در چند دهه اخیر، پیشرفت های زیادی در زمینه شیرین سازی آب و تهیه آب خالص و حتی فوق خالص حاصل شده است. این پیشرفت ها باعث تولید دستگاه های تصفیه آب با به روز ترین تکنولوژی و تولید آبی با بالاترین خلوص و کیفیت شده است. این دستاوردها در زمینه تکنولوژی های نوین دستگاه های تصفیه آب، مدیون تفکر ساده ایجاد شیب غلظت نمک در دو سمت یک غشای نیمه تراوا (ممبران) است، که اولین بار در دهه 1960 برای جداسازی مواد از آب مورد استفاده قرار گرفته است. امروزه نیز از تکنولوژی بسیار قدرتمند اسمز معکوس (RO) در دستگاه های تصفیه آب استفاده می شود؛ این تکنولوژی بهترین روش برای تصفیه آب و حذف آلاینده های مختلف از آن است. جهت خواندن بیشتر
اینجا کلیک کنید
در تکنولوژی اسمز معکوس، جداسازی املاح مختلف محلول و نامحلول بسیار ریز، با استفاده از فشار هیدرولیکی که باعث عبور مولکول های آب از غشای ممبران می شود، صورت می گیرد. فشار مورد نیاز برای انجام فرایند اسمز معکوس، از طریق پمپ هایی که با برق کار می کنند تامین می شود.
در حالی که اکثر محققان با تغییر در طراحی و جنس ممبران سعی در رفع مشکلات موجود (به ویژه رفع مشکل فولینگ ممبران و مقاومت بیشتر آن در برابر شکنندگی) در این تکنولوژی دارند، تعدادی هم در تلاش هستند تا تغییراتی در نیروی مولد فشار مورد نیاز برای این نوع فرایند جداسازی ایجاد کنند. این تفکر باعث ظهور نوعی دیگر از تکنولوژی اسمز به نام "اسمز مستقیم" (FO) شده است. در حال حاضر این تکنولوژی به عنوان یک گزینه مناسب برای استفاده در دستگاه های تصفیه آب تبدیل شده است.
تکنولوژی اسمز مستقیم (FO) به عنوان یک گزینه مناسب برای خالص سازی آب، شیرین سازی آب دریا، پیش تصفیه فاضلاب، غلیظ و رقیق سازی محلول ها، استفاده در صنایع دارویی، غذایی و تولید برق مطرح می باشد.
تکنولوژی های به روز مورد استفاده در طراحی ممبران های دستگاه تصفیه آب
مقایسه اسمز مستقیم (FO) و اسمز معکوس (RO)
برای واضح تر شدن نحوه کارکرد دو تکنولوژی اسمز معکوس و مستقیم، مطالبی را در این بخش با هم مرور می کنیم. فرض کنید یک فیلتر ممبران یا همان غشای نیمه تراوا داریم که مثل یک سد در بین دو محلول آبی با غلظت متفاوت قرار می گیرد و در اثر فشار اسمزی (که به طور طبیعی به دلیل غلظت نابرابر محلول در دو سمت ممبران ایجاد می شود) مولکول های آب می توانند از ممبران عبور کنند و از سمت محلول رقیق تر به سمتی که غلظت مواد محلول در آب بیشتر است بروند؛ تا در نهایت هر دو محلول به تعادل برسند. این همان پدیده اسمز است که در طبیعت و بدن ما هر روز میلیون ها میلیون بار تکرار می شود و در واقع همان پدیده اسمز مستقیم نیز می باشد.
در تکنولوژی اسمز معکوس هم همین سد یا غشای نیمه تراوا (ممبران) استفاده می شود؛ اما نکته این است که این جا دیگر یک پدیده طبیعی اتفاق نمی افتد، بنابر این فرایند اسمز معکوس نیازمند یک سری ابزار و قطعات در دستگاه تصفیه آب می باشد. زمانی که درباره RO صحبت می کنیم، نیاز به پمپ فشارقوی، پرشر وسل، میزان زیادی انرژی و ... داریم؛ زیرا با نیروی فشار هیدرولیک که توسط پمپ ایجاد می شود، بر فشار اسمزی که به طور طبیعی وجود دارد غلبه می شود، تا بتوان جریان آب را از سمت محلول غلیظ تر به سمت محلول رقیق تر هدایت کرد.
در صورتی که در دستگاه های تصفیه آب با تکنولوژی اسمز مستقیم (FO)، آب از یک غشای نیمه تراوا یا همان ممبران با نیروی فشار اسمزی طبیعی ایجاد شده بین دو سمت ممبران عبور می کند و برای جداسازی نمک های محلول از آب به ایجاد فشار هیدرولیک توسط پمپ نیازی نیست.
تکنولوژی اسمز مستقیم (FO) برای ممبران های دستگاه تصفیه آب
FO به تکنولوژی اسمزی گفته می شود که در آن آب آشامیدنی به عنوان محصول اولیه است. در این نوع اسمز، آب شور در یک سمت ممبران و محلول جاذب در سمت دیگر قرار دارد. جداسازی اسموتیک به طور خود به خود و همزمان با جریان آب از سمت محلول رقیق تر به سمت محلول غلیظ تر (محلول جاذب) انجام می شود. ممبران به کار گرفته شده خاصیت نیمه تراوایی دارد، به این معنی که مولکول هایی مانند مولکول آب اجازه عبور از آن را دارند، اما مولکول های مواد محلول مانند نمک و دیگر آلاینده ها در یک طرف غشا باقی می مانند و اجازه عبور ندارند.
بنابر این به راحتی و بدون مصرف هیچ گونه انرژی، نمک های محلول از آب حذف می شوند و فقط کافی است آب خوراک با فشار پایین به ممبران وارد شود. در مرحله بعد تصفیه آب، محلول جاذب رقیق شده به یک فرایند خالص سازی دیگر وارد می شود، که به طور خاص برای محلول جاذب طراحی شده است. در اکثر آن ها مواد محلول فرار به راحتی از آب خارج می شوند و یا با استفاده از یک ممبران ثانویه قابل جداسازی هستند.
در اسمز مستقیم محلول آب خوراک در یک سمت ممبران غلیظ تر شده و محلول جاذب در سمت دیگر در اثر تراوش آب از ممبران رقیق تر می شود، همین موضوع باعث کاهش موثر اختلاف فشار اسمزی و بنابراین جریان محلول می شود. مقدار این تاثیر به ماهیت غشا و جنس آن نیز بستگی دارد.
بیشتر: دستگاه تصفیه آب اس اس وی (SSV)
در حال حاضر استفاده از ممبران هایی از جنس کامپوزیت لایه نازک (TFC) در دستگاههای تصفیه آب رایج است؛ این نوع ممبران شامل یک لایه نازک پلی آمید فعال است، که بر روی یک لایه پشتیبان پلی سولفون- پلی استر کشیده شده است. ممبران های نوع TFC به دلیل نفوذ پذیری بالا در برابر آب، نفوذپذیری کم در برابر مواد محلول و مقاومت کم لایه پشتیبان در برابر نفوذ آب، قابلیت عملکرد خوبی در تکنولوژی اسمز مستقیم دارند.
ممبران های جدیدتر در دستگاه های تصفیه آب از نانو لوله های کربنی، گرافن و حتی پروتئین های آکوآپورین ساخته شده اند، که خاصیت نفوذپذیری انتخابی بهتری در برابر آب و نمک (عبور مولکولهای آب و ممانعت از عبور مولکولهای نمک) از خود نشان می دهند. ممبران های اسمز مستقیم همانند اسمز معکوس مواد ارگانیک، مواد معدنی و سایر مواد جامد را از آب حذف می کنند؛ اما مزیت آنها این است که نسبت به فولینگ (گرفتگی ممبران) مقاومت بیش تری دارند.
تکنولوژی های به روز مورد استفاده در طراحی ممبران های دستگاه تصفیه آب
مزایای استفاده از تکنولوژی اسمز مستقیم (FO)
مزیت استفاده از اسمز مستقیم (FO) به نوع محلول جاذب و سیستم مورد استفاده برای بازیافت آن بستگی دارد. برخی از انواع خاص اسمز مستقیم مصرف انرژی کمتری را نسبت به اسمز معکوس دارند. محلول جاذب مورد استفاده باید طوری انتخاب شود، که انرژی اسمزی مورد نیاز فرایند را فراهم کند و از انرژی مورد نیاز برای بازیافت آب توسط فرایند RO بیشتر باشد.
در مورد آب هایی که فولینگ بالایی را در ممبران ایجاد می کنند، مثل بیوراکتورهای ممبران (MBR تلفیقی از تکنولوژی ممبران و روش های بیولوژیکی) یا تصفیه آب هایی که پتانسیل رسوب گذاری بالایی بر روی ممبران دارند، اسمز معکوس گزینه مناسبی به شمار می رود.
محلول کِشنده (جاذب) عاملی مهم در اسمز مستقیم
یکی از مسائل مهم در تکنولوژی اسمز مستقیم مورد استفاده در ممبران های دستگاه های تصفیه آب انتخاب محلول کشنده مناسب است. محلول کِشنده نه تنها باید باعث انتقال قوی آب از ممبران شود؛ بلکه باید قابلیت بازیافت مجدد با هزینه کم و یا دورریزی در طبیعت بدون آلودگی محیط زیست را داشته باشد. محلول کِشنده برای این که فشار اسمزی موثری را ایجاد کند، باید حلالیت بالا و وزن مولکولی پایینی داشته (در عین حال از ممبران عبور نکند) و از نظر شیمیایی هم خنثی باشد.
این محلول می تواند از نمک ها و یا مواد آلی و غیر آلی فرار تشکیل شده باشد. حلال های غیر آلی و غیر فرار مانند کلرید سدیم و کلسیم، حلال های آلی غیرفرار مانند شکر، حلال های غیر آلی فرار مانند دی اکسید کربن آمونیوم، حلال های آلی فرار مانند اتانول تا ماکرومولکول ها و نانو پارتیکل ها برای کار قابل استفاده می باشد.
تکنولوژی به روز اسمز مستقیم، در بوته آزمایش دانشمندان
در این مقاله در رابطه با تکنولوژی به روز اسمز مستقیم، موارد کاربرد و مزایای آن برای ممبران های دستگاه های تصفیه آب صحبت کردیم. اما علیرغم تحقیقات بسیار گسترده ای که توسط دانشمندان در رابطه با این تکنولوژی انجام شده است؛ هنوز هم چالش هایی در رابطه با بهره وری انرژی و وضعیت فعلی این تکنولوژی مطرح است.
از جمله موارد مطرح در تکنولوژی اسمز مستقیم، هزینه حذف مواد زائد از محلول کِشنده می باشد، که باید از نظر اقتصادی به صرفه باشد. علاوه بر این انتخاب محلول کِشنده مناسب برای این فرایند، هنوز هم نیاز به بررسی های بیش تری دارد. هر چند امروزه در مجامع علمی و بین المللی مربوط به تکنولوژی های مورد استفاده در دستگاه های تصفیه آب، بحث بهینه سازی ممبران های پلیمری اسمز معکوس در مرکز توجه قرار دارد؛ اما ظهور فناوری نوین اسمز مستقیم و بستر مناسب تجاری که دارد، باعث شده است مورد توجه بسیاری از دانشمندان و تولید کنندگان دستگاه های تصفیه آب نیز قرار گیرد.
