تاریخچه و کلیاتی از تکنولوژی ممبران اسمز معکوس (RO)

اسمز معکوس یا به اختصار RO تکنیک قدرتمندی است که امروزه در تصفیه آب زیاد از آن می شنویم. در حال حاضر اکثر دستگاههای تصفیه آب خانگی به این نوع سیستم فیلتراسیون قوی مجهز هستند و در واقع فیلتر RO  مهمترین فیلتر از نظر کارکرد در دستگاههای چند مرحله ای به شمار می رود.  در این تکنیک، آب با  فشار از یک غشای نیمه تراوای مهندسی شده یا همان "ممبران" معروف عبور داده می شود؛ به طوری که تقریبا تمامی مواد ریز محلول و نامحلول و مولکول های کوچک ارگانیک از آب با این روش قابل جداسازی و حذف می باشند.  

اسم این تکنیک از پدیده ای به نام "اسمز" گرفته شده که میلیون ها سال است که در طبیعت در حال اتفاق افتادن است و در بدن خود ما نیز هر روز تکرار می شود؛ اما اسمز برای اولین بار در سال 1748 توسط Jean-Antoine Nollet  فیزیولوژیست فرانسوی کشف شد. نولت توانست با موفقیت فرایند اسمز را با استفاده از مثانه خوک به عنوان ممبران (غشای نیمه تراوا) شبیه سازی کند. در این آزمایش مولکول های حلال از سمت محلول آبی رقیق تر به سمت محلول الکلی غلیظ تر جریان پیدا می کردند و نشان می داد که مولکولهای حلال به خاطر وجود فشاری طبیعی به نام فشار اسمزی می توانند از ممبران عبور کنند و به سمت محلول غلیظ تر بروند؛ تا زمانی که تعادل در دو سمت ممبران شبیه سازی شده برقرار شود. سپس در سال 1867 اولین ممبران سنتتیک توسط Moritz Traube برای مطالعه فرایند اسمز ساخته شد که از فیلم رسوب داده شده با فروسیانید مس تشکیل شده بود.

پس از آن برای مدت بیش از یک قرن پدیده اسمز در علوم زیستی و پزشکی بیشتر مورد تحقیق قرار گرفت و در سال 1907 تکنولوژی اولترافیلتراسیون به دنیا معرفی شد. تا این که در اواخر دهه 1940 محققان آمریکایی که به دنبال پیدا کردن راهی برای شیرین کردن آب دریا برای کمک به توسعه راه حل های کمبود آب برای کشور بودند، شروع به بازبینی موضوع کردند و بالاخره در سال 1963 دو محقق در دانشگاه کالیفرنیا، لس آنجلس موفق شدند یک ممبران اسمز معکوس (RO) مصنوعی از جنس پلیمر استات سلولز تولید کنند.

در این آزمایش یک محلول آبی غلیظ با فشار از این ممبران مصنوعی مهندسی شده که به صورت یک فیلتر عمل می کرد، عبور داده می شد؛ به این ترتیب که فقط مولکول های آب اجازه عبور از ممبران را داشتند و یون های نمک یا به عبارتی کل مواد جامد محلول در آب (که به اختصار (TDS) گفته می شود)  در همان سمت باقی می ماندند.

ممبران مصنوعی طراحی شده دوام خوبی داشت و می توانست تحت فشار طبیعی آب و یا شرایط فشار تحمیل شده به خوبی کار کند. در واقع با این روش مولکول های آب خالص از ممبران با سرعت جریان خوبی عبور می کردند و امکان تولید آب شیرین و قابل شرب از آب دریا فراهم می شد. این تکنولوژی جدید به این دلیل که عکس فرایند طبیعی اسمز عمل می کرد (حرکت آب از سمت محلول غلیظ تر به سمت محلول رقیق تر) به نام اسمز معکوس معروف شد.

سرانجام رویای باورنکردنی شیرین سازی آب دریا توسط بشر تحقق پیدا کرده بود و اولین ممبران های تجاری اسمز معکوس (RO) به فرم ماژول های حلزون مارپیچی به کمک محققین اولیه ی طرح و مهندسین سرتاسر جهان در کالیفرنیا تولید و به کار گرفته شدند. این روش برای تولید آب شیرین از آب شور بسیار مقرون به صرفه بود و در مقیاس وسیع می توانست انجام شود. پروژه هایی مشابه نیز به سرعت در نقاط دیگر کالیفرنیا برای تست تولید آب از انواع مختلف آب لب شور و آب دریا راه اندازی شد. در نهایت به دنبال این کشف و اختراع و تحقیقات گسترده دیگری که در این راستا صورت گرفت؛ تکنولوژی ممبران به عنوان یک روش اقتصادی و مقرون به صرفه در بسیاری از صنایع از جمله صنعت تصفیه آب وارد شد.

اولین ممبران های RO  که به بازار وارد شدند از جنس استات سلولز (CA) بودند. در اواسط دهه 1970 کمپانی "فیلم تک" پیشگام و ابداع کننده تولید ممبران از جنس کامپوزیت پلی آمید بود و کمپانی "داوو" در سال 1985 آن را کسب کرد. با حمایت داوو، کمپانی فیلم تک توانست صنعت ساخت ممبران را از حالت دستی به صورت یک فرایند کاملا اتوماتیک دربیاورد که نه تنها هزینه تولید ممبران را کاهش داد؛ بلکه کیفیت ممبران و میزان بهره وری آن را نیز به طور قابل ملاحظه ای ارتقا بخشید.

ممبران های RO به طور معمول از استات سلولز و یا پلی سولفون پوشیده شده با فیلم نازک پلی آمیدی ساخته می شوند.

ممبران های استات سلولز (CA)

اولین ممبران های تجاری RO  از جنس استات سلولز (CA) بودند. سلولز یک پلیمر طبیعی است که در ساختمان گیاهان وجود دارد و نسبتا انعطاف ناپذیر است که از نظر مکانیکی به آن استحکام می بخشد. درجه استیلاسیون سلولز در ویژگی های نهایی ممبران نقش زیادی دارد و هر چه میزان استیلاسیون بیشتر باشد، از نظر سد نمکی قدرت بالاتری دارد؛ اما تراوش آب از آن نیز کاهش پیدا می کند. در واقع استیلاسیون در درجات پایین تر باعث جریان آب بیشتر ولی قدرت نمک زدایی کمتر می شود. ممبران های تجاری از این جنس در حدود 7/2 استیلاسیون دارند؛ این درجه بالانس خوبی بین سد نمکی غشا و تراوش آب ایجاد می کند.

در برخی از ممبران ها از مخلوط استات سلولز و تری استات سلولز استفاده می شود که استحکام مکانیکی بالاتری دارد و در برابر هیدرولیز مقاوم است؛ اما تراوش آب کمتری دارد. ممبران های سلولزی در مقابل ممبران های دیگر از نظر تجاری مزیت دارند؛ زیرا نسبتا آسانتر ساخته می شوند و از نظر ویژگی های مکانیکی نیز برتری هایی دارند و نسبت به ممبران های دیگر مانند پلی آمیدهای آروماتیک، در مقابل کلر مقاومت بیشتری از خود نشان می دهند.

بهر حال این نوع ممبران ها دارای نقایصی نیز بوده اند که تولید کنندگان در ممبران های جدیدتر سعی کرده اند آن را رفع کنند. از جمله این که ممبران های سلولزی به مرور زمان دچار هیدرولیز می شوند و همین امر عدم نفوذپذیری آن ها را در برابر نمک ها کاهش می دهد. علاوه بر این ممبران های سلولزی در مقابل تغییرات pH و دما حساس هستند؛ به این صورت که فقط در pH 4 تا 6 پایداری دارند و میزان نمک زدایی آن ها در دماهای بالاتر از 35 درجه کاهش می یابد.

ممبران های کامپوزیت فیلم نازک ( TFC )

تا سال 1972 که ممبران های نوع TFC از جنس پلیمرهای پلی آمید (PA) وارد بازار شوند، ممبران های استات سلولز از نظر انتخاب ارجحیت داشتند. ممبران های TFC اکثرا از یک ماده متخلخل و بسیار نفوذپذیر مانند پلی سولفون ساخته شده اند که با یک فیلم پلی آمید آروماتیک نازک پوشیده شده است که خاصیت نمک زدایی ممبران را ایجاد می کند.

انواع مختلفی از این ممبران ها همچنان در حال ساخت و ورود به بازار هستند. ممبران های کامپوزیت فیلم نازک علاوه بر این که از نظر جریان آب خروجی و سد نمکی بسیار خوب عمل می کنند؛ مزیت های دیگری نیز نسبت به ممبران های سلولزی دارند. از جمله این که می توانند برخی مولکول های ارگانیک با وزن مولکولی پایین را نیز از آب حذف کنند و در طیف وسیع تری از pH و دما پایداری دارند؛ اما بهر حال نسبت به یون کلر بسیار حساس هستند؛ چون کلر پیوندهای هیدروژنی بین زنجیره ها را می شکند و ساختمان ماتریکس پلیمررا تخریب می کند و ویژگی نمک زدایی ممبران را به شدت کاهش می دهد. به همین دلیل نصب سیستم های پیش تصفیه آب قبل از ممبران های TFC برای حذف کلر ضروری می باشد.

ماژول های ممبران

به طور معمول چهار نوع ماژول اصلی در ممبران وجود دارد:

ممبران های صفحه و قاب (plate-and-frame)

لوله ای (tubular)

حلزون مارپیچی (spiral wound) 

فیبر توخالی (hollow fiber)

فرم صفحه و قاب ساده ترین ماژول ممبران است که از دو صفحه محافظ و ورقه های غشایی دارای فواصل تشکیل شده است. در ماژول لوله ای یا توبولار، ممبران اغلب داخل یک لوله قرار دارد و آب به درون آن پمپ می شود. اما معمولترین فرم ممبران، ماژول مارپیچ حلزونی است که از یک صفحه مسطح ممبران تشکیل شده که به دور یک لوله جمع آوری کننده آب خروجی پیچیده شده است، به نحوی که آب خوراک از یک سمت ممبران جریان دارد و آب تمیز خروجی در سمت دیگر جمع می شود. ماژول فیبر توخالی برای شیرین سازی آب دریا استفاده می شود و شامل دسته هایی از الیاف توخالی است که در یک محفظه به نام پرشروسل قرار دارند. این ماژول در فرایند تصفیه فاضلاب نیز کاربرد دارند که در اینصورت همیشه درون پرشروسل قرار نمی گیرند؛ به طوری که دسته های فیبرها می توانند در آب معلق باشند و آب خروجی تمیز از انتهای فیبرها جمع آوری می شود.

گرفتگی یا فولینگ ممبران

معضل اصلی در مورد استفاده از هر دو نوع ممبران سلولزی و پلی آمیدی گرفتگی سطح و منافذ ممبران است که میزان آب خروجی از ممبران را به شدت تحت تاثیر قرار می دهد. این گرفتگی در نتیجه تجمع مواد ارگانیک، کلوئیدها، رسوب املاح و بیوفیلم ناشی از آلاینده های میکروبی باشد. این مشکل می تواند با افزودن مواد ضدعفونی کننده، آنتی اسکالانت و انجام مراحل پیش تصفیه آب کنترل شود؛ اما بهر حال مشکل فولینگ و پایداری شیمیایی در این ممبران ها هنوز وجود دارد و نیاز به رفع این مشکل در نسل های بعدی ممبران احساس می شود. اما خوشبختانه با ممانعت از گرفتگی ممبران از طریق اقداماتی که گفته شد، می توان طول عمر ممبران را افزایش و میزان انرژی مصرفی آن را کاهش داد.  

امروزه اسمز معکوس و فیلتراسیون ممبران کاربردهای فراوانی در بسیاری از صنایع در سرتاسر جهان دارد. این تکنولوژی در صنعت تصفیه آب نیز همچنان جایگاه خود را حفظ کرده و به دلیل کمبود منابع آب شرب در تمام دنیا با اقبال گسترده ای همراه بوده است.در حال حاضر با راه اندازی مراکز بزرگ شیرین سازی آب دریا با روش اسمز معکوس در بسیاری از شهرها و حتی کشورهای کوچک که با بحران کمبود آب مواجه هستند، امکان تولید آب آشامیدنی مناسب وجود دارد.

ممبران های RO علاوه بر کاربرد مهمی که در شیرین سازی آب دریا و تصفیه فاضلاب دارند؛ در صنعت تصفیه آب و دستگاههای تصفیه آب خانگی اصلی ترین بخش سیستم را تشکیل می دهند و قادر به حذف تقریبا تمامی مواد محلول و معلق موجود در آب هستد. تکنولوژی ممبران اسمز معکوس (RO) یکی از دستاوردهای مهم بشر در طول تاریخ بوده است و فیلتر های ممبران در حال حاضر به عنوان مطمئن ترین روش تهیه آب آشامیدنی خالص در سیستم های تصفیه آب کاربرد دارند.