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.
با افزایش اختلاف غلظت میان دو محلول در دو طرف غشای نمه تراوا، فشار اسمزی میان دو محلول افزایش پیدا می کند. به عنوان مثال آب دریای خلیج فارس از آب دریای خزر شورتر است. لذا فشار اسمزی آب خلیج فارس نسبت به آب دریای خزر بالاتر است.
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.
تاریخچه اسمز معکوس
اولین مشاهدات و مدارک مستند سازی شده مربوط به پدیده اسمز معکوس و غشای نیمه تراوا توسط “نولت” (Nollet) به سال ۱۷۴۸ بر می‌گردد. پس از آن در سال ۱۸۵۰، سوابق مطالعات دیگری در مورد بهره‌گیری از پدیده اسمزمعکوس در ممبران های سرامیکی وجود دارد. ولی بخش مهمی از فناوری امروز اسمزمعکوس مبتنی بر تحقیقات دکتر جرالد هسلر(Hassler) در دانشگاه کالیفرنیا در دهه ۵۰ میلادی است. دکتر هسلر استفاده از لایه نازک هوا میان دولایه سلفون را به عنوان غشای نیمه تراوا پیشنهاد نمود. تصور اشتباه گروه تحقیقاتی دکتر هسلر از پدیده اسمز معکوس مربوط به وقوع عملیات تبخیر و میعان در لایه هوا میان دو سلفون بود. در حالی که امروزه به خوبی می دانیم که پدیده اسمزمعکوس هیچ ارتباطی با تبخیر و میعان مجدد مایع ندارد.
کمی بعدتر در سال ۱۹۵۹، دکتر بریتون(Breton) قابلیت های نمک زدایی پدیده اسمز معکوس توسط لایه استات سلولز را نشان داد. تیم تحقیقاتی دانشگاه فلوریدا با سعی و خطاهای بسیار لایه پلیمری از خانواده هیدروفیلیک را به عنوان غشای نیمه تراوا شناسایی کردند. موادی سلفون، لاستیک هیدروکلراید، پلی استایرن و سلولز استات در این تحقیقات مورد آزمایش قرار گرفتند.
نتایج آزمایشات نشان داد که بسیاری از این مواد در فشار psi ۸۰۰ و غلظت نمک کمتر از ۳۵% هیچ جریان Premeate ای از خود عبور ندادند. ولی ماده سلولز استات در فشار psi ۴۰۰ با درصد حذف نمک بیش از ۹۶ درصد مورد توجه قرار گرفت. تحقیقات دکتر بریتون و همکاران، ماده سلولز استات را به عنوان یک غشای نیمه تراوا به دنیا معرفی نمود که متعاقباً خواص مربوط به طول عمر و فلاکس آن برای مصارف تجاری بهینه سازی شد.
در مسیر تحقیق و توسعه مربوط به ممبرانهای اسمز معکوس، شرکت دوپونت در سال ۱۹۷۱ ممبرانی را از جنس آروماتیک پلی آمید به صورت تجاری با فلاکس بهبود یافته و فشار عملیاتی پایین تر از سلولز استات به بازار معرفی کرد. در آن زمان متریال پلی آمید به عنوان جدی ترین رقیب ماده سلولز استات برای ممبران اسمز معکوس مطرح گردید. کمی بعدتر در سال ۱۹۷۸ اولین ممبران FilmTec به‌صورت تجاری متعلق به شرکت DOW روانه بازار شد.
تحقیق و توسعه ممبران های اسمز معکوس از سال ۱۹۷۸ تا سال ۲۰۰۰ بیشتر معطوف بر افزایش فلاکس، کاهش فشار عملیاتی، افزایش درصد حذف نمک و کاهش قیمت بوده است. تا اینکه ورود نانو فناوری به فرآیند ساخت ممبران های اسمز معکوس در سال های پس از سال ۲۰۰۰ منجر به توسعه ممبران های نانو کامپوزیت لایه نازک (TFC) گردید. امروزه تمامی ممبرانهای اسمز معکوس تجاری که توسط تولید کنندگان معتبر در دنیا تولید می شوند از جنس نانو کامپوزیت لایه نازک (TFC) می باشد.
| سال | فشار (Psi) | فلاکس نسبی | درصد حذف نمک | جنس ممبران |
|---|---|---|---|---|
| دهه 1970 | 435 | 1 | 97 | سلولز استات |
| دهه 1980 | 290 | 1.9 | 99.0 | کامپوزیت پلی آمید |
| 1987 | 220 | 3.0 | 99.7 | کامپوزیت آروماتیک پلی آمید |
| 1988 | 145 | 4.2 | 99.7 | کامپوزیت آروماتیک پلی آمید |
| 1996 | 110 | 5.6 | 99.7 | کامپوزیت آروماتیک پلی آمید |
| 1999 | 75 | 8.0 | 99.7 | کامپوزیت آروماتیک پلی آمید |
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.
تفاوت اسمز معکوس با اسمز مستقیم
مهمترین وجه تشابه فرایند اسمز معکوس با اسمز مستقیم، حرکت سیال میان دو محلول با غلظتهای متفاوت است. شباهت دوم مربوط به نیروی محرک انتقال جرم می باشد که در هر دو فرایند نیرو محرکه فشار(گردیان فشار) است. ولی مهمترین تفاوت اسمز مستقیم یا اسمز طبیعی با اسمز معکوس، جهت حرکت سیال میان دو محلول با غلظتهای متفاوت است.
در فرایند اسمز مستقیم، حلال از محلول با غلظت بالاترِ حلال به صورت طبیعی و خودبخودی به سمت محلول با غلظت پایین ترِ حلال به دلیل فشار اسمزی حرکت می کند. ولی در فرایند اسمز معکوس، جهت حرکت حلال با اعمال فشار، به سمت محلول با غلظت پایینِ حلال معکوس می شود.
جالب توجه اینکه امکان کاهش شوری آبهای شور با فرایند اسمز مستقیم نیز وجود دارد. ولی فرایند اسمز مستقیم برای کاهش شوری نیازمند استفاده از سیال سوم است. در این فرایند از یک سیال بسیار غلیظ مثلا با شوری بسیار بالا (Draw solution) به عنوان آغاز کننده جریان خالص آب استفاده می شود. این روش دقیقا بر خلاف فرایند اسمز معکوس است که در ان از یک نیروی هیدرولیکی به منظور غلبه بر گرادیان فشار اسمزی استفاده می شود.
تفاوت فرایند اسمز مستقیم با اسمز معکوس در شکل زیر نمایش داده شده است. در صورتی که دو محلول با غلظت های متفاوت در دو طرف یک غشای نیمه تراوا قرار گیرند، (شکل ۱) فشار اسمزی سبب می شود که حلال از محلول با غلظتِ بالاتر حلال به سمت محلول با غلظت پایینتر حلال حرکت کند. درنتیجه سطح دو مایع در طرفین غشا تغییر می‌کند. (شکل ۲) اختلاف ارتفاع سطح دو مایع برابر با فشار معادل ستون آبی برابر با فشار اسمزی میان دو محلول می باشد.
در صورت اعمال فشار به محلول سمت چپ غشا، حرکت حلال از سمت حلال با غلظتِ بالا به سمت محلول طرف مقابل غشا ادامه پیدا می‌کند. تا جایی که اختلاف ارتفاع دو مایع برابر با مجموع فشار اسمزی و فشار موج مضاعف اعمال شده گردد. (شکل ۳) در این وضعیت فرایند اسمز تقویت شده (Pressure Enhanced osmosis) میان دو محلول برقرار است.
در صورت اعمال فشار پایینتر از فشار اسمزی به محلول سمت راست غشا، حرکت حلال از سمت حلال با غلظت بالا به طرف مقابل کاهش می‌یابد. در نتیجه اختلاف ارتفاع سطح دو محلول در طرفین غشا کاهش می یابد. (شکل۴) در این وضعیت فرایند اسمز تقلیل یافته (Pressure Retarded osmosis) میان دو محلول برقرار است.
چنانچه فشار اعمال شده به محلول سمت راست غشا از فشار اسمزی بیشتر باشد، جهت حرکت حلال از محلول با غلظت پایینِ حلال به سمت محلول با غلظت بالایِ حلال معکوس می شود و فرایند اسمز معکوس بین دو محلول برقرار می شود. (شکل ۵)
شیرین سازی آب با فرایند اسمز معکوس
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.
مزایای فرایند اسمز معکوس در شیرین سازی آب های شور
امروزه فرایند اسمز معکوس متداول ترین فرایند تصفیه و شیرین سازی آب های شور می باشد. مهم ترین مزایای فرایند اسمز معکوس که منجر به توسعه چشمگیر آن در دو دهه اخیر شده است عبارت اند از:
- امکان تولید آب آشامیدنی با کیفیت مناسب: فرایند اسمز معکوس توانایی حذف شوری، حذف انواع باکتری، ویروس و پاتوژن های بیماری زا را از منابع آبی مختلف دارد. این قابلیتها سبب شده است که فرایند اسمز معکوس به عنوان یک فرایند با قابلیت اطمینان بالا در تولید آب آشامیدنی مطرح شود.
- امکان طراحی مدولار با ظرفیت های مختلف: ظرفیت تولید آب شیرین از واحد های اسمز معکوس متناسب با تعداد ممبران های مورد استفاده در فرایند است. در واحدهای اسمز معکوس از طریق کاهش یا افزایش تعداد ممبران ها در مرحله طراحی به راحتی ظرفیت تولید آب شیرین قابل افزایش یا کاهش می یابد.
- راهبری نسبتاً ساده: راهبری آب شیرین کن های صنعتی مبتنی بر فرایند اسمز معکوس نسبت به فرایندهای دیگر تصفیه آب از سادگی نسبی برخوردار است. بهره برداری نسبتاً آسان یکی دیگر از دلایل استقبال از فرایند اسمز معکوس در صنایع مختلف است.
- امکان تولید آب صنعتی: فرایند اسمز معکوس قابلیت تولید آب صنعتی برای مصارف مختلف را دارد. تولید آب دیونیزه برای بویلرهای صنعتی، تولید آب فوق خالص برای مصارف دارویی، تولید آب خالص برای خنک کاری تجهیزات حساس صنعتی و غیره همگی از کاربرد های فرایند اسمز معکوس در تولید آب صنعتی به شمار می روند.
- اشغال فضای کم: ممبران های اسمز معکوس به اندازه ۸ اینچ قابلیت شیرین سازی آب تا ۴۲ متر مکعب بر روز را دارند. خروجی بالای آب شیرین در حجم پایین ممبران، کاهش سطح اشغال واحد تصفیه آب، کاهش هزینه‌های سرمایه‌گذاری اولیه واحد تصفیه آب را به دنبال دارد.
- هزینه سرمایه گذاری مناسب: فرایند اسمز معکوس نسبت به فرایند های حرارتی در کاربرد های نمک زدایی و شیرین‌سازی آب از منظر اقتصادی جذاب تر است. هزینه بالای متریال های مقاوم در برابر آب های شور خصوصاً آب دریا در فرایندهای حرارتی، هزینه سرمایه‌گذاری اولیه واحد های حرارتی نظیر MED و MSF را افزایش داده است.
- هزینه بهره برداری مناسب: فرایند های حرارتی بر اساس تبخیر و میعان آب، عملیات شیرین سازی آب های شور را انجام می دهند. تبخیر آب مستلزم حذف انرژی بالای حرارتی است. از اینرو فرایند های حرارتی هزینه های بهره برداری بالایی ناشی از مصرف انرژی دارند. در حالی که با پیشرفت های انجام شده در توسعه ممبرانهای اسمز معکوس، انرژی مصرفی تولید هر متر مکعب آب شیرین از آب دریا تا ۳ کیلووات ساعت در سالهای اخیر کاهش یافته است.
معایب فرایند اسمز معکوس در شیرین سازی آبهای شور
انتخاب فرایند بهینه در شیرین سازی آب های شور نیازمند بررسی کمی و کیفی مزایا و معایب هر فناوری به صورت مجزا می باشد. مهم ترین معایب فرایند اسمز معکوس در کاربرد شیرین سازی آبهای شور عبارتند از:
- آسیب پذیری غشا های اسمز معکوس در برابر مواد اکسید کننده: یکی از نقاط ضعف ممبران های اسمز معکوس تجاری از جنس پلی آمید، مقاومت پایین آن ها در برابر مواد شیمیایی اکسید کننده نظیر کلر، ازن، پرمنگنات و غیره می باشد. به عنوان مثال وجود کلر با غلظت های بالاتر از یک میلی‌گرم بر لیتر در آب ورودی به غشای اسمز معکوس می‌تواند منجر به آسیب برگشت ناپذیر ممبران شود.
- محدودیت دمای عملیاتی ممبران اسمز معکوس: حداکثر دمای عملیاتی ممبران های اسمز معکوس تجاری ۴۵ درجه سانتی‌گراد است. کاهش دمای عملیاتی به کمتر از ۴ درجه سانتی‌گراد نیز می‌تواند منجر به آسیب به ممبران شود.
- فولینگ و گرفتگی غشا: ممبران های اسمز معکوس در برابر آلایند‌های احتمالی موجود در آب ورودی آسیب‌پذیر هستند. گرفتگی یا فولینگ اعم از فولینگ گل و لای، فلزی، بیولوژیکی، کربنات کلسیم، سیلیس و غیره مهمترین دلایل خرابی ممبران و کاهش طول عمر آن هستند.
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.
برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد مفاهیم و مبانی علمی اسمز معکوس بر روی فایل زیر کلیک کنید:
بسیار مطلب مفید و عالی