اسمز معکوس چیست؟ تکنولوژی مدرنی است که آب را برای مصارف متعددی از جمله نیمه رساناها، خوراک پزی، تکنولوژی زیستی، داروها، تولید برق، نمک زدایی آب دریا و آب خوردنی شهری، تصفیه می نماید. از اولین آزمایش هایی که در سال 1950 انجام شد طی آن هر ساعت چند قطره آب تولید می شد، امروزه نتیجه صنعت اسمز معکوس در تولید مشترک جهانی به بیشتر از 7/1 میلیون گالن در هر روز رسیده است. با افزایش روز افزون تقاضاها برای آب خالص (تصفیه شده)، رشد صنعت اسمز معکوس در قرن آینده با افزایش روبه رو خواهد شد.
پیشینه تاریخی
تحقیق در مورد اسمز معکوس در سال 1950 در دانشگاه فلوریدا، جائی که «رید و بوتون» که توانستند خاصیت نمک زدایی ممبران استات سلولز را شرح دهند، آغاز شد. «لوب و سوریرجان»، گسترش تکنولوژی اسمز معکوس را با ایجاد نخستین ممبران استات سلولز نامتقارن ادامه دادند. تحقیق در مورد این پیشرفت خوب و امیدوار کننده منجر به ایجاد پیکر بندی بهتر و جدیدتر اجزای اسمز معکوس شد. به طوریکه امروزه این صنعت اکثرا اجزای مارپیچ فنری و در برخی موارد اجزای فیبر توخالی را تولید می کنند.
در اوایل سال 1980 تحقیق و بررسی در لابراتوارهای دولتی آمریکا، منجر به تولید نخستین ممبران پلی آمیر مرکب شد. این ممبران ها عمدتاً نسبت به ممبران های سلولزیک، از جریان تراوش و نمک زدایی بالاتری برخوردارند. امروزه با معرفی ESPA3 توسط هیدراناتیک ها، این صنعت با ترتیب کاهش بزرگی در مسیر نمک، به افزایش 20 دفعه ای در جریان هر فشار بر روی ممبران های سلولزیک اصلی رسیده است.
نیمه تراوا چیست؟
نیمه تراوا به ممبرانی اشاره می کند که بطور انتخابی به اقسام خاصی اجازه عبور می دهد در حالی که الباقی گونه ها باقی می مانند. در واقع بیشتر گونه ها از ممبران خواهند گذشت اما با سرعت متفاوت و قابل توجه. در اسمز معکوس، محلول (آب) با سرعت بیشتری نسبت به ذرات نامحلول (نمک ها) از ممبران ها عبور می کنند، با توجه به اینکه آب خالص تولید می شود، پیامد نهایی این است که تفکیک حلال حل شده روی می دهد. در برخی موارد عدم آبیاری باعث غلیظ شدن نمک می شود.
اسمز چیست؟
اسمز یک روش و شیوه طبیعی شامل عبور یک محلول غیلظ از میان مانع ممبران نیمه تراوا می باشد. یک مخزن آب خالص را با ممبران نیمه تراوا که به دو قسمت تقسیم شده، تصور کنید. آب خالص در مقایسه با دو قسمت یک ممبران نیمه تراوا ایده آل در فشار و دمای برابر از میان ممبران ها عبور نمی کند، زیرا اختلاف سطح شیمیایی دو قسمت برابر است.
اگر نمک قابل حل به یک قسمت اضافه شود، اختلاف سطح شیمیایی این محلول نمک کاهش پیدا می کند. استمراراً قسمت آب خالص از میان ممبران به سمت قسمت محلول نمک حرکت می کند تا تعادل اختلاف سطح شیمیایی احیاء گردد. در شرایط علمی، دو قسمت مخزن از لحاظ اختلاف سطح شیمیایی شان تفاوت دارند و محلول، از طرف اسمز، اختلاف سطح شیمیایی اش را در کل سیستم همسان می سازد.
تعادل زمانی برقرار می شود که ناهمسانی و تفاوت فشار هیدرواستاتیک ناشی از تغییرات گنجایش حجم در قسمت، با فشار اسمزی برابر می شود. فشار اسمزی، یک تناسب خاصیت محلول به غلظت نمک و استقلال ممبران است.
اسمز معکوس در مخزن، آب به سمت قسمت نمک دار ممبران حرکت می کند تا تعادل برقرار شود. به کارگیری فشار خارجی برای همسان سازی قسمت محلول نمک با فشار اسمزی همچنین باعث برقراری تعادل خواهد شد. فشار مضاعف باعث افزایش اختلاف سطح شیمیایی آب موجود در محلول نمک می شود و سبب عبور حلال به سمت قسمت آب خالص می گردد. زیرا در آن حالت دارای اختلاف سطح شیمیایی پائین تری می باشد. این پدیده اسمز معکوس نامیده می شود.
نیروی محرک اسمز معکوس، فشار کاربردی است. مقدار انرژی مورد نیاز برای تفکیک اسمزی مستقیما به میزان شوری حلال مربوط می شود. بنابراین، انرژی بیشتری برای تولید مقدار یکسان آب از حلال با غلظت بالای نمک لازم است.
اسمز معکوس چگونه کارمی کند؟
برای درک اسمز معکوس بهتر است با اسمز نرمال شروع کنیم. طبق دیکشنری «وبستر هریام»، اسمز به معنای حرکت و جنبش حلال از ممبرن نیمه تراوا (مثل سلول زنده) به داخل محلول بسیار غلیظ شده ای است که تمایل به همسان سازی غلظت حل شده روی دو طرف ممبران دارند. این یک تعریف صحیح محسوب می شود.
در سمت چپ، بشر پر از آب قرار دارد و مخزنی که در آب نیمه غوطه ور است. همانطور که انتظار دارید سطح آب در مخزن به اندازه سطح آب در بشر است. در آنجا، انتهای مخزن به ممبران نیمه تراوا چسبیده است و مخزن با محلول نمکی نیمه پر است و در آن غوطه ور است. در ابتدا سطح محلول نمک و آب برابر است اما با گذشت زمان، وقایع غیر منتظره ای روی می دهد. آب داخل مخزن افزایش می یابد. این افزایش را به فشار اسمزی نسبت می دهند. ممبران نیمه تراوا ممبرانی است که برخی از اتم ها یا مولکول ها را عبور می دهد، اما مانع عبور بقیه می گردد. Saran wrap ممبران است اما تقریبا برای هر چیزی که ما معمولاً از آن عبور می دهیم، ناتراوا می باشد.
بهترین مثال ممبران نا تراوا، آستر روده های شما یا دیوار سلول است. gore- tex یک ممبران نیمه تراوا معمولی دیگر است. ساختار gore- tex شامل لایه نسبتاً نازک پلاستیکی است که در داخل آن میلیون ها روزنه کوچک ایجاد کرده اند. روزنه ها برای عبور بخار آب از آن به اندازه کافی بزرگ هستند اما برای جلوگیری از عبور آب مایع به اندازه کافی کوچکند.
ممبران به غیر از مولکول های نمک به مولکول های آب اجازه عبور می دهد. یک روش برای درک فشار اسمزی این است که مولکول های آب را بر روی دو طرف ممبران تصور کنید. این تصور در تضاد با Brownian motion است. بر روی قسمت نمکی، بعضی از روزنه ها با اتم های نمک مسدود شده اند اما در قسمت آب خالص چنین چیزی وجود ندارد. بنابراین آب بیشتری از قسمت آب خالص عبور می کند، چون روزنه های بیشتری برای عبور آب خالص در قسمت آب خالص وجود دارد. آب موجود در قسمت نمکی افزایش می یابد تا یکی از این دو حالت روی دهد:
1)- غلظت نمک در دو طرف ممبران مساوی شود (البته در این مورد این حالت روی نمی دهد، چون آب خالص در یک قسمت و آب شور در طرف دیگر وجود دارد.)
2)- همانطور که ارتفاع ستون آب شور افزایش می یابد فشار آب نیز افزایش پیدا می کند تا اینکه فشار اسمزی برابر شود. در این نقطه اسمز متوقف خواهد شد.
به هر حال، اسمز دلیل این مسئله است که نوشیدن آب شور (مثل آب اقیانوس) شما را خواهد کشت. زمانی که آب شور وارد معده تان می شود، فشار اسمزی، آب را به بیرون بدنتان هدایت می کند، تا نمک در داخل معده شما رقیق شود، بنابراین شما آب بدنتان را از دست می دهید (آب بدنتان خشک می شود) و می میرید.
در اسمز معکوس، هدف این است که از ممبران به گونه ای استفاده شود که شبیه فیلتری برای تولید آب قابل نوشیدنی آب شور (یا آب آلوده دیگر) عمل نماید. آب شور روی یک طرف ممبران گذاشته می شود و فشار برای متوقف کردن اعمال می شود. سپس وارونه می شود، یعنی جریان اسمزی روی می دهد، در مجموع این کار فشار زیادی می گیرد و نسبتاً کند پیش می رود اما به هر حال این کار انجام می شود.
