مفهوم علمی اسمز معکوس

مفهوم علمی اسمز معکوس متکی بر اصول پدیده انتقال جرم است. اختلاف غلظت نیز نیروی محرکه انتقال جرم بین دو جریان با غلظتهای متفاوت است. درک پدیده اسمز معکوس نیازمند درک پدیده انتقال جرم بر مبنای فشار اسمزی میان دو جریان با غلظتهای متفاوت است.

فرایند اسمز اولین بار در سال ۱۷۴۸ توسط ژان آنتوان نولت، کشیش و فیزیکدان فرانسوی کشف شد. در آزمایشات خود، نولت از مثانه خوك به عنوان غشایی استفاده كرد تا نشان دهد كه مولكولهای حلال با املاح کمتر می توانند به سمت مولكولهای که دارای املاح بالاتر است، از طریق دیواره مثانه جریان پیدا كنند. بنابراین، او اولین شخصی شد که فرایندی را نشان می دهد که توسط آن یک حلال می تواند از طریق فرآیند فشار اسمزی به روش غشاء نفوذ پذیر عبور کند.

پس از گذشت ۲۰۰ سال، پیشرفت کمی در مطالعه یا کاربرد فرآیند اسمز وجود داشت زیرا که دانشمندان از این فناوری فقط به عنوان یک دستاورد آزمایشگاهی اکتفا کرده بودند. این شرایط در اواخر دهه ۱۹۴۰ هنگامیکه محققان شروع به انجام آزمایش های مختلف در مورد ایجاد یک روش مؤثر برای شیرین سازی آب دریا بودند تغییر یافت. تبدیل آب شور یک هدف مهم در طی آن سالها بود؛ در سال ۱۹۵۹ دو محقق دانشگاه UCLA به نام های Sidney Loeb و Srinivasa Sourirajan، موفق به تولید یک غشاء موثر، قابل استفاده در فرایند شیرین سازی آب به روش اسمز معکوس شده بودند. به منظور الزام نفوذ جریان به سمت غشاء اسمز معکوس، فشار را بر روی قسمتی از آب حاوی املاح بالاتر اعمال کرده تا فقط مولكول های آب از فیلتر عبور كند. با طراحی های صورت گرفته شده، غشاء های فرایند اسمز معکوس قابلیت جداسازی نمکهای محلول و کاهش میزان TDS آب را دارا هستند. دوام بالا و امکان به کارگیری در فشار از خصوصیات مهم غشای مورد استفاده در فرایند اسمز معکوس است که نقش مهمی در توسعه این فرایند داشته است. 

در دهه ۱۹۶۰ ، اولین کارخانه تولید آب شیرین یا تصفیه آب صنعتی با بهره گیری از RO در کالیفرنیا ساخته شد. از سال ۱۹۶۵ بهره برداری از این کارخانه آغاز شد و با هدف دست یابی به شیرین سازی آب دریا با استفاده از فرایند اسمز معکوس، توجه دانشمندان و دولت های مختلفی در سراسر دنیا را به خود جذب کرد. این کارخانه قادر به تصفیه روزانه ۶۰۰۰ گالن در روز آب شور بود؛ اما تمرکز خود را در درجه اول در جهت تصفیه آب های زیرزمینی (brackish groundwater) معطوف کرده بودند که بسیار ساده تر از تصفیه آب دریا با شوری ۱۰ برابر بالاتر از آب زیرزمینی است؛ با این حال، کارخانه های دیگری واقع در La Jolla و Firebaugh جهت تولید ممبران صنعتی اسمز معکوس برای تصفیه آب دریا و کشاورزی فعالیت می کردند؛ و در نهایت تلاشهای آنها منجر به تولید طیف گسترده ای از فناوریهای غشایی شد که امروزه در صنایع مختلف مورد استفاده قرار می گیرند.

امروزه، فناوری اسمز معکوس در کاربردهای مختلف به غیر از تصفیه آب مورد استفاده قرار می گیرد. همچنین کارخانجات بزرگ پردازش فرایند اسمز معکوس بخش اعظمی از آب تصفیه شده مورد استفاده برخی شهرها و حتی کشورهای کوچک را تأمین می کنند. در حالی که تعداد کمی از مردم در مورد تاریخچه اسمز معکوس می دانند، این فناوری یکی از دستاوردهای علمی بسیار پرکاربرد و بسیار مهم در تاریخ بشر می باشد.

مفهوم علمی اسمز معکوس

مفهوم علمی اسمز معکوس وابسته به درک پدیده انتقال جرم است. اسمز معکوس(Reverse osmosis) فرایندی است که در آن از فشار برای غلبه به فشار اسمزی و معکوس نمودن جریان اسمزی از طریق یک غشای نیمه تراوا(semi Permeable membrane) استفاده می‌شود. درک پدیده اسمز معکوس نیازمند تفهیم پدیده طبیعی اسمز است. به طور طبیعی انتقال جرم از محیط با غلظت بالاتر به محیط با غلظت پایین تر انجام می شود. فشار ایجاد شده در این فرایند فشار اسمزی نام دارد. در صورتیکه فشار بالاتری از فشار اسمزی به محلول در جهت عکس وارد شود. جهت جریان طبیعی اسمزی معکوس خواهد گردید و اسمز معکوس رخ می دهد.

ایجاد پدیده اسمز معکوس بدون غشای نیمه تراوا ممکن نخواهد بود. غشای نیمه تراوا به محیط جدا کننده یا غشایی اطلاق می شود که اجازه عبور برخی از اتمها و مولکول ها را از خود می دهد و از عبور برخی دیگر از آنها ممانعت به عمل می آورد. وجود این خاصیت در غشای نیمه تراوا و درک پدیده اسمز معکوس، ایده شیرین سازی آبهای شور را به وجود آورد. شیرین سازی آب دریا و آبهای شور پرکاربردترین مصرف فرایند اسمز معکوس است.

برای تفهیم بهتر نحوه شیرین سازی آب دریا توسط پدیده اسمز معکوس فرض کنید دو ظرف، یکی حاوی آب نمک و دیگری حاوی آب خالص توسط یک لوله به یکدیگر متصل شوند و هر دو دارای ارتفاع مساوی از آب و در یک سطح قرار داشته باشند. جهت برقراری تعادل در غلظت یونهای سدیم و کلراید از ظرف آب نمک، یونهای نمک به صورت نفوذ مولکولی به ظرف آب خالص انتقال یافته تا تعادل غلظت بین هر دو ظرف برقرار گردد. اما اگر بین این دو ظرف و در مسیر جریان آب یک غشاء قرار گیرد که فقط اجازه دهد مولکولهای آب از آن عبور کنند، یونهای نمک اجازه عبور نخواهند داشت. جهت برقراری تعادل در غلظت مطابق پدیده اسمز، آب خالص از ظرف خود به ظرف آب نمک انتقال می‌یابد و این عمل تا آنجا ادامه می‌یابد که ارتفاع آب در ظرف آب نمک افزایش می یابد. این اختلاف سطح در حقیقت فشار اسمزی است. حال اگر فشار سطح در سمت آب نمک افزایش یابد، مسیر حرکت آب از طرف آب نمک به ظرف آب عوض می شود. با افزایش فشار میزان جریان عبوری از غشای نیمه تراوا نیز افزایش می یابد. این مفهوم در تمامی آب شیرین کن های سرتاسر دنیا منجر به شیرین سازی روزانه میلیونها لیتر آب دریا به آب شرب می شود.

 

مکانیزم های انتقال جرم در فرایند اسمز معکوس

تبیین مفهوم علمی اسمز معکوس مستلزم شناسایی قواعد و روابط انتقال جرم میان دو محیط با غلظتهای متفاوت است. مدلهای متفاوتی تا کنون برای تبیین علمی اسمز معکوس توسعه پیدا کرده اند که در ذیل به تشریح دو مدل بسنده می شود:

  • مدل Spiegler-Kedem-Katchalsky

مدل Spiegler-Kedem-Katchalsky بر اساس ترمودینامیک فرآیند برگشت ناپذیر ایجاد شده است؛ که مکانیسم این فرایند به صورت انتقال یون از طریق منافذ یک غشاء، در یک سیستم (حلال – نمک) توصیف می کنند. روابط بین شار حلال و عبور شار املاح عبوری از طریق غشاء اسمز معکوس یا نانوالیتراسیون طبق معادلات زیر توصیف می شود:

{ L }_{ p }\left( \Delta P-\sigma \Delta \pi \right)={ _{ v }{ J } }   

 { P }_{ s }\left( { C }_{ m }-{ C }_{ p } \right) +\left( 1-\sigma \right) { _{ m }{ J } }{ _{ v }{ C } }={ _{ s }{ J } }   

به ترتیب jv  و js  بیان کننده شار حلال و شار املاح، و پارامتر های ΔP و Δπ به ترتیب بیان کننده اختلاف فشار در ۲ سمت غشاء (transmembrane pressure) و فشار اسمزی می باشند. همچنین میزان فشار اسمزی در فرایند اسمز معکوس ارتباط مستقیمی با میزان شوری آب ورودی دارد. LP میزان نفوذ پذیری هیدرولیکی آب خالص،  ضریب بازگشت و PS  نشان دهنده مقدار نفوذ پذیری نمک می باشد همچنین Cm  و Cp  به ترتیب نشان دهنده مقدار غلظت نمک بر روی سطح ممبران و مقدار غلظت نمک در جریان آب تصفیه شده ( permeate ) اصطلاح σΔπ بیانگر فشار بحرانی است که حداقل فشار مورد نیاز برای جریان permeate می باشد.

منحنی تئوری مقدار نمک باقیمانده توسط معادله زیر تعریف شده است:

{ \sigma (1-F) }/{ (1-\sigma F) }=R    

{ exp }\left( ((\sigma -1)/Ps)\times Jv \right) =F   

معادله تئوری لایه مرزی با رابطه زیر بیان شده است:

{ \left( C0-Cp \right) }/{ \left( Cm-Cp \right) }={ exp }(Jv/K)   

 k = Dm / δ ضریب انتقال جرم می باشد که با نسبت ضریب انتشار Dm و ضخامت لایه انتشار δ تعریف می شود، همچنین C0 نشان دهنده غلظت نمک در خوراک است. با از بین بردن پارامتر غلظت در معادله ۵ با استفاده از روابط R =1-(Cp/C0) وR=1-(Cp/Cm) معادله ۶ را بدست می آوریم که ارتباط بین R باقیمانده و Robs را نشان می دهد.

{ Robs }/{ (1-Robs) }={ R }/{ (1-R) }\times exp(Jv/K)   

  • مدل Diffusion and convection of salts

با توجه به معادله دوم از نظریه قبل دو پارامتر دیده می شود که به ترتیب پارامتر اول مرتبط با پتانسیل نفوذ ذرات و دومین پارامتر مرتبط با میزان هدایت گرمایی می باشد بنابراین معادله را به صورت زیر می توان بازنویسی کرد:

J(v)\times C(p)=J(diff)+J(v)\times C(conv)=J(s)   

 

با توجه به روابط P(s)\times (C(m)-C(p))=J(diff)  و  (1-\sigma )\times C(int)=C(conv)  و با تقسیم J(v) بر معادله ۷ مشاهده خواهیم کرد:

(J(diff)\times (J(v)/1))+C(conv)=C(p)   

نمودار معادله ۸ به خطی منجر می شود كه شیب آن مطابق با شار انتشار نمك J(diff) و همچنین C(conv) بیان کننده غلضت نمک انتقال یافته در جریان تصفیه شده بر مبنای پارامتر انتقال گرما می باشد.

شکل ۱ متغیر بودن مقدار شار جریان تصفیه شده را با زمان نشان می دهد؛ در ابتدا هنگامیکه میزان کارکرد فرایند افزایش پیدا کند مقدار شار جریان تصفیه شده روند کاهشی پیدا خواهد کرد. بعد از فعالیت دستگاه در حدود ۴۰۰ ساعت مقدار افت شار جریان با مقیاس بزرگ تری ایجاد می شود نتایج شبیه سازی نشان می دهد که شار نفوذ در ابتدا به آرامی کاهش می یابد، اما با گذشت زمان، شیب غلظت افزایش می یابد و شار به شدت کاهش می یابد.

شکل ۲ نشان دهنده تغییرات غلظت نمک در جریان آب ورودی می باشد؛ با استناد بر مدل پیشنهاد شده سرعت افزایش غلضت جریان خوراک (ورودی) به آهستگی و به صورت خطی با زمان افزایش پیدا می کند؛ علاوه بر این موضوع غلظت خوارک به صورت نمایی هم دچار افزایش می شود. هنگام بهره برداری از سیستم اسمز معکوس حجم خوراک ابتدایی مورد استفاده قرار می گیرد. غلضت نمک در جریان reject به مراتب بیشتر از غلضت آن در جریان ورودی به سیستم اسمز معکوس می باشد. همچنین جریان (reject) طی مسیری به تانک های خوراک بازیابی می شوند. مقدار حجم جریان ورودی با توجه به میزان غلضت جریان های تصفیه شده و دور ریز در طی زمان سپری شده روند کاهشی پیدا خواهد کرد.

 

 

Prepared by: Seyed Ahmad Mohamadi