اسمز معکوس، فرایند انتقال جرم میان دو محلول با غلظتهای مختلف و از غلظت کمتر به غلظت بیشتر با اعمال فشار از طریق غشای نیمه تراوا است. اسمز معکوس در جهت عکس فرایند اسمز طبیعی یا مستقیم بوده که به صورت طبیعی و بدون اعمال فشار انجام می شود.

فهم فرایند فیزیکی اسمز معکوس(Reverse Osmosis)، نیازمند درک پدید اسمز طبیعی یا اسمز مستقیم(Forward Osmosis) است. اسمز طبیعی، حرکت طبیعی و خود به خودی مولکول های حلال از طریق یک غشای نفوذپذیر نیمه تراوا به محلول با غلظت حلال کمتر است. این حرکت در جهتی انجام می شود که تمایل به مساوی کردن غلظت حلال در دو محلول طرفین غشا را دارد. پدیده اسمز ممكن است براي توصيف يك فرايند فيزيكي مورد استفاده قرار گيرد كه در آن هر حلال از يك غشاي نفوذپذير و نیمه تراوا( که تنها براي حلال قابل نفوذ است و نه ذرات محلول) از دو محلول با غلظت هاي مختلف جدا مي شود.

پدیده اسمز چیست؟

پدید اسمز با تشریح یک آزمایش ساده به راحتی قابل درک است. یک ظرف را تصور کنید که توسط غشای نفوذ پذیری همانند غشای سلولی در حیوانات، به دو بخش تقسیم شده و این غشا در برابر آب قابل نفوذ و در برابر شکر قابل نفوذ نیست. تصور کنید که قند که با دایره های قرمز نشان داده می شود، به دو طرف غشا به صورت نابرابر افزوده شود. همانطور که در شکل دیده می شود، تعداد دایره های قرمز قند در طرف A از طرف B بیشتر است.

طبیعت همیشه به دنبال حالت تعادل است. در حالی که دایره های قرمز قند در دو طرف غشا متعادل نیستند. ساده ترین راه حل برای مسئله عدم تعادل این است که قند از طریق غشاء حرکت کند تا نیمی از مولکول های قند در سمت B و نیمی از آن در سمت A قرار گیرند. غشای جدا کننده دو طرف ظرف اجازه عبور قند را نمی دهد. ولی مولکول های آب می توانند از یک طرف به طرف دیگر منتقل شوند و غلظت آب و قند را در دو طرف غشا تغییر دهد. آب از طریق غشاء از سمت B به سمت A عبور کرده تا زمانی که غلظت املاح هر دو طرف یکسان شود. انتقال آب سبب می شود که حجم محلول در سمت B کاهش و حجم بخش A افزایش یابد. تساوی غلظت قند در طرفین غشا، پایان نرخ خالص انتقال آب از طریق غشا است.

حرکت طبیعی و خودبخودی آب از سمت B که غلظت آب بیشتر بوده به طرف A که غلظت آب کمتر است را پدیده طبیعی اسمز می نامند.

فشار اسمزی چیست؟

فشار اسمزی، شاخص اندازه گیری نیروی محرکه انتقال حلال میان دو محلول از طریق غشای نفوذ پذیر است. فشار اسمزی برابر با فشار خارجی است که در صورت اعمال آن به محلول با غلظت کمتر هیچ حرکت خالصی از حلال از طریق غشاء وجود نخواهد داشت. با افزایش اختلاف غلظت میان محلولهای طرفین دو طرف غشا، نیروی محرکه حرکت سیال و فشار اسمزی افزایش پیدا می کند.

اسمز در بدن جانداران

اسمز، یک فرآیند بسیار حیاتی در پدیده های بیولوژیکی، بدن انسان و بقیه جانداران است، زیرا غشاهای بیولوژیکی نیمه تراوا و نفوذ پذیر هستند. عموماً غشاهای بیولوژیک در برابر مولکول های بزرگ و قطبی مانند یونها، پروتئینها و پلی ساکاریدها غیرقابل نفوذ هستند. ولی در برابر مولکول های غیر قطبی یا آبگریزی مانند لیپیدها و همچنین به مولکول های کوچک مانند اکسیژن، دی اکسید کربن، ازت و نیتریک نفوذ پذیر هستند. قابلیت نفوذ پذیری به عوامل متعددی نظیر حلالیت، بار الکتریکی، ترکیب شیمیایی و اندازه ذرات بستگی دارد. قابلیت عبور مولکول های آب از طریق انواع غشاها بسیار با اهمیت است. پدیده اسمز، وسیله اصلی انتقال آب به داخل سلولهای بدن یا برعکس است.

هنگامی که یک سلول در آب غوطه ور است، مولکول های آب از منطقه ای با غلظت املاح کم به غلظت املاح بالا از غشای سلولی عبور می کنند. به عنوان مثال، اگر سلول در آب نمک غرق شود، مولکولهای آب از سلول خارج می شوند. اگر سلول در آب شیرین غوطه ور شود، مولکول های آب به داخل سلول منتقل می شوند. هنگامی که غشاء از هر دو طرف دارای غلظت برابر آب باشد، جریان خالص آب از طریق غشاء وجود نخواهد داشت.

پدیده اسمز در گیاهان نیز نقش حیاتی بازی می کند. هنگامی که سلول گیاهی در محلول آبی قرار می گیرد که نسبت به سیتوپلاسم گیاه، غلظت بالاتری از آب داشته باشد، آب به داخل سلول منتقل می شود و سلول متورم می شود. جذب آب از خاک از طریق ریشه های گیاه به واسطه پدید اسمزی انجام می شود. به عنوان مثال وقتی برش های سیب زمینی در محلول نمکی بالا قرار داده شود، آب داخل سیب زمینی به سمت محلول خارج می شود. این انتقال آب سبب می شود که سیب زمینی منقبض شده و فشار تورمی را از دست دهد. هرچه محلول نمک غلیظ تر باشد، تفاوت در اندازه و وزن برش سیب زمینی بیشتر خواهد بود.

البته پدیده اسمزی ممکن است که منجر به مرگ بافتهای بیولوژیکی نیز بشود. به عنوان مثال وقتی ماهیهای آکواریومی آب شیرین و آب شور در آب با شوری متفاوت از آنچه که با آنها سازگار شده اند، قرار گیرند در فاصله زمانی کوتاهی می میرند. زیرا فشار اسمزی موجود میان بافتهای زنده و محیط درون منجر به حرکت حلال از دیواره سلولی شده و منجر به تخریب سلولی می شود.

اسمز معکوس چیست؟

معکوس نمودن حرکت طبیعی انتقال جرم میان محلولهای طرفین غشای نیمه تراوای نفوذ پذیر از سمت غلظت بالاتر به غلظت پایین تر با اعمال فشاری بیشتر از فشار اسمزی، اسمز معکوس نامیده می شود. اگر آب شور و آب خالص در دو طرف یک غشای نفوذ پذیر در یک ظرف باشند، نمکهای موجود در آب شور توانایی عبور از غشا را ندارند. ولی ملکولهای آب می تواند از یک طرف به طرف دیگر انتقال پیدا کند. آب خالص دارای غلظت بالاتری از آب نسبت به آب شور است. از اینرو مطابق فرایند طبیعی اسمز، آب از سمت آب خالص به سمت آب شور حرکت می کند. این بدان معناست که پس از مدتی حجم محلول در بخش مربوط به آب شور نسبت به حجم آب خالص بیشتر می شود. بنابراین پس از طی مدت زمانی، آب شور با غلظت پایین تر و با حجم بالاتری نسبت به آب خالص وجود خواهد داشت.

قابلیت شگفت انگیز انتقال ملکلولهای آب از طریق غشای نیمه تراوا، ایده شیرین سازی آبهای شور را مطرح نمود. در صورتیکه پیستونی به روی آب شور در ظرف مثال بالا قرار گیرد و به محلول آب شور فشار وارد کند. با افزایش فشار، نرخ انتقال ملکولهای آب از طرف آب خالص به آب شور کاهش پیدا می کند. زمانی که فشار وارده توسط پیستون برابر با فشار اسمزی محلول آب شور شود، انتقال ملکولهای آب از طریق غشای نیمه تراوا متوقف می شود. با افزایش فشار پیستون به روی محلول آب شور به مقادیر بیشتر از فشار اسمزی، جهت حرکت ملکولهای آب معکوس شده و ملکولهای آب از بخش آب شور به آب شیرین حرکت می کنند و فرایند اسمز معکوس محقق می شود. اعمال هر فشاری معادل با یک تعادل جدید میان غلظتهای دو محلول خواهد بود. با افزایش فشار، غلظت آب شور افزایش و حجم آب خالص بیشتر خواهد شد.

هم اکنون فرایند اسمز معکوس، اقتصادی ترین فرایند شیرین سازی آبهای شور در دنیا است. در این فرایند آب دریا با فشار بالا از غشای نیمه تراوا یا ممبران اسمز معکوس با هدف جداسازی نمکهای محلول از آب شور عبور داده می شود. طی این فرایند آب دریا به دو جریان آب شیرین و آب خیلی شور تقسیم می شود که آب خیلی شور مجدداً به دریا بازگردانده می شود.

ظرفیت شیرین سازی آبهای شور در دنیای امروز به بیش از ۱۰۰ میلیون مترمکعب در روز رسیده است که بخش عمده این ظرفیت توسط واحدهای آب شیرین کن اسمز معکوس یا دستگاه های تصفیه آب صنعتی با فرایند اسمز معکوس اشغال شده است.