بخشی از مقاله
بررسی فرایند اسمز مستقیم با تکیه بر فرصتها و چالشهای پیش روی
توسعه آن
چکیده
افزایش جمعیت،گرم شدن کره زمین و افزایش تبخیر سطحی، برداشت بی رویه و آلودگی منابع آب سبب کاهش دسترسی به منابع آب سالم و ایجاد یک بحران جدی در قرن 21 شده است. روش های نمک زدایی از جمله راهکارهایی هستند که در کنار حفظ و صیانت از منابع آبی موجود، منجر به دسترسی به منابع تازه و جدیدی از آب سالم می گردند. امروزه با افزایش قیمت نفت و حامل های انرژی تنها دو روش اسمز معکوس و تقطیر ناگهانی چندمرحله ای در بین روش های نمک زدایی همچنان توجیه اقتصادی دارند؛ هرچند که استفاده از روش تقطیر ناگهانی چند مرحله ای نیز روند رشد قبلی خود را ندارد. کاهش منابع نفت و نیاز روزافزون به انرژی سبب افزایش قیمت نفت و سایر حامل های انرژی خواهد شد و شاید در آینده ای نه چندان دور بسیاری از فرایندهایی که امروزه اقتصادی هستند، به صرفه نباشند. فرایند اسمز معکوس نیز در کنار مزایای بسیاری که دارد به دلیل محدودیت هایی هم چون مصرف انرژی الکتریکی بالا و هزینه های عملیاتی و سرمایه گذاری زیادی که دارد، از این قاعده مستثنی نیست. لذا ارائه ی راهکارها و روش هایی جهت بهینه سازی و بهبود آن اجتناب ناپذیر است. امروزه فرایند اسمز مستقیم با پتانسیل های کاربردی در زمینه های تولید انرژی، نمک زدایی، تصفیه فاضلاب و فراورش مواد غذایی، توجه بسیاری را به خود جلب نموده است؛ هرچند با چالش های بسیاری هم چون گرفتگی و رسوب گیری غشاء، پلاریزاسیون غلظتی، نفوذ معکوس نمک و نیاز به توسعه و ایجاد غشاء ها و محلول های نمکی جدید، همراه است. مطالعه ی این چالش ها و یافتن راهکارهایی در جهت بهبود آن ها، بخش اعظمی از تحقیقات انجام گرفته در سال های اخیر را به خود اختصاص می دهد. این مقاله به مرور پیشرفت های اخیر و ارائه بخشی از کارهای انجام گرفته در فرایند اسمز مستقیم با تاکید بر فرصت ها و چالش های موجود می پردازد.
کلمات کلیدی
اسمز مستقیم، فشار اسمزی، پلاریزاسیون غلظتی، گرفتگی
-1 مقدمه
آب مایه ی حیات و یکی از اساسی ترین مواد موجود در طبیعت است. به طوری که پیشرفت و توسـعه جوامـع و کشـورها بدون آب امکان پذیر نخواهد بود. افزایش جمعیت،گرم شدن کره زمین و افزایش تبخیر سطحی، استفاده ی نادرست، برداشـت بی رویه و آلودگی منابع آب سبب کاهش دسترسی به منابع آب سالم و ایجاد یک بحران جدی در قرن 21 شـده اسـت. ابعـاد این بحران هنگامی مشخص می شود که بدانیم روزانه 6000 نفر به واسطه بیماری های ناشی از آب های آلوده جان خـود را از دست می دهند. بر این اساس برخی از کارشناسان اعتقاد دارند که بحران آب در آینده از بحران انرژی نیز جدی تر خواهد بود. کمااینکه هم اکنون بسیاری از کشورها در تهیه منابع آب مورد نیاز خود دچار مشکل هسـتند. کشـور مـا نیـز از ایـن موضـوع مستثنی نبوده و با بحران کم آبی در آینده مواجه خواهد بود. به طوری امروزه نیز این بحران، اثـرات خـود را تاحـدودی نشـان داده و محدودیت های منابع آبی کشور و حتی بحث واردات آب از اولین پیامدهای آن است. بنابراین اسـتفاده از تکنیـک هـا و روش هایی هم چون احیاء منابع آبی آلوده شده و نمک زدایی1 از آب دریا جهت دسترسی به منابع تـازه از آب سـالم در کنـار حفاظت از منابع آبی موجود و جلوگیری از آلودگی آن ها، اجتناب ناپذیر خواهد بود.[1]
-2 فرایند اسمز مستقیم
اسمز مستقیم یک فرایند خودبخودی است که طی آن حلال (آب) به واسطه ی فشار اسمزی خود از طریق غشاء از ناحیه ی رقیق به ناحیه ای که دارای یک محلول نمکی جاذب آب2 با فشار اسمزی بیشتر است(به طور مثال محلول 1,5 مولار سدیم سولفات((Na2SO4 دارای فشار اسمزی برابر با 74 بار است) منتقل می شود. این عمل تا زمانی ادامـه مـی یابـد کـه پتانسـیل شیمیایی دو محلول برابر گردد (شکل شماره (1 و تعادل ترمودینامیکی اتفاق افتد. در این حالت نیروی محرکه انتقال جـرم در واقع مقدار اختلاف فشار اسمزی در دو سمت غشاء است. در این حالت غلظت در ناحیه ی خـوراک افـزایش و غلظـت محلـول نمکی مورد استفاده کاهش خواهد یافت.[1]
شکل :1 در دو سمت غشاء اختلاف فشار اسمزی وجود دارد. در نتیجه انتقال جرم از ناحیه ی خوراک به سمت محلول جاذب نمکی صورت می گیرد. (b با ورود آب از سمت خوراک به محلول جاذب نمکی اختلاف فشار اسمزی کاهش می یابد تا زمانی
که اختلاف پتانسیل در دو طرف غشاء مثبت شود. [ 2 ]
-1-2 غشاء های اسمز مستقیم
تاکنون غشاءهای مختلف و بسیار متنوعی جهت فرایند اسمز معکوس ساخته شده و توسعه یافتـه انـد. هـر گونـه مـاده ی متراکم که خاصیت انتخاب پذیری جهت نفوذ مواد را داشته باشد، می تواند به عنوان غشاء اسمز مستقیم مـورد اسـتفاده قـرار گیرد. به علاوه برای کاهش پلاریزاسیون غلظتی درونی، غشاء مورد استفاده بایستی نازک بوده و سـاپورت آن تخلخـل انـدکی داشته باشد.[1]
ویژگی های مناسب برای یک غشاء اسمز مستقیم عبارت از قابلیت تـراوش بـالا بـرای آب، جریـان معکـوس نمـک انـدک، پایداری شیمیایی زیاد، مقاومت مکانیکی بالا، پس زنی3 زیاد نمک ها است.
در سال های اخیر غشاء های مختلفی برای فرایند اسمز مستقیم در مقیاس آزمایشگاهی توسعه یافته است( جدول شـماره
.(1
جدول :1 خلاصه ای از غشاء های توسعه یافته ی اسمز مستقیم در مقیاس آزمایشگاهی در سال های اخیر[8]
-2-2 محلول جاذب آب
محلولی را گویند که فشار اسمزی آن از فشـار اسـمزی خـوراکی کـه عمـل تصـفیه روی آن انجـام مـی گیـرد، بـیش تـر باشد(جدول شماره .[2](2
-3-2 چالش های پیش روی فرایند اسمز مستقیم
هرچند فرآیند اسمز مستقیم دارای مزایای بسیاری است که سبب استفاده ی گسترده ی آن در زمینه های گوناگون شده است، ولی برخی چالش ها، پیش روی توسعه بیش از پـیش آن قـرار دارد. ایـن چـالش هـا عبارتنـد از پلاریزاسـیون غلظتـی، گرفتگی غشاء و نفوذ معکوس نمک از سمت محلول جاذب به سمت محلـول خـوراک. مطالعـه ی جدیـدی کـه توسـط yip و
همکاران در سال 2011 انجام گرفت، نشان می دهد که مانع اصلی پیش روی توسعه و پیشـرفت فرآینـد PRO، پلاریزاسـیون غلظتی و نفوذ معکوس نمک ها است.[3] در ادامه به بحث و بررسی هر یک از چالش های ذکر شده می پردازیم.
جدول :2 مروری بر محلول ها ی نمکی جاذب مورد استفاده در فرایند اسمز مستقیم[4]
-1-3-2 پلاریزاسیون غلظتی
پلاریزاسیون غلظتی یک پدیده ی عمومی و اجتناب ناپذیر در فرآیندهای غشایی فشـار هیـدرولیکی و اسـمزی اسـت. از آنجا که غشاءهای FO به صورت نامتقارن ساخته می شوند، هر دو پدیده ی پلاریزاسیون غلظتی داخلی و پلاریزاسیون غلظتی خارجی به طور همزمان، در فرآیند اسمز مستقیم اتفاق می افتد. به طوری که پلاریزاسیون غلظتی خارجی روی سطح لایـه ی متراکم فعال و پلاریزاسیون غلظتی داخلی در ساپورت متخلخل غشاء اتفاق می افتد. هنگامی که جریان آب از غشاء عبـور مـی کند، یون های نمک که نمی توانند از دیواره ی غشاء عبور نمایند روی سطح خارجی غشاء تجمع پیدا می کنند. تجمع یون ها سبب افزایش غلظت محلول و در نتیجه افزایش فشار اسمزی روی سطح غشاء می گردد. با افزایش فشار اسمزی در روی سطح غشاء، اختلاف فشار اسمزی که همانا عامل اصلی انتقال جرم از غشاء است، کاهش یافته و یک مقاومت در مقابل عبور جریـان آب به واسطه یک جریان معکوس جهت کاهش غلظت سطح غشاء ایجاد می گردد. این مقاومت سبب کـاهش میـزان فلاکـس حلال عبوری می گردد. این پدیده را با عنوان پلاریزاسیون غلظتی خارجی4 می شناسیم. پلاریزاسیون غلظتی خـارجی بـه دو صورت غلیظ و رقیق اتفاق می افتد. اگر لایه ی متراکم فعال غشاء در سمت خوراک قـرار داشـته باشـد پلاریزاسـیون غلظتـی خارجی غلیظ5 اتفاق می افتد و اگر لایه ی فعال متراکم غشاء در سمت محلول نمکی جاذب قـرار داشـته باشـد، پلاریزاسـیون غلظتی خارجی رقیق 6 انجام می گیرد. زیرا محلول نمکی جاذب در سمت دیگر غشاء رقیق می گردد. اثر معکوس پلاریزاسـیون غلظتی خارجی روی فلاکس به وسیله ی افزایش جریان حجمی در دو سمت خوراک و محلول نمکـی جـاذب کـاهش خواهـد یافت، در واقع یک بهینه سازی بین اثر پلاریزاسیون غلظتی خارجی و فلاکس عبوری و جریان حجمـی عبـوری از غشـاء بایـد انجام گیرد. مطالعات جدید نشان می دهد که پدیده ی پلاریزاسیون غلظتی داخلی می تواند تا 80 درصد بر مقدار فلاکـس آب عبوری از غشاء اثر بگذارد. پدیده ی پلاریزاسیون غلظتی داخلی به دو صورت اتفاق می افتد. اگـر سـاپورت متخلخـل غشـاء در تماس با محلول خوراک باشد، در این ناحیه تغلیظ نمک صورت می گیرد و در نتیجه به این پدیده پلاریزاسیون غلظتی داخلی
