خالص سازی آب به روش اسمز معکوس:
اسمز معکوس یکی از روش های کارآمد و موثر در تهیه آب های خالص آزمایشگاهی است و در این مطلب به شرح و بررسی جزئیات این فرآیند و عوامل موثر بر کیفیت عملکرد آن خواهیم پرداخت. اسمز معکوس فرآیندی فیزیکی است که توسط آن می توان از محلول (حلال + ناخالصی) به کمک یک غشا نیمه تراوا، حلال تقریبا خالص تهیه کرد. به عنوان مثال به کمک این روش می توان از آب شور، آب آشامیدنی مطلوب و با افزودن فرآیندها و مراحل پیش تصفیه، آب خالص آزمایشگاهی تهیه کرد. اسمز معکوس می تواند ۹۹ ٪ مواد معدنی حل شده، ۹۷ ٪ مواد آلی و کلوییدی آب را حذف کند.

اساس کار اسمز معکوس

خالص سازی آب به روش اسمز معکوس

اگر یک غشا نیمه تراوا بین دو محلول با غلظت های متفاوت قرار گیرد، مقداری از حلال از  یک طرف غشا به طرف دیگر منتقل می شود. جهت حرکت حلال به گونه ای است که محلول غلیظ تر را رقیق نماید،  که این پدیده را اسمز می نامند. آب خالص از غشاء عبور کرده و وارد آب شور می شود. اگر به سیستم اجازه داده شود تا به تعادل برسد در آن صورت سطح آب نمک بالاتر از سطح آب مقطر خواهد شد. این اختلاف سطح در دو طرف غشاء را فشار اسمزی گویند. فشار اسمزی به غلظت و نوع ناخالصی و نیز دما بستگی دارد.

برای محلول های رقیق فشار اسمزی همانند فشار در گازهای ایده آل عمل می کند بطوریکه می توان نوشت:

[ πv = nRT ] که در آن _ π فشار اسمزی، v حجم مولی حلال، n تعداد مول های ناخالصی (حل شونده)، Rثابت گازها و T دمای مطلق است.

فشار اسمزی محلول ها در حالت کلی از رابطه [ πv = ΦnRT ]  پیروی می کند که در آن Φ ضریب فشار اسمزی است.

برای بسیاری از محلول ها Φ کمتر از یک است. فشار اسمزی را نیز از رابطه [ π = ۱٫۱۹ ( T + 273 ) ΣMمی توان تخمین زد که در آن Mi غلظت مولی (مول بر لیتر) هر یک از یون ها و T دمای آب برحسب درجه سانتیگراد است. طبق یک قاعده سرانگشتی به ازاء هر  ۱۰۰ppm  ناخالصی ( TDS ) فشار اسمزی به اندازه یک واحد Psi افزایش می یابد. به عنوان مثال برای محلول  ۳۵۰۰ppm نمک طعام درآب فشار اسمزی  ۳۹۸Psi و برای محلول ۱۰۰ppm  ناخالصی فشار اسمزی برابر ۱۱٫۴Psi می باشد.

اگر به محتوی آب شور، فشاری برابر با ΔP وارد کنیم جهت جریان آب می تواند به صورت های زیر باشد:

ΔP<Δπ جهت جریان آب فرق نمی کند. ولی برای رسیدن به تعادل مقدار کمتری آب خالص وارد محفظه آب شور خواهد شد.

ΔP=Δπ جریان خالصی وجود ندارد.

ΔP>Δπ آب از قسمت شور وارد محفظه آب خالص خواهد شد.

واضح است که حالت ایده آل در فرآیند تصفیه آب، تهیه آب شیرین از آب شور است (یعنی حالت سوم) بنابراین با اعمال فشار مکانیکی به آب شور، مولکول های آب را از مولکول های نمک جدا می کنیم. این فرآیند را اسمز معکوس می گویند. اسمز معکوس گاهی شبیه به فیلتراسیون است چون هر دو فرآیند ناخالصی ها را از آب جدا می کنند. از این رو گاهی به اسمز معکوس، هایپرفیلتراسیون می گویند. اما باید توجه داشت که در فیلتراسیون فشار اسمزی خیلی کم است و اصولا نقشی ندارد.

در فیلتراسیون اندازه ذرات مهم است ولی در اسمز معکوس علاوه بر اندازه ذرات، فاکتورهای دیگری هم مطرح است. هر چه اندازه مولکول های ناخالصی درشت تر و درجه یونیزاسیون مولکول ناخالصی کمتر باشد، فشار اسمزی محلول کمتر است. اما هر چه غلظت مولکول های ناخالصی بیشتر باشد فشار اسمزی هم بیشتر است. دما باعث افزایش فشار اسمزی می شود، ولی در همان حال موجب کاهش ویسکوزیته محلول می شود.

خالص سازی آب به روش اسمز معکوس

غشای اسمز معکوس

عبور جریان حلال از غشا بستگی به مساحت غشا و ضریب تراوایی آن دارد. از این رو تکنولوژی ساخت غشا از دو جنبه پیشرفت کرده است:

الف. قراردادن مساحت بیشتری از صفحات غشاء در حجم کمتر: برای افزایش مساحت غشا چند روش معمول وجود دارد از جمله استفاده از لوله های بسیار باریک از جنس غشا (حدود میلیمتر)، استفاده از صفحات متعدد و نیز صفحات حلزونی شکل لوله شده.

ب. استفاده از غشاهای کاربردی تر: غشا اسمز معکوس را نیمه تراوا می نامند چون غشاء همچون یک فیلتر عمل می کند به گونه ای که مولکول های حلال از آن عبور کرده ولی مولکول های ناخالصی قادر به عبور از غشا نیستند. بنابراین غشاء برای مولکول های حلال تراوا و برای مولکول های ناخالصی ناتراوا می باشد. غشا را معمولا از استات سلولز، پلی آمید، پلی فنیل اکسید و غیره تهیه می کنند. غشا مناسب برای اسمز معکوس باید ویژگی های خاصی داشته باشد. مثلا در برابر حمله مواد شیمیایی یا بیولوژیکی مقاوم بوده و قدرت تحمل فشار اعمال شده را داشته باشد و از همه مهمتر در برابر تغییرات pH مقاوم باشد.

می توان گفت مشکل سازترین قسمت یک دستگاه اسمز معکوس، غشاء آن می باشد و از این رو ضروری است که آب ورودی به دستگاه اسمز معکوس فارغ از جنس غشا، قبلا تصفیه مقدماتی شده باشد. علاوه بر تصفیه مقدماتی لازم برای هر نوع اسمز معکوس، برای جلوگیری از آلودگی غشا، گاهی تصفیه مقدماتی ویژه برای نوع بخصوصی از غشا نیز لازم می شود. بعنوان مثال حذف کلر از آب ورودی به اسمز معکوس با غشا پلی آمیدی و نیز تنظیم pH آب ورودی برای جلوگیری از هیدرولیز غشاهایی از جنس استات سلولز ضروری می باشد.

آلودگی غشا

آلودگی غشا پدیده پیچیده ای است که مطالعات زیادی در مورد آن انجام شده است و عوامل زیادی می توانند باعث آن شوند. از جمله این عوامل عبارتند از:

الف. رسوب گرفتگی غشا: رسوب گرفتگی ناشی از به اشباع رسیدن بعضی از نمک های محلول در آب ورودی به دستگاه اسمز معکوس است. چون نمک های محلول در اینجا معمولا دو تا چهار برابر غلیظ تر می شوند. بنابراین پس از به اشباع رسیدن، این نمک ها شروع به ته نشین شدن روی غشا می کنند. مهمترین جزء در رسوب تشکیل شده بر سطح غشا معمولا کربنات کلسیم می باشد. با بکار بردن روش هایی مثل کاهش سختی آب ورودی با آهک زنی یا استفاده از رزین های سدیمی و روش های پیش تصفیه و یا با افزایش دبی جریان آب ورودی و کاهش دبی آب تصفیه شده می توان از بروز این مشکل جلوگیری کرد.

ب. آلودگی ناشی از اکسیداسیون روی غشا: کاتیون های منگنز و آهن معمولا به راحتی با اکسیژن محلول در آب یا هوا اکسید شده و به صورت املاح نامحلول باعث آلودگی غشا می شوند. البته لازم به ذکر است که اکسیداسیون آهن بسیار شایع تر است. در واقع آلودگی آهن همان اکسید شدن یون های +Fe2 به +Fe3 است که به صورت هیدروکسید آهن ( III )، روی غشا می نشیند. برای جلوگیری از این مشکل یا باید آهن را از آب ورودی به اسمز معکوس حذف کرد و یا آن که از اکسیداسیون +Fe2 به +Fe3 ممانعت کرد.

معمولا اگر غلظت آهن تا ۴ppm باشد و آب کمتر از ۰٫۰۱ppm اکسیژن محلول داشته باشد، آن گاه مسئله جدی پیش نخواهد آمد. اگر غلظت اکسیژن بیش از ۵ppm  باشد، آن گاه غلظت آهن باید زیر ۰٫۰۵ppm باشد. کاهش pH آب ورودی نیز می تواند به محلول نگهداشتن یون آهن کمک کند. برای شستشوی آلودگی ناشی از اکسیداسیون روی غشا می توان از اسید سیتریکی که با هیدروکسید آمونیوم ( NH۴OH )به pH حدود چهار رسیده باشد، استفاده کرد.

علاوه بر دو مورد فوق مشکلات دیگری هم وجود دارد. از جمله آلودگی ناشی از رشد مواد بیولوژیکی بر روی غشاء یا جمع شدن مواد کلوییدی روی آن. در مورد مواد کلوییدی یا باید با فیلتراسیون مواد کلوییدی را حذف کرده و یا آن که باید به آب ورودی مواد منعقد کننده افزود. در حالت اخیر باید به آب قبل از ورود به دستگاه اسمز معکوس فرصت کافی داد تا ذرات رشد یافته ته نشین شوند.

برای جلوگیری از رشد مواد بیولوژیکی، روش ساده این است که هر روز یکبار به مدت ۳۰ – ۲۰ دقیقه حدود ۵۰۰ ppm سولفوریت سدیم به آب ورودی تزریق شود تا باعث نامساعد شدن محیط برای رشد مواد بیولوژیکی گردد. برای جلوگیری از آلودگی غشا استفاده از فرمالدئید (فرمالدهید) نیز توصیه می شود.

جهت آشنایی بیشتر در خصوص پارامتر ها، واحدها و نحوه گزارش دهی مقادیر در نمونه های مختلف آب می تواید به مطلب مفاهیم کلی در گزارش آنالیز آب مراجعه نمایید. 

عمر غشا
عمر مفید غشا اسمز معکوس، چه از جنس استات سلولز و چه از جنس پلی آمید برای تصفیه آب هایی تا
TDS= ۵۰۰۰ ppm (آب نیمه شور) در شرایط عادی کمتر از سه سال نیست.

انرژی مورد نیاز
برای پمپاژ آب ورودی به دستگاه اسمز معکوس احتیاج به انرژی است که قدرت پمپ دستگاه مستقیما به فشار اسمز آب ورودی بستگی دارد. بنابراین هرچه املاح و ناخالصی های آب ورودی کمتر باشد، انرژی کمتری مورد نیاز است. انرژی مورد نیاز در فرآیند اسمزمعکوس بطور قابل توجهی کمتر از روش تقطیر است.

مهندس مجید حدادی
مشاور معتبر سازی

انتشار و کپی تمام یا بخشی از مطالب این نشریه تنها با ذکر منبع مجاز است.

ارسال پاسخ

Please enter your comment!
Please enter your name here