سیستم اسمز معکوس در تصفیه آب

اسمز معکوس (reverse osmosis system device)، فرآیند حذف مواد معدنی است که مبتنی بر استفاده از غشاء نیمه‌تراوا ، جهت جداسازی جامدات حل‌شده از مایع می‌باشد. غشاء نیمه‌تراوا به مایع و برخی از یون‌ها اجازه‌ عبور می‌دهد ، اما جامدات حل ‌شده را به توده‌ سیال بازمی‌گرداند. اگرچه می‌توان از مایعات (حلال‌های) زیادی استفاده نمود ، اما کاربرد اصلی RO در سیستم‌های آبی می‌باشد. به‌هرحال ، کلیه‌ مباحث و مثال‌های بعدی مبتنی بر استفاده از آب به‌عنوان حلال مایع می‌باشند.  

جهت درک طرز کار RO ، ابتدا لازم است که فرآیند طبیعی اسمز فهمیده شود.

اسمز یک فرآیند طبیعی است که در آن ، آب موجود در محلولی که حاوی جامدات حل‌شده با غلظت کم است ، از میان غشاء نیمه‌تراوا عبور می‌کند.
شکل 1 ، تصویر یک ظرف است که توسط غشاء نیمه‌تراوا به دو بخش تقسیم شده است. این غشاء به آب و برخی از یون‌ها اجازه‌ عبور می‌دهد ، اما برای بیشتر جامدات حل‌شده نفوذناپذیر است. یک قسمت از ظرف حاوی محلول با غلظت بالایی از جامدات حل‌شده می‌باشد ، در حالی‌که در بخش دیگر محلول با غلظت کم از جامدات حل‌شده وجود دارد. اسمز یک فرآیند طبیعی است که در آن ، آب از بخشی که حاوی جامدات حل‌شده با غلظت کم است به بخش دیگر که غلظت بالایی از جامدات حل‌شده دارد ، جریان می‌یابد. جریان آب از میان غشاء تا جایی ادامه می‌یابد که غلظت در دو طرف غشاء مساوی شود.
در حالت تعادل ، غلظت جامدات حل‌شده در دو بخش یکسان است ( شکل 2) ، در این هنگام هیچ جریانی بین این قسمت‌ها وجود ندارد. اگرچه ، سطح آب در قسمتی‌که حاوی محلول با غلظت بیشتر بود ، اکنون بالاتر از دیگر قسمت‌ها است.
اختلاف ارتفاع بین دو قسمت مربوط به فشار اسمز محلول است که اکنون در حالت تعادل قرار دارد.
شکل 1 ظرفی که توسط غشاء نیمه‌تراوا به دو بخش تقسیم شده است . آب با استفاده از فرآیند اسمز با عبور از میان غشاء نیمه‌تراوا ، از بخشی که حاوی محلول با غلظت کم است ، به بخش دیگر که حاوی محلول با غلظت بالا است جاری می‌شود.

غشاء نیمه‌تراوا

شکل 2 حالت تعادل غلظت . اختلاف ارتفاع به‌علت وجود فشار اسمز محلول .

غشاء نیمه‌تراوا

فشار اسمزی ( که معمولاً π (پی) نامیده می‌شود) تابعی از غلظت جامدات حل‌شده است. مقدار آن بین 0.6 تا 1.1 psi به‌ازای هر 100 ppm  از کل جامدات حل‌شده (TDS) می‌باشد. برای مثال ، فشار اسمز آب لب‌شور با TDS برابر با 1500 ppm ، تقریباً مساوی با 15psi  می‌باشد. در مورد آب دریا با TDS برابر با 35000 ppm ، فشار اسمز تقریباً مساوی با 350psi  است.

اسمز معکوس
اسمز معکوس فرآیندی است که توسط وارد آوردن فشاری بیش از فشار اسمز ، بر روی بخشی که حاوی محلول با غلظت زیاد است ، کار می‌کند.
شکل 3 اسمز معکوس فرآیندی است که توسط وارد آوردن فشاری بیش از فشار اسمز ، بر روی بخشی که حاوی محلول با غلظت زیاد است ، کار می‌کند ، آب تحت فشار از میان غشاء نیمه‌تراوا خلاف جهت اسمز جاری می‌شود.

 غشاء نیمه‌تراوا

چنین فشاری به آب نیرو وارد می‌کند تا از میان غشاء خلاف جهت اسمز عبور نماید. اکنون آب از قسمتی که حاوی محلول با غلظت زیاد است به‌طرف قسمتی که حاوی محلول با غلظت کم است ، جاری می‌شود. در این حالت ، آب نسبتاً خالص با عبور از میان غشاء ، از بخشی که جامدات حل‌شده را در خود نگه‌داشته است به طرف بخش دیگر حرکت می‌کند. به‌هرحال آب موجود در یک قسمت تصفیه یا " عاری از مواد معدنی " شده است ، و غلظت جامدات در بخش دیگر زیاد شده یا آب‌گیری می‌شوند.
به‌علت مقاومت افزوده‌ی غشاء ، لازم است که فشار اعمال شده ، جهت انجام شدن فرآیند اسمز معکوس ، به‌طور قابل توجهی بیش از فشار اسمز باشد. برای مثال ، برای آب لب‌شور با TDS برابر با 1500 ppm ، فشار عملیاتی RO می‌تواند تقریباً بین 150 تا 400 psi  باشد. برای آب دریا با TDS برابر با 35000 ppm ، فشار عملیاتی RO برابر با 1500 psi  می‌باشد.

نوعی از فیلتراسیون که در شکل‌های 1 ، 2 و 3 نشان داده شده است، فیلتراسیون با     "مجرای بسته" ("جریان خاتمه یافته" یا "جریان مستقیم") نامیده می‌شود. از فیلتراسیون با مجرای بسته ، در عبور آب خوراک از میان غشاء و باقی ماندن جامدات در پشت غشاء استفاده می‌شود.
شکل 4 فیلتراسیون با مجرای بسته ، فرآیند ناپیوسته‌ای است که در آن یک جریان خروجی از یک جریان ورودی حاصل می‌شود.

یک فیلتر معمولی قهوه را مانند شکل 4 در نظر بگیرید. آب ورودی با قهوه‌ ته‌نشین شده بر روی یک طرف فیلتر مخلوط می‌شود. سپس، آب از میان فیلتر عبور می‌کند و تبدیل به قهوه‌ای می‌شود که تا حد زیادی عاری از رسوبات قهوه است. به ‌طور واقعی تمام آب خوراک از میان فیلتر عبور می‌کند و تبدیل به قهوه می‌شود. یک جریان ورودی ، که در این‌ حالت آب می‌باشد ، فقط یک جریان خروجی تولید می‌کند ، که در این حالت قهوه است. این فرآیند ، فیلتراسیون با مجرای بسته می‌باشد.
فیلتراسیون با مجرای بسته ، یک فرآیند ناپیوسته می‌باشد. یعنی فیلتر دچار انباشتگی می‌شود و سرانجام توسط ذراتی که مانع از عبور آب می‌شوند ، مسدود می گردد. در این حالت باید سیستم را از مدار خارج کرده و تمیز یا تعویض نمود.

فیلتراسیون با جریان متقاطع
در فیلتراسیون با جریان متقاطع ، آب خوراک به‌طور مماس بر روی سطح غشاء ، نه به‌صورت عمود بر آن ، عبور می‌کند. آب و برخی از جامدات حل شده از میان غشاء عبور می‌کنند تا زمانی ‌که اکثر جامدات حل شده و مقداری از آب نتوانند از میان غشاء عبور کنند. به هرحال ، فیلتراسیون با جریان متقاطع دارای یک جریان ورودی است اما دو جریان خروجی دارد. این امر در شکل 5 نشان داده شده است.
شکل 5 فیلتراسیون با جریان متقاطع یک فرآیند پیوسته است که از یک جریان ورودی ، دو جریان خروجی تولید می‌کند.

جریان متقاطع به حداقل شدن لای‌گرفتگی یا رسوب‌گذاری در ممبرین‌های RO کمک می‌کند. یک راه برای تمیز نگه‌داشتن سطح غشاء از جامداتی که می‌توانند باعث انباشتگی و ایجاد لای یا رسوب در ممبرین شوند ، وجود جریان مماسی در سراسر سطح ممبرین است که به تمیز ماندن سطح از طریق شستشوی آن کمک می‌کند ؛ جهت مؤثر واقع شدن شستشوی سطح باید شدت جریان‌ها در سراسر سطح غشاء حداقل باشند.
به‌صورت تئوری ، جریان متقاطع یک عملیات پیوسته است ، مانند فرآیند شستشو که سطح غشاء را از رسوبات تمیز می‌کند. به‌هرحال در عمل ، کار شستشوی ناشی از جریان متقاطع ، اغلب برای جلوگیری از ایجاد لای و رسوب کافی نمی‌باشد. به‌طور متناوب ، ممبرین‌ها باید از خط خارج شده و با انجام عملیات شستشو از موادی که بر روی سطح آن‌ها انباشته شده اند، پاک شوند.
شکل 6 نموداری است که چگونگی عملکرد واقعی جریان متقاطع را در سیستم RO نشان می‌دهد. خط مورب داخل مستطیل ، وجود غشاء را نشان می‌دهد. این نمودار نشان می‌دهد که چگونه جریان ورودی ، با استفاده از فشاری بیشتر از فشار اسمزی محلول ، به دو جریان خروجی تقسیم می‌شود. محلولی که از میان غشاء عبور می‌کند جریان تصفیه شده یا تولید شده نامیده می‌شود ، و محلولی که توسط غشاء نگه‌داشته می‌شود ، محلول غلیظ شده ، دفع شده ، پساب ، آب نمک ، یا رد نشده نامیده می‌شود. شیر کنترل جریان بر روی جریان غلیظ شده ، فشار معکوس لازم جهت انجام فرآیند اسمز معکوس را تولید می‌کند. بسته شدن این شیر باعث می‌شود که نیروی محرکه‌ کل ناشی از فشار افزایش یابد ، و مطابق با آن مقدار جریان آب ورودی که از میان غشاء رد شده و به آب تصفیه شده تبدیل می گردد نیز بیشتر شود.
شکل 6 فیلتراسیون با جریان متقاطع همراه با نشان دادن شیر کنترل بر روی جریان غلیظ شده