اسمز و اسمز معكوس

اسمز و اسمز معکوس

این فرایند تحت فشاری انجام می شود که آن را فشار اسمزی Osmotic Pressure می نامند:

Π = RT.n / V = R.T.C
Where:
ח: Osmotic pressure (Pa)
T: Temperature (°K)
R: Ideal gas constant = 8.314 (J/ mol.° K)
C: Concentration gradient (difference) ,

اسمز و اسمز معکوس

حال چنانچه فشاری به اندازه(P>) P روی محلول غلیظ وارد شود، جهت انتقال آب، معکوس می شود.
به این ترتیب، آب از محلول شور جدا می شود و آب شیرین تولید می گردد.

فرآیند اسمز و فشار اسمزی ( Osmosis Process and Osmotic Pressure)

فرآیند اسمز یا اسمز معکوس ، پدیده‌ای است که به طور طبیعی در فرآیندهای بیولوژیکی متفاوت رخ می‌دهد. دیواره‌های سلول، سایر سلول های مغذی را از خود عبور می‌دهد و سایر مواد را از خود دفع می‌کند. در این حالت، دیواره‌های سلول به عنوان یک غشای نیمه تراوا در نظر گرفته می‌شود. عبور آب از غشای نیمه تراوا که به عنوان حلال در اسمز معکوس به کار گرفته می‌شود، نسبت به عبور نمکها، جامدات معلق و مواد آلی سنگین در اولویت قرار دارد. در اسمز معکوس، عبور مواد بر خلاف پدیده اسمز است، به طوری که جریان از سمت غلیظتر به سمت رقیق تر عبور می‌کند.
اگر محلول آب نمک در داخل یک ظرف ریخته شود و توسط غشای نیمه تراوا از آب خالص جدا شود، تغییر در حجم هر یک از دو قسمت ظرف مشاهده می‌شود. آب خالص از میان غشا به سمت محلول آب نمک حرکت می‌کند در نتیجه، در سمت آب نمک، ارتفاع آب بالاتر می‌رود، در حالی که در بخش آب خالص ارتفاع آب، کاهش پیدا می‌کند. این عبور جریان آب از غشا به طرف محلول آب نمک، اُسمز نامیده می‌شود. (شکل 1)
در اصطلاح فیزیک، آب، موجب رقیق شدن آب نمک می‌شود و این، به معنای افزایش آنتروپی سیستم است. آنتروپی، یک قانون ترمودینامیکی است که بیان می‌کند: «هر فرآیندی که به طور خود به خود در طبیعت اتفاق افتد، موجب افزایش بی‌نظمی می‌شود، مگر اینکه انرژی مصرف شود تا از جهات مختلف، جلوی انجام فرآیند را بگیرد».
اختلاف در ارتفاع مایع بین آب خالص و آب نمک، موجب اختلاف فشار خالص در دو طرف غشا می‌شود. این اختلاف فشار، فشار اسمزی محلول آب نمک نامیده می‌شود که تابعی از خصوصیات نمکها و غلظت آن ها است.
اگر با اعمال فشار فیزیکی یا افزایش ارتفاع محلول آب نمک، تعادل بین آب خالص و آب نمک به هم بخورد، 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 2)

اعمال فشار به قسمت آب نمک را می‌توان توسط یک پمپ اعمال نمود. 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، اسمز معکوس نامیده می‌شود. میزان عبور آب از غشا توسط رابطه‌ی زیر مشخص می‌شود.

فرآیند اسمز و فشار اسمزی ( Osmosis Process and Osmotic Pressure)

شکل 2. اسمز معکوس شکل 1. اسمز طبیعی

شار آب محصول

(Psid اُسمزی – Psidغشا)KT= شارآب محصول

شار آب محصول، مقدار جریانی است که در واحد زمان از واحد سطح غشا عبور می‌کند. KT ضریب ثابتی است که بستگی به غشا دارد و تابعی از دما است.
Psid(Pounds Per Square Inch Differential) غشا:
اختلاف فشار بین دو طرف غشا (به عنوان مثال، اختلاف فشار در نتیجه وجود اختلاف ارتفاع) است.

Psid اُسمزی:
اختلاف بین فشار اُسمزی هریک از محلول‌های دو طرف غشا می‌باشد. (وقتی که غلظت ماده محلول در سمت آب خالص غشا ناچیز باشد، فقط فشار اُسمزی محلول در بخش نمکی غشا 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، غلیظ تر می‌شود. برای غلبه بر افزایش فشار اُسمزی محلول تغلیظ شده، احتیاج 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 آب نمک باشد.
اسمز معکوس ، تنها قادر است یک محلول را به آب خالص تر و محلول غلیظ تر تقسیم کند. به جریان غلیظتر، آب شور و یا دور ریز هم گفته می‌شود. معمولاً مقدار جریان دورریز، توسط حلالیت نمک‌ها و یا فشار اُسمزی جریان غلیظ مشخص می‌شود.
اگر چه غشا، آب خالص را از خود عبور می‌دهد، اما در عین حال، مقداری نمک نیز از داخل غشا نفوذ می‌کند که این مقدار، متناسب با گرادیان غلظت در سطح غشا است. (برای مثال، اختلاف غلظت بین قسمت آب خوراک و آب محصول)

(غلظت ماده محلول (محصول)- غلظت ماده محلول (خوراک) × k = جریان نمک

K ، ضریب ثابتی است که بستگی به جنس غشا و ضخامت آن دارد.
غلظت ماده محلول (خوراک)، غلظت نمک در بخش آب خوراک غشا است.

Psid اُسمزی

غلظت ماده محلول (محصول)، غلظت نمک در بخش آب محصول غشا است.
مفهوم دو عبارت آخر 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.

فشارهای اسمزی نمونه وار در دمای 25 درجه سانتیگراد

نمودار غلظت جامدات محلول به عنوان تابعی از فشار اسمزی

انواع غشا در فرآیند اسمز معکوس (Types of Reverse Osmosis Membranes)

جهت تهیه آب خالص، از غشای سولز استات (CA) و پلی امید (PA) استفاده می‌شود که این دو، از گروه پلیمرها هستند. نوع سوم غشاء که در سال های اخیر از آن استفاده می‌شود، پلی سولفان باردار است.

سلولز استات

غشای سلولز استات، اولین بار به صورت حلزونی مورد استفاده قرار گرفت. سلولز استات، کار یکنواخت ارایه می‌کند (تحت شرایط عملیاتی مخصوص به خودش) و نسبت به غلظت های زیاد، ولی بدون کلر آزاد، مقاوم است.

سلولز استات

انتخاب این نوع غشا در سیستم RO تا زمانی بود که هنوز پلی‌امید در دسترس قرار نگرفته بود.
غشای سلولز استات، یک غشای بدون بار به حساب می‌آید، بدین معنا که حلقه‌های انتهایی پلیمر به شدت قطبی نیستند و این یک مزیت نسبت به سایر غشاها نظیر پلی‌اَمید و پلی سولفان باردار است. به طوری که تمایل غشا به گرفتگی سطح بسیار ناچیز است. در غشای سلولز استات، سطحی که در معرض آب خوراک قرار دارد بسیار نازک و شبیه به یک لایه صاف است که چرم و یا پوست نامیده می‌شود. همچنین به نظر می‌رسد که زبری این لایه به مقاومت سلولز استات در مقابل گرفتگی کمک می‌کند.

شکل - نمایی از غشاء سلولزاستات اسمز معکوس
شکل - نمایی از غشاء سلولزاستات اسمز معکوس

شکل -گرفتگی غشای سلولز استات

مهمترین فاکتور برای غشای سلولزاستات، کنترل PH است. غشای سلولزاستات با گذشت زمان، هیدرولیز خواهد شد. در این حالت، غشا خاصیت دفع نمک را از دست خواهد داد. سرعت تخریب، به دما و PH بستگی دارد.همچنان که در شکل نشان داده شده، اختلاف فاحشی در سرعت هیدرولیز وجود دارد که به شرایط عملیاتی بستگی دارد.
جهت کاهش سرعت هیدرولیز غشای سلولزاستات، بیشتر سیستم‌های محتوی این نوع غشا، جهت کاهش PH از اسید استفاده می‌کنند. PH مطلوب حدود 8/4 است، تنظیم PH به مقدار کمتر از 5/6، سرعت هیدرولیز سلولز استات (CA) را به حداقل می‌رساند به طوری که غشا، حداقل سه سال کارآیی خواهد داشت.
ماده اولیه سلولزاستات، یک نوع بخصوص از سلولز دی‌استات است که پس از مخلوط شدن با سلولز تری استات، سلولز استات با کیفیت بهتری تولید می‌شود. این غشای ترکیبی، دبی آب محصوص بیشتری دارد و مقاومت بیشتری در مقابل حمله‌ی باکتری ها و هیدرولیز از خود نشان می‌دهد. تقریباً تمام غشاهای سلولزاستات که امروزه در ساخت المنتهای RO مورد استفاده قرار می‌گیرند و به فروش می‌رسند، ترکیبی از پلیمرهای سلولز استات هستند.

شکل - سرعت هیدرولیز غشای سلولز استات برحسب PH

غشاهای سلولز استات در مقابل غلظت‌های معمول عوامل میکروب ‌کش و اکسید کننده مانند کلر آزاد و کلرامین، مقاوم هستند. در نتیجه غشای سلولز استات برای استفاده در جاهایی مناسب است که امکان بیوفولینگ (گرفتگی بیولوژیکی) زیاد است. (بیوفولینگ، عبارت از گرفتگی است که بر اثر رشد مواد بیولوژیکی به وجود می‌آید). در این موارد، امکان تزریق کلر تا حد Pmm1 به آب خوراک RO و به صورت پیوسته وجود دارد تا بدون اینکه عمر غشا را کاهش دهد، رشد بیولوژیکی را کنترل کند.

مشخصات کارآیی غشای سلولز استات برای استفاده در اسمز معکوس در محدوده وسیعی قرار دارد و بستگی به این دارد که چگونه غشا ساخته شده باشد. غشای سلولز استات که به منظور کاربرد با دور ریز زیاد ساخته شده، در مقایسه با غشایی که به منظور کاربرد با دور ریز کم آب ساخته شده است، جریان آب محصول کمتری تولید می‌کند. دو نوع از متداولترین غشاهای سلولز استات در حالت استاندارد قابلیت دور ریز 90% از کلراید کلسیم و در حالت ماکزیمم قابلیت دورریز 97% تا 98% آن را دارا هستند. غشا با دورریز بیشتر با تغییر لطافت در اتصال و بادوام کردن آن قابل ساخت است. بعضی از کارخانه‌های سازنده غشای سلولز استات، با روش تمیزکاری سطحی، غشاهای بلا استفاده را مجدداً بازیافت می‌کنند. به این حالت، «جوانگرایی غشاء گفته می‌شود. تخمین زمانی در مورد اینکه چه مدت، سطح غشا به صورت تمیز باقی خواهد ماند و مقدار آب دورریز چه میزان خواهد بود، غیرقابل پیش‌بینی است.

در سیستم‌های بزرگ RO معمولاً از غشای سلولز استات زمانی که فشار آب خوراک بین 200 تا 400Psig است، استفاده می‌شود. اگر فشار Psig200 باشد، دبی آب محصول در حدود نصف آن در فشار psig400 خواهد بود. در فشار Psig 200 غلظت املاح در آب محصول تقریباً دو برابر زمانی است که فشار psig400 است.
اگر فشار آب خوراک psig500 باشد، سرعت گرفتگی زیاد خواهد بود. غشای سلولز استات برای کاربردهایی که فشار آب خوراک آن ها زیاد است، مناسب نیستند. این نوع غشا برای نمک‌زدایی آب دریا مناسب نیست، زیرا فشار باید بین 800 تا psig1000 باشد.

پلی‌اَمید/لایه‌ی نازک

استفاده از غشاهای پلی‌امید به خاطر زیاد بودن آب محصولشان نسبت به سطح غشای آنها، گسترش یافته‌اند. غشای پلی‌امید در ابتدا با آرایش تارهای پوستی مورد استفاده قرار گرفت. ساختمان شیمیایی آن از پلی‌امید آروماتیک خطی است که به شکل تارهای پوک بسیار ریز، قالب گرفته می‌شود. غشای پلی امید که با آرایش حلزونی مورد استفاده قرار می‌گیرد از لایه نازک پلی امید آروماتیک ساخته شده که به شکل فرعی پلی سولفان با جرم حجمی کم درآمده است. این نوع خاص از غشا، لایه نازک نامیده می‌شود. ساختمان شیمیایی این غشا، چلیپایی است که در مقابل عوامل اکسید کننده مقاومت بیشتری دارد.

پلی‌اَمید/لایه‌ی نازک

غشای پلی امید لایه نازک، اساساً دارای شار بیشتری نسبت به سلولزاستات است. این، موجب می‌ـشود که فشار راهبری سیستم اسمز معکوس برای غشای پلی امید نیمی از فشار غشای سلولزاستات باشد و دفع نمک بهتر صورت پذیرد. این بدین معنا است که یک سیستم RO با استفاده از غشای لایه نازک نیمی از انرژی سیستم RO با غشای سلولز استات را مصرف می‌کند. (psig200 در مقابل Psig 400).

شکل - نمایی از غشاء پلی آمید اسمز معکوس
شکل - نمایی از غشاء پلی آمید اسمز معکوس

هزینه اولیه دستگاه های سیستم RO با غشای لایه‌ی نازک معمولاً به دو دلیل از نوع مشابه آن با غشای سلولز استات ارزانتر است. هزینه لوله‌کشی و اتصالات پمپی که Psig200 فشار دارد، کمتر است.
همچنان که تشریح شد، سیستم غشای سلولز استات برای راهبری در psig200 قابل طراحی است. بنابراین، تعداد المنتها و لوله‌های مورد نیاز در این فشار دو برابر آنچه که در فشار Psig400 لازم است، خواهد بود و به علاوه، اتصالات داخلی، لوله‌کشی اضافی و اسکلت بزرگتری، مورد نیاز خواهد بود و غلظت نمک در آب محصول حدود دو برابر بیشتر خواهد شد.

زمانی که غشای پلی‌امید لایه‌ی نازک با شار زیاد برای اولین بار در صنایع مورد استفاده قرار گرفت، راهبری آنها همچون غشای سلولزاستات در Psig400 صورت می‌گرفت.
حتی تصور می‌شد که این کار به سیستم لایه‌ی نازک این اجازه را می‌دهد که دو برابر سیستم سلولزاستات، آب محصول داشته باشد و مقدار نمک در آب محصول هم نصف باشد، ولی سرعت گرفتگی غشا به دلیل شار زیاد افزایش محسوسی خواهد داشت.
سازندگان غشا در عوض فروش غشای جدید، ترجیح دادند که با راهبری در فشار پایین، انرژی ذخیره شود. متناوب بودن رانش شار اضافی از میان غشا توسط اعمال فشار Psig400 موجب صرف هزینه کمتر در تهیه دستگاههای اولیه می‌شود (به عنوان مثال، غشا و محفظه کمتری لازم است تا همان دپی به دست آید)، اما هزینه نگهداری زیاد می‌شود. افزایش گرفتگی که ناشی از زیاد بودن شار است موجب می‌شود که شستشوی شیمیایی و تعویض غشاها زودتر انجام پذیرد.

شکل - فرمول ساختمانی غشای 30- FT
شکل - فرمول ساختمانی غشای 30- FT

شکل -. فرمول ساختمانی غشای 15-B و 9-Dupton B
شکل -. فرمول ساختمانی غشای 15-B و 9-Dupton B

غشای پلی‌امید به عوامل اکسید کننده نظیر کلر آزاد یا یُد آزاد، بسیار حساس است.
بدن معنا که اگر در آب خوراک سیستم، کلر آزاد وجود دارد باید توسط یک عامل احیا کننده، نظیر بی‌سولفیت سدیم، یا با عبور آب خوراک از کربن فیلتر، کلر آزاد از میان برداشته شود. (توجه: با سازنده غشا تماس گرفته شود.)
به محض حذف عامل اکسید کننده از نوع بایو سایدی در آب خوراک، احتمال فعالیت بیولوژیکی و متعاقب آن، گرفتگی غشا بیشتر خواهد شد. در مورد بسیاری از آبهای سطحی و بعضی از چاههای آب، رشد بیولوژیکی موجب غیرقابل استفاده شدن غشای PA می‌شود؛ مخصوصاً اگر از سیستم به تناوب (نوبتی) استفاده شود.

غشای پلی امید لایه‌ی نازک که غالباً در صنایع تصفیه آب مورد استفاده قرار می‌گیرد، دارای مشخصات بار منفی است. در بعضی از منابع آب، این بار منفی سایر ذرات را که موجب گرفتگی شده‌اند، جذب می‌کند. تنها مواد شیمیایی که با این بار سازگار هستند باید در تماس با غشا قرار بگیرند. به عنوان مثال، فقط تَر سازهای آنیونی باید برای شستشوی غشای پلی‌امید آنیونی مورد استفاده قرار بگیرند.

مقایسه غشاهای پلی آمیدی و استات سلولز

میزان حذف آلاینده ها توسط غشاهای پلی آمید و استات سلولز سیستم اسمز معکوس

مقایسه غشاهای پلی آمید و استات سلولز سیستم اسمز معکوس

غشای پلی اَمید سیستم اسمز معکوس برای آب دریا

نوع خاصی از غشای پلی‌امید برای تصفیه آب دریا و سایر کاربردهایی که در آن ها نیاز به فشار زیاد است، موجود می‌باشد. این نوع المنت های غشا از یک لایه ضخیم‌تر پلی‌امید استفاده می‌کنند. میزان شار آب محصول با وجود لایه ضخیم تر غشاء کمتر است، اما دفع نمک، بهتر صورت می‌گیرد.
کاربرد غشای پلی امید برای آب دریا مزایایی دارد و نیز برای کاربردهایی غیر از آب دریا مناسب است. افزایش دور ریز املاح موجب بهبود کیفیت آب محصول می‌شود. همچنین، کاهش شار آّ محصول می‌تواند به کاهش پتانسیل گرفتگی غشا کمک کند.
در کاربردهایی که نیاز است غلظت آب دو ریز بسیار زیاد باشد، فشار اُسمزی سیستم در حالی که آب خوراک تغلیظ می‌شود، به طور محسوسی افزایش می‌یابد. برای رفع این مُعضل در مراحل بعدی، به فشار بیشتری نیاز است. به هرحال، پایین بودن فشار اُسمزی در ابتدای مرحله در صورت استفاده از المنت غشای پلی امید مخصوص آب دریا، موجب افزایش بیش از حد آب محصول می‌شود. المنت غشا برای آب دریا می‌تواند مورد استفاده قرار گیرد تا میزان شار را در سیستم RO موازنه کند و قادر به کاهش سرعت گرفتگی در المنتهای ابتدایی سیستم است.

برچسب: ،

امتیاز:

بازدید: