فشار اُسمزی

فشار اُسمزی در فرایندهای بیولوژیکی

اُسمز پدیده ای است که در اکثر فرایندهای بیولوژیکی مختلف رخ می دهد.

دیواره ی سلولها به مواد مغذی و پس مانده های تولیدی اجازه ی عبور می دهند، در حالی که به برخی از مواد، اجازه نمی دهند. در این مورد دیواره ی سلول بعنوان یک غشای نیمه تراوا عمل میکند.

به واسطه ی غشای نیمه تراوا که در اسمزمعکوس استفاده میشود، عبور آب از غشا به عبور نمکها، ذرات ریز، مواد معلق و مواد آلی با وزن مولکولی بزرگ تر از غشا ارجح است. جهت جریان اسمزمعکوس، برخلاف جهت جریان عادی مواد، در اسمز است که از سوی غلظت بیشتر، به طرف لظت کمتر ، رخ میدهد.

اگر ظرفی داشته باشیم که در آن یک غشای نیمه تراوا، دو محلول آب نمک و آب خالص را از هم جدا کند؛ تغییری در حجم دو طرف غشا رخ می دهد. آب از سمت محفظه ی خالص به طرف آب نمک، جریان پیدا میکند.

بنابراین حجم سمت آب نمک، اضافه و حجمِ آب خالص، کم میشود. این جریان را “اُسمز” میگویند.

از نظر فیزیکی، آب، محلول نمک را رقیق میکند. به این معنی که آنتروپی سامانه افزایش یافته است. آنتروپی بعنوان بی نظمی ذاتی تعریف میشود. یکی از قوانین ترمودینامیک این است که میگوید هر فرایند همزمان که در طبیعت رخ میدهد، طوری پیش می رود که آنتروپی سامانه را افزایش دهد؛ مگر اینکه انرژی ای اعمال شود تا در جهت عکس، عمل کند.( به سمت نظم یا ساختار بیشتر)

اختلاف در ارتفاع مایع در اُسمزمعکوس

اختلاف در ارتفاع مایع ( ارتفاع آب) بین آب خالص و آب نمک، سبب ایجاد اختلاف فشار در سطح غشا می گردد. این اختلاف فشار،” فشار اُسمزی محلول آب نمک” نامیده میشود و تابعی از نوع نمک و غلظت آن است.

چنانچه تعادل ایجاد شده بین آب خالص و آب نمک با اعمال فشار فیزیکی در سمت آب نمک از میان برود( یا با افزایش ارتفاع آب در سمت آب نمک)؛ آب خالص ، از طرف آب نمک ، از غشا عبور میکند و به سمت محفظه ی آب خالص وارد میشود.

این پدیده تا زمانی که دوباره تعادل برقرار شود، یعنی جایی که فشار اُسمزی آب نمک با فشار آب نمک روی غشا برابر گردد؛ ادامه دارد.

برای نمونه ، چنانچه آب نمک اضافی در محفظه ی آب نمک، اضافه کنیم؛ قسمتی از آب ، از غشا عبور خواهد کرد.

چنانچه غلظت آب نمک اضافه شده مشابه غلظت آب نمک داخل محفظه انتخاب شود؛

آب از طرف آب نمک تا زمانی به طرف محفظه ی آب خالص، جریان پیدا خواهد کرد که اختلاف ارتفاع دو طرف، به میزان اختلاف ارتفاع اولیه ( یعنی بدون اضافه کردن آب نمک اضافی) برسد.

توسط یک پمپ می توان به سمت ظرف حاوی آب نمک، فشار وارد کرد.

در این حالت؛پمپ، نیروی لازم برای عبور دادن آب خالص از غشا را تامین میکند.

این جریان آب از سمت آب  نمک محفظه ی آب خالص را اُسمز معکوس میگوند.

طراحی اُسمزمعکوس

فرایند اصلی یک اسمزمعکوس نیاز به یک پمپ  خیلی کوچک ، یک غشا و اتصالات مربوط دارد. در برخی موارد، این ها تمامی عواملی هستند که در طراحی اسمزمعکوس به کار برده میشوند. به رغم طراحی خام آنها، این سامانه اغلب در برآورد نیازهای کاربردی موفق هستند اما برای رسیدن به حداکثر طول عمر غشا که از نظر اقتصادی در کاربردهای حجیم، مهم است؛ نیاز به تلاش بیشتر خواهد بود تا بتوان جزئیات طراحی سامانه را نیز بررسی کرد.

چند روش برای طراحی یک سامانه ی اسمزمعکوس پیشنهاد شده که اطمینان میدهد این سامانه ، کلیه ی نیازهای کاربردی را برآورده کرده و حداکثر کارایی غشا را تامین خواهد نمود. معمولاً سازندگان غشا کمکهایی را برای سازندگان سامانه ارائه میدهند.

بررسی شرایط طراحی اسمزمعکوس

قبل از طراحی اُسمزمعکوس، مهم است که نیازها و محدودیت های کاربرد خاص را تشخیص داد. در سامانه ی اُسمزمعکوس کیفیت آب و نیز الزامات تعمیراتی، تا حد زیادی به کیفیت آب خوراک بستگی دارد. بنابراین کیفیت آب خوراک الزامات سامانه ی پیش تصفیه ی اُسمزمعکوس رابرای یک کاربرد خاص،

تعیین میکند و حتی بر روی طراحی اُسمزمعکوس نیز تاثیر می گذارد. این مسئله به نوبه ی خود بر روی هزینه های کاربرد اُسمزمعکوس نیز تاثیرگذار است.

توجه به تنوع کیفیت آب خوراک، شناخت کامل نوع آب و چگونگی تاثیرات آن بر روی الزامات اُسمزمعکوس،

به طراحی موفق پیش تصفیه ی اُسمزمعکوس و سامانه ی اُسمزمعکوس کمک خواهد کرد.

دو عاملی که ابتدا بایستی تعیین شوند، شامل سرعت جریانی که از اُسمزمعکوس عبور میکندو کیفیت آب عبوری خواهد بود. سرعت عبور، به این بستگی دارد که آیا مخزن ذخیره، در سامانه استفاده میشود یا خیر؟

در صورت نبود مخزن فشار در اُسمزمعکوس

در صورت نبود مخزن، فشار در اُسمزمعکوس بایستی به گونه ای طراحی شود که حداکثر مصرف را تامین کند.

درصورتی که مخزن ذخیره باشد و اندازه ی آن نیز مناسب تعیین گردد؛

اندازه ی اُسمزمعکوس می تواند طوری باشد که متوسط مصرف را تامین کند.

به عبارت دیگراگر مخزن ذخیره بتواند در طی روز، اوج مصرف را تامین کند؛

بنابراین حجم اُسمزمعکوس می تواند طوری طراحی شود که متوسط مصرف روزانه را تامین نماید. ( بر اساس اوج مصرف روزانه ).

کیفیت آب ، تعیین میکند که چه غشایی در اُسمزمعکوس مورد استفاده قرار میگیرد

و یا احتمالاً میزان آب تصفیه را محدود می کند

(درصدی از آب خوراک که تبدیل به آب خالص می شود) و یا تعیین میکند

که آیا مرحله ی اضافی اُسمزمعکوس مورد نیاز است،

یا نیاز به سبک سازی بیشتر آب است یا خیر؟

اگر تبادل یونی در پایین دست اُسمزمعکوس برای سبک کردن بیشتر آب خروجی از اُسمزمعکوس به کار رود،

وجود اختلاف در دفع غشای RO بین ۹۷٫۵% و دفع نمک ۹۵% در نتیجه ی دوبرابر نمودن بسامد احیای سامانه ی تبادل یونی پایین دستی، محقق می گردد.