آشنایی با مبانی فرایند اسمز معکوس

اسمز معکوس

آشنایی با مبانی فرایند اسمز معکوس

آشنایی با مبانی فرایند اسمز معکوس

به طور کلی فرآیند­های معمول تصفیه آب برای تبدیل آبهای سطحی یا زیرزمینی به آب آشامیدنی مناسب می­باشند، با این حال در برخی مواقع منابع آب حاوی موادی هستند که توسط این فرآیندها قابل تصفیه نیستند. به عنوان مثال آبهای زیرزمینی دارای جامدات محلول اضافی بوده و نیز در برخی شرایط آبهای سطحی حاوی ترکیبات آلی ناشی از پسابهای شهری یا صنعتی و یا مواد آلی طبیعی نظیر اسید هیومیک و اسید فولویک و یا محصولات حاصل از فعالیتهای جلبکی می­ باشند. جهت حذف این آلاینده­ ها و نیز تصفیه آب به منظور استفاده در مصارف ویژه، از تکنولوژیهای پیشرفته تصفیه استفاده می­گردد. 

روشهای تصفیه پیشرفته معطوف به متدهایی هستند که از آب طبیعی یا فاضلابهای پیش تصفیه شده، آب خالصیا فوق خالص تولید می­کنند که در پزشکی، صنایع غذایی، صنایع شیمیایی و سلولزی، تولید نیروی محرکه بخار و دیگر زمینه­ های صنعتی موارد مصرف دارند.
از اصلی ترین روشهای تصفیه پیشرفته آب می­توان به بسترهای تبادل یونی، تقطیر یا تبخیر، اسمز معکوس ، الکترو دیالیز، اولترافیلتراسیون اشاره نمود که به سه روش آخر اصطلاحاً روشهای غشایی اطلاق می­گردد.

فرآیندهای غشایی – اسمز معکوس – از روشهای نوین جداسازی هستند که بدون استفاده از تغییر فاز، اجزاء مورد نظر را از سیال جدا می­نمایند. عدم تغییر فاز در طول فرایند جداسازی موجب می­شود تا عملیات جداسازی با صرف انرژی کمتری صورت پذیرد. امروزه فرایندهای غشایی در تمامی شاخه­ها از جمله تصفیه آب، تصفیه انواع پسابهای خانگی و صنعتی،  پزشکی، پتروشیمی، داروسازی، صنایع غذائی، بیوتکنولوژی و … بکار گرفته شده و راندمان بالایی را از خود نشان داده اند.

 مروری بر فیلتراسیون غشائی

  فیلتراسیون غشائی از انواع فیلتراسیون مکانیکی است که فرایند غالب حذف در آن، صاف­سازی مکانیکی بر پایه اندازه قطر مواد می باشد. بطور خلاصه جریان ورودی در این فیلترها به دو بخش اصلی جریان خروجی تصفیه شده و پساب تغلیظ شده تفکیک می گردد.

اسمز معکوس

علیرغم وجود معیارهای مختلف جهت تقسیم بندی غشاها از جمله نحوه ساخت، استقرار، جنس و نیروی محرک جریان، عمده ترین تقسیم بندی در فیلترهای غشائی مطابق با جدول ارائه شده، بر اساس فشار عملکرد و قطر منافذ غشاها می باشد.

اسمز معکوس

مبانی فرایند اسمز معکوس

اسمز معکوس از جمله شیوه هایی است که امروزه بطور گسترده در شیرین سازی آب دریا، جداسازی مواد آلی و سمی از پسابهای صنعتی بکار برده می­شود. بطور کلی این روش بر پایه انتقال جرم حلال با استفاده از غشای نیمه تراوا و نیز فشار هیدرواستاتیک استوار است. جهت آشنایی با فرایند اسمز معکوس، شناخت پدیده اسمز از اهمیت بالایی برخوردار است.
اُسمز پدیده‌ای است که به طور طبیعی در فرآیندهای بیولوژیکی متفاوت رخ می‌دهد. دیواره‌های سلول، اجازه عبور مواد غذایی و بازمانده محصولات را داده، در حالیکه سایر مواد را از خود دفع می‌کنند. در این حالت، دیواره‌های سلول به عنوان یک غشای نیمه تراوا عمل می­کند.

در رابطه با غشاء نیمه تراوای مورد استفاده در اسمز معکوس ، آب در رقابت با نمک، 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.

چنانچه یک محلول آب نمک در یک ظرف ریخته شود و توسط غشای نیمه تراوا 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 آب نمک جریان خواهد یافت. در نتیجه ارتفاع آب ظرف در سمت آب نمک افزایش یافته در حالی که در بخش آب خالص ارتفاع آب کاهش پیدا می‌کند. این عبور جریان از سمت خالص به طرف محلول آب نمک اُسمز نامیده می‌شود (شکل a . 1). اختلاف ارتفاع مایع بین آب خالص و آب نمک، موجب اختلاف فشار خالص در دو طرف غشا می‌شود. این اختلاف فشار، فشار اُسمزی محلول آب نمک نامیده شده که تابعی از خصوصیات نمکها و غلظت آنها می­باشد.

در اصطلاح فیزیک، آب موجب رقیق شدن آب نمک می‌شود و این به معنای افزایش آنتروپی سیستم است. بر طبق قانون آنتروپی، هر فرآیندی که به طور خود به خود در طبیعت اتفاق افتد، موجب افزایش بی‌نظمی می‌شود، مگر آنکه انرژی صرف شود تا از جهات مختلف جلوی انجام فرآیند گرفته شود.

چنانچه با اعمال فشار فیزیکی یا افزایش ارتفاع محلول آب نمک، تعادل بین آب خالص و آب نمک به هم خورد، آب خالص از طریق غشا از قسمت آب نمک به قسمت آب خالص نفوذ می‌کند و نفوذ تا زمانی ادامه می‌یابد که تعادل مجدداً برقرار شود، به طوری که فشار اُسمزی محلول آب نمک با فشار محلول آب نمک بر روی غشای نیمه تراوا برابر شود که این نیز بستگی به فشار آب خالص برروی غشا دارد. به عنوان مثال، اگر مقداری آب نمک به ظرف محتوی آن اضافه شود، مقداری آب از غشا عبور خواهد کرد. اگر غلظت آب نمک اضافه شده با غلظت آب نمک اولیه برابر باشد، آب تا زمانی از غشا عبور خواهد کرد که اختلاف ارتفاع بین دو طرف به اختلاف ارتفاع اولیه برسد. (شکل  b . 1)

اعمال فشار به قسمت آب نمک می‌تواند توسط یک پمپ صورت گیرد. در این حالت، پمپ نیروی مورد نیاز جهت راندن مولکولهای آب از میان غشا را تأمین می‌کند. عبور جریان آب از بخش آب نمک به بخش آب خالص، اُسمز معکوس نامیده می‌شود.

 

اسمز معکوس

نرخ نفوذ آب از غشا توسط رابطه‌ زیر بیان می‌شود.
(فشار اسمزی – فشار غشا) KT = شار نفوذ
در این رابطه:

– 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 (برحسب Psid): اختلاف فشار بین دو طرف غشا (به عنوان مثال اختلاف فشار ناشی از وجود اختلاف ارتفاع)
–  فشار اُسمزی (برحسب Psid ): اختلاف فشار اُسمزی سیال در دو طرف غشا (وقتی که غلظت ماده محلول در سمت آب خالص غشا ناچیز باشد، فقط فشار اُسمزی محلول در بخش غلیظ در نظر گرفته می‌شود)
تمام آب موجود در محلول آب نمک قادر به عبور از غشا نیست. همچنان که آب از محلول آب نمک خارج می‌شود، محلول غلیظتر می­گردد و برای غلبه بر افزایش فشار اُسمزی آن نیاز به افزایش فشار هیدرولیکی خواهد بود. به عبارت دیگر، عبور جریان آب زمانی متوقف خواهد شد که فشار اعمال شده، برابر با فشار اُسمزی محلول غلیظ گردد.

اسمز معکوس تنها قادر به تقسیم جریان خوراک به دو جریان آب خالص و جریان غلیظ یا آب نمک
می­باشد. به جریان غلیظتر، آب شور و یا دور ریز گفته می‌شود. معمولاً مقدار جریان دورریز، توسط حلالیت نمکها و یا فشار اُسمزی جریان غلیظ تعیین می‌شود.

اگر چه برای غشا نیمه تراوای مورد استفاده در فرایند اسمز معکوس عبور آب برتری دارد، اما مقدار مشخصی از نمکهای محلول نیز از غشا عبور خواهند کرد. میزان نفوذ نمکها متناسب با شیب غلظت در دو طرف غشا خواهد بود. (بدین معنی که اختلاف غلظت بین قسمت خوراک و سمت جریان محصول غشا چقدر باشد).

(غلظت نمک در ماده محصول- غلظت نمک در ماده محلول (خوراک) × K   = جریان نمک
به طوری که:
– K ، ضریب ثابتی است که با توجه به نوع غشا و ضخامت آن تعیین می­شود.
– غلظت نمک یا نمکها در جریان خوراک و محصول برحسب ppm   می­باشد.
مفهوم دو عبارت آخر در این است که میزان عبور نمک از غشا تابعی از فشار نیست، بلکه در حقیقت، تابعی از دبی آب است. بنابراین، اگر فشار بیشتری در قسمت آب غلیظ شده به آن وارد شود، نتیجه آن، اثری در غلظت نمک در بخش آب خالص نخواهد داشت.

به اشتراک گذاری این مطلب