فیلتراسیون به روش اسمز معکوس (Reverse Osmosis)

اسمز معکوس یا به اختصار  ROیك فرایند فیزیكی است كه  به کمک آن می توان از محلولی (حلال + ناخالصی) به كمك یك غشاء نیمه تراوا، حلال تقریبا خالص تهیه كرد.  در فیلتراسیون آب به این روش در واقع آب دیونیزه (deionize water) توسط یک غشا نیمه‌تراوا تحت فشار تولید می‌گردد.

آب دیونیزه یا آب یون زدوده همان آب مقطر است که قبل یا طی تقطیر یا حتی بعد از آن، با افزودن مراحلی مثل گذراندن از رزین تبادلگر یونی یا روش‌های دیگر مثل اسمز معکوس میزان یون‌های آن به کمترین مقدار رسیده باشد. بعنوان مثال به كمك این روش می توان از آب شور، آب آشامیدنی مطلوب تهیه كرد.

اسمز معكوس می تواند تا ۹۸% مواد معدنی حل شده و مواد آلی و كلوئیدی آب را حذف كند.

 تكنولوژی اسمز معكوس

در دهه های اخیر با به بازار آمدن انواع جدیدی از غشاها، ب طور قابل توجهی گسترش یافته است . اسمز معكوس با ظرفیت ۱۰ لیتر در روز الی ۴۰ متر مكعب در دقیقه را می توان از بازارهای جهانی تهیه كرد.

فرآیند اسمز معکوس

برای درک هدف و فرایند اسمز معکوس باید درکی از  فرایند ایجاد اسمز داشت. اسمز یک پدیده‌ی طبیعی و یکی از مهم‌ترین فرایندهای طبیعت است. فرایندی که در آن آب از محلول رقیق تمایل به مهاجرت به سمت محلول غلیظ دارد. نمونه‌های اسمز شامل جذب آب توسط ریشه‌های گیاهان از خاک و جذب آب از خون توسط شش‌ها هستند.

شکل زیر دیاگرام روش کار کردن اسمز را نمایش می‌دهد. محلول با غلظت کم به طور طبیعی تمایل به مهاجرت به سمت محلول با غلظت بیشتر دارد. به عنوان مثال، یک ظرف پر از آب با یک غلظت کم‌ نمک و یک ظرف دیگر پر از آب با غلظت نمک بالا را در نظر بگیرید. این دو ظرف توسط یک غشای نیمه‌تراوا از هم جدا شده‌اند. مشاهده می‌شود آب در محلوا با غلظت کم نمک شروع به مهاجرت به سمت مخزن با غلظت بالای نمک می‌کند.

اسمز معکوس

اسمز معکوس با استفاده از یک پمپ فشار بالا برای بالا بردن فشار سمت محلول نمکی فعالیت می‌کند. این فشار نیرویی را به آب برای عبور از غشای نیمه‌تراوا وارد می‌نماید. آب از این طریق حدودا ۹۵ تا ۹۹ درصد نمک‌های حل‌شده را ترک می‌کند. مقدار فشار مورد نیاز بستگی به غلظت آب ورودی دارد. هرچه غلظت آب ورودی بیشتر باشد، فشار بیشتری برای غلبه کردن به فشار اسمزی نیاز است.

آب یونیزه شده، آب پرمیت (permeate water) یا محصول نامیده می‌شود. جریان آب که حاوی آلاینده‌های غلیظ است و از طریق غشای اسمز معکوس عبور نمی‌کنند، جریان ریجکت (reject stream) یا غلیظ نام‌گذاری شده است.

فیلتر دارای دو خروجی است: آب فیلتر شده از یک مسیر و آب حاوی آلاینده از مسیر دیگر خارج می‌گردد. برای جلوگیری از ایجاد آلاینده، فیلتراسیون جریان متقابل به آب اجازه می‌دهد تا آلودگی را از بین ببرد. همچنین باعث ایجاد آشفتگی کافی جهت تمیز نگه‌داشتن سطح غشا می‌شود.

معیار های انتخاب غشا در فیلتراسیون به روش اسمز معکوس

غشاها باید ارزان قیمت ، دارای طول عمر بالا و مفید باشند و همچنین به راحتی تولید و راندمان حذف نمک بالایی داشته باشند. در فیلتراسیون اسمز معکوس RO همچنین ممبران ها باید دارای فلاکس بالای آب و تمایل کم به رسوب‌گذاری داشته باشند. همچنین آن‌ ها باید اجازه عبور جریان بسیار زیاد آب از طریق غشا ها را متناسب با حجم اشغالی بدهند. غشا ها باید از نظر شیمیایی ، فیزیکی و دمایی در آب‌ های شور پایدار باشند. همچنین باید به قدری مقاوم باشند تا در برابر فشارهای بالا و کیفیت‌های متفاوت آب ورودی مقاوم باشند.

کاربرد فیلتراسیون اسمز معکوس

روش اسمز معکوس جهت تصفیه منابع آب مانند:

• آب دریا
• آب های لب شور
• آب شرب خانگی

فرایند اسمز معکوس RO جهت تصفیه آب برای مصارف :

• آب آشامیدنی
• آب صنعتی
• آب کشاورزی
• صنایع نوشیدنی و غذایی
• صنایع دارویی
• آب ورودی به دیگ بخار

توانایی فیلتراسیون اسمز معکوس در حذف آلاینده ها

اسمز معکوس قادر به حذف ۹۹٪ از نمک‌های محلول (یون‌ها)، ذرات، کلوئیدها، مواد آلی، باکتری‌ها و pyrogens از آب خوراک هستند. یک غشای اسمز معکوس، آلاینده‌ها را بر اساس اندازه و بار آن‌ها حذف می‌کند. هر آلاینده با وزن مولکولی بزرگ‌تر از ۲۰۰ با اجرای مناسب سیستم فیلتراسیون اسمز معکوس، احتمالا حذف می‌شود (وزن مولکولی یک مولکول آب ۱۸ است). همچنین آلاینده‌ها با بار یونی بزرگ‌تر، قادر به عبور از غشای اسمز معکوس نخواهد بود. به عنوان مثال، یک یون سدیم تک ظرفیتی به خوبی کلسیم دو ظرفیتی توسط غشای اسمز معکوس حذف نمی‌شود. گازهایی مانند کربن‌دی‌اکسید به این دلیل به خوبی قابل حذف نیستند؛ زیرا در محلول به خوبی به یون تبدیل نمی‌شوند و وزن مولکولی بسیار کمی دارند.

انواع سیستم های فیلتراسیون به روش اسمز معکوس

در این بخش تفاوت بین مرحله و گذر همراه با مفهوم آرایش، جریان برگشتی و … توضیح داده می شود.

مرحله (stage) در سیستم اسمز معکوس

در یک سیستم فیلتراسیون اسمز معکوس تک مرحله‌ای (stage)، آب خوراک از یک مسیر وارد اسمز معکوس می‌شود و از یک مسیر دیگر به‌عنوان آب تولیدی و یا آب غلیظ شده خارج می‌گردد. در سیستم اسمز معکوس دو مرحله‌ای، جریان ریجکت یا غلیظ از مرحله‌ی اول به عنوان جریان ورودی به مرحله‌ی دوم وارد می‌شود. آب تولیدی از مرحله‌ی اول با آب تولیدی از مرحله‌‌ی دوم با هم در یک مخزن جمع می‌شوند. مرحله‌ی دوم درصد بازیافت را افزایش می‌دهد.

• اسمز معکوس تک مرحله ای

• اسمز معکوس دو مرحله ای

در سیستم اسمز معکوس یک آرایش، چیدمان فیزیکی مخازن فشار را در یک سیستم چند مرحله‌ای توصیف می‌کند. مخازن تخت فشار از یک تا ۶ غشا یا سلول دارند. هر مرحله شامل تعداد مشخصی از مخازن تحت فشار است. ریجکت هر مرحله هم جریان ورودی به مرحله‌ی بعدی است.

سیستم اسمز معکوس با جریان برگشتی

در یک سیستم اسمز معکوس در صورتی که خواص شیمیایی آب خام اجازه دهد، یک جریان برگشتی از جریان آب غلیظ می‌تواند به عنوان کمکی به جریان ورودی اضافه شود و درصد بازیافت سیستم را افزایش دهد.

گذر (pass) در سیستم اسمز معکوس

اختلاف بین یک سیستم «تک گذر» (single pass) و «دو گذر» (double pass) در این است که در سیستم دو گذر، آب تولیدی از گذر اول به گذر دوم به عنوان جریان خوراک وارد می‌شود. این عمل باعث می‌شود که آب تولیدی از گذر دوم بسیار با کیفیت و خالص باشد؛ زیرا از دو سیستم اسمز معکوس عبور کرده است. علاوه بر تولید آب تولیدی با کیفیت خیلی بالا، یک سیستم اسمز معکوس دو مرحله‌ای همچنین این امکان رو می‌دهد که گاز کربن دی اکسید را از آب تولیدی با تزریق کاستیک در فاصله‌ی بین دو سیستم اسمز معکوس، حذف کند.

کربن‌دی‌اکسید برای بستر رزینی تبادل یون بعد از اسمز معکوس نامطلوب است. با افزودن کاستیک سودا بعد از گذر اول، pH آب تولیدی گذر اول افزایش و کربن‌دی‌اکسید به بی‌کربنات و کربنات تبدیل می‌گردد. در سیستم فیلتراسیون اسمز معکوس تک گذر این امکان وجود ندارد، چون تزریق کاستیک سودا و تشکیل کربنات در حضور کاتیون‌ها از جمله یون کلسیم، باعث تشکیل رسوب روی غشاهای اسمز معکوس می‌گردد.

پیش تصفیه ی اسمز معکوس (Ro Pretreatment)

در پیش تصفیه‌ی مناسب، به کارگیری هر دو روش تصفیه‌ی مکانیکی و شیمیایی برای جلوگیری از رسوب‌گذاری غشا‌ و هزینه‌های ناشی از تخریب زودرس غشا‌ها و نیاز به شستشوی مکرر، حیاتی است.

برخی از مشکلات ناشی از عدم پیش تصفیه‌ی مناسب یک سیستم فیلتراسیون اسمز معکوس

• رسوب گذرای مواد آلی و بیولوژیکی

رسوب‌گذاری یا فولینگ (Fouling) زمانی رخ می‌دهد که آلودگی‌ها بر روی سطح موثر غشا انباشته شوند. آلاینده‌های زیادی در آب خوراک ورودی به سیستم وجود دارد که برای سلامتی انسان مضر هستند ولی به اندازه‌‌ای نیستند که به سرعت روی غشا آن‌ها فولینگ ایجاد کنند. فولینگ معمولا در انتهای سیستم اسمز معکوس تشکیل می‌شود و سبب افت فشار و کاهش دبی تولید می‌گردد. این امر باعث افزایش هزینه‌های بهره‌برداری و نیاز به انجام نظافت درجا (cleaning in place) یا به اختصار «CIP» و تعویض غشا‌ها می‌شود.

• رسوب گذاری مواد معدنی

وقتی غلظت ترکیبات خاصی از محلول (مواد معدنی) زیاد گردد و این میزان از میزان ممکن حلالیت بیشتر باشد، رسوب‌گذاری اتفاق می‌افتد. در اثر این رسوب‌گذاری، افت فشار در طول سیستم افزایش، عبور نمک از غشا افزایش، دبی و کیفیت آب تولیدی کاهش می‌یابند. رایج‌ترین رسوب تشکیل شده روی غشا، رسوب کلسیم کربنات (CaCO3) است.

عوامل موثر در تشکیل رسوب

• مواد کلوئیدی یا ذرات ریز (خاک، خاک رس ….)
• مواد آلی بیولوژیکی (اسید هومیک/فلویک…)
• میکروارگانیسم‌ها (باکتری‌ها،…). باکتری‌ها یکی از شایع‌ترین مشکلات رسوب‌گذاری اسمز معکوس هستند که قادر به تحمل مواد ضد عفونی کننده‌ای مانند کلرین نیستند. میکروارگانیسم‌ها می‌توانند روی سطوح رشد کنند و باعث تشکیل «بیوفیلمی» (biofilm) شوند که سطح غشا را می‌پوشاند و یک فولینگ سنگین ایجاد می‌کند.
• نشتی در فیلترهای بالادستی سیستم اسمز معکوس از قبیل فیلترهای کربن فعال و یا سختی گیر رزینی و عدم فیلتراسیون مناسب در محل، می‌توانند به سیستم اسمز معکوس آسیب برسانند.
• حمله­ ی شیمیایی

انواع روش های تصفیه در فیلتراسیون اسمز معکوس

• فیلترهای مولتی مدیا
• مایکروفیلتراسیون MF
• استفاده از آنتی اسکالانت و بازدارنده های رسوب گذاری
• سختی­گیری با تبادل یون
• تزریق سدیم بی­سولفیت
• کربن فعال گرانولی GAC

توضیحات دو روش اول در بخش تصفیه فیزیکی و فیلتراسیون برحسب اندازه ذرات آورده شده است.

آنتی اسکالانت و بازدارنده­ها (AntiScalant and Scale Inhibitor)

آنتی اسکالانت و بازدارنده‌های رسوب‌گذاری ، مواد شیمیایی هستند که قبل از واحد اسمز معکوس برای کمک به کاهش پتانسیل رسوب­گذاری آب ورودی به آب تزریق می‌شوند. آنتی اسکالانت و بازدارنده‌ی رسوب‌گذاری، محدوده‌ی حلالیت ترکیبات معدنی مزاحم را افزایش می‌دهند. با افزایش این محدوده‌ی حلالیت، غلظت نمک‌ها بالاتر رفته و سیستم با درصد بازیافت و فاکتور غلظت بالاتر کار می‌کند. مکانیسم عمل آنتی اسکالانت ها، دخالت در تشکیل رسوب و رشد بلورها است. نوع آنتی اسکالانت و بازدارنده‌ی رسوب و دوز مصرفی مناسب آن‌ها بستگی به وضعیت شیمیایی آب خوراک ورودی و طراحی سیستم اسمز معکوس دارد.

سختی­گیری با تبادل یونی (Softening by Ion Exchange)

سختی آب ناشی از کاتیون های كلسیم و منیزیم و به مقدار كمتر تركیبات فلزاتی چون آهن، منگنز و آلومینیم می‌باشد. از آنجایی كه سه فلز مذكور به مقادیر جزئی در آب موجودند لذا اثر آنها در سختی آب كم است بنابراین کاتیون های کلسیم و منیزیم عامل اصلی ایجاد سختی آب در تصفیه آب به حساب می آید .متداولترین روش برای حذف سختی آب و تصفیه آب ، استفاده از سختی‌گیر های کاتیونی  می‌باشد . رزین‌هایکاتیونی ، كلسیم و منیزیم را با سدیم تعویض كرده و آب سخت را به آب نرم تبدیل می‌كنند .

تزریق سدیم بی­سولفات(SMBS or SBS)

با تزریق سدیم بی‌سولفیت  به عنوان یک عامل کاهنده به جریان آب ورودی و قبل از واحد اسمز معکوس با یک دوز مناسب می‌توان کلر باقیمانده در آب را حذف و در نتیجه از خراب شدن ممبران و درنتیجه حمله­ی شیمیایی پیشگیری کرد.

 کربن فعال گرانولی GAC

کربن فعال گرانولی برای حذف آلودگی‌های مواد آلی و باقیمانده مواد ضدعفونی کننده آب مانند کلر و کلرآمین‌ها استفاده می‌شود. محیط کربن فعال از ذغال سنگ، پوسته‌ی خشکبار یا چوب ساخته شده است. کربن فعال باقیمانده‌ی کلر و کلرآمین‌ها را توسط یک واکنش شیمیایی حذف می‌نماید. این واکنش‌ شیمیایی شامل انتقال الکترون‌ها از سطح کربن فعال گرانولی به کلروآمین‌ها یا کلر باقیمانده است.

اشکال استفاده از کربن فعال قبل از واحد اسمز معکوس، جذب سریع کلر در بالای بستر کربن فعال است. بقیه‌ی بستر بدون هیچ زیست‌کشی جهت نابودی میکرواورگانیسم‌ها باقی می‌ماند.همچنین کربن فعال مواد آلی را در مسیر بستر جذب خواهد کرد.این مواد آلی می‌توانند غذایی برای باکتری‌ها باشند. بنابراین یک بستر کربن فعال می‌تواند زمینه‌ای برای رشد باکتری‌ها باشد که به آسانی از غشا‌های اسمز معکوس عبور می‌نماید. به همین ترتیب یک بستر کربنی می‌تواند با تولید ذرات ریز کربنی تحت یک سری شرایط سبب فولینگ در واحد اسمز معکوس شود.