ممبران (غشا نيمه تراوا) :ممبران يا غشا نيمه نفوذ پذير از چندلايه نازک شبيه ورقه هاي فيلم فشرده که به دور يک لوله پلاستيکي پچيده شده اند تشکيل شده است. معمولا جنس غشا از استات سلو لوز يا پلي اميد است. در سيستم هاي اسمز معکوس فشار با ضخامت و قطر سوراخ هاي غشا ارتبا ط مستقيم دارد و به همين دليل يکي از مهم ترين و حساس ترين بخش هاي دستگاه مي باشد.
جريان اسمزي آب: زماني که دو محلول آب خالص و آب ناخالص که داراي غلضت هاي متفاوت مي باشند را توسط يک غشا نيمه تراوا ازهم جدا نماييم ،آب به صورت طبيعي از غلظت بالاتر به غلضت پايين تر جريان مي يابد ،از غشا عبور نموده و وارد آب ناخالص مي شود و اين جريان تا زماني که غلظت هر دو برابر شود ادامه مي يابد ،به اين جريان طبيعي جريان اسمزي مي گويند.

فشار اسمزي: در جريان اسمزي آب ارگ سيستم به تعادل برسد سطح آب ناخالص از سطح آب خالص بالاتر مي رود که اين اختلاف سطح فشار اسمزي نام دارد.
اسمز معکوس (reverse osmosis) : فرايندي فيزيکي که درآن از فشار براي معکوس نمودن جريان اسمزي آب استفاده مي شود .فشاري که اعمال مي شود بيشتر از فشار اسمزي است.

دستگاه اسمزي معکوس : در دستگاه اسمز معکوس از يک غشا نيمه تراوا (ممبران) که سوراخ هاي آن تنها ترکيبات آب خالص را عبور مي دهد استفاده مي شود و چون ناخالصي ها قادر به عبور از غشا نيستند در يک طرف غشا آب خالص وجود دارد که به سمت خروجي آب تصفيه شده مي رود و طرف ديگر شامل آب ناخالص غليظ است که به سمت مجراب فاضلاب هدايت مي شود.
مهم ترين ماده مصرفي اين دستگاه ، آنتي اسکالانت است که براي شستشوي ممبران از آن استفاده مي شود.

تاریخچه‌ی تکامل اسمز معکوس

یکی از قدیمی‌ترین اسناد ثبت‌شده در مورد ممبرین‌های نیمه‌تراوا مربوط به سال 1748 است، که در مورد مشاهده‌ی پدیده‌ی اسمز توسط Abbe Nollet می‌باشد. در سال 1850 افراد دیگری مانند Pfeffer و Traube پدیده‌ی اسمز را با استفاده از ممبرین‌های سرامیکی مورد مطالعه قرار دادند. به‌هرحال تاریخ فن‌آوری کنونی به 1940 برمی‌گردد، زمانی‌که دکتر Gerard Hassler از دانشگاه کالیفرنیا در لس‌آنجلس (UCLA)، در سال 1948 بررسی خواص اسمز سلوفان(cellophane) را آغاز نمود. او پیشنهاد کرد که لایه‌ی نازکی از هوا در مجاورت دو ممبرین از جنس سلفون قرار گیرد. Hassler فرض کرد که با انجام عمل تبخیر بر روی سطح یک ممبرین، بخار آب با استفاده از پدیده‌ی اسمز از میان هوای موجود عبور کرده و بر روی سطح مقابل پدیده‌ی چگالش اتفاق می‌افتد. امروزه می‌دانیم که پدیده‌ی اسمز در انجام عمل تبخیر نقشی ندارد، اما شبیه‌ترین حالت به محلول و پدیده‌ی نفوذ جسم حل شده در ممبرین می‌باشد.

شکل 1 رخدادهای مهم در تکامل فن‌آوری RO را بر روی خط زمان نشان می‌دهد. خطوط پررنگ در زیر توضیح داده شده‌اند.
در سال 1959، C.E.Reid و E.J.Breton از دانشگاه فلوریدا، قابلیت‌ عمل نمک‌زدایی را در لایه‌ی نازکی از استات سلولز اثبات کردند. آنها ممبرین‌های نیمه‌تراوای انتخابی را با روش سعی و خطا ارزیابی کردند، و بیش‌تر به لایه‌های نازک پلیمری حاوی گروه‌های هیدروفیلی (آب‌دوست) توجه نشان دادند. مواد آزمایش شده عبارت بودند از سلوفان، هیدروکلراید لاستیکی، پلی‌استایرن و استات سلولز. بسیاری از این مواد در فشارهای کمتر از 800 psi، جریان آب تصفیه‌شده تولید نکردند و مقدار دفع کلراید در آنها کمتر از 35٪ بود. به‌هرحال، استات سلولز ( مخصوصاً DuPont 88 CA-43 ) مقدار دفع کلراید بیش از 96٪ نشان داد، حتی در فشارهای کمتر از 400 psi . حدود شدت جریان نفوذی، تقریباً از 2 گالن در فوت مربع – روز (gfd) برای یک لایه‌ی نازک از استات سلولز با ضخامت 22 میکرون، تا بیش از 14 gfd برای لایه‌ای با ضخامت 3.7 میکرون، در فشار 600psi و با محلول سدیم کلراید 0.1 M، مورد آزمایش قرار گرفت. Reid و Breton نتیجه گرفتند که استات سلولز دارای خاصیت نیمه‌تراوایی لازم جهت کاربردهای عملی می‌باشد، اما باید شدت نفوذ و دوام آن‌ها برای موارد تجاری اصلاح شود.
یک دهه پس از تلاش دکتر Hassler، Sidney Loeb و Srinivasa Sourirajan از UCLA در مورد پدیده‌ی اسمز و اسمز معکوس شروع به تحقیقاتی متفاوت با آنچه که دکتر Hassler انجام داده بود، کردند. رویکرد آنها عبارت بود از تحت فشار قرار دادن یک محلول، مستقیماً بر روی لایه‌ای نازک و صاف از پلاستیک. عمل آنها باعث تکامل اولین ممبرین استات سلولز نامتقارن در سال 1960 گردید.

شکل 1 خط زمان افقی مربوط به تکامل اسمز معکوس

A. 1948- تحقیقات Hassler بر روی خواص اسمزی ممبرین سلوفان در UCLA
B. 1955- اولین استفاده‌ی گزارش شده از عبارت "اسمز معکوس"
C. 1955- Reid مطالعه در مورد غشاء‌های جداکننده‌ی مواد معدنی را در دانشگاه فلوریدا آغاز نمود
D. 1959- Breton و Reid ظرفیت نمک‌زدایی لایه‌ی نازکی از استات سلولز را نشان دادند
E. 1960- Loebو Sourirajan ممبرین استات سلولز نامتقارن را در UCLA تکمیل نمودند
F. 1963- اولین مدول مارپیچی (spiral wound) عملی توسط General Atomics تکمیل گردید
G. 1965- ساخت اولین تاسیسات تجاری RO برای آب لب‌شور در Coalinga , CA
H. 1965- توضیح مدل انتقال از طریق نفوذ در محلول توسط Lonsdale , et. al
I. 1967- اولین مدول فیبر تو خالی (hollow fiber) با موفقیت به‌طور تجاری توسط DuPont تکمیل گردید
J. 1968- اولین مدول مارپیچی چند لایه‌ای توسط Fluid System تکمیل شد
K. 1971- Richter–Hoehn از DuPont ممبرین پلی‌آمید آروماتیک را به ثبت رسانید
L. 1972- Cadotte غشای کامپوزیتی دو رویه را تکمیل نمود
M. 1974- اولین تاسیسات تجاری RO برای آب دریا در Bermuda
N. 1994- TriSep اولین ممبرین با قابلیت رسوب‌گذاری کم را معرفی نمود
O. 1995- Hydranautics اولین ممبرین پلی‌آمیدی با مصرف کم انرژی را معرفی نمود
P. 2002- سیستم‌های ممبرینی Koch، اولین مدول “MegaMagnum” با قطر 18 اینچ را معرفی نمود
Q. ممبرین نانوکامپوزیت با لایه‌ی نازک در UCLA تکمیل شد

به‌علت اصلاحات قابل توجهی در مقدار شدت نفوذ، از این ممبرین برای ساخت RO با قابلیت‌های تجاری استفاده شد، زیرا شدت نفوذ در آن ده برابر شدت نفوذ در ممبرین‌های با مواد شناخته شده تا آن زمان بود (مانند ممبرین‌های Reid و Breton ). این ممبرین‌ها در ابتدا به‌طور دستی به‌شکل ورقه‌هایی صاف قالب‌ریزی می‌شدند. در ادامه‌ی تکامل در این زمینه‌، ممبرین‌ها را به‌شکل لوله‌ای (tubular) قالب‌ریزی کردند. شکل 2 طرحی از لوازم قالب‌گیری لوله‌ای استفاده شده توسط Loebو Sourirajan می‌باشد. شکل 3 چاه درپوش‌دار با کف غوطه‌ور را که Leob و دانشجویان از آن استفاده می‌کردند، نشان می‌دهد، این چاه هنوز در Boelter Hall UCLA قرار دارد.
به‌دنبال Loeb و Sourirajan، محققان از سال 1960 تا حوالی 1970 پیشرفت سریعی در راه تکامل ممبرین‌های بادوام RO تجاری داشتند. Harry Lonsdale، U.Merten و Robert Riley مدل " محلول – نفوذ " در مورد انتقال جرم در ممبرین RO را تنظیم کردند. اگرچه بیشتر ممبرین‌ها در آن زمان از جنس استات سلولز بودند، اما این مدل توانست داده‌های تجربی بسیار خوبی را ارائه دهد، حتی در مورد ممبرین‌های پلی‌آمیدی کنونی نیز بدین‌گونه است.

بازدارنده‌ی رسوب در دستگاه‌های اسمز معکوس

اين ماده بر پايه اسيد فسفونيک (فسفونيتها) و پليمرهاي ضد رسوب بوده و براي جلوگيري از تشکيل رسوب روي ممبرانهاي دستگاه اسمز معکوس (R.O.) و سيستم‌هاي نانوفيلتراسيون بسيار مؤثر است. R41 در جلوگيري از تشکيل رسوبات غير آلي به ويژه کربنات کلسيم، فسفات کلسيم و آهن و نيز سولفات و سيليکاي پايين تا متوسط نقش دارد. اين محصول در محدوده وسيعي از شرايط کارکرد دستگاه، تا انديس لانژلير (LSI) حدود ?/? و مقدار pH بين ? تا ?/? بخصوص براي آب‌ چاه با مقدار TDS بالا و قليائيت پايين تا متوسط از تشکيل رسوبات غير آلي جلوگيري مي‌کند. آنتي اسکالانت
مشخصات:

حالت فيزيکي مايع PH محلول کمتر از ?
رنگ کهربايي يا زرد مقدار انحلال در آب کاملا محلول
دانيسته در دماي ?? درجه بين ?/?? تا ?/??
مقدار و نحوه مصرف:
بصورت پيوسته و معمولاً در محل نصب فيلتر کارتريج تزريق مي‌شود. با توجه به کيفيت آب خام حدود ppm5-2 يعني ? تا ? گرم به ازاي هر مترمکعب آب خام (ورودي) دستگاه اسمز معکوس از طريق سيستم تزريق مواد شيميايي که روي دستگاه R.O. نصب شده است به آب تغذيه دستگاه R.O. وارد مي‌گردد. مقدار تزريق توسط درجه تزريق پمپ و غلظت محلول ساخته شده تنظيم مي‌گردد. مقدار دقيق تزريق با توجه به آناليز آب خام و مقدار بازيابي (Recovery) سيستم اسمز معکوس محاسبه مي‌گردد.
بسته بندي:
بشکه‌هاي پلاستيکي ?? و ??? ليتري (??، ???، ???، ??? و ??? کيلوگرمي)
موارد ايمني:
از تماس با چشم و پوست بدن جلوگيري شود و در ظروف کاملاً بسته و مکان خشک و تاريک نگهداري شود. 

بررسی نسل جدید غشاهای اسمز معکوس در آب های شور

استفاده از غشاهای اسمز معکوس آب های شور گسترش زیادی پیدا کرده است. تمامی تولید کنندگان مهم غشاهای RO یک یا چند غشای RO آب های شور درست کرده اند. در 10 سال اخیر از لحاظ قیمت کاهش بسیاری داشته اند، و از نظر بازده نمک زدایی آب های شور زیر زمین بازده بیشتری دارند و برای مناطق کم آب مناسب هستند. آخرین نسل غشاهای RO آب های شور از لحاظ فشار عملیاتی بهبود یافته اند و این به معنای هزینه کمتر برای تصفیه آب های شور است. این مقاله نتایج آزمایش پایلوت بر روی این غشاهای نسل جدید RO برای آب های شور زیر زمینی را ارائه میدهد. دو غشای جدید ESPA 4 ساخته شده توسط Hydranautics,Inc,Oceanside,CA و 4040BL ساخته شده توسط Seahan Industries کره جنوبی آزمایش شده اند. شرکت Hydranautics,Inc یک شرکت معتبر در آمریکا است. اما شرکت Saehan Industries در بازار امریکا حضور زیادی ندارد. یک نسل قدیم تر از غشاها ( ESPA 2 از شرکت Hydranautics.,Inc ) نیز به طور موازی با نسل های جدید به منظور مقایسه در عملیات استفاده شده است. این پروژه قسمتی از یک برنامه تحقیقاتی است که توسط Desalination Research and Innovation Partnership بنیان نهاده شده است. این برای تامین کردن آب منطقه کالیفرنیا است. 

نرخ شدت جریان در سیستم اسمز معکوس

یک سیستم RO تصفیه آب بر مبنای نرخ شدت جریان تولید شده ، سنجیده می‌شود. انتظار می‌رود که یک سیستم RO 800 gpm ، به اندازه‌ 800gpm آب تصفیه شده تولید نماید. معمولاً شدت جریان‌های ورودی و دفع شده ، برابر با مقادیر پیش‌بینی شده در جزئیات طراحی نیستند ( این مقادیر معمولاً با معلوم بودن نرخ شدت جریان آب تصفیه شده و درصد بازیافت محاسبه می‌شوند).
در برخی موارد ، ممکن است نرخ شدت جریان واقعی و طراحی شده‌ آب تصفیه شده در سیستم RO با نرخ شدت جریان موجود در "پلاک دستگاه" متفاوت باشد. در بیشتر مواقع ، به‌دلیل وجود منابع نامرغوب آب ورودی یا به‌ علت درجه حرارت پایین آب خوراک ، سیستم RO از طریق محاسبات طراحی دوباره ارزیابی می‌شود.

بازیافت
بازیافت (که بعضی اوقات "تبدیل" نامیده می‌شود) عبارتی است که توضیح می‌دهد چه‌درصدی از حجم آب ورودی "بازیابی" یا تصفیه شده است. معمولاً ، مقدار بازیافت در سیستم RO تقریباً بین 50 تا 85 درصد است ، در بیشتر سیستم های طراحی شده مقدار بازیافت 75درصد درنظر گرفته می‌شود. ( مقدار بازیافت در مدول‌ ممبرین با بافت مارپیچی از 10 تا 15 درصد متغیر می‌باشد ). اگر مقدار بازیافت یک سیستم مساوی با 75 درصد باشد یعنی به‌ازای هر 100gpm جریان ورودی ، 75 gpm آب تصفیه شده و 25 gpm جریان غلیظ شده تولید خواهد شد. مقدار بازیافت از طریق معادله‌ زیر محاسبه می‌گردد:
100 ×(شدت جریان آب خوراک/شدت جریان آب تصفیه شده) = ٪بازیافت
در مقدار بازیافت برابر با 75٪ ، حجم جریان غلیظ شده مساوی با یک چهارم حجم جریان ورودی است. اگر فرض شود که ممبرین تمام جامدات حل‌شده را در خود نگه دارد ، کل آنها در یک چهارم از حجم آب ورودی قرار می‌گیرند. ازاینرو ، غلظت جامدات حل‌شده‌ و نگه‌داشته شده ، چهار برابر مقدار آن در جریان ورودی است. (تا وقتی ‌که کل جامدات حل‌شده توسط ممبرین نگه‌داشته نشده باشند ، این مقدار فقط یک تقریب محسوب می‌شود). این مقدار "ضریب غلظت" نامیده می‌شود. در مقدار بازیافت برابر با 50 درصد ، حجم جریان غلیظ شده مساوی با نصف جریان آب ورودی است. در این حالت ، غلظت جامدات حل‌شده دو برابر می‌شود ، زیرا ضریب غلظت مساوی با 2 است. جدول 1 ضریب غلظت را به‌عنوان تابعی از مقدار بازیافت نشان می‌دهد. درک مفهوم غلظت جریان دفع شده نیز مهم است زیرا سطحی از ممبرین که با جریان غلیظ شده در تماس است ، سطحی است که بر روی آن لای و رسوب تشکیل می‌شود.

جدول 1 ضریب غلظت به‌عنوان تابعی از مقدار بازیافت

بیشتر شدن بازیابی ، باعث می‌شود که مقدار آب دفع شده کاهش یابد. هر چند ، بیشتر شدن مقدار بازیابی باعث کمتر شدن خلوص آب تصفیه شده نیز می‌گردد. مثال نشان داده شده در شکل 1 را ببینید. در انتهای جریان ورودی بر روی ممبرین ، غلظت جریان ورودی مساوی با 100ppm است ، درصورتی‌که مقدار بازیافت برابر با 0 درصد می‌باشد ، و 2 درصد از کل جامدات حل شده (TDS) از ممبرین عبور می‌کنند. مقدار صحیح نفوذ در این نقطه مساوی با تقریباً 2ppm است. هنگامی‌که جریان آب ورودی از روی سطح ممبرین‌های بیشتر و بیشتری عبور نماید ، آب بیشتری نیز بازیابی می‌شود. در مقدار بازیافت برابر با 50 درصد ، ضریب غلظت مساوی با 2 است ، بنابراین اکنون غلظت آب ورودی تقریباً برابر با 200 ppm می‌باشد. اکنون غلظت آب تصفیه شده در این نقطه مساوی با 4 ppm است. در مقدار بازیافت برابر با 75 درصد ، ضریب غلظت برابر با 4 است ، بنابراین اکنون غلظت جریان آب ورودی تقریباً مساوی با 400 ppm می‌باشد. غلظت آب تصفیه شده در این نقطه برابر با 8 ppm خواهد بود. ازاین‌رو بازیابی بیشتر باعث کم شدن خلوص محصول می‌شود.
طراح سیستم RO ، مقدار بازیابی را برای سیستم انتخاب می‌کند ؛ این مقدار مربوط به خاصیت ممبرین نمی‌باشد. طراح باید بین بازیابی بیشتر و در نتیجه کاهش مقدار آب غلیظ و خارج شده و نیز کاهش مقدار خلوص آب تصفیه شده توازن ایجاد کند.

شکل 1 غلظت جریان آب نمک و جریان لحظه‌ای آب تصفیه شده به‌عنوان تابعی از مقدار بازیافت

عملاً ، مقدار بازیافت در سیستم RO با استفاده از شیر کنترل جریان نصب شده بر روی مسیر جریان غلیظ شده در RO ، تنظیم می‌شود. بسته شدن این شیر باعث زیادتر شدن فشار عملیاتی می‌شود ، در نتیجه نیروی وارده به آب موجود در ممبرین ، در جهت بخشی از ممبرین که مربوط به آب خوراک/محلول غلیظ شده می‌باشد ، بیشتر شده و در نتیجه مقدار بازیافت زیادتر می‌گردد.
مقدار بازیافت در یک سیستم RO توسط طراح ، ثابت در نظر گرفته می‌شود. زیاد کردن مقدار بازیافت طراحی شده ، می‌تواند باعث سریع‌تر شدن لای‌گرفتگی و رسوب گرفتگی ممبرین شود ، زیرا برای شستشوی ممبرین در قسمتی که مربوط به آب نمک است ، آب کمی وجود خواهد داشت. کم کردن مقدار بازیافت طراحی شده نیز مخالف با روند تراکم رسوب‌گذاری و لای گرفتگی بر روی ممبرین نخواهد بود ، اما باعث می‌شود که حجم پساب در سیستم RO زیادتر شود.

منبع: توچال شيمي