«روئید» در سال 1953 تحقیقات درباره فرایند اسمز معکوس را آغاز کرد. در سال 1960 «لوئب» و «سوریراجان» اولین الیاف ممبران اسید استیک RO را ابداع کردند که جریان بالای آب (WF) و تصفیه نمک بالا (SR) را انجام می‌داد. می‌توان‌این مرحله را سر آغاز تکنولوژی RO به شمار آورد. در همین زمان فرایندهای ممبرانی دیگری نیز با سرعت زیادی در حال رشد بودند. در دهه 50 میلادی، محققان UCLA به سرپرستی سوریراجان اولین شبیه‌سازی مصنوعی ممبران زیستی اسمزی را انجام داند.این اولین باری بود که انسان توانست از اسمز استفاده کند. سپس دولت‌ایالات متحده 4 میلیارد دلار روی‌این موضوع سرمایه‌گذاری کرد. در‌این فرایند از اصول اسمز معکوس طبیعی برای وارد کردن فشار به فاضلاب و وادار کردن مولکول‌های آب پاکیزه برای عبور از ممبران‌های نازک و تولید آب تصفیه شده استفاده شد. در همین زمان، تمامی انواع ذرات مضری که نمی‌توانستند از درون ممبران‌های نازک رد شوند از فاضلاب سیستم حذف می‌شدند.
ناسا
از اولین ارگان‌هایی بود که از RO برای بازیافت و تصفیه فاضلاب و ادرار
فضانوردان شاتل فضایی برای تولید آب آشامیدنی سود برد. در سیستم‌های حمل و
نقل فضایی و زیردریایی‌ها، استفاده از آب دریا به عنوان آب آشامیدنی برای
سربازان ممنوع است. در حال حاضر،این روش به طور معمول در
خانه‌های‌ایالات متحده برای تولید آب آشامیدنی مورد استفاده قرار
می‌گیرد.این روش انقلاب بزرگی در آب آشامیدنی انسان‌ها پدید آورد و در حال
حاضر نیز در سرتاسر جهان گسترش یافته است.
اولین نسل ممبران‌های RO
برای تصفیه آب دریا طراحی شد.این روش جایگزین تنها روش موجود که در آن
زمان که بسیار هزینه بر بود، شد. سودمندی و پتانسیل روش جدید توسط سازمان
فضایی امریکا کشف شد و به همین منظور سازمانی برای حل مشکل مصرف آب در
فضاپیماها راه‌اندازی شد.
در ابتدای دهه 70 میلادی، ممبران‌های اسمزی
که قابل کاربرد با فشار پایین آب باشند ابداع شد. تولید تصفیه کننده‌های آب
آشامیدنی برای منازل با استفاده از RO از آن هنگام آغاز شد. در آن زمان
در هر روز امکان تولید 1 تا 5 لیتر آب وجود داشت. با‌این حال،این روش به
میزان زیادی مشکلات‌ایالات متحده در بیابان‌های جنوب‌این کشور را که با
مشکل آب آلوده به مواد هسته‌ای مواجه بود حل کرد.
امروزه لوازم خانگی
دارای تکنولوژی RO امکان فراهم آوری 285 لیتر آب آشامیدنی در روز را دارند
که می‌تواند به خوبی تمامی نیازهای خانگی و آشامیدنی یک خانه کوچک یا یک
دفتر کار را تامین کند. البته نسبت به نسل‌های قبلی دستگاه‌های تصفیه آب،
فشار آب مورد نیاز در ورودی در‌این نسل کاهش یافته است که‌این مهم، امکان
استفاده از‌این دستگاه‌ها در محیط خانه و با فشار آب معمولی را فراهم کرده
است.
تاریخچه توسعه ممبران‌های RO، در جدول 1 نمایش داده شده است
جدول 1. تاریخچه توسعه ممبران‌های RO
سال مبدع تحقیقات یا ابداع
1748 محققان فرانسوی پدیده‌ای را که کیسه صفرای خوک برای تصفیه آب مورد استفاده قرار می‌دهد کشف کردند.
1861 گراهام پدیده اسمز را کشف و شروع به گسترش آن کرد
1903 مورس و پی‌یرس الکترودها را به سیستم دیالیز اضافه کرد و تحقیقات خود در زمینه تجزیه و تحلیل‌این سیستم‌ها را شروع کرد.
1906 بچ هولد ممبران با فیلتر بسیار ریز و قطر cm 01/0 را ابداع کرد.
1913 آبل استفاده از دیالیز کننده با الیاف تو خالی برای کلیه مصنوعی را پیشنهاد کرد
1943 کلاف با موفقیت یک کلیه مصنوعی را ابداع کرد و پدر کلیه مصنوعی خوانده شد
1950 دکتر اس. سوریراجان ابداع «شبیه‌سازی ممبران اسمزی زیستی»، پایه اسمز معکوس (UCLA)
1953 ریید شروع تحقیقات در زمینه فرایند اسمز معکوس
1960
لوئب و سوریراجا اولین فردی که موفق به تولید ممبران RO با الیاف اسید
استیک شد که دارای جریان آب بالا (WF) و دفع بالای نمک (SR) بود.
1970 تصفیه آب دریا پیشنهاد ترمینولوژی فیلتراسیون هیبرید به عنوان اولین مفهوم در صنعت فیلتراسیون آب.
1970 شرکت فیلمتک ابداع ممبران RO با عملکرد فشار پایین
منبع: پایان نامه کارشناسی ارشد راجر لین «مدیرعامل easywell»
انواع ممبران
در
تمامی ممبران‌های جریان موازی، قطر سوراخ ممبران‌های RO از همه کمتر است و
بین 0001/0 و 002/0 میکرون قرار دارد. اگر بخواهیم‌این مقیاس را با قطر
موی سر انسان مقایسه کنیم، قطر خارجی موی انسان برابر با 10 میکرون است.
از اینجا می‌توان دریافت که قطر منافذ یک ممبران RO چقدر کم است. این
ممبران علاوه بر فیلتر کردن ویروس‌ها، امکان حذف فلزان سنگین و سمی آب را
نیز دارد، جدول زیر را ببینید.
ردیف نام اختصاری نام علمی قطر به میکرون
1 RO اسمز معکوس 002/0-0001/0
2 UF الترا فیلتراسیون 2/0-02/0
3 MF میکروفیلتراسیون 006/0-11/0
4 ED الکترو دیالیز 2/1-08/0
5 DD توزیع دیالیزی ---
6 PV نفوذ بخار ---
7 GS جداسازی با گاز ---
8 EDI الکترودیونیزاسیون ---
9 NF نانوفیلتراسیون 009/0-0009/0
تئوری اسمز معکوس
دانشمندان
فرانسوی در سال 1748، برای اولین بار این پدیده که کیسه صفرای خوک
می‌تواند آب را تراوش دهد را کشف کردند. از آنجا که تکنولوژی تولید
پیشرفته‌ای در آن زمان وجود نداشت، امکان استفاده از این دانش به وجود
نیامد. این پدیده برای تشریح بسیاری از پدیده‌های طبیعی طی 200 سال بعد
همچون اصول جذب آب و... مورد استفاده قرار گرفت. این اصل علمی به صورت زیر
بیان می‌شود:
«اگر از ممبران اسمزی برای جدا کردن آب شور با غلظت‌های
مختلف استفاده شود، به دلیل تفاوت در انرژی‌های بالقوه، مولکول‌های آب
می‌توانند از انتهای بخش با غلظت بالا به انتهای بخش با غلظت پایین بروند
تا تعادل انرژی‌های بالقوه را در دو طرف حفظ کنند، تا زمانی که تفاوت سطح
آب و فشار در دو طرف به حدی برسد که مولکول‌های آب نتوانند از یک طرف به
طرف دیگر بروند، این فرایند ادامه می‌یابد.»
شکل زیر را ببینید:
پدیده اسمز
در
اسمز معکوس همان گونه که اسم آن نیز نشان می‌دهد، فشار به سمتی که غلظت
بیشتری دارد افزوده می‌شود. در این صورت، پدیده اسمزی که در بالا به آن
اشاره شد متوقف می‌شود و در جهت معکوس ادامه می‌یابد. مولکول‌های آب در بخش
با غلظت بالا مجبور به حرکت به سمت با غلظت پایین می‌شوند.
شکل زیر را ببینید.
پدیده اسمز معکوس
به
زبان ساده، هنگامی که فشاری که در سمت آب تصفیه نشده وارد می‌شود، بالاتر
از فشار اسمز باشد، فرایند اسمز معکوس رخ می‌دهد. در این زمان، نمک‌های
ارگانیک حل شده و حل نشده، فلزات سنگین، ترکیبات ارگانیک، باکتری‌ها و
ذرات و... نمی‌توانند از ممبران نیمه تراوا رد شوند. تنها مولکول‌های آب و
مولکول‌های نمک کوچک می‌توانند از این ممبران بسیار ریز عبور کنند و به
سمت دیگر بروند. آلودگی‌ها در قسمتی که آب تصفیه نشده قرار دارد باقی
می‌مانند.
مزایای اسمز معکوس
می واند باکتری‌ها، ویروس‌ها،
آلودگی‌های شیمیایی را از آب بگیرد. به خصوص ذراتی نظیر آلودگی‌های ناشی از
فلزات سنگینی همچون جیوه، آرسنیک، سرب و... این روش امکان ابتلا به
سرطان و دیگر بیماری‌های نادر را کاهش می‌دهد.
ناخالصی‌ها در آب خالص آنقدر کم است که به راحتی از بافت کلیه عبور کرده و دفع می‌شود.
مزه خوب و عاری از بو، نوشیدن آب را دلخواه‌تر می‌کند.
در
حال حاضر، استفاده از روش اسمز معکوس به عنوان مطمئن‌ترین روش برای تصفیه
آب در جهان در مصارف خانگی، صنعتی، دارویی و تجاری شناخته شده است.
فرایند تصفیه آب اسمز معکوس
به
طور کلی، دستگاه‌های تصفیه آب اسمز معکوس خانگی دارای 2 یا 3 عدد پیش
فیلتر هستند (فیلتر مرحله اول، یک فیلتر 5 میکرومتری است، فیلتر مرحله 2،
یک فیلتر کربن فعال است و برخی از مدل‌ها یک فیلتر 1 میکرو متری در مرحله
سوم خود دارند و در برخی کربن جامد). در برخی از سیستم‌ها، یک فیلتر کربن
فعال نهایی بین تانک ذخیره آب تصفیه و شیر خروجی قرار گرفته است. اولین
مرحله فیلتراسیون برای زدودن ذرات معلق و شن به کار می‌رود. این ذرات
معمولا در آب وجود دارند. پیش فیلتر کربن فعال برای زدودن مواد آلی،
مولکول‌های بو و کلر به کار می‌رود. ممبران اسمز معکوس می‌تواند اکثر
ناخالصی‌های آب را بگیرد. فیلتر کربن فعال نهایی برای از بین بردن بیشتر
آلودگی‌های باقی مانده پس از ممبران اسمز معکوس به کار می‌رود. با استفاده
از اصل مواد نیمه تراوا، اضافه کردن فشار به آب ورودی و مجبور کردن آن به
خروج از طریق ممبران نیمه تراوا به بخش آب پاکیزه و باقی گذاشتن
ناخالصی‌ها در سوی دیگر را می‌توان به انجام رساند.
از آنجا که اکثر
ممبران‌های اسمزی از مواد مصنوعی آلی ساخته شده‌اند، برای حفاظت از عمر
ممبران‌های اسمزی، باید کلر آب پیش از مرحله ورود به ممبران گرفته شود.
معمولا این کار با استفاده از فیلترهای کربن انجام می‌شود. برای جلوگیری
از مشکلاتی که ممکن است از ورود ذرات دیگر حاصل شود، یک فیلتر 5 میکرومتری
قبل از فیلتر کربن فعال نصب می‌شود. فیلتر کربن فعال استفاده شده در
مرحله قبل و فیلتر حذف ذرات می‌توانند ذرات بزرگ‌تر را حذف کند. دیگر ذرات
همچون فلزات سنگین، حشره‌کش‌ها، باکتری‌ها، ویروس‌ها و... ذراتی که برای
بدن انسان مضر است، سختی آب و دیگر مواد بودار، ذرات شیمیایی که می‌توانند
بر مزه و بوی آب تاثیر بگذارند توسط ممبران اسمز معکوس گرفته می‌شود.
با
اینکه روش اسمز معکوس یک روش کامل است، در بین تمام تصفیه کننده‌های آب
که می‌توانند ذرات اضافی را از آب حذف کنند، فاصله بین تانک ذخیره آب و
شیر برداشت محلی است که میکروب‌ها و آلودگی‌ها می‌توانند توسط میکرو
ارگانیسم‌ها به آن وارد شوند. بنابراین، برخی از شرکت‌ها از نور ضدعفونی
کننده فرابنفش برای جلوگیری از آلودگی زیستی توسط میکروارگانیسم‌های
پاتوژنی استفاده می‌کنند.
