اسمز معکوس چیست؟

دانشنامه 12 اردیبهشت 1401

پدیده اسمز برای اولین بار در سال ۱۷۴۸ توسط ژان-آنتوان نولت مشاهده شد. با این حال ، این تکنیک برای تصفیه آب توسط دانشگاه کالیفرنیا در لس آنجلس در سال ۱۹۵۰ معرفی شد. تا سال ۲۰۰۱ ، ۱۵۲۰۰ کارخانه تقطیر آب در ایالات متحده این تکنیک را برای تصفیه آب اتخاذ کرده اند. از زمان معرفی تجاری ، از این تکنیک برای اهداف تصفیه آب داخلی و صنعتی استفاده می شود. کاربردهای صنعتی اسمز معکوس معمولاً در معرض حذف آلاینده های محلول از آب قرار می گیرند. این می تواند آلودگی شیمیایی و همچنین آلودگی میکروبی یا بیولوژیکی را از بین ببرد ، بنابراین سیستم های اسمز معکوس (RO) برای تصفیه آب تجاری و صنعتی در دستگاه آب شیرین کن صنعتی مورد استفاده قرار می گیرد.

اسمز معکوس چیست؟

اسمز معکوس یک فرآیند تصفیه آب است که از یک غشای نیمه تراوا (پوشش مصنوعی) برای فیلتر کردن مولکول‌های ناخواسته و ذرات بزرگ مانند آلاینده‌ها و رسوبات مانند کلر، نمک و کثیفی آب آشامیدنی استفاده می‌کند. علاوه بر حذف آلاینده ها و رسوبات، اسمز معکوس می تواند میکروارگانیسم ها را نیز از بین ببرد . آب را تا سطح مولکولی تمیز می کند و تنها H2O خالص را پشت سر می گذارد.

اسمز معکوس

فشار اسمزی چیست؟

فشار اسمزی یک محلول  معادل فشاری است که باید بر آن وارد شود تا از جریان حلال به داخل آن در یک غشای نیمه تراوا جلوگیری شود. به عبارت دیگر، حداکثر فشاری که می تواند در محلول جدا شده از آب خالص توسط یک غشای نیمه تراوا ایجاد شود، فشار اسمزی نامیده می شود. اندازه گیری آن بر حسب پاسکال، pa) 1pa = 1 نیوتن/m2) است. فشار اسمزی یک محلول تا حد زیادی به نسبت بین تعداد ذرات املاح و حلال در یک محلول معین بستگی دارد. به عنوان مثال، یک محلول مولی ساکارز دارای فشار اسمزی تقریباً ۲۲.۴ اتمسفر است. با این حال، یک محلول مولی کلرید سدیم تقریباً دو برابر فشار اسمزی یک محلول مولی ساکارز است. این به این دلیل است که کلرید سدیم یک الکترولیت است و تقریباً به طور کامل به یون‌های Na+ و Cl– تجزیه می‌شود (دوبرابر تعداد ذرات را می‌دهد) در حالی که مولکول‌های ساکارز یا گلوکز غیر الکترولیت هستند و در آب تجزیه نمی‌شوند. فشار اسمزی محلول داده شده را می توان با استفاده از رابطه زیر محاسبه کرد. فشار اسمزی = CST (که در آن C غلظت مولی یک محلول است، S ثابت محلول است که ۰.۰۸۲ و T دمای مطلق است، یعنی 0C + 273.

اسمز معکوس چگونه کار می کند؟

قبل از اینکه به جزئیات نحوه عملکرد اسمز معکوس بپردازیم، باید با توضیح نحوه عملکرد اسمز شروع کنیم. همانطور که ممکن است از کلاس شیمی دبیرستان خود به یاد داشته باشید، اسمز فرآیندی است که طی آن آب از یک غشای نیمه تراوا از محلولی با غلظت کمتر به محلول غلیظ تر عبور می کند. به عبارت دیگر، آب خالص از طریق فیلتر به آب آلوده می‌رود تا غلظت‌ها را برابر کند – این چیزی نیست که ما می‌خواهیم آب آشامیدنی ما انجام دهد. این حرکت باعث ایجاد فشار اسمزی می شود

در اسمز معکوس از فشار اعمالی برای غلبه بر فشار اسمزی و هدایت آب از غلظت بالای آلاینده ها به غلظت کم آلاینده استفاده می شود. این به این معنی است که به طور معکوس فشار داده می شود و آب آلوده سعی می کند به آب خالص منتقل شود، اما چون ابتدا باید از فیلتر عبور کند، آلاینده ها به دام می افتند و فقط آب خالص از آن عبور می کند. در نتیجه تمیزترین آب آشامیدنی ممکن است – که دقیقاً همان چیزی است که ما می خواهیم!

اسمز معکوس معمولاً شامل چهار مرحله فیلتراسیون است: فیلتر رسوبی، بلوک پیش کربن، غشای اسمز معکوس و فیلتر پس از کربن. فیلتر رسوب بزرگترین ذرات مانند خاک، ماسه و زنگ را حذف می کند تا از گرفتگی فیلترهای بعدی جلوگیری کند. فیلتر پیش کربن از کربن فعال برای جلوگیری از عبور هر چیزی بزرگتر از آرد و همچنین جذب و پیوند با یون های دارای بار مثبت برای جلوگیری از عبور ترکیبات شیمیایی مانند کلر و کلرامین ها به فیلتر سوم استفاده می کند. غشای اسمز معکوس سپس مولکول های سنگین تر از آب مانند سدیم، سطوح بالای سرب، مواد معدنی محلول و فلوراید را حذف می کند. در نهایت فیلتر پست کربن آب را جلا می دهد.

کاربرد های اسمز معکوس

چرا اسمز معکوس مفید است؟

اسمز معکوس با فیلتراسیون کربن متفاوت است زیرا می تواند آب را تا ۹۹.۹ درصد از تمام آلاینده ها و رسوبات یا ذرات کوچک ۰۰۱.۰۰۱ میکرون پاک کند، در حالی که فیلتر کربن تنها می تواند ذرات کوچکتر از ۱ میکرون را حذف کند. آب لوله کشی محلی شما زمانی که از کارخانه شهری خارج می شود می تواند تمیز باشد، اما همانطور که مایل ها از کارخانه به سمت لیوان شما می رود، می تواند مجموعه ای از آلاینده ها را جذب کند یا ممکن است به طور طبیعی دارای تعداد زیادی از مواد جامد محلول (TDS) باشد. در آب، بنابراین بهتر است از یک سیستم تصفیه اسمز معکوس استفاده کنید تا از عدم آلودگی آب خود محافظت کنید.

کاربرد های اسمز معکوس

اسمز معکوس نیز یکی از معدود روش هایی است که می توانیم مواد معدنی یا مواد شیمیایی خاصی را از منبع آب خارج کنیم. برخی از منابع آب دارای سطوح بسیار بالایی از فلورایداسیون طبیعی هستند که می تواند منجر به فلوئوروزیس مینای دندان (دندان های خالدار) یا فلوئوروزیس اسکلتی بسیار شدیدتر (خم شدن واقعی استخوان ها یا چارچوب اسکلتی فرد) شود. اسمز معکوس می‌تواند فلوراید یا سایر ناخالصی‌ها را در مقیاس بزرگ فیلتر کند، به گونه‌ای که فیلتر مبتنی بر ذغال (مانند فیلتری که بیشتر در خانه‌ها یافت می‌شود) قادر به فیلتر کردن آن نیست.

اسمز معکوس همچنین برای اهداف بازیافت استفاده می شود. مواد شیمیایی مورد استفاده برای تصفیه فلزات برای بازیافت، فاضلاب مضر ایجاد می کند و اسمز معکوس می تواند آب تمیز را برای دفع بهتر مواد شیمیایی بیرون بکشد این روشی امیدوارکننده برای کشورهای در حال توسعه برای تولید آب آشامیدنی است.

اما اسمز معکوس در صنایع دیگر نیز استفاده می شود. شربت افرا در واقع با استفاده از اسمز برای جداسازی کنسانتره قندی از آب شیره تولید می شود. صنایع لبنی از فیلتر اسمز معکوس برای تغلیظ آب پنیر و شیر استفاده می کند و صنعت شراب نیز استفاده از آن را برای فیلتر کردن عناصر نامطلوب مانند برخی اسیدها، دود یا کنترل محتوای الکل آغاز کرده است. اسمز معکوس برای ایجاد اتانول خالص و عاری از آلاینده ها استفاده می شود.

سیستم تصفیه آب صنعتی

برای کاهش مقدار مواد جامد آبها قبل از تغذیه در دیگهای بخار برای تولید برق یا موارد دیگر استفاده می شود.

داروسازی: یک درمان تصویب شده برای تولید آب درجه دارویی ایالات متحده (USP) که در این صنعت مورد استفاده قرار می گیرد.

غذا و نوشیدنی: برای هر دو ماده جامد و مایعات استفاده می شود.

نیمه هادی: یک مؤلفه پذیرفته شده از درمان در تولید آب Ultrapure.

استفاده از اسمز معکوس به سرعت در حال رشد است ، اما هیچ جا به سرعت در تولید برق نیست. در سطح جهان ، تصفیه آب برای تولید برق بیش از ۳۰ درصد از کل فروش تصفیه آب صنعتی تخمین زده می شود.

بیشتر نیروگاههای برقی با استفاده از زغال سنگ ، گاز ، نفت یا سوخت هسته ای بخار ایجاد می کنند که یک توربین را برای تولید برق تبدیل می کند. ناخالصی های بخار باعث ایجاد مشکلات و کاهش برق تولید شده می شوند. این هزینه نیروگاه ها را به دست می آورد و سوخت مصرفی را برای تولید مقدار معینی از برق افزایش می دهد. در موارد شدید ، پردازش ناخالصی های آب می تواند منجر به آسیب و خرابی شود.

از نظر تاریخی ، تولیدکنندگان برق از ترکیبی از انعقاد ، لخته سازی و بسترهای رزین تبادل یونی برای پردازش آب با خلوص بالا برای ایجاد بخار استفاده می کنند. با این حال ، این فن آوری ها به مواد شیمیایی خطرناک از جمله اسید سولفوریک و سودا سوز آور نیاز دارند. در نتیجه ، بسیاری از اپراتورهای نیروگاه در حال تصویب فیلتراسیون غشای RO به عنوان یک فناوری تصفیه آب هستند زیرا نیازی به استفاده از مواد شیمیایی خطرناک ندارد.