اسمز معکوس چیست و چه کاربردی در تصفیه آب دارد؟
اسمز معکوس یا RO یک فرآیند تصفیه آب است که با استفاده از یک غشای نیمه نفوذ پذیر مولکول های ناخواسته و ذرات بزرگ مانند آلاینده ها و رسوباتی مانند کلر ، نمک و خاک را از آب آشامیدنی فیلتر می کند. 
علاوه بر حذف آلاینده ها و رسوبات ، اسمز معکوس می تواند میکروارگانیسم ها را نیز از بین ببرد که مطمئناً نمی خواهید آنها را بنوشید. این مکانیسم آب را تا سطح مولکولی تمیز می کند و فقط H2O خالص را تحویل شما خواهد داد که برای آشامیدن ، پخت و پز و سایر کاربردها قابل استفاده است.
فیلتر آب RO یک فیلتر محبوب برای تصفیه آب در خانه و محل کار است. اسمز معکوس به زبان ساده عبور آب از یک غشا نیمه تراوا است که باعث جداسازی آلودگی های آن می شود. فرآیند اسمز معکوس شیمی دهم نیز به این مبحث پرداخته است. برای آشنایی با صفر تا صد اسمز معکوس در ادامه مقاله با ما در نشریه جهان شیمی فیزیک همراه باشید.
مزایای سیستم اسمز معکوس چیست؟
سیستم اسمز معکوس یکی از گسترده ترین روشهای فیلتراسیون است زیرا ۹۸٪ مواد جامد محلول را از بین می برد و آب را قابل شرب می کند. دستگاه تقطیر آب تنها سیستم تولید کننده آب آشامیدنی دیگری است که TDS را نیز کاهش می دهد ، اما نسبت به سیستم RO کارآیی کمتری دارد. از مزایای RO می توان به موارد زیر اشاره کرد:
- آلاینده های مضر محلول کاهش می یابد
- سدیم محلول کاهش می یابد
- طعم و بوی بد آب را کاهش می یابد
- سازگار با محیط زیست نسبت به آب بطری
- نگه داری و نصب آسان
روش کار اسمز معکوس چگونه است؟
قبل از اینکه به جزئیات نحوه کارکرد اسمز معکوس بپردازیم ، باید با نحوه عملکرد اسمز آشنا شوید. همانطور که ممکن است مبحث اسمز معکوس شیمی دهم را به یاد داشته باشید ، باید بگوییم که اسمز فرایندی است که در آن آب از یک غشا نیمه تراوا از یک محلول با غلظت کمتر به طرف محلول غلیظ تر حرکت می کند تا غلظت یکسانی ایجاد کند – چیزی که ما نمی خواهیم برای آب آشامیدنی ما رخ دهد.
در اسمز معکوس ، از فشار اعمال شده برای غلبه بر فشار اسمزی و هل دادن آب از غلظت های بالا که شامل آلاینده های بیشتر است به غلظت کم آلاینده ها استفاده می شود. این بدان معناست که آب به طور معکوس حرکت از غلظت زیاد به غلظت کم حرکت می کند اما از آنجا که ابتدا باید از یک فیلتر عبور کند ، آلودگی ها به دام می افتند و فقط آب خالص عبور می کند. در نتیجه آب آشامیدنی تصفیه شده تولید می شود. در مبحث اسمز معکوس چیست شیمی دهم این مراحل شرح داده شده است.
تاریخچه کشف اسمز معکوس
فرآیند اسمز از طریق غشاهای نیمه تراوا اولین بار در سال ۱۷۴۸ توسط Jean-Antoine Nollet مشاهده شد. ۲۰۰ سال بعد ، اسمز فقط پدیده ای بود که در آزمایشگاه مشاهده می شد. در سال ۱۹۵۰ ، دانشگاه کالیفرنیا در لس آنجلس برای اولین بار نمک زدایی آب دریا را با استفاده از غشاهای نیمه تراوا بررسی کرد. محققان دو دانشگاه کالیفرنیا در لس آنجلس و دانشگاه فلوریدا در اواسط دهه ۱۹۵۰ با موفقیت آب شیرین را از آب دریا تولید کردند ، اما پتانسیل پایین این روش اجازه نداد از نظر تجاری گسترش یابد.
تا زمان کشف این روش در دانشگاه کالیفرنیا در لس آنجلس توسط Sidney Loeb و Srinivasa Surirajan در شورای تحقیقات ملی کانادا ، اوتاوا ، روشهایی برای ساخت غشاهای نامتقارن که با یک لایه کاملاً نازک “پوستی” پشتیبانی می شود و در بالای یک لایه بستر بسیار متخلخل و ضخیم تر از غشا قرار می گیرد ، صورت گرفت.
جان كادوت كشف كرد كه غشاهایی با شار زیاد و عبور نمك كم می توانند با پلیمریزاسیون سطحی فنیلن دی آمین و تریموسیل كلرید ساخته شوند. تقریباً همه غشاهای اسمز معکوس تجاری اکنون با این روش ساخته می شوند و تا پایان سال ۲۰۰۱ ، حدود ۱۵۲۰۰ دستگاه آب شیرین كن در سراسر جهان در حال فعالیت یا مراحل برنامه ریزی بودند. بزرگترین و مهمترین کاربرد اسمز معکوس ، جداسازی آب خالص از آب دریا و آبهای شور است.
اسمز معکوس چند مرحله است؟
اگر بخواهید اسمز معکوس را تعریف کنید باید به چهار مرحله موجود در این فرآیند توجه داشته باشید. OR به طورکلی شامل چهار مرحله فیلتراسیون است: فیلتر رسوب ، بلوک قبل از کربن ، غشا اسمز معکوس و فیلتر پس از کربن.
فیلتر رسوب بزرگترین ذرات مانند خاک ، شن و زنگ زدگی را از بین می برد تا از گرفتگی فیلترهای بعدی جلوگیری کند. فیلتر پیش کربن از کربن فعال برای جلوگیری از عبور هر چیزی بزرگتر از مقیاس آرد و همچنین جذب و پیوند با یونهای با بار مثبت برای جلوگیری از عبور ترکیبات شیمیایی مانند کلر و کلرامین به فیلتر سوم استفاده می کند. غشا OR سپس مولکول های سنگین تر از آب مانند سدیم ، مقادیر بالای سرب ، مواد معدنی محلول و فلوراید را از بین می برد. در آخر فیلتر بعد از کربن آب را جلا می دهد تا گواراتر شود.
کاربرد اسمز معکوس در تصفیه آب آشامیدنی
در سراسر جهان ، سیستم های تصفیه آب آشامیدنی خانگی معمولاً برای بهبود آب برای آشامیدنی و پخت و پز استفاده می شود. چنین سیستم هایی معمولاً شامل چندین قسمت هستند:
- یک فیلتر رسوب برای به دام انداختن ذرات ، از جمله زنگ زدگی و کربنات کلسیم
- به صورت اختیاری ، یک فیلتر رسوب دوم با منافذ کوچکتر
- یک فیلتر کربن فعال برای به دام انداختن مواد شیمیایی آلی و کلر ، که باعث حمله و تخریب انواع خاصی از غشای کامپوزیت فیلم نازک می شود
- یک فیلتر اسمز معکوس که یک غشای ترکیبی از فیلم نازک است
- در صورت تمایل یک لامپ ماورا بنفش برای عقیم سازی هر میکروبی که ممکن است از فیلتر شدن توسط غشا OR فرار کند
- به صورت اختیاری ، یک فیلتر کربن دوم برای جذب آن دسته از مواد شیمیایی که توسط غشا OR برداشته نشده است. آخرین تحولات در این حوزه شامل استفاده از مواد و غشا نانو است.
در بعضی از سیستم ها ، فیلتر کربن حذف شده و از غشای تری استات سلولزی CTA استفاده می شود که یک غشای جانبی کاغذی است که به یک لایه مصنوعی پیوند خورده است و برای ایجاد تماس با کلر در آب ساخته می شود. اینها به مقدار کمی کلر در منبع آب نیاز دارند تا از تشکیل باکتری بر روی آن جلوگیری کنند.
غشای تری استات سلولز مستعد پوسیدگی است مگر اینکه توسط آب کلردار محافظت شود ، در حالی که غشای کامپوزیت فیلم نازک تحت تأثیر کلر مستعد تجزیه است. قیمت دستگاه اسمز معکوس با توجه به کارایی و قطعات بکار رفته در آن متفاوت است.
کدام آلودگی ها توسط اسمز معکوس از بین می روند؟
یک سیستم RO با عملکرد بالا می تواند تا ۹۹٪ از آلاینده های محلول موجود در آب آشامیدنی را از بین ببرد. این آلاینده ها آب عبارتند از:
- نمکها
- ذرات
- کلوئیدها: مولکول های چربی و روغن
- باکتریهای آلی
- پیروژن ها: مواد مبتنی بر پروتئین که توسط باکتری تولید می شوند و هنگام ورود به بدن انسان باعث ایجاد تب می شوند.
تفاوت آب حاصل از اسمز معکوس با آب بطری
بیشتر آب بطری از طریق اسمز معکوس تصفیه می شود ، اما تولید آب بطری بیشتر از سیستم اسمز معکوس خانگی انرژی هدر می دهد زیرا مراحل بسیاری را طی می کند تا به دست شما برسد.
اسمز معکوس همچنین مزایای تولید دائمی آب بسیار تصفیه شده را در خانه شما دارد. با دارا بودن دستگاه RO برای تهیه آب بطری نیازی به مراجعه به فروشگاه مواد غذایی نیست.
یک سیستم اسمز معکوس آب با کیفیت تری نسبت به آب بطری در راحتی آشپزخانه شما تولید می کند. حتی می توانید بطری های آب شیشه ای را با آب RO پر کنید و در یخچال خود نگهداری کنید ، بنابراین می توانید به همین راحتی از شر بطری های پلاستیکی یکبار مصرف خلاص شوید.
آیا آب حاصل از اسمز معکوس برای شما مفید است؟
سیستم آب اسمز معکوس آلودگی های محلول را از بین می برد که قادر به دیدن آنها نیستید اما می توانند شما را بیمار کنند. اسمز معکوس قبل از ورود آب به بدن برای فیلتر کردن آب بسیار موثر است. این ماده همچنین مواد معدنی مفیدی مانند کلسیم و منیزیم را از آب خارج می کند ، اما این امر باعث نمی شود که آب اسمز معکوس برای شما مضر باشد.
بدن ما ۷۰-۸۰٪ از آبی تشکیل شده است که بدن را آبرسانی می کند ، مفاصل را روان می کند و به عملکرد اندام ها کمک می کند. برای انجام آن کارها به مواد معدنی نیازی ندارید. شما باید مقدار زیادی آب بنوشید تا مواد معدنی کافی جذب کنید که تفاوت چشمگیری ایجاد کند. لازم به ذکر است که غذا منبع اصلی مواد مغذی ضروری است نه آب. اگر مواد معدنی بیشتری می خواهید ، میوه ها و سبزیجات بیشتری بخورید.
سایر کاربردهای اسمز معکوس
صنایع غذایی
علاوه بر نمک زدایی ، اسمز معکوس برای تغلیظ مایعات خوراکی (مانند آب میوه ها) عملی مقرون به صرفه تر از فرآیندهای حرارتی است. از مزایای آن می توان به هزینه عملیاتی کمتر و توانایی جلوگیری از فرآیندهای حرارتی اشاره کرد که باعث می شود این روش برای مواد حساس به حرارت مانند پروتئین و آنزیم های موجود در بیشتر محصولات غذایی مناسب باشد.
از اسمز معکوس به طور گسترده ای در صنایع لبنی برای تولید پودرهای پروتئین آب پنیر و افزایش غلظت شیر برای کاهش هزینه های حمل و نقل استفاده می شود. در تولید آب پنیر یا پروتئین وی ، آب پنیر (مایع باقیمانده پس از تولید پنیر) با اسمز معکوس از ۶٪ مواد جامد کل به ۱۰-۲۰٪ مواد جامد کل قبل از پردازش اولترافیلتراسیون می رسد.
سپس می توان از مخلوط اولترافیلتراسیون برای تهیه پودرهای مختلف آب پنیر از جمله ایزوله پروتئین آب پنیر استفاده کرد. اگرچه زمانی در صنعت شراب سازی از کاربرد این فرآیند اجتناب می شد ، اما اکنون به طور گسترده ای درک و مورد استفاده قرار گرفته است.
تولید شربت افرا
در سال ۱۹۴۶ ، برخی از تولیدکنندگان شربت افرا شروع به استفاده از اسمز معکوس برای حذف آب از شیره قبل از جوشاندن شیره کردند. استفاده از اسمز معکوس اجازه می دهد تا حدود ۷۵-۹۰٪ از آب از شیره خارج شود و باعث کاهش مصرف انرژی و قرار گرفتن شربت در دمای بالا می شود. آلودگی و تخریب میکروبی غشا در این فرآیند باید کنترل شود.
تولید آبجو با درصد الکل پایین
هنگامی که آبجو در غلظت الکل طبیعی در معرض اسمز معکوس قرار می گیرد ، آب و الکل با سرعت بیشتری از غشا و فرآیندهای غشایی از سایر اجزا عبور می کنند و یک “کنسانتره آبجو” باقی می مانند. سپس کنسانتره با آب شیرین رقیق می شود تا اجزای غیر فرار را به غلظت اصلی خود بازگرداند.
تولید هیدروژن
برای تولید هیدروژن در مقیاس کوچک در آزمایشگاه گاهی اوقات از اسمز معکوس برای جلوگیری از تشکیل رسوبات معدنی در سطح الکترودها استفاده می شود.
آکواریوم
بسیاری از دارندگان آکواریوم صخره ای از سیستم های اسمز معکوس برای مخلوط مصنوعی آب دریا استفاده می کنند. آب لوله کشی معمولی می تواند حاوی کلر ، کلرامین ، مس ، نیترات ، نیتریت ، فسفات ، سیلیکات یا بسیاری از مواد شیمیایی دیگر باشد که برای ارگانیسم های حساس در یک محیط صخره ای مضر است. آلودگی هایی مانند ترکیبات نیتروژن و فسفات ها نیز می توانند منجر به رشد بیش از حد و ناخواسته جلبک ها شوند.
ترکیب موثری از هر دو روش اسمز معکوس و دیونیزاسیون محبوب ترین روش در بین دارندگان آکواریوم صخره ای است که به دلیل کم هزینه بودن و حداقل هزینه های عملیاتی به سایر فرایندهای تصفیه آب ترجیح داده می شود.
آکواریوم داران آب شیرین همچنین از سیستمهای اسمز معکوس برای تولید آبهای بسیار نرم شبیه بسیاری از آبهای نواحی گرمسیری استفاده می کنند.
تمیز کردن پنجره
به جای شستن پنجره ها با مواد شوینده به روش معمول ، آنها را با آب کاملاً تصفیه شده ، که معمولاً حاوی مواد جامد محلول در حد کمتر از ppm 10 است شستشو می دهند که از طریق RO تصفیه شده است.
آیا اسمز معکوس برای محیط زیست مفید است؟
هنگامی که فاضلاب از خانه خارج می شود ، مواد شیمیایی و سایر آلاینده ها باید قبل از بازیافت خارج شوند. فاضلاب یا به تصفیه خانه ارسال می شود یا برای سهولت در تصفیه در بستر رودخانه ها رقیق می شود تا در طبیعت از طریق چرخه هیدرولوژیکی فیلتر شود.
سیستم اسمز معکوس ، کارایی پساب زباله را بیشتر می کند. آب حاصل از RO که از خانه شما خارج می شود فاقد مواد شیمیایی است زیرا در مرحله فیلتراسیون کربن آن حذف شده است. آب باقی مانده فقط حاوی غلظت کمی از مواد معدنی محلول است. سیستم های RO روند بازیافت را تسریع می کنند زیرا پس از تخلیه آب RO از خانه شما هیچ ماده شیمیایی جدیدی به منبع آب وارد نمی شود.
معایب استفاده از دستگاه اسمز معکوس خانگی
واحدهای اسمز معکوس خانگی از مقدار زیادی آب استفاده می کنند زیرا فشار کمی دارند. در نتیجه ، آنها فقط ۵ تا ۱۵ درصد از آب ورودی به سیستم را بازیابی می کنند. باقیمانده به عنوان فاضلاب تخلیه می شود. از آنجا که فاضلاب آلودگی های رد شده را به همراه دارد ، روش های بازیابی این آب برای سیستم های خانگی عملی نیست. فاضلاب خانگی معمولاً به فاضلاب شهری متصل می شود و به بار سیستم عفونی خانگی اضافه می شود.
یک واحد اسمز معکوس که ۱۹ لیتر آب تصفیه شده را در روز تحویل می دهد ، ممکن است روزانه بین ۷۵ تا ۳۴۰ لیتر پساب تولید کند که یک پیامد فاجعه بار برای شهرهای بزرگ خواهد بود!
