر براي سلامتي انسان از قبيل کادميوم، سرب، سيانيد، ارسنيک و فنل توسط اين سيستم.
