نویسنده: دکتر فرهمند

کدام یک، تکنولوژی اسمز مستقیم یا اسمز معکوس ؟

کدام یک، تکنولوژی اسمز مستقیم یا اسمز معکوس ؟

اسمز مستقیم (FO) تکنولوژی جدیدی در صنعت تصفیه آب


انسان در چند دهه اخیر به پیشرفت های بزرگی در زمینه شیرین سازی آب دریا و تهیه آب خالص و فوق خالص دست پیداکرده است و همه این دستاوردها مدیون تفکر ساده ایجاد شیب غلظت نمک در دو سمت یک ممبران (غشای نیمه تراوا) بود که اولین بار در دهه 1960 برای جداسازی مواد از آب به کار گرفته شد. امروزه تکنولوژی قدرتمند اسمز معکوس (RO) به راحتی در کوچکترین دستگاه‌های تصفیه آب خانگی به ما کمک می کند تا از بهترین نوع آب تصفیه شده بهره مند باشیم. 


در تکنولوژی اسمز معکوس جداسازی انواع مواد محلول و نامحلول بسیار ریز از آب، متکی بر استفاده از فشار هیدرولیک است که نیروی عبور مولکولهای آب از ممبران را ایجاد می کند. این فشار توسط پمپ هایی تامین می شود که با برق کار می کنند و بنابراین به ناچار با افزایش ردپای کربن در محیط زیست و صرف هزینه بالای انرژی همراه است. 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. همین تفکر باعث ظهور زمینه جدیدی در صنعت ممبران و تکنولوژی اسمز  با عنوان "اسمز مستقیم" (FO) شده است که در حال حاضر به عنوان کاندید مناسبی برای خالص سازی آب، شیرین سازی آب دریا، پیش تصفیه فاضلاب، غلیظ و رقیق سازی محلول ها، صنایع دارویی و غذایی و تولید برق مطرح است.

مقایسه تکنولوژی اسمز مستقیم و اسمز معکوس

اسمز مستقیم (FO)  در مقایسه با اسمز معکوس (RO)


ممکن است در ابتدا درک مقایسه اسمز مستقیم و معکوس کمی گیج کننده باشد. 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 وجود دارد ) مولکول های آب می توانند  از ممبران عبور  کنند و از سمت رقیق تر به سمتی که غلظت مواد محلول در آب بیشتر است بروند؛ تا در نهایت هر دو طرف 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 هست.


در تکنولوژی اسمز معکوس هم همین سد یا ممبران نیمه تراوا استفاده می شود؛ اما زمانی که درباره RO صحبت می کنیم نیاز به پمپ فشارقوی، پرشر وسل، میزان زیادی انرژی و .......داریم؛ چون با نیروی فشار هیدرولیک که توسط پمپ ایجاد می شود، بر فشار اسمزی که به طور طبیعی وجود دارد غلبه می کنیم تا بتوانیم جریان آب را از سمت غلیظ تر به سمت رقیق تر هدایت کنیم. در صورتی که در فرایند شیرین سازی  آب با تکنولوژی اسمز مستقیم  آب از یک غشا یا همان ممبران نیمه تراوا 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 احتیاج نیست. 


تکنولوژی اسمز مستقیم (FO)


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 کشنده یا جاذب در سمت دیگر قرار دارد. جداسازی اسموتیک به طور خودبخود و  همزمان با جریان آب از سمت رقیق تر به سمت غلیظ تر ممبران (محلول کشنده) انجام می شود. ممبران به کار گرفته شده خاصیت نیمه تراوایی دارد (مولکولهای آب اجازه عبور دارند ولی مولکولهای مواد محلول مانند نمک ها و مواد الاینده دیگر نمی توانند عبور کنند). بنابراین ما می توانیم نمک های محلول را بدون مصرف هیچ نوع انرژی از آب حذف کنیم و فقط باید آب خوراک با فشار پایین به ممبران وارد شود.  در مرحله بعد محلول کشنده رقیق شده به یک فرایند خالص سازی دیگر وارد می شود که به طور خاص برای محلول کشنده طراحی شده است که در اکثر آن ها مواد محلول فرار به راحتی از آب خارج می شوند و یا با استفاده از یک فرایند ممبران ثانویه قابل جداسازی هستند.


در اسمز مستقیم محلول آب خوراک در یک سمت ممبران غلیظ تر شده و محلول کشنده در سمت دیگر در اثر تراوش آب از ممبران رقیق تر می شود و همین باعث کاهش موثر اختلاف فشار اسمزی و بنابراین جریان محلول می شود. مقدار این تاثیر به ماهیت غشا و جنس آن بستگی دارد. 


در حال حاضر ممبران هایی از جنس کامپوزیت لایه نازک (TFC) رایج هستند که شامل یک لایه نازک پلی آمید فعال است که بر روی یک لایه پشتیبان پلی سولفون- پلی استر کشیده شده است. این نوع ممبران 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 FO دارد. ممبران های جدیدتر از نانولوله 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 سد 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 نسبت به فولینگ (گرفتگی ممبران) مقاوم هستند. 

عملکرد سیستم اسمز مستقیم


مزایای اسمز مستقیم

 
مزیت استفاده از اسمز مستقیم به نوع محلول کشنده 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 کشنده مورد استفاده باید طوری انتخاب شود که انرژی اسمزی مورد نیاز تکنیک را فراهم کند و از انرژی و هزینه 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 ی آب هایی که پتانسیل رسوب گذاری بالا بر روی ممبران دارند، FO گزینه مناسبی به شمار می رود.


محلول کشنده (جاذب)


یکی از مسائل مهم در تکنولوژی اسمز مستقیم انتخاب محلول کشنده مناسب است. این محلول 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 داشته باشد. محلول کشنده برای این که فشار اسمزی موثری را ایجاد کند، باید حلالیت بالا و وزن مولکولی پایین 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 این منظور به کار گرفته شده اند. 


اسمز مستقیم هنوز در بوته آزمایش محققان است


علیرغم تحقیقات گسترده ای که در دهه اخیر در رابطه با اسمز مستقیم انجام گرفته است؛ هنوز سوالات و چالش هایی در مورد بهره وری انرژی و وضعیت فعلی این تکنولوژی مطرح است. هزینه حذف مواد زائد از محلول کشنده از مواردی است که باید از نظر صرفه ی اقتصادی مورد توجه قرار بگیرد و انتخاب محلول کشنده مناسب برای این فرایند همچنان نیاز به بررسی های بیشتری دارد. هر چند امروزه در مجامع علمی مربوط به صنعت تصفیه آب، بحث بهینه سازی ممبران های پلیمری اسمز معکوس در مرکز توجه قرار دارد؛ اما از ظهور فن آوری نوین اسمز مستقیم با هیجانی خاص نام برده می شود که در عین نوآورانه بودن، بسترمناسبی برای تجاری سازی دارد.
 

نظرات کاربران

نظرات خود را ارسال نمایید

لطفا اطلاعات زیر را تکمیل و سپس ارسال نمایید