[آب و تصفیه آب] - آشنایی با مبانی فرایند اسمز معکوس

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
لزوم روشهای تصفیه پیشرفته آب


به طور کلی فرآيند­هاي معمول تصفيه آب براي تبديل آبهاي سطحي يا زيرزميني به آب آشاميدني مناسب می­باشند، با اين حال در برخي مواقع منابع آب حاوي موادي هستند كه توسط این فرآيندها قابل تصفيه نیستند. به عنوان مثال آبهاي زيرزميني داراي جامدات محلول اضافي بوده و نیز در برخی شرایط آبهاي سطحي حاوي تركيبات آلي ناشي از پسابهاي شهري يا صنعتي و يا مواد آلي طبيعي نظير اسيد هيوميك و اسید فولويك و يا محصولات حاصل از فعاليتهاي جلبكي می­باشند. جهت حذف این آلاینده­ها و نیز تصفیه آب به منظور استفاده در مصارف ویژه، از تکنولوژیهای پيشرفته تصفيه استفاده می­گردد.
روشهای تصفیه پیشرفته معطوف به متدهایی هستند كه از آب طبيعي يا فاضلابهاي پيش تصفيه شده، آب خالص يا فوق خالص توليد مي­کنند که در پزشكي، صنايع غذايي، صنايع شيميايي و سلولزي، توليد نيروي محركه بخار و ديگر زمينه­هاي صنعتي موارد مصرف دارند.
از اصلي ترين روشهاي تصفيه پيشرفته آب می­توان به بسترهاي تبادل يوني، تقطير يا تبخير، اسمز معكوس، الكترو دياليز، الترافيلتراسيون اشاره نمود که به سه روش آخر اصطلاحاً روشهاي غشايي اطلاق می­گردد.
فرآيندهاي غشايي از روشهاي نوين جداسازي هستند که بدون استفاده از تغيير فاز، اجزاء مورد نظر را از سيال جدا مي­نمايند. عدم تغيير فاز در طول فرايند جداسازي موجب مي­شود تا عملیات جداسازي با صرف انرژي کمتري صورت پذیرد. امروزه فرایندهای غشایی در تمامی شاخه­ها از جمله تصفیه آب، تصفيه انواع پسابهاي خانگی و صنعتي، پزشکی، پتروشیمی، داروسازی، صنایع غذائی، بیوتکنولوژی و ... بکار گرفته شده و راندمان بالایی را از خود نشان داده اند.


مروری بر فیلتراسیون غشائی


فیلتراسیون غشائی از انواع فیلتراسیون مکانیکی است که فرایند غالب حذف در آن، صاف­سازی مکانیکی بر پایه اندازه قطر مواد می باشد. بطور خلاصه جریان ورودی در این فیلترها به دو بخش اصلی جریان خروجی تصفیه شده و پساب تغلیظ شده تفکیک می گردد.

fara.jpg

علیرغم وجود معیارهای مختلف جهت تقسیم بندی غشاها از جمله نحوه ساخت، استقرار، جنس و نیروی محرک جریان، عمده ترین تقسیم بندی در فیلترهای غشائی مطابق با جدول ارائه شده، بر اساس فشار عملکرد و قطر منافذ غشاها می باشد.

fara1.jpg
 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
مبانی فرایند اسمز معکوس


اسمز معكوس از جمله شيوه هايی است که امروزه بطور گسترده در شيرين سازي آب دريا، جداسازي مواد آلي و سمي از پسابهاي صنعتي بکار برده می­شود. بطور کلی این روش بر پایه انتقال جرم حلال با استفاده از غشاي نيمه تراوا و نیز فشار هيدرواستاتيك استوار است. جهت آشنایی با فرایند اسمز معکوس، شناخت پدیده اسمز از اهمیت بالایی برخوردار است.
اُسمز پديده‌اي است كه به طور طبيعي در فرآيندهاي بيولوژيكي متفاوت رخ مي‌دهد. ديواره‌هاي سلول، اجازه عبور مواد غذایی و بازمانده محصولات را داده، در حالیکه ساير مواد را از خود دفع مي‌كنند. در اين حالت، ديواره‌هاي سلول به عنوان يك غشاي نيمه تراوا عمل می­کند.
در رابطه با غشاء نیمه تراوای مورد استفاده در اسمز معکوس، آب در رقابت با نمک، ذرات معلق و مواد آلی با وزن مولکولی بالا در اولویت قرار داشته و از غشا عبور می­کند. اسمز معكوس، یک حرکت وارونه نسبت به اسمز استاندارد است به نحوی که در آن حلال از سمت غليظتر به سمت رقيقتر حرکت مي‌كند.
چنانچه یک محلول آب نمك در يك ظرف ريخته شود و توسط غشاي نيمه تراوا از آب خالص جدا شود، یک تغيير حجم در هر يك از دو سمت ظرف مشاهده مي‌شود. آب خالص از ميان غشا به سمت محلول آب نمك جریان خواهد یافت. در نتيجه ارتفاع آب ظرف در سمت آب نمك افزایش یافته در حالي كه در بخش آب خالص ارتفاع آب كاهش پيدا مي‌كند. اين عبور جريان از سمت خالص به طرف محلول آب نمك اُسمز ناميده مي‌شود (شكل a . 1). اختلاف ارتفاع مايع بين آب خالص و آب نمك، موجب اختلاف فشار خالص در دو طرف غشا مي‌شود. اين اختلاف فشار، فشار اُسمزي محلول آب نمك ناميده شده كه تابعي از خصوصيات نمكها و غلظت آنها می­باشد.
در اصطلاح فيزيك، آب موجب رقيق شدن آب نمك مي‌شود و اين به معناي افزايش آنتروپي سيستم است. بر طبق قانون آنتروپي، هر فرآيندي كه به طور خود به خود در طبيعت اتفاق افتد، موجب افزايش بي‌نظمي مي‌شود، مگر آنكه انرژي صرف شود تا از جهات مختلف جلوي انجام فرآيند گرفته شود.
چنانچه با اعمال فشار فيزيكي يا افزايش ارتفاع محلول آب نمك، تعادل بين آب خالص و آب نمك به هم خورد، آب خالص از طريق غشا از قسمت آب نمك به قسمت آب خالص نفوذ مي‌كند و نفوذ تا زماني ادامه مي‌يابد كه تعادل مجدداً برقرار شود، به طوري كه فشار اُسمزي محلول آب نمك با فشار محلول آب نمك بر روي غشاي نيمه تراوا برابر شود كه اين نيز بستگي به فشار آب خالص برروي غشا دارد. به عنوان مثال، اگر مقداري آب نمك به ظرف محتوي آن اضافه شود، مقداري آب از غشا عبور خواهد كرد. اگر غلظت آب نمك اضافه شده با غلظت آب نمك اوليه برابر باشد، آب تا زماني از غشا عبور خواهد كرد كه اختلاف ارتفاع بين دو طرف به اختلاف ارتفاع اوليه برسد. (شكل b . 1)
اعمال فشار به قسمت آب نمك مي‌تواند توسط يك پمپ صورت گیرد. در اين حالت، پمپ نيروي مورد نياز جهت راندن مولكولهاي آب از ميان غشا را تأمين مي‌كند. عبور جريان آب از بخش آب نمك به بخش آب خالص، اُسمز معكوس ناميده مي‌شود.

fara2.jpg
شكل a .1. اُسمز طبيعي


fara3.jpg
شكل b . 1. اُسمز معكوس

نرخ نفوذ آب از غشا توسط رابطه‌ زير بیان مي‌شود.

(فشار اسمزي – فشار غشا) KT = شار نفوذ​

در این رابطه:
- شار نفوذ عبارت است از نرخ جریان عبوری از غشا تقسیم بر واحد سطح
- KT ضريب ثابتی است که با توجه به نوع غشا تعیین می­شود و تابعی از درجه حرارت و اختلاف فشار غشا برحسب psi می­باشد.
- فشار غشا (برحسب Psid): اختلاف فشار بين دو طرف غشا (به عنوان مثال اختلاف فشار ناشی از وجود اختلاف ارتفاع)
- فشار اُسمزي (برحسب Psid ): اختلاف فشار اُسمزي سیال در دو طرف غشا (وقتي كه غلظت ماده محلول در سمت آب خالص غشا ناچيز باشد، فقط فشار اُسمزي محلول در بخش غلیظ در نظر گرفته مي‌شود)​

تمام آب موجود در محلول آب نمك قادر به عبور از غشا نيست. همچنان كه آب از محلول آب نمك خارج مي‌شود، محلول غليظتر مي­گردد و براي غلبه بر افزايش فشار اُسمزي آن نیاز به افزايش فشار هيدروليكي خواهد بود. به عبارت ديگر، عبور جريان آب زماني متوقف خواهد شد كه فشار اعمال شده، برابر با فشار اُسمزي محلول غلیظ گردد.
اُسمز معكوس تنها قادر به تقسیم جریان خوراک به دو جریان آب خالص و جریان غلیظ یا آب نمک
می­باشد. به جريان غليظتر، آب شور و يا دور ريز گفته مي‌شود. معمولاً مقدار جريان دورريز، توسط حلاليت نمكها و يا فشار اُسمزي جريان غليظ تعیین مي‌شود.
اگر چه برای غشا نیمه تراوای مورد استفاده در فرایند اسمز معکوس عبور آب برتری دارد، اما مقدار مشخصی از نمکهای محلول نیز از غشا عبور خواهند کرد. میزان نفوذ نمکها متناسب با شیب غلظت در دو طرف غشا خواهد بود. (بدین معنی که اختلاف غلظت بين قسمت خوراك و سمت جریان محصول غشا چقدر باشد).

(غلظت نمک در ماده محصول- غلظت نمک در ماده محلول (خوراك)) × K = جريان نمك​


به طوري كه:
- K ، ضريب ثابتي است كه با توجه به نوع غشا و ضخامت آن تعیین می­شود.
- غلظت نمک یا نمکها در جریان خوراك و محصول برحسب ppm می­باشد.​

مفهوم دو عبارت آخر در اين است كه ميزان عبور نمك از غشا تابعي از فشار نيست، بلكه در حقيقت، تابعي از دبي آب است. بنابراين، اگر فشار بيشتري در قسمت آب غليظ شده به آن وارد شود، نتيجه آن، اثري در غلظت نمك در بخش آب خالص نخواهد داشت.
 

Similar threads

بالا