اسمز معکوس چیست؟

اسمز معکوس که با توجه به معادل لاتین آن، Reverse Osmosis، به اختصار RO نامیده می شود، پروسه ای است که در آن غشایی نیمه تراوا نقش اصلی را در تولید آب دیونیزه دارد. این عمل تحت فشار انجام می پذیرد. برای آشنایی کامل با این پروسه و درک جزئیات آن تا انتهای متن با ما همراه باشید.

آب دیونیزه آبی است که یون های موجود در داخل آن حذف شده اند. در اصطلاح علمی به این نوع آب، آب مقطر گفته می شود. زدودن یون های داخل آب تنها توسط روش RO انجام نمی شود بلکه در این مورد می توان از شیوه های مختلفی همچون استفاده از رزین تبادلگر یونی و روشهای دیگری نیز استفاده نمود. در تمامی این روش ها اصل بر این است که میزان یون های داخل آب به حداقل ممکن برسد.

اسمز چیست ؟

قبل از آشنایی با پروسه اسمز معکوس، بسیاری از افراد این پرسش را مطرح می کنند که خود فرآیند یا عبارت اسمز چیست؟ آشنایی با مفهوم اسمز کمک زیادی به درک پروسه اسمز معکوس نیز می کند. اسمز پدیده ای طبیعی است و در پروسه هایی که در طبیعت رخ می دهند، دیده می شود. در این فرآیند گفته می شود که آب تمایل به مهاجرت از یک محلول رقیق به سمت یک محلول غلیظ دارد. نمونه های این پدیده در طبیعت را شاید در زندگی روزمره خود زیاد دیده باشید. به عنوان مثال جذب آبی که ریشه های یک گیاه انجام می دهد یا جذب آب از خون توسط ارگان هایی چون شش ها از جمله موارد فرآیند اسمز در طبیعت هستند.
دیاگرام این پدیده در شکل زیر آورده شده است. در این فرآیند همانطور که فلش جهت جریان آب نشان می دهد، محلول با غلظت پایین تمایل دارد به سمت محلول غلیظ تر مهاجرت کند. در این مورد دو ظرف را در نظر بگیرید که توسط یک غشای نیمه تراوا از هم جدا شده اند. در داخل یکی از ظرف ها محلول آب نمک رقیق و در داخل دیگری محلول آب نمک غلیظ تر ریخته شده است. مشاهده می شود که آب محلول کم نمک به سمت محلول غلیظ تر مهاجرت می کند.

حال این پرسش مطرح می شود که غشای نیمه تراوا چیست و چگونه امکان انجام این مهاجرت را برای محلول ها فراهم می آورد؟ غشای نیمه تراوا که در زبان لاتین معادل با عبارت semi-permeable membrane است، غشایی با عملکرد به خصوص است که تنها به بعضی از اتم یا مولکولها اجازه گذار یا عبور می دهد. برای درک عملکرد این نوع غشاها می توانید در مقیاس بزرگ، درهای توری را در نظر بگیرید. این درها تنها اجازه عبور هوا را می دهند و ذرات دیگری همچون انواع آفات یا هر چیز دیگر بزرگتری از روزنه های آنها، اجازه عبور ندارد.

درک مفهوم اسمز معکوس

حال که با فرآیند اسمز آشنا شدیم، درک مفهوم اسمز معکوس راحت تر خواهد بود. همانطور که از نام آن پیداست، اسمز معکوس فرآیندی است که در آن پدیده طبیعی اسمز به صورت معکوس اتفاق می افتد. مسلما پدیده اسمز پدیده ای طبیعی و خود به خودی است و نیازی به صرف انرژی برای انجام آن وجود ندارد. اما اسمز معکوس که عکس این فرآیند عمل می کند، نیاز به صرف انرژی برای محلول غلیظ تر دارد.
در واقع، غشای نیمه تراوایی که برای انجام فرآیند اسمز معکوس به کار گرفته می شود تنها اجازه عبور مولکول های آب را می دهد. یون ها یا ذرات نمکی که در داخل محلول قرار دارند و همچنین مواد آلی، باکتری ها و سایر ذرات موجود در داخل محلول از این غشا عبور نمی کنند. در طی فرآیند اسمز معکوس با وجود امکان عبور مولکول های آب از طریق غشا، برای عبور آنها بایستی فشار رو به جلو اعمال شود. این فشار بایستی از فشار اسمزی طبیعی در جهت نمک زدایی آب بیشتر باشد.
دیاگرام زیر نیز فرآیند اسمز معکوس را نشان می دهد و درک چگونگی انجام آن کمک می کند. در این فرآیند همانطور که از شکل مجموعه پیداست، اعمال فشار از سمت محلول غلیظ تر باعث عبور مولکول های آب از غشای نیمه تراوا می شود. البته این نیرو تنها مولکول های آب را وادار به عبور از غشا می کند و سایر آلاینده ها و ذرات یونی و مولکولی موجود اجازه عبور از غشار را ندارند.

نحوه عملکرد فرآیند اسمز معکوس

همانطور که در بالا نیز بدان اشاره کردیم عنصر موثر در انجام فرایند اسمز معکوس، فشار است. پمپ فشار بالایی در این فرآیند برای افزایش فشار محلول نمکی استفاده می شود. این فشار نیرویی به مولکول های آب وارد می کند که از غشای نیمه تراوا عبور کنند. با این کار حدود 95 الی 99 درصد یون های آب زدوده می شوند. میزان فشار وارده تحت تاثیر عواملی اعم از غلظت محلو تعیین می شود. هر چه محلول غلیظ تر باشد فشار بیشتری لازم است تا مجموعه بر فشار اسمزی چیره شود.

مولکول های تحت فشار آب زمانی که به غشای نیمه تراوا می رسند، از آن عبور می کنند در حالی که سایر آلاینده ها اجازه چنین چیزی را ندارند. در حقیقت این غشای نیمه تراوا تنها اجازه ای عبور مولکول های آب را می دهد و یون ها و سایر آلاینده ها در پشت آن باقی می مانند. این جریان غلیظ حاوی نمک ها و آلاینده ها که جریان ریجکت یا جریان غلیظ نامیده می شود ممکن است وارد زهکش شده و یا برای صرفه جویی در آب به جریان آب خوراک بعدی اضافه شود. در حالی که آب عبور کرده از غشا یا آب پرمیت که برخی از منابع آن را محصول فرآیند اسمز معکوس می دانند، با حذف حدود 95 الی 99 درصد یون ها تصفیه می شود.
در این مورد لازم است بدانید که سیستم اسمز معکوس از فیلتراسیون متقابل در عوض فیلتراسیون استاندارد استفاده می کند. به عبارتی فیلتر دو خروجی دارد که آب فیلتر شده از یک خروجی آن و آب حاوی یون ها آلاینده ها از خروجی مقابل خارج می شوند. این نوع فیلتراسیون از تجمع آلاینده ها و آشفتگی جلوگیری نموده و سطح غشای سیستم را تمیز نگه می دارد.

اسمز معکوس برای حذف کدام نوع آلاینده ها از آب به کار می رود ؟

اسمز معکوس می تواند میزان نمک های حل شده ( یون ها )، کلوئیدها، باکتری ها، مواد آلی، پیروژن ها و سایر ذرات موجود در آب خوراک ورودی را تا حدود 99 درصد حذف نماید. البته از آنجایی که این روش یک روش فیزیکی برای حذف ذرات و آلاینده های آب است، نمی توان انتظار داشت که RO بتواند 100 درصد انواع باکتری ها و ویروس های موجود در آب ورودی را حذف نماید. در حقیقت اساس کار یک سیستم اسمز معکوس، حذف آلاینده ها بر مبنای اندازه و بار الکتریکی آنهاست. به طور کلی می توان گفت در فرآیند RO هر ذره آلاینده ای که جرم مولکولی بالاتر از 200 داشته باشد با اجرای صحیح فرآیند از آب حذف می شود. دقت داشته باشید که جرم مولکولی مولکول آب برابر با 18 گرم بر مول است. علاوه بر جرم، ذرات دارای باریونی بزرگ نیز در طی این فرآیند حذف می شوند. در حقیقت این ذرات قادر به عبور از غشای نیمه تراوای سیستم اسمز معکوس نیستند.

در این مورد می توان دو یون با بار مثبت همچون سدیم یک بار مثبت را با منیزیم دو بار مثبت مقایسه کرد. از آنجایی که بار یونی سدیم کمتر است، ذرات این کاتیون به آسانی ذرات کاتیون منیزیم از آب (در طی فرآیند RO) حذف نمی شوند.
واضح است که سیستم اسمز معکوس نمی تواند گازهای داخل آب خوراک را حذف کند. در حقیقت گازهای چون گاز کربن دی اکسید به خوبی از طریق این سیستم قابل حذف نیستند زیرا به خوبی در داخل آب به یون تبدیل نمی شوند و جرم مولکولی بسیار پایینی دارند. با توجه به این نکته گفته می شود که آب پرمیت یا محصول خروجی از فرآیند اسمز معکوس، می تواند دارای PH کمتر از میزان طبیعی PH آب مقطر باشد. کربن دی اکسید موجود در آب می تواند به کربونیک اسید تبدیل شده و اسیدیته آب را پایین آورد. البته میزان این کاهش اسیدیته بستگی به میزان کربن دی اکسید موجود در آب دارد.

در حالت کلی می توان گفت اسمز معکوس روشی مناسب برای تصفیه آب های شور ، آب های زیر زمینی و سایر آب های سطحی است. صنایع بسیار زیادی از جریان آب خروجی (محصول) فرآیند اسمز معکوس استفاده می کنند. از جمله این صنایع می توان به صنایع دارویی، صنایع بکار گیرنده دیگ های بخار، صنایع غذایی و صنایع تولیدکننده نوشیدنی ها و ... اشاره کرد.