کلیاتی بر اساس کار اسمز معکوس در صنایع
آرایشی و بهداشتی
آزمایشگاه تحقیق و توسعه گروه بهداشتی فیروز
تالیف: مریم علوی
اساس سیستم اسمز معکوس Reverse osmosis
به فرایند جابه جایی آب از یک غشای نیمه تراوا بر اثر اختلاف غلظت آن در دو طرف غشا اسمز می گویند. در تعریف دیگر اسمز عبارت است از انتشار آب از ناحیه رقیقتر به ناحیه ای غلیظتر. این پدیده تا زمانی که پتانسیلهای شیمیایی دو طرف برابر گردند ادامه خواهد یافت.
غشای نیمه تراوا(ممبرین): غشایی که نسبت به بعضی از اجزای محلول نفوذ پذیر و نسبت به سایرین نفوذ ناپذیر است.
اُسمز پدیدهای است که به طور طبیعی در فرآیندهای بیولوژیکی متفاوت رخ میدهد. دیوارههای سلول، اجازه عبور مواد غذایی را میدهند، در حالیکه سایر مواد را از خود دفع میکنند. در این حالت، دیوارههای سلول به عنوان یک غشای نیمه تراوا عمل میکند.
فشار اسمزی نیرویی است که باید بر مایع وارد شود تا مانع حرکت آن مایع از بین یک غشای نیمه تراوا شود.
کار کلیه ها و بالارفتن شیره گیاهی در درختان ازدیگر نمونه های اسمز در طبیعت است. غشای گلبولهای قرمز از نوع نیمه تراوا است. اگر گلبولهای قرمز در آب خالص قرار گیرند،آب به درون آن نفوذ کرده و مایعات آن را رقیق می کند .در نتیجه گلبول متورم شده و جدار آن پاره می شود واگر گلبولهای قرمز در محلول غلیظ قند قرار گیرند ،آب درون گلبول ها از غشای آنها عبور کرده و محلول اطراف آنها را رقیق می کند .در نتیجه ،گلبولها چروکیده می شود. به منظور ممانعت از وقوع هر یک از حوادث در تزریقات وریدی ،محلولهای مورد استفاده باید ایزوتونیک با خو ن باشند یعنی فشار اسمزی این محلول ها باید برابر با فشار اسمزی خون باشد.
بین رفتار مولکولهای آب در فرایند اسمز و رفتار مولکولهای گاز در فرایند نفوذ ، تشابهی وجود دارد. در هر دو فرایند ، مولکولها از ناحیه غلیظتر به ناحیه رقیقتر نفوذ میکنند.
یاکوب وانت هوف در سال ۱۸۸۷ رابطه زیر را کشف کرد:
Πv=nRT
که این رابطه برای محلولهای ایدهآل میباشد. در این رابطه ، π فشار اسمزی (برحسب اتمسفر( ، n تعداد مولکولهای ماده حل شده، v حجم برحسب لیتر،T دمای مطلق و R ثابت گازها ۰.۰۸۲۰۶ (L.atm/K.mol) است. تشابه بین این معادله و معادله حالت یک گاز ایدهآل ، کاملا مشخص است. این رابطه را میتوان به صورت زیر نوشت:
Π= MRT
که در آن M مولاریته محلول است. وانت هوف به خاطر این کشف ، جایزه نوبل شیمی سال ۱۹۰۱ را از آن خود کرد.
اگر فشاری بیشتر از فشار اسمزی به محلول غلیظتر اعمال گردد جهت جریان طبیعی آب معکوس خواهد گردید و از غلظت بالاتر به غلظت پایین تر جریان مییابد.
تحقیق در مورد اسمز معکوس در سال ۱۹۵۰ در دانشگاه فلوریدا، جائیکه رید و بوتون که توانستند خاصیت نمک زدایی ممبرین استات سلولز را شرح دهند، آغاز شد.
تحقیقات بیشتر منجر به ایجاد پیکربندی اجزای اسمز معکوس شد و نهایتاًدراوایل سال ۱۹۸۰ تحقیق و بررسی در لابراتوارهای دولتی آمریکا، منجر به تولید نخستین ممبرین پلی آمیدمرکب شد. این ممبرین ها عمدتاً نسبت به ممبرین های سلولزیک، از جریان تراوش و نمک زدایی بالاتری برخوردارند.
کاربرد اسمز معکوس در صنایع:
تصفیه آب در تصفیه آب به روش اسمز معکوس،ابتدا یک مرحله سختی گیری بر روی آن اعمال میشود. به فرآیند کم کردن غلظت یونهای کلسیم و منیزیم و … که باعث سختی آب می شوند سختی گیری آب می گویند. برای حذف سختی آب روش های مختلفی وجود داردکه می توان گفت متداولترین روش ها استفاده از سختی گیر رزینی( تبادل یونی)و نیز روش شیمیایی می باشد.
طریقه نرم کردن آب (گرفتن سختی آب) به روش شیمیایی:سختی موقت یا سختی کربنات را می توان به وسیله آهک مرده Ca(OH)۲ و یا کربنات دوسود (Na۲CO۳) که به آب اضافه می شود برطرف نمود. البته مقدار درصد آهک و کربنات دو سود بستگی به مقدار سختی دارد .
طریقه نرم کردن آب به روش تبادل یونی:در روش تبادل یونی از رزینها که ترکیباتی آلی هستند به صورت (R-Na) استفاده میکنند که وقتی در کنار آب سخت قرار می گیرد می توانند سختی آب را حذف نمایند.
پس از سختی گیری مقدماتی، آب توسط پمپ به داخل محفظه ای که دارای غشاء نیمه تراوا میباشد رانده میشود. پس از عبور از غشا TDS آب خام (کل ناخالصی های جامد حل شده در آب است که نشان دهنده مجموع غلظت همه یونهای موجود در آب می باشد. واحد اندازه گیری TDS ، میلی گرم در لیتر mg/l است که از آن با عنوان لاتین PPM یاد می کنند) تا ۹۹% کاهش می یابد. همچنین حذف باکتریها، ویروسها و دیگر میکروبها با اسمز معکوس ۱۰۰% است. اما به علت عدم آب بندی کامل سیستم، مقدار کمی از این ناخالصیها ممکن است در آب تصفیه شده دیده شود.
امروزه در کشورهایی که در مناطق خشک و کم آب می باشد تکنولوژی اسمز معکوس یکی از پرکاربرترین روش های تامین آب شرب جوامع شهری می باشد. در کشور ایران نیز در بسیاری از بخش های جنوبی کشور جهت استحصال آب مناسب شرب از آب دریا فرایند اسمز معکوس مورد استفاده قرار می گیرد.
تولید آب دیونیز شده برای صنایع دارویی و آرایشی بهداشتی(Deionized water)
تولید دیونیز شده یا آب بسیار خالص برای بسیاری از صنایع مانند داروسازی و آرایشی بهداشتی بسیار مهم می باشد. استفاده از روش تقطیر و یا دستگاههای دیونیزه یکی از روش های قدیمی جهت تامین آب خالص می باشد. برای استحصال آب دیونیزه می بایست چندین بار عمل تقطیر انجام پذیرد درحالیکه استفاده از روش اسمز معکوس بسیار مقرون به صرفه و سریع می باشد.
در جدول زیر نتایج آنالیز آب مصرفی جهت تولید محصولات شرکت فیروز قبل و بعد از ورود به سیستم RO ارائه شده است.
حذف املاح و سختی از آب بویلرها و دیگ های بخار ( Pure water for boilers at powerplant) یکی از کاربردهای اسمز معکوس حذف املاح از آب بویلرها می باشد. آب خروجی از بویلرها می تواند حاوی مقادیر قابل توجهی املاح و سختی باشد که باعث رسوب داخل دیگ های بخار و همچنین لوله ها گردد. استفاده از فرایند اسمز معکوس (RO) باعث حذف مقادیر قابل توجهی از املاح و رسوبات در آب و افزایش عمر تاسیسات می شود.
از آنجاییکه استفاده از آب های سخت باعث ایجاد لک می شود، امروزه حتی در بعضی از کارواش ها جهت حذف سختی و کدورت آب از فرایند اسمز معکوس استفاده می گردد.
تولید هیدروژن برای مقیاس های آزمایشگاهی جهت تولید هیدروژن از آب، ابتدا آب را از دستگاه اسمز معکوس عبور می دهند سپس آب تصفیه شده را از دستگاه الکترولیز عبور می دهند. در این حالت به علت حذف املاح توسط دستگاه اسمز معکوس، رسوب املاح آب بر روی الکترودها کاهش داده می شود.
استفاده از اسمز معکوس جهت تامین آب مناسب صنایع غذایی و گلخانه ها در بسیاری از صنایع غذایی، مانند صنایع لبنی ، سس و رب، نوشابه سازی و …فرایند اسمز معکوس به عنوان یکی از تاثیرگذارترین روش ها جهت تامین آب مناسب تولید محصول و افزایش کیفیت محصول تولیدی می باشد. همچنین جهت پرورش گل ،میوه و سبزیجات استفاده از آب شیرین باعث افزایش رشد گیاه و افزایش راندمان محصول می گردد.
:References
Reverse Osmosis, Industrial applications and processes By: Jane Kucera P: 32-40
Reverse Osmosis, Membrane technology water chemistry and Industrial applications, By: Zahid Amjad,P: 307-342