غشای اسمز معکوس چیست و چگونه کار می کند؟

A reverse osmosis (RO) membrane یک سد فیلتراسیون نیمه تراوا است که آلاینده های محلول را از آب با فشار دادن آن از طریق یک لایه پلیمری متراکم تحت فشار حذف می کند. تا 99 درصد نمک های محلول، فلزات سنگین، باکتری ها، ویروس ها و سایر آلاینده ها را دفع می کند. در حالی که به مولکول‌های آب اجازه عبور می‌دهد - آب تولید می‌کند که تمیزتر از بسیاری از منابع آب شیر و بطری است. این جزء عملکردی اصلی هر سیستم تصفیه اسمز معکوس است، چه در یک واحد زیر سینک خانگی، یک کارخانه نمک‌زدایی صنعتی یا یک فرآیند تصفیه دارویی استفاده شود.

بر خلاف فیلترهای مکانیکی که به طور فیزیکی ذرات را بر اساس اندازه مسدود می کنند، یک غشای RO در سطح مولکولی کار می کند - منافذ آن تقریباً 0.0001 microns (0.1 nanometers) قطر آن تقریباً 500000 برابر کوچکتر از موی انسان است. این باعث می شود آن را در برابر آلاینده هایی که آزادانه از فیلترهای کربنی و غشاهای اولترافیلتراسیون عبور می کنند، موثر باشد.

علم در مورد نحوه عملکرد غشاء اسمز معکوس

برای درک اسمز معکوس، ابتدا به درک اسمز معمولی کمک می کند. در اسمز طبیعی، آب به طور خود به خود از طریق یک غشای نیمه تراوا از ناحیه ای با غلظت املاح کم به ناحیه ای با غلظت املاح بالا حرکت می کند و غلظت را در هر دو طرف برابر می کند. فشاری که این حرکت طبیعی را هدایت می کند، فشار اسمزی نامیده می شود.

اسمز معکوس فشار خارجی را بیشتر از فشار اسمزی اعمال می کند برای وادار کردن آب در جهت مخالف - از سمت غلیظ (آلوده) به سمت رقیق (تمیز). غشاء به مولکول‌های آب اجازه عبور می‌دهد، اما یون‌ها، مولکول‌ها و ذراتی را که خیلی بزرگ یا دارای بار الکتریکی برای عبور هستند، دفع می‌کند.

برای آب لوله کشی معمولی شهری، فشار اسمزی کم است - حدود 5-15 PSI. سیستم های RO برای استفاده خانگی در 50-80 PSI , well above this threshold. سیستم های نمک زدایی آب دریا باید بر فشار اسمزی 350-600 PSI غلبه کنند، به همین دلیل است که سیستم های RO صنعتی به پمپ های فشار بالا نیاز دارند.

دو جریان خروجی

هر غشا RO به طور همزمان دو جریان آب تولید می کند:

• Permeate (product water): آب تصفیه شده ای که از غشاء عبور کرده است و معمولاً حاوی کمتر از 1٪ از مواد جامد محلول اولیه است.
• کنسانتره (رد یا آب نمک): آب باقیمانده حامل آلاینده های دفع شده است که برای تخلیه شسته می شود. در سیستم های مسکونی، نرخ بازیابی معمولی است 50-75٪ - به این معنی که به ازای هر لیتر آب تصفیه شده 1 تا 3 لیتر آب تخلیه می شود.

غشاها و سیستم‌های RO با راندمان بالا با پمپ‌های نفوذی یا طرح‌های حلقه بسته می‌توانند به نرخ بازیابی بیش از ۸۰ درصد دست یابند که به طور قابل‌توجهی هدررفت آب را در مقایسه با طرح‌های قدیمی‌تر کاهش می‌دهد.

ساختار فیزیکی غشاء اسمز معکوس

اصطلاح "غشاء RO" می تواند به خود لایه عملکردی نازک یا عنصر کامل غشاء اشاره کند - شکل بسته بندی شده ای که در آن غشاها فروخته و نصب می شوند. درک تفاوت هنگام مقایسه مشخصات مهم است.

ساختار لایه کامپوزیت لایه نازک (TFC).

Nearly all modern RO membranes use کامپوزیت لایه نازک (TFC) ساخت و ساز، متشکل از سه لایه مجزا به هم چسبیده:

1. شبکه پشتیبانی پلی استر (~120 میکرومتر ضخامت): لایه پایه ساختاری که استحکام مکانیکی را فراهم می کند. در فیلتراسیون شرکت نمی کند اما از پاره شدن غشاء تحت فشار جلوگیری می کند.
2. لایه میانی پلی سولفون میکرو متخلخل (~40 میکرومتر ضخامت): یک لایه میانی اسفنج مانند که بستری یکنواخت برای لایه فعال فراهم می کند و در عین حال اجازه عبور آب نسبتاً آزاد را می دهد.
3. لایه فعال پلی آمید (~0.2 میکرومتر ضخامت): سد فیلتراسیون واقعی که از پلیمریزاسیون سطحی m-phenylenediamine و trimesoyl chloride تشکیل شده است. این لایه حاوی منافذ نانومقیاس است که آلاینده های محلول را دفع می کند. علیرغم اینکه تنها 200 نانومتر ضخامت دارد، اساساً مسئول تمام عملکرد جداسازی غشا است.

غشاهای TFC در بیشتر کاربردها جایگزین غشاهای قدیمی استات سلولز (CA) شدند، زیرا آنها ارائه می دهند. نرخ رد بالاتر (98-99.7٪ در مقابل 85-95٪)، تحمل pH بیشتر (2-11 در مقابل 4-8)، و عمر طولانی تر . محدودیت اصلی آنها حساسیت به کلر آزاد است که لایه پلی آمید را تخریب می کند - به همین دلیل است که پیش تصفیه کربن در سیستم های آب شهری کلر ضروری است.

پیکربندی عنصر مارپیچی

برای به حداکثر رساندن سطح غشا در یک محفظه فشرده، غشاهای TFC در آن ساخته می‌شوند عناصر مارپیچی . ورق های غشایی تخت با فاصله های شبکه ای لمینت شده و به طور محکم در اطراف یک لوله جمع آوری سوراخ شده مرکزی مانند یک طومار رول شده پیچیده می شوند. یک عنصر استاندارد مسکونی 75 GPD (گالن در روز) با مسکن 1.8 × 12 اینچ تقریباً شامل 0.5-0.7 متر مربع از سطح غشا فعال . یک عنصر صنعتی با اندازه کامل 4 اینچ × 40 اینچ شامل 7 تا 10 متر مربع است.

آب تغذیه به صورت محوری در امتداد بیرونی طومار از طریق فاصله‌دهنده‌های توری جریان می‌یابد. آب تصفیه شده از طریق غشاء نفوذ می کند و مارپیچ به سمت داخل لوله جمع آوری مرکزی می رود. آب رد غلیظ از انتهای عنصر خارج می شود.

غشای اسمز معکوس چه آلاینده هایی را حذف می کند

غشاهای RO آلاینده ها را از طریق دو مکانیسم دفع می کنند: حذف اندازه (مولکول از نظر فیزیکی برای عبور از منافذ بسیار بزرگ است) و دفع بار (یون های محلول توسط سطح پلی آمید با بار منفی دفع می شوند). میزان دفع بر اساس نوع آلاینده، دما، فشار و شرایط غشا متفاوت است.

یک محدودیت مهم: غشاهای RO به طور موثر گازهای محلول (CO2، رادون، سولفید هیدروژن) را حذف نمی کنند زیرا مولکول های گاز به اندازه کافی کوچک هستند که از ساختار پلیمر عبور کنند. کلرامین ها و برخی آفت کش ها با وزن مولکولی کوچک نیز در مقایسه با جامدات محلول بزرگتر، میزان دفع کمتری را نشان می دهند.

انواع غشاهای اسمز معکوس و کاربردهای آنها

غشاهای RO در چندین پیکربندی بهینه سازی شده برای منابع مختلف آب، محدوده فشار و نیازهای خروجی تولید می شوند.

غشای آب شور

رایج ترین نوع برای مصارف مسکونی و تجاری سبک. طراحی شده برای تغذیه آب با TDS (کل جامدات محلول) 500-10000 میلی گرم در لیتر ، با 50–200 PSI کار می کند. سیستم‌های استاندارد RO خانگی از غشاهای آب شور با درجه‌بندی GPD 50 تا 100 استفاده می‌کنند. این غشاها در شرایط آزمایشی (25 درجه سانتیگراد، 250 PSI، 2000 میلی گرم در لیتر خوراک NaCl) به دفع نمک 96 تا 99 درصد دست می یابند.

غشاهای آب دریا

برای آب تغذیه با TDS بالای 10000 میلی گرم در لیتر (آب دریا به طور متوسط 35000 میلی گرم در لیتر) مهندسی شده است. این غشاها دارای لایه فعال متراکم تری هستند که به دست می آید 99.3-99.8٪ دفع نمک اما به فشار عملیاتی 600-1200 PSI نیاز دارند. آنها منحصراً در کارخانه های نمک زدایی در مقیاس بزرگ استفاده می شوند و با غشاهای آب شور قابل تعویض نیستند.

غشاهای کم انرژی / جریان بالا

یک دسته جدیدتر که برای ارائه شار نفوذ بالاتر در فشارهای عملیاتی کمتر - معمولاً مهندسی شده است 45-60 PSI برای کاربردهای مسکونی این غشاها مقدار کمی از عملکرد رد را قربانی می کنند (95-97٪ در مقابل 97-99٪) در ازای نرخ تولید سریعتر و مصرف انرژی کمتر. آنها به طور فزاینده ای در سیستم های RO "فوری" بدون مخزن استفاده می شوند.

غشاهای نانو فیلتراسیون (NF)

غشاهای NF دارای منافذ کمی بزرگتر از غشاهای RO هستند (0.001 میکرون در مقابل 0.0001 میکرون). آنها در فشارهای پایین تر عمل می کنند و یون های تک ظرفیتی (سدیم، کلرید) را عبور می دهند در حالی که یون های دو ظرفیتی (کلسیم، منیزیم) و مولکول های آلی را دفع می کنند. NF معمولاً برای نرم کردن آب و حذف ارگانیک در مواردی که نیازی به نمک‌زدایی کامل نیست استفاده می‌شود.

مشخصات کلیدی عملکرد و معنای آنها

هنگام ارزیابی یا مقایسه غشاهای RO، چندین مشخصات منتشر شده به طور مستقیم بر عملکرد سیستم در شرایط دنیای واقعی تأثیر می‌گذارند.

توجه داشته باشید که GPD رتبه‌بندی شده و ارقام رد در شرایط آزمون استاندارد اندازه‌گیری می‌شوند: 77 درجه فارنهایت (25 درجه سانتیگراد)، فشار خوراک 60-65 PSI، و 500 میلی گرم در لیتر آب خوراک NaCl . عملکرد دنیای واقعی متفاوت خواهد بود - آب سرد (زیر 60 درجه فارنهایت) می تواند خروجی را 40-50٪ کاهش دهد و فشار تغذیه پایین (زیر 40 PSI) به طور قابل توجهی هم خروجی و هم دفع را کاهش می دهد.

عواملی که عملکرد غشاء RO را در طول زمان کاهش می دهند

یک غشای RO به خوبی نگهداری شده در یک سیستم به درستی طراحی شده باید دوام بیاورد 2-5 سال در کاربری مسکونی و 3-7 سال در کاربردهای تجاری. چندین شرایط تخریب را تسریع می کنند:

قرار گرفتن در معرض کلر و کلرامین

کلر آزاد لایه فعال پلی آمید را اکسید می کند و باعث ایجاد سوراخ های میکروسکوپی می شود که به تدریج دفع نمک را کاهش می دهد. حتی قرار گرفتن در معرض 0.1 ppm کلر پیوسته غشای TFC را طی 6 تا 12 ماه به طور قابل اندازه گیری تخریب می کند. پیش فیلترهای کربن بلوک باید طبق برنامه - به طور معمول هر 6 تا 12 ماه - برای حفظ حفاظت کافی از کلر تعویض شوند.

مقیاس بندی (تجمیع رسوبات معدنی)

کربنات کلسیم، سولفات باریم و سیلیس می توانند به عنوان غلظت آب در جریان دفع بر روی سطح غشاء رسوب کنند. جرم گیری شار نفوذ را کاهش می دهد و فشار عملیاتی مورد نیاز را افزایش می دهد. آب سخت با TDS بالا 500 میلی گرم در لیتر خطر پوسته پوسته شدن را افزایش می دهد. دوز ضد اسکالانت یا پیش تصفیه آب نرم کننده این امر را در کاربردهای با سختی بالا کاهش می دهد.

رسوب زیستی

باکتری ها سطح غشاء را مستعمره می کنند و بیوفیلم هایی را تشکیل می دهند که جریان نفوذ را مسدود می کند و آلودگی بیولوژیکی ایجاد می کند. رسوب زیستی توسط آب راکد (سیستم‌هایی که برای مدت طولانی بدون استفاده می‌مانند)، پیش فیلتراسیون ناکافی، و دمای آب گرم بالای 30 درجه سانتی‌گراد تسریع می‌شود. ضدعفونی کردن سیستم هر 6 تا 12 ماه با یک ضد عفونی کننده ایمن برای مواد غذایی از تجمع قابل توجه بیوفیلم جلوگیری می کند.

آسیب فیزیکی ناشی از افزایش فشار

رویدادهای چکش آب - افزایش ناگهانی فشار ناشی از بسته شدن شیر یا راه‌اندازی پمپ - می‌توانند به طور فیزیکی عنصر غشاء را تغییر شکل دهند. فشار تغذیه به طور مداوم بیش از حداکثر فشار نامی غشا ( معمولاً 100-120 PSI برای غشاهای مسکونی ) ساختار عنصر را به طور برگشت ناپذیر فشرده می کند و کانال های جریان و عملکرد را کاهش می دهد.

چگونه بفهمیم که غشاء RO شما نیاز به تعویض دارد

بر خلاف فیلترهای رسوبی یا کربنی که علائم قابل مشاهده خستگی را نشان می دهند، یک غشای RO تخریب شده برای ارزیابی دقیق نیاز به اندازه گیری دارد. تکیه بر زمان به تنهایی (به عنوان مثال، "هر 2 سال یک بار جایگزین کنید") یک تقریب خام است. اینها شاخص های قابل اعتماد هستند:

• افزایش TDS در نفوذ: مستقیم ترین شاخص. آب خوراک را اندازه گیری کنید و TDS را با یک TDS متر ارزان قیمت نفوذ کنید. نرخ رد در زیر 85% در سیستمی با پیش فیلترها که به درستی کار می کنند، معمولاً تخریب غشاء را نشان می دهد. غشاهای جدید باید 95 تا 99 درصد پس زدن را نشان دهند.
• کاهش قابل توجه نرخ تولید: اگر سیستمی که قبلاً مخزن ذخیره خود را در 2-3 ساعت پر می کرد، اکنون 6-8 ساعت با فشار و دمای تغذیه بدون تغییر طول می کشد، شار غشا به دلیل رسوب گیری یا تخریب فیزیکی کاهش یافته است.
• افزایش نسبت زهکشی به محصول: اگر جریان دفعی نسبت به تراوش بسیار سریعتر از زمانی که سیستم جدید بود جریان یابد، مقاومت غشاء افزایش یافته است - اغلب نشانه ای از پوسته پوسته شدن یا رسوب زیستی است.
• تغییرات طعم یا بو در آب محصول: بدتر شدن ناگهانی طعم یا بازگشت بوی کلر پس از تصفیه کربن می تواند نشان دهنده شکستگی غشا باشد که به آب تصفیه نشده اجازه می دهد تا از فیلتراسیون عبور کند.

انتخاب غشای RO مناسب برای برنامه شما

انتخاب یک غشا جایگزین یا ارتقاء شامل تطبیق مشخصات غشا با منبع آب، طراحی سیستم و نیازهای خروجی شما است. The following checklist covers the critical selection criteria:

1. TDS آب خوراک خود را اندازه گیری کنید. اگر TDS آب شیر شما کمتر از 2000 میلی گرم در لیتر است (معمولی برای آب شهری)، یک غشای آب شور استاندارد مناسب است. آب چاه بالاتر از 2000 میلی گرم در لیتر ممکن است از نوع غشایی با دفع بالا بهره مند شود.
2. فشار آب خوراک خود را بررسی کنید. سیستم‌هایی که با فشار پایین (35 تا 50 PSI) کار می‌کنند باید از یک غشای کم انرژی که برای آن محدوده رتبه‌بندی شده است استفاده کنند. غشاهای استاندارد در فشار کم کمتر تولید می‌کنند و پس‌زدگی کمتری نشان می‌دهند.
3. اندازه غشا را با مسکن خود مطابقت دهید. ممبران های مسکونی در اندازه های استاندارد موجود هستند: 1.8 اینچ × 12 اینچ (متداول ترین برای سیستم های 5 مرحله ای زیر سینک) و 1.8 × 11.75 اینچ برای برخی از سیستم های فشرده. Industrial 4" × 40" and 4" × 21" elements are not interchangeable with residential housings.
4. Choose production capacity (GPD) based on household demand. یک خانواده 4 نفره که از سیستم RO برای نوشیدن و پخت و پز استفاده می کنند معمولاً نیاز دارند 50-100 GPD . A tankless system requires a higher-rated membrane (200 GPD) to deliver water on demand without storage.
5. Confirm compatibility with your specific contaminants of concern. اگر آرسنیک، فلوراید یا نیترات‌ها نگرانی‌های اصلی هستند، غشایی با داده‌های رد تایید شده برای آن آلاینده‌های خاص انتخاب کنید - گواهی استاندارد NSF/ANSI 58 نیاز به آزمایش در برابر لیست‌های آلاینده خاص دارد.

برای مصارف مسکونی، غشاهای دارای گواهینامه NSF/ANSI 58 به طور مستقل برای هر دو ادعای ایمنی مواد و کاهش آلاینده آزمایش و تأیید شده اند. این گواهینامه قابل اعتمادترین تضمین عملکرد در دنیای واقعی است و باید حداقل نیاز هنگام انتخاب هر غشای RO برای استفاده از آب آشامیدنی باشد.