فرآیند اسمز معکوس چیست ؟

اسمز معکوس (Reverse Osmosis) چیست؟

اسمز معکوس (RO) یا به انگلیسی Reverse Osmosis یکی از فرایندهای مهم در تصفیه آب است. به کمک استفاده از این روش می‌توان از محلول‌هایی که حلال و ناخالصی با هم ترکیب شده و به‌سادگی جدایی‌پذیر نیستند، به کمک یک غشا نیمه‌تراوا حلال خالص تهیه کرد. در واقع، استفاده از اسمز معکوس، یک روش برای ازبین‌بردن مواد و فلزات معدنی آب‌شور و در نهایت تبدیل آن به آب شیرین نام برد.

 اسمز در طبیعت هم یافت می‌شود و از آن به‌عنوان فرایندی یاد می‌کنند که آب‌شور به آبی که شورتر است منتقل می‌کند. یعنی با کمک این فرایند، فلزات معدنی بیشتری توانایی حلال شدن در آب را داشته و آن را به آبی شورتر تبدیل می‌کنند.

 در روش اسمز معکوس این فرایند برعکس انجام می‌شود. در واقع آب با فشار از محیط شورتر از داخل فیلتر اسمز معکوس عبور داده می‌شود و دراین‌بین ناخالصی‌ها به بدنه فیلتر چسبیده و ازآب‌گرفته می‌شود.

 اسمز معکوس فیلتری است که دارای منافذ بسیار ریزی است که حتی می‌تواند ویروس و باکتری را هم به دام بیندازد. در واقع آب با فشار از فیلتر اسمز معکوس عبور داده می‌شود و تا ۹۸ درصد مواد معدنی که در آب آشامیدنی حل شده همراه با کلوئیدهای موجود در آب را حذف می‌کند و در نتیجه آبی شیرین در اختیار شما قرار خواهد گرفت.

از این فرآیند در دستگاه های تصفیه آب و آب شیرین کن استفاده زیادی میشود در واقع یکی از بهترین روش ها و کم هزینه ترین آن ها ، روش اسمز معکوس میباشد. در این فرآیند آبها را با فشار اسمزی مناسب از طریق عبور فیلتر های خاص تصفیه میکنند. این فیلتر ها دارای منافذ بسیار ریز بوده که تنها مولکول آب ها را از خود عبور میدهند.

لذا میتوان گفت که تجهیزاتی که از فرایند RO بهره گرفتند، دارای توان بالایی در انجام عملیات تصفیه میباشند. پی از پیشرفت استفاده از فرآیند RO ، آب ها با روش های بسیار هزینه بر تصفیه و شیرین میشدند. تا حدی که برای استفاده آب مورد نیاز یک ساختمان باید از تجهیزاتی به بزرگی همان ساختمان استفاده میکردیم. از این رو وجود تجهیزات مرتبط با فیلتراسیون به خصوص فرآیند اسمز معکوس تحول عمیقی در این صنایع قرار داده است. در این مطلب به برسی و معرفی این فرآیند و تأثیر آن بر عملیات تصفیه آب ها توضیحات بیشتری خواهیم داد. پیش از شروع بهتر از با فرآیند اسمزی اطلاعات بیشتری داشته باشید.

معرفی فرآیند اسمزی :

فرایند فرآیند اسمزی یا همان osmosis دقیقا برعکس RO است. یکی از رخداد های طبیعی موجود میباشد. در این رخداد آب از محلول غلیظ به محلول رقیق وارد میشود. اما در اسمزمعکوس با استفاده از فشار ایجاد شده توسط پمپ ها آن مسیر آب ها برعکس خواهد بود. به عبارت دیگر اسمز یا همان Osmosis یکی از روش‌های انتشار مواد بین دو مکان مختلف است که‌ در زیست شناسی‌، معمولا از این پدیده در انتقالات بین سلولی استفاده می‌شود. فرایند انتشار زمانی اتفاق می‌افتد که مولکول‌ها یا اتم‌ها از ناحیه‌‌ای با غلظت بالا به منطقه‌ای با غلظت کم منتقل می‌شوند. پدیده اسمز در مواردی رخ میدهد. که یک ماده از یک «غشای نیمه نفوذپذیر» عبور میکند تا بتواند غلظت ماده دیگری را متعادل کند. حال که با فرِآیند اسمزی بیشتر آشنا شدید در ادامه به معرفی فرآیند اسمز معکوس خواهیم پرداخت.

معرفی فرآیند اسمز معکوس :

همان طور که اشاره شد ، فرآیند اسمز معکوس دقیقه برعکس فرآیند اسمز صورت میگیرد. فشار اسمزی مورد نیاز در این فرآیند را پمپ های آب تأمین میکند. همچنین در تجهیزاتی مانند آب شیرین کن صنعتی این آب ها از فیلتر های خاصی عبور داده میشوند که منافذ بسیار ریزی دارد. این منافذ تنها به مولکول های آب اجازه عبور میدهند. لذا در سیستم های تصفیه آبی که از فرآیند اسمز معکوس یا همان RO بهره می گیرند، کیفیت آب خروجی بسیار بالا خواهد. به عبارت دیگر اسمز معکوس یک فرآیند اسمز به صورت معکوس است. از طرف دیگر فرآیندهای اسمز به طور طبیعی بدون نیاز به انرژی اتفاق می‌افتد، که در نتیجه جهت معکوس کردن فرایند اسمز نیاز به استفاده از فشار معکوس برای عبور از محلول با شوری زیاد به محلول خالص را داریم.

در خصوص فیلتر های مورد استفاده در فرآیند RO باید گفت که این تجهیزات شامل غشایی نیمه‌تراوا است. همان ور که گفته شد این فیلترها اجازه‌ی عبور به مولکول‌های آب را می‌دهد. در حالی که این امکان برای مهاجرت نمک‌های محلول، مواد آلی، باکتری‌ها و pyrogenها وجود ندارد. با این وجود، باید آب را از طریق غشای نیمه‌تراوا با به کارگیری فشار به سمت جلو فشار دهید. این فشار به طور طبیعی از فشار اسمزی جهت نمک‌زدایی یا همان یونیزه کردن آب به مراتب بیشتر است. که همین فشار نیز باعث تصفیه آب ها در سیستم های مرتبط میشود. این فرآیند کاربرد زیادی در دستگاه ها و تجهیزات تصفیه آب دارد.

دستگاه تصفیه آب اسمز معکوس :

همان طور که گفته شد دستگاه و سیستم های تصفیه آب اسمز معکوس یکی از بهترین موارد برای شیرین سازی آبها میباشد. این تجهیزات حتی قادر به تصفیه آب های شور دریا نیز میباشد. فرآیند اسمز معکوس در این دستگاه ها سهولت استفاده از آنها را بسیار بیشتر میکند. به طوری که نیاز به تجهیزات بسیار سنگین مانند دیگ های بخار در این روش وجود ندارد.

پیش‌تصفیهٔ اسمز معکوس (RO Pretreatment)

 در صنعت، آب ورودی برای تصفیه به‌وسیله روش اسمز معکوس (RO) نیاز است قبل از تماس با غشای فیلتر، مراحلی را برای آماده‌شدن طی کند که به مجموعه این مراحل پیش‌تصفیه اسمز معکوس می‌گویند.

 دلیل عبور آب از این مراحل، محافظت از غشای فیلتر در مقابل گرفتگی به‌وسیله نمک‌ها و املاح موجود در آب است تا با این کار عملکرد و عمر مفید این فیلترها افزایش یابد. ممبران (غشا) در سیستم RO از صفحات متخلخلی تشکیل شده است که این منافذ به مولکول‌های آب اجازه عبور داده؛ اما مانع از عبور ناخالصی‌های جامد موجود در آب می‌شوند. ناخالصی‌هایی که اجازه عبور از ممبران به آن‌ها داده نمی‌شود، روی غشا رسوب‌کرده و باعث ایجاد لایه‌هایی می‌شوند که می‌توانند کاهش عملکرد سیستم اسمز معکوس را در برداشته باشند.

 پیش‌تصفیه اسمز معکوس فیلترهای مختلفی دارد که در زیر به برخی از آن‌ها اشاره می‌کنیم:

 ۱) میکرو فیلتر یا اولترا فیلتر: این فرایند جزء باکیفیت‌ترین روش‌ها برای پیش‌تصفیه اسمز معکوس برای تصفیهٔ آب صنعتی است که حفاظت از غشای فیلترها را با بالاترین سطح می‌رساند.

 ۲) کلاریفایر: استفاده از این روش معمولاً برای کاهش پارامترهایی مثل مواد جامد معلق و کدورت آب است. اغلب در سیستم‌های آب شیرین کن دریایی برای کاهش آلودگی جلبک‌ها از این روش استفاده می‌شود.

۳) کارتریج فیلتر: برای انجام این روش در پیش‌تصفیه، معمولاً از فیلترهای پلی‌پروپیلن سیم‌پیچ برای حذف ذرات بین ۳ تا ۵ میکرون استفاده می‌شود. از این روش معمولاً در مرحله آخر پیش‌تصفیه استفاده می‌شود که در صورت عدم عملکرد فیلترهای قبلی، در آخرین مرحله کارتریج فیلتر جلوی گرفتگی ممبران را بگیرد.

 ۴) دوزها و بیوسیدها: استفاده از بیوسیدها یا اکسیدکننده مانند کلر، برای ازبین‌بردن باکتری‌ها و به دنبال آن استفاده دوز بی سولفیت برای غیرفعال‌کردن کلر یکی دیگر از روش‌های پیش‌تصفیه اسمز معکوس است که می‌تواند یک غشا از رسوب‌های ایجاد شده را از بین ببرد. همچنین مهارکننده‌های رسوب زیستی وجود دارند که باکتری‌ها را از بین نمی‌برند، بلکه از رشد لجن روی سطح غشا جلوگیری می‌کنند.

 ۵) تزریق اسید (کاهش pH): تزریق اسید و کاهش pH آب ورودی به RO یکی از انواع روش‌های پیش‌تصفیه RO است که برای جلوگیری از تشکیل رسوب کربنات کلسیم روی ممبران‌ها استفاده می‌شود. از این روش معمولاً در سیستم‌های آب شیرین کن دریایی می‌شود.

 کاربرد اسمز معکوس

 تکنولوژی اسمز معکوس برای تصفیه آب شهری، آب‌شور و آب صنایع، در انواع مختلفی طراحی و تولید شده است. در واقع غشای RO یا همان اسمز معکوس در دستگاه‌های تصفیه آب خانگی تا تی دی اس ۱۰۰۰ را می‌توانند تصفیه کنند. تی دی اس پارامتری است که به‌وسیله آن میزان قطر مواد جامد شناور در آب را مشخص می‌کنند. پس از استفاده از این فیلتر، حجم املاح آب به زیر ۱۰۰ PPM خواهد رسید که عدد قابل‌توجهی است.

 از مهم‌ترین کاربردهای دیگر اسمز معکوس در صنایع، می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• تعویض یونی که شامل نرم کردن آب با استفاده از سدیم برای خالص‌سازی آب موردنیاز بویلر با فشار کم تا متوسط (که یکی از مهم‌ترین کاربردهای اسمز معکوس است).
• خالص‌سازی آب، تغلیظ و بازیافت جامدات محلول در آب.
• بازیافت آب از فاضلاب صنعتی و شهری
• تولید آب با درصد خلوص بالا برای صنایع میکروالکترونیک
• تولید آب برای صنایع تولید نوشابه و نوشیدنی‌ها
• بالابردن غلظت شیرین‌کننده غلات
• تصفیه پساب برای بازیافت‌کردن مواد مصرفی در صنایع فلزکاری و پارچه‌بافی
• تصفیه آب دریا و آب لب‌شور و تولید آب شیرین برای آشامیدن

 اسمز معکوس چگونه کار می‌کند؟

 در دستگاه‌های تصفیه آب صنعتی، آب ابتدا از پیش‌تصفیه‌ها عبور داده می‌شود تا شن، ماسه، گل‌ولای و مجموعاً جامداتی که قطر بالایی را دارند را ازآب‌گرفته شود تا آب زلال‌تر شود. در ادامه آب با فشار وارد فیلتر اسمز معکوس می‌شود و فیلتر اسمز معکوس از چندلایه غشا نیمه‌تراوا تشکیل شده که منافذ بسیار ریزی دارد و هر ذراتی که بزرگ‌تر از ۰.۰۱ میکرون باشد را از آب می‌گیرد و اجازه ادامه مسیر را به آن نمی‌دهد.

 در واقع فیلتر ممبران همانند یک صافی ریز عمل می‌کند که ناخالصی‌ها ریز را فیلتر می‌کند. پس از انجام این مرحله، آب با خلوص بالا وارد سیستم آبرسانی و تأسیساتی شده تا نیاز تجهیزات را برطرف کند.

 مزایا و معایب سیستم اسمز معکوس چیست؟

 اگر بخواهید از روش اسمز معکوس برای تصفیه آب مصرفی استفاده کنید، مزایای زیر را برای شما به دنبال خواهد داشت:

 ۱) دفع بسیاری از آلاینده‌های موجود در آب: فیلترهای تصفیه آب اسمز معکوس غالباً می‌توانند تا ۹۹ درصد از مواد معلق جامد در آب را حذف کنند. از آلاینده‌های حذف شده توسط سیستم RO می‌توان فلوراید، نیترات‌ها، سولفات‌ها، آرسنیک، باکتری‌ها و سایر ناخالصی‌ها را نام برد.

 ۲) عدم نیاز به تعمیرات و نگهداری زیاد: هنگامی که دستگاه تصفیه آب اسمز معکوس را نصب کردید، تنها موردی که باید رعایت کنید، تعویض به‌موقع فیلترهای آن است. این دستگاه بر خلاف بسیاری از دستگاه‌های تصفیه، کاملاً خودکار بوده و پس از نصب نیازی به شستشوی معکوس، احیا و شستشوی دستی ندارد. تعویض فیلتر در سیستم‌های RO آسان بوده و به‌سادگی می‌توان آن‌ها را جایگزین کرد.

۳) مصرف پایین مواد شیمیایی در مقایسه با روش تعویض یونی: در تصفیه آب اسمز معکوس، از فیلترها و غشاهایی که استفاده می‌شود، مقدار مصرف مواد شیمیایی بسیار پایین‌تر از سایر سیستم‌های تصفیه آب است و بیشتر فرایندها به‌صورت فیزیکی پیش می‌رود. ازاین‌رو احتمال وجود مواد شیمیایی مخرب در آب بسیار کم‌تر است.

۴) تنوع و قیمت مناسب: سیستم‌های تصفیه آب اسمز معکوس، در برندها و مدل‌های مختلفی در بازار وجود دارد که شما می‌توانید باتوجه‌به کاربری و نوع استفاده خود، مدل مناسب را انتخاب کنید. همچنین عرضه زیاد این محصول در بازار باعث شده است که قیمت این دستگاه نسبت به سایر سیستم‌ها، مناسب‌تر باشد.

 ۵) استفاده آسان: تمامی فرایندها در اسمز معکوس (RO) به‌صورت خودکار انجام می‌شود که این دلیلی بر کاربری راحت این دستگاه نسبت به سایر دستگاه‌ها بوده و دیگر نیازی به تکنسین مجرب برای کنترل فرایندها، وجود ندارد.

 ۶) کاهش سختی آب: فیلترهای این دستگاه تصفیه، قادر است جلوی ورود فلزات معدنی و کاتیون‌های کلسیم و منیزیم را گرفته و در نتیجه آب نرم‌تری را برای ادامه کار در اختیار تأسیسات بگذارد.

 هر وسیله‌ای علاوه بر مزایایی که در اختیار ما می‌گذارد، معایبی هم به دنبال دارد. از معایب اسمز معکوس می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

 ۱) هدررفت آب: یکی از مهم‌ترین و اصلی‌ترین ضعف‌های روش RO ، هدررفتن آب در فرایند تصفیه است. خوشبختانه با پیشرفت تکنولوژی، مقدار آب هدررفته در هنگام تصفیه کاهش پیدا کرده است. در اوایل به‌ازای هدررفت هر ۳ گالن آب، ۱ گالن آب تصفیه شده به‌عنوان خروجی تولید می‌شد که خوشبختانه با استفاده از فیلترهای مدرن‌تر، به‌ازای هر یک گالن تقریباً یک گالن آب هدررفته وجود دارد.

 ۲) هزینه بالای نگهداری: درست است قیمت اسمز معکوس نسبت به سایر مدل‌های تصفیه، پایین‌تر است؛ اما هزینه‌های تعویض فیلتر و سایر اجزا، زیاد بوده که به‌صورت دوره‌ای نیاز به تعویض دارد. علاوه بر این برای حفظ عملکرد دستگاه، نیاز است در بازه‌های زمانی، کارشناس از وضعیت دستگاه بازدید نموده تا از سلامت‌ها فیلترها اطمینان حاصل نماید.

۳) فیلتراسیون کندتر: به‌خاطر وجود چندین مرحله فیلتراسیون در یک سیستم RO، دسترسی فوری به آب تصفیه شده مقداری زمان‌بر است. البته برخی از فیلترهای تصفیه آب اسمز معکوس دارای مخزن ذخیره هستند که این موضوع باعث می‌شود فرایند استفاده از آب تا حدودی سریع‌تر شود.

 روش کار اسمز معکوس چگونه است؟

 این روش همانند روش اسمزی در گیاهان طراحی شده است. فرایندی که مولکول‌های آب از یک غشاء با قطر یک هزارم با فشار آب در جهت روبه‌بالا حرکت می‌کنند. در روش تصفیه آب به شیوه اسمز معکوس Reverse Osmosis ، آب با فشار از میان غشا نیمه‌تراوا عبور کرده که در این صورت نیترات، سایر مواد معدنی، مواد شیمیایی و میکروارگانیسم‌ها (اغلب باکتری‌ها) از آب حذف می‌شود. پس از این مرحله می‌توانید پساب‌های ایجاد شده در فرایند را به سیستم بازگردانید تا تصفیه شوند و در مصرف آب صرفه‌جویی گردد. هنگامی که این پساب در یک سیکل چرخشی وارد آب می‌شود، باعث افزایش عملکرد و راندمان سیستم می‌شود.

 مراحل تصفیه آب به روش اسمز معکوس

 عموماً تصفیه آب در روش اسمز معکوس در ۴ مرحله صورت خواهد گرفت:

 مرحله اول) فرایند پیش‌تصفیه آب: همان‌طور که بالاتر گفته شد برای جلوگیری از گرفتگی فیلترهای سیستم، از این فرایند استفاده می‌شود که با استفاده فیلترهای خاص خود، ذرات جامد معلق در آب بزرگ‌تر از ۵ میکرون را از آب حذف می‌کند.

 مرحله دوم) استفاده از فیلتر کربن فعال: فیلتر کربن فعال (Activated Carbon) برای کاهش میزان سرب غیرمحلول در آب عموماً استفاده می‌شود که به طور معمول قابلیت فیلتراسیون ۰.۵ تا ۱۰ میکرون را دارد. در یک سیستم اسمز معکوس، از دو فیلتر کربن فعال به‌صورت سری استفاده می‌شود تا عملکرد آن را به حداکثر برساند.

 مرحله سوم) غشای اسمز معکوس: این غشاها از جنس Thin Film Composite) TFC) هستند، می‌توانند ۹۵٪ از کل مواد جامد محلول را تا سایز ۰.۰۰۰۱ میکرون حذف کنند. این غشاها، نیمه نفوذپذیر بوده و اصولاً برای استفاده در تصفیه آب و یا سیستم‌های آب شیرین کن تولید می‌شوند.

 مرحله چهارم) استفاده از فیلتر پست کربن فعال: یک فیلتر کربن فعال (Activated Carbon) پس از انجام فرایند تصفیه بعد از مخزن ذخیره آب و پیش از اینکه آب استفاده شود، قرار می‌گیرد. این فیلتر معمولاً بالای هوزینگ غشاء اسمز معکوس قرار گرفته و مسئولیت حذف هر گونه کلر و یا آلاینده‌های باقی‌مانده پس از عبور از کارتریج‌های دیگر و یا غشاء را به عهده دارد و در واقع فیلتراسیون نهایی را انجام می‌دهد.

 اسمز طبیعی چیست؟

 در واقع فرایند اسمز طبیعی (Forward Osmosis) به حرکت طبیعی و خودبه‌خودی مولکول‌های حلال (آب) از طریق یک غشای نفوذپذیر نیمه‌تراوا به محلول با غلظت حلال کمتر می‌گویند. این حرکت در جهتی انجام می‌شود که تمایل به مساوی کردن غلظت حلال در دو محلول طرفین غشا را دارد. در این روش به دلیل بالاتر بودن فشار آب در قسمت شورتر، باعث می‌شود شوری از طریق غشا به منتقل شود و باعث شورتر شدن آب شود.

 تفاوت اسمز طبیعی و اسمز معکوس چیست؟

 تفاوت‌های زیادی بین اسمز و اسمز معکوس وجود دارد که برخی از آن‌ها در زیر اشاره شده است.

 ۱) نحوه عبور آب: تفاوت اصلی این دو فناوری در نحوهٔ عبور آب از ممبران است. در اسمز معکوس، آب با استفاده از فشار هیدرولیکی از طریق ممبران، مجبور می‌شود تا بر فشار اسمزی طبیعی غلبه کرده که هرچه شوری آب بیشتر باشد، فشار بیشتری نیز برای انتقال از طریق غشاء لازم است. درصورتی‌که در فرایند اسمز، آب بدون نیاز به ایجاد فشاری از ناحیه با املاح و در واقع شوری بیشتر به سمت آب با شوری کم‌تر منتقل شده و باعث شورتر شدن آب می‌شود.

 ۲) رسوب‌گیری فیلترها: رسوب‌گیری بر روی فیلترهای اسمز معکوس مسئلهٔ بسیار جدی است که با عبور مواد آلی و شیمیایی و سایر جامدات، باعث رسوب‌گذاری می‌شود که نیاز به شستشوهای مکرر برای رسوب‌زدایی دارد. درصورتی‌که فشار کم در فرایند اسمز باعث می‌شود حساسیت کمتری داشته رسوب‌گذاری کم‌تر اتفاق بیفتد.

 تجهیزات تصفیه آب به روش اسمز معکوس

 ۱) ماژول اسمز معکوس: ماژول RO جزء اصلی است و نگهدارنده پیش فیلتر و غشاء و فیلتر پسین است.

 ۲) شیر آب تغذیه: شیر آب تغذیه، برای تأمین آب ورودی به سیستم RO به خط آب سرد متصل می‌شود.

 ۳) پیش فیلتر رسوب: فیلتر پلی‌پروپیلن ذرات با قطر بزرگ‌تر مانند خاک، زنگ، ماسه و رسوب را حذف می‌کند.

 ۴) پیش فیلتر کربن فعال: کربن فعال از ورود ذرات با قطر ۱۰ میکرون، کلر و مواد شیمیایی آلاینده‌ها در آب خوراکی جلوگیری کرده و از غشاء RO محافظت می‌کند.

 ۵) شیر قطع و وصل خودکار: شیر قطع و وصل خودکار وقتی که مخزن ذخیره پر است بسته شده و تغذیه آب خاموش می‌شود. هنگامی که فشار مخزن به میزان دو سوم فشار آب تغذیه برسد، این شیر به‌صورت خودکار باز می‌شود.

 ۶) غشاء اسمز معکوس: غشاء اسمز معکوس، فیلم نازک غشاء کامپوزیتی است که مواد معدنی محلول، فلزات و نمک را کاهش می‌دهد.

 ۷) شیر تخلیه: شیر تخلیه به فاضلاب متصل می‌شود تا آب بی‌کیفیت جدا شده توسط سیستم RO از طریق آن خارج شود.

 ۸) فیلتر پست کربن فعال: فیلتر کربن پوسته نارگیل فعال برای یک تصفیه نهایی ارائه شده و بو و مزه را حذف و آب با طعم عالی فراهم می‌کند.

 ۹) مخزن ذخیره: مخزنی که آب خالص RO را آماده برای استفاده نگه می‌دارد.

 ۱۰) سرشیر آب آشامیدنی: سرشیر آب RO برای توزیع آب خالص هنگامی که به آن نیاز است استفاده می‌شود.