دستگاه تصفیه آب اسمز معکوس

به اختصار دستگاه RO یا همان دستگاه آب شیرین کن یکی از محصولات و سیستم های تصفیه آب است که در ابعاد و مصارف صنعتی طراحی و ارائه می شود. فرآیند اسمز معکوس (Reverse Osmosis) یا شیرین کردن آب روشی جهت جداسازی ناخالصی ها از آب مي باشد. در این روش عامل جداسازی اعمال فشار مکانيکی است. در حال حاضر روش اسمز معکوس نقش بسیار مهمی در تصفيه آب دارد. در تصفیه آب به روش اسمز معکوس، آب خام توسط پمپ به درون محفظه ای که دارای غشاء نيمه تراوا می باشد پمپاژ می شود. به این دلیل که تقريبأ تنها آب خالص می تواند از غشاء عبور کند، آب تقريبأ خالص در يک طرف غشاء و آب تغليظ شده از ناخالصی ها در طرف ديگر غشا جمع آوری مي گردد. دستگاه تصفیه آب RO می تواند به صورت پيوسته کار کند و توانایی کاهش TDS آب خام را تا 95% را دارد. حذف باکتري ها، ويروس ها و ديگر میکرواورگانیسم ها با استفاده از فرآیند اسمز معکوس (Reverse Osmosis) تقریبا صددرصد می باشد. همچنين اسمز معکوس مي تواند 99% مواد معدني و 97% مواد آلی و کلوئيدی آب را حذف نمايد. این فرآیند برای تهیه آب آشامیدنی از آب هایی که حاوی املاح معدنی زیاد و ناخالصی های آلی می‌باشند، بسیار مفید می‌باشد. اسمز معکوس را می‌توان در داروسازی و پزشکی جایگزین روش تقطیر، برای تولید آب خالص و عاری از میکروارگانیسم ها نمود. امروزه روش اسمز معکوس اقتصادی ترین فرآیند برای تهیه آب آشامیدنی از آب های شور مناطق کم آب می‌باشد.

اسمز معکوس و اسمز طبیعی

پدیده اسمز یک فرآیند طبیعی است. در این فرآیند آب بدون نیاز به انرژی جریان پیدا می کند. اما برای ایجاد جریان در جهت معکوس نیاز به وارد آوردن فشار به آب های شور می باشد. علاوه بر این غشای اسمز معکوس یک غشای نیمه‌ تراوا است. به همین علت به مولکول‌های آب اجازه عبور می دهد، اما از عبور موادی نظیر نمک‌های محلول، مواد آلی، باکتری‌ها و … جلوگیری می کند. برای عبور آب از این غشا نیاز به ایجاد فشاری بیشتر از فشار اسمزی ایجاد شده ناشی از تفاوت غلظت محلول‌ها در سمت محلول غلیظ‌ تر است. اگر این میزان فشار ایجاد شود، آب از غشا عبور می کند. در عین حال نمک‌ها و یون‌های محلول در آن از غشا عبور نمی‌کنند. بدین‌ ترتیب عملیات تصفیه آب و حذف نمک‌ها انجام شده و بسیاری از آلودگی‌ها و ناخالصی های آب حذف خواهند شد.

اساس کار اسمز معکوس

فرض کنید دو ظرف، یکی حاوی آب نمک (۱) و دیگری حاوی آب خالص (۲) توسط یک لوله به یکدیگر متصل بوده و هر دو دارای ارتفاع مساوی از آب و در یک سطح قرار داشته باشند. جهت برقراری تعادل در غلظت یون‌ های سدیم و کلراید از ظرف آب نمک، یون‌ های نمک به صورت نفوذ مولکولی به ظرف آب خالص انتقال یافته تا تعادل غلظت بین هر دو ظرف برقرار گردد. اما اگر بین این دو ظرف و در مسیر جریان آب یک غشاء قرار گیرد که فقط اجازه دهد مولکول‌ های آب از آن عبور کنند، یون‌ های نمک اجازه عبور نخواهند داشت؛ لذا برای برقراری تعادل در غلظت، آب خالص از ظرف شماره (۲) به ظرف شماره (۱) انتقال می‌ یابد و این عمل تا آن جا ادامه می‌ یابد که افزایش ارتفاع حاصله در ظرف آب نمک، فشار مضاعف ایجاد کرده و اجازه انتقال آب از ظرف شماره (۲) به ظرف شماره (۱) را ندهد. این فشار را فشار اسمزی می‌ گویند و تابعی از غلظت نمک در هر دو طرف غشاء می‌ باشد.

انتخاب غشا

در سیستم اسمز معکوس غشا یا ممبران مهم‌ ترین و حساسترین قسمت دستگاه می‌ باشد. زیرا فشار عملیاتی مورد نیاز ارتباط مستقیم با ضخامت غشا و قطر سوراخ‌ های آن دارد. همچنین غشا به علت تماس مداوم با مواد شیمیایی افزوده شده به آب، بایستی مقاوم بوده و با مواد بازدارنده و ضد رسوب‌ گذار و زیست کش‌ها (Biocides) واکنش ندهد. عوامل مؤثر برای مقایسه غشاها عبارتند از:

• قیمت
• ضخامت
• افت فشار
• قطر سوراخ‌ ها
• شرکت سازنده
• مقاومت در مقابل مواد شیمیایی

سعی می‌شود آب قبل از ورود به دستگاه اسمز معکوس، حتما تصفیه مقدماتی گردد. به علت کیفیت بسیار عالی آب خروجی از سیستم اسمز معکوس امروزه بیشتر صنایع از این روش، به جای به‌ کارگیری سیستم‌ های تبادل یونی استفاده می‌ کنند. زیرا مبادله‌ کننده‌ های یونی به علت مصرف زیاد مواد شیمیایی و رزین تبادل یونی، دارای هزینه راهبری و نگهداری زیادی می‌ باشند.

پمپ‌ های فشار قوی

پمپ‌ های فشار بالا فشار لازم برای عبور آب از غشا را فراهم می‌ کنند. فشار لازم برای آب لب شور معمولی از ۱٫۶ تا ۲٫۶ مگاپاسکال (۲۲۵ تا 376 psi) است. در مورد آب دریا، فشار از ۵٫۵ تا ۸ مگاپاسکال (۸۰۰ تا 1180 psi) متغیر است. تأمین این فشار نیاز به مقدار زیادی انرژی دارد. در سیستم‌ هایی که از بازیافت انرژی استفاده می‌ شود، بخشی از کار پمپ فشار بالا توسط دستگاه بازیابی انرژی تأمین می‌شود که باعث کاهش انرژی ورودی به سیستم می‌ شود.

پیش تصفیه دستگاه اسمز معکوس (RO)

تصفیه مقدماتی آب ورودی به دستگاه اسمز معکوس یا RO، به منظور استفاده بهینه از ممبران ها و افزایش زمان کارکرد ممبران انجام می گیرد و در طی این عملیات آب آماده عبور از ممبران می شود. عملیات تصفیه مقدماتی آب ورودی شامل مراحل زیر است:

1. حذف بار آلی: به منظور کاهش بار آلی و یا جداسازی کلر باقیمانده در آب ورودی از بسترهای کربن فعال استفاده می شود.
2. تنظیم PH: تنظیم نمودن PH آب به منظور افزایش عمر غشا و جلوگیری از رسوب کردن برخی املاح امری ضروری است. عمر مفید ممبران ها در PH نامناسب به دلیل هیدرولیز شدن کاهش می یابد.
3. کنترل عوامل رسوب کننده: مواد اکسید شونده هماننده اکسیدها و هیدرواکسیدهای آهن، منگنز و سیلیس می تواند در طی فرآیند نمک زدایی مشکلاتی را به وجود آورند و در نتیجه کارایی ممبران کاهش یابد. ترکیب هگزا متافسفات را می توان برای کنترل عوامل رسوب کننده استفاده کرد.
4. جداسازی ذرات معلق جامد: مواد معلق و کلوئیدی موجود در آب موجب گرفتگی ممبران می شود. میزان رسوب گذاری آب ورودی با اندیس SDI تعیین می گردد و لازم است که مقدار آن کمتر از حد مجاز باشد. به منظور کاهش کدورت و ذرات معلق آب از فیلتر شنی و فیلتر میکرونی (منافذ 5 میکرون) استفاده می شود.
5. حذف میکرواورگانیسم ها: وجود میکرواورگانیسم ها همانند باکتری ها می تواند موجب گرفتگی میکروبی ممبران شود و حتی در برخی موارد آنزیم های ترشح شده از میکرواورگانیسم ها بر روی ممبران اثر تخریبی دارد. به همین دلیل لازم است آب قبل از ورود به دستگاه RO ضد عفونی گردد. برای ضد عفونی آب می توان از انواع روش های ضد عفونی استفاده کرد. در صورت استفاده از کلرین برای ضد عفونی به دلیل اثر تخریبی کلر بر روی ممبران ها باید کلر قبل از ورود به ممبران حذف شود که این کار توسط تزریق متابی سولفیت انجام می شود.

تصفیه آب و فاضلاب

تصفیه آب باران با روش اسمز معکوس برای آبیاری فضای سبز و مصارف سرمایش دستگاه‌ های آب خنک در شهرهای بزرگ دنیا به عنوان راه حلی برای مشکل کمبود آب مورد استفاده قرار می‌گیرد. در صنعت و نیروگاه‌ ها اسمز معکوس مواد جامد حل شده را از آب دیگ‌ های بخار حذف می‌کند. این کار رسوب گذاری را در تأسیسات کاهش داده و از خرابی آن‌ ها جلوگیری می‌کند. رسوب گذاری داخل یا خارج لوله‌ های دیگ بخار با کاهش کارایی آن و همچنین تولید بخار ضعیف، باعث تولید برق ضعیف در توربین می‌شود. همچنین برای تمیز کردن پساب و آب‌ های زیر زمینی لب شور از اسمز معکوس استفاده می‌ شود. فاضلاب در حجم‌ های بزرگ (بیش از ۵۰۰ متر مکعب در روز) ابتدا باید در یک تصفیه خانه پیش تصفیه شود و پس از آن پساب پاکیزه تحت سیستم اسمز معکوس قرار می‌ گیرد. به این طریق هزینه تصفیه به‌ طور قابل توجهی کاهش می‌ یابد و عمر غشا سیستم اسمز معکوس افزایش می‌یابد. فرایند اسمز معکوس را می‌ توان برای تولید آب دیونیزه استفاده کرد. فرایند اسمز معکوس برای تصفیه آب نیاز به انرژی حرارتی ندارد. دبی جریان سیستم‌ های اسمز معکوس را می‌ توان با پمپ‌ های فشار بالا کنترل کرد. بازیابی آب خالص بستگی به عوامل مختلفی از جمله اندازه غشا، اندازه سوراخ‌ های غشا، دما، فشار عملیاتی و مساحت جانبی غشا دارد.

صنایع غذایی

علاوه بر نمک زدایی، اسمز معکوس یک فرایند ارزان‌ تر برای افزایش غلظت مایعات غذایی (برای مثال آب میوه‌ ها) نسبت به فرآیندهای معمول حرارتی است. با تحقیقاتی که روی افزایش غلظت آب پرتقال و آب گوجه فرنگی انجام شده‌ است مزایای آن عبارت بوده‌اند از: هزینه عملیاتی پایین‌ تر و توانایی اجتناب از فرایندهای نیاز به گرما که آن را برای مواد حساس به گرما مانند پروتئین‌ ها و آنزیم‌ ها که در اکثر محصولات غذایی موجود است مناسب می‌ سازد. از اسمز معکوس به‌ طور گسترده‌ ای در صنعت لبنی برای تولید پودر پروتئین وی (Whey) و افزایش غلظت شیر (برای کاهش هزینه‌ های حمل و نقل) استفاده می‌ شود. در فرایند ساخت پنیر، آب پنیر یا Whey (مایع باقی‌ مانده پس از تولید پنیر) با استفاده از اسمز معکوس از غلظت ۶٪ مواد جامد محلول به ۱۰–۲۰٪ مواد جامد محلول (قبل از الترافیلتراسیون) تغلیظ می‌ شود. پس از اتمام فرایند اولترافیلتراسیون می‌ توان از پودرهای مختلف آب پنیر، از جمله پروتئین وی ایزولات استفاده کرد. علاوه بر این، خروجی رقیق (Permeate) فرایند اولترافیلتراسیون که حاوی لاکتوز است، توسط اسمز معکوس از ۵٪ جامد تا ۲۲–۱۸٪ جامد تغلیظ می‌ شود تا هزینه‌ های کریستال سازی و خشک کردن پودر لاکتوز را کاهش داد.

فرآیند تصفیه در روش اسمز معکوس

سیستم تصفیه اسمز معکوس صنعتی شامل پیش فیلتر چند رسانه ای، سختی گیر آب یا سیستم دوزینگ ضد انعقاد، سیستم دوزینگ کلرزدایی، واحد اسمز معکوس با غشاهای نیمه تراوا، استریلایزر UV یا کلر زنی پس از تصفیه است. این دستگاه ها با فن آوری اسمز معکوس با فیلترهای چند رسانه ای، برای انتقال آب ورودی و حذف ذرات بزرگ تر از 10 میکرون را اعمال می کنند. سپس آب توسط یک ماده شیمیایی ضد انعقاد تزریق می شود تا سختی آب را کنترل کند و باعث آسیب رساندن به غشاهای داخل دستگاه نشود. این گزینه های پیش تصفیه توانایی حذف سختی، کلر، بو، رنگ، آهن و گوگرد را دارند. در مرحله بعد آب به واحد اسمز معکوس انتقال پیدا می کند که در آن یک پمپ فشار بالا فشار بسیار زیادی را به محلول بسیار متمرکز وارد می کند. به این ترتیب نمک های باقیمانده، مواد معدنی و ناخالصی هایی که پیش فیلتر نمی تواند آن ها را بگیرد در این مرحله جدا می شوند. آب تازه قابل آشامیدن از انتهای کم فشار غشا خارج می شود در حالی که نمک ها، مواد معدنی و سایر ناخالصی ها از انتهای دیگر تخلیه می شوند. در نهایت، آب از طریق یک استریلایزر UV (یا پس از کلرینگ) عبور داده می شود تا باعث از بین رفتن هر نوع باکتری و میکروبی باقیمانده در آب می شود.

کاربردهای اسمز معکوس:

• تامین و تولید آب دیالیز بیمارستان ها
• صنعت چاپ و ساخت مواد نیمه رسانا
• پیش تصفیه در سیستم های تصفیه آب با خلوص بالا
• تصفیه آب جهت بویلرها و پیش تصفیه در برج خنک کننده
• نمک زدایی از آب دریا و آب شور برای تولید آب آشامیدنی
• تولید آب مصرفی در کشاورزی، گلخانه ها، مرغداری و گاوداری
• تولید آب فرآیندی برای صنایع غذایی، فولاد، نساجی، لبنی و …
• تصفیه پیشرفته و بازیافت آب از فاضلاب های بهداشتی و صنعتی
• تصفیه و بازیافت فاضلاب تولید شده از صنایع تولیدی فلزکاری و آبکاری
• صنایع تولید خودرو (تصفیه و بازیافت آب مورد استفاده برای تمیز کردن و نقاشی)
• آب های زیرزمینی و محل دفن زباله ها (حذف نمک ها و فلزات سنگین قبل از تخلیه)
• تولید آب بسیار خالص (آب دمین) جهت شرکت های داروسازی و صنایع میکروالکترونیک

نکات مهم کلیدی در نگهداری دستگاه اسمز معکوس

1. استفاده از لامپ های UV در بالا دست آب شیرین کن توصیه می شود.
2. انتخاب پاک کننده های شیمیایی مناسب با توجه به ماهیت یکی دیگر از نکات مهم و تأثیرگذار است.
3. محل تزریق بازدارنده (محصول اینهیبیتور) می بایست قبل از محل تزریق اسید (معمولا اسید سولفوریک) باشد.
4. فیلترهای کارتریج به کار رفته در ورودی آب دستگاه آب شیرین کن می بایست به صورت فصلی تعویض گردد وگرنه باعث بروز مشکلاتی در غشا و راندمان شیرین سازی آب خواهد گذاشت.
5. آب ورودی به ممبران ها عاری از کلر باشد، وجود مقادیر اندک کلر نیز باعث تخریب غشای پلی آمیدی اسمز معکوس می شود و می بایست به این نکته دقت نمود. در صورت وجود کلر در آب می توان از مواد شیمیایی احیا کننده جهت خنثی نمودن اثر مخرب آن استفاده نمود.
6. عملیات شستشو در محل یا CPI و (Cleaning in place) در صورت استفاده مداوم از دستگاه به صورت دوره های 6 ماهه صورت پذیرد و یا در مواقعی که می خواهیم اسمز معکوس را به مدت چند هفته یا چند ماه خاموش نماییم حتما قبل از خاموش نمودن می بایست ابتدا عملیات شستشو را انجام داد.

مزایای استفاده از سیستم های تصفیه آب اسمز معکوس

1. آب به عنوان یک ماده خام در تولید محصولات مختلف مورد استفاده قرار می گیرد. بنابراین برای رفع برخی نیازها ممکن است نیاز به مشخصات خاصی از آب وجود داشته باشد که تنها با استفاده از آب خام RO قابل دستیابی است.
2. آب همچنین برای خنک کردن برخی ماشین آلات استفاده می شود که برای مدت زمان زیادی کار می کنند و می تواند باعث مشکلاتی از قبیل افزایش حرارت، سایش بیش از حد و… شود. کیفیت خوب آب می تواند اطمینان حاصل کند که ماشین آلات به خوبی خنک می شوند.
3. به عنوان یک حلال تمیز کننده، آب در صنایع مختلف برای تمیز کردن دستگاه ها و ظروف خاص یا تمیز کردن ماشین آلات حساس به آب سخت استفاده می شود. از این رو، از طریق آب تهیه شده با فرآیند اسمز معکوس، می توان برای رسیدن به یک نوع خاص آب که برای تمیز کردن مناسب است، دست پیدا کرد.
4. نیاز به تامین آب شیرین و آشامیدنی در بسیاری از مناطق دنیا به یکی از موارد اساسی جوامع تبدیل شده است. در سال های اخیر و با توجه به بحران کمبود آب و خشکسالی در بسیاری از نقاط جهان از سیستم های تصفیه اسمز معکوس برای شیرین کردن آب دریاها و اقیانوس ها استفاده می شود. از این رو به سیستم های تصفیه آب عنوان دستگاه آب شیرین کن دریایی یا دستگاه تصفیه آب شور نیز اطلاق می گردد.

مشخصات فنی آب شیرین کن ها:

• شاسی از جنس استنلس استیل
• تصفیه و شیرین سازی آب در ظرفیت های گوناگون
• غشاء نیمه تراوا (Membrane) ساخت DOW امریکا
• واحد شستشوی دوره ای (CIP): شامل پمپ، مخزن پلی اتیلنی
• شیر فلكه های تنظیم جریان، شیرهای نمونه گیری و شیر فشار شکن
• کنترل کننده فشار بالا و پایین (Low Pressure Switch & High Pressure Switch)
• لوله و اتصالات استنلس استیل 316 برای خطوط تحت فشار و UPVC برای خطوط فشار پائین
• واحد تزریق مواد شیمیایی جهت تزریق آنتی اسکالانت شامل دوزینگ پمپ ایتالیایی و مخزن پلی اتیلنی
• تجهیزات کنترلی: شامل فشارسنج روغنی، فلومتر، نشانگر EC ،ROC کنترلر، تابلو برق (plc) تمام اتوماتیک
• واحد تصفیه اصلی: شامل غشا نیمه تراوا (Filmtec آمریکا)، پمپ فشار بالا (Lowara، Grundfos و Cnp) و محفظه تحت فشار (Pressure Vessle) از جنس استیل یا فایبرگلس
• واحدهای پیش تصفیه شامل فیلتر شنی و کربنی با مخازن استیل، کربن استیل و FRP با شیرهای دستی و اتوماتیک و میکروفیلتراسیون از جنس p.p با اندازه منافذ از 1 تا 100 میکرون با هوزینگ استیل یا pvc