מפת הגעה | סינון | אוסמוזה הפוכה | ריכוך מים | חילוף יונים | אודות | דף הבית  
 
 
אוסמוזה הפוכה (Reverse Osmosis)

אוסמוזה הפוכה מציעה פתרון להרחקת מרכיבים יונים מתמיסות מימיות. היא גם פועלת להרחיק את רוב התרכובות האורגניות המסיסות; ולהגביל את מעברם של חלקיקים לא מסיסים, ברי חיים ואחרים.
שתי טכנולוגיות נפוצות נוספות ל-R.O לטיהור מים הם זיקוק וחילוף יונים. אוסמוזה הפוכה צורכת פחות אנרגיה מזיקוק; אבל היא בדרך-כלל (אם כי לא באופן כללי) יותר רגישה לטיפול הקדם של מי ההזנה מאשר חילוף יונים. מים עיליים בעלי מטען אורגני גבוה מאוד יכולים בעזרת R.O להיות מטוהרים וללא עכירות מופרזת, ע"י יכולת ההשבה המחוכמת של ה-R.O. אלא שאפילו שרפים מאקרופורוסים (בעלי נקבוביות בגודל למעלה מ-50 ננומטר) עלולים להזדהם על-ידי חומרים אורגניים באופן בלתי הפיך. למרות זאת, נראה כי R.O רגישה יותר לניצול לרעה ע"י מפעיליה מאשר חילוף יונים.

ממברנות אוסמוזה הפוכה הן שכבות קרומיות, פולימריות, מיקרופורוסיות (בעלות נקבוביות בגודל למטה מ-2 ננומטר) ודקות. הנקבוביות בממברנת R.O נובעות מהמרווחים הנמצאים בכל חומר מוצק. אלו לא נקבוביות המוגדלות באופן מלאכותי כמו בסננים מיקרופורוסים מסחריים. מידת הנקבוביות של ממברנת R.O היא בסדר גודל של 25-100 אנגסטרום (השווה ל- 10-10 מטר, כלומר מאית המיליונית של סנטימטר). נקבוביות קטנות אלו מגבילות קשות את חדירת המים. אחוז חדירה מעשי מחייב לפיכך הגדלת השכבה המגשרת שבין שכבות הנוזל ופני השטח שלו, יחד עם דקות משופרת של המחיצה הפולימרית. שתי הטכניקות הללו פותחו עבור מתקני R.O.

לא כל הפולימרים מציגים את אותה תכונה של מרווחים. נמצא כי פולימרים מסוימים, הערוכים בשכבות ועומדים בפני מים מלוחים, יכולים, תחת לחץ, להיות חדירים למים בזמן שמעבר המלחים נמנע. כמה מהפולימרים הללו, בעיקר אלה המורכבים מצלולוז אצטטי, מפוליאמיד ארומטי, ומפוליסולפון, מוצעים על-מנת להתפיל מים מלוחים.

עקרונות אוסמוזה ואוסמוזה הפוכה
תופעת האוסמוזה היא תהליך ממברני מוכר מתהליכים ביולוגיים בתא החי, המתרחש כשממברנה חדירה למחצה, כזאת שחדירה למים אבל לא למלחים או מולקולות אורגניות בתמיסה, מפרידה מים או תמיסה מדוללת מתמיסה מרוכזת יותר. למולקולות מים יש נטייה חזקה יותר להיחלץ ממים מאשר מתמיסה. מים עוברים בדיפוזיה דרך הממברנה מהצד הדליל אל הצד המרוכז במאמץ להשוות בין הלחצים האוסמוטיים של שתי התמיסות. אם שתי התמיסות סמוכות זו לזו משני צידי הזרועות שבצינור U, עם מחיצה חדירה למחצה בקטע האופקי, המים עולים בצד המרוכז יותר ופוחתים בצד המכיל את התמיסה הדלילה (או מים טהורים). יחסי הגבהים של התמיסות בשיווי משקל הם מידת הפרשי הלחצים האוסמוטיים שלהם.

תהליך טבעי זה מיושם במהופך בתהליך האוסמוזה ההפוכה. ניתן להפעיל לחץ חיצוני באמצעים מכאניים, בשילוב עם ממברנת R.O חדירה למחצה, שיתגבר על הפרשי הלחצים האוסמוטיים של התמיסות. המים יאולצו לעבור את מחיצת הממברנה, מהתמיסה המרוכזת יותר לתמיסה המרוכזת פחות, כדי להפיק מים טהורים או טהורים יותר בצד המרוחק; וכן תמיסה יחסית מרוכזת יותר בצד הקרוב. מאחר ששחרור המים הטהורים מהתמיסות שלהם נגרם ע"י היפוך הלחץ האוסמוטי, הפעולה מכונה אוסמוזה הפוכה.




מערכות אוסמוזה הפוכה  
מרלין  
סדרת E2  
סדרת E4  
   
 

לחץ אוסמוטי
הלחץ האוסמוטי היא תכונה פיזיקאלית של התמיסה, הוא פרופורציונאלי לריכוז המלחים המומסים וערכו עולה עם עלית הריכוז. ערך הלחץ האוסמוטי של התמיסה תלוי בריכוז המלחים המומסים בה. ערכו שווה ללחץ ההידרוסטטי שצריך להפעיל על התמיסה כדי לעצור את תהליך האוסמוזה. כאשר הלחץ המופעל יהיה גבוה מהלחץ האוסמוטי, יתחיל תהליך אוסמוזה הפוכה וזרימת המים דרך הממברנה תהיה מצד התמיסה המרוכזת לצד המרוכז פחות. הכוח המניע של תהליך האוסמוזה ההפוכה נובע מהפרש הלחצים בין הלחץ המופעל והלחץ האוסמוטי. הפרש זה נקרא הלחץ האפקטיבי ומי התוצר פרופורציונאליים לערך של הלחץ האפקטיבי.

מנגנון אוסמוזה הפוכה
ההפרדה בין מים ומלחים בתהליך אוסמוזה הפוכה מבוססת על כוחות משיכה בין מולקולות המים וחומר הממברנה ולא על הפרשי גודל של מולקולות שונות ועל הנקבוביות של הממברנה. לכן אין זה תהליך סינון אלא תהליך מתחום כימיית השטח.
באוסמוזה הפוכה נעשה שימוש בקרומים (ממברנות) מלאכותיים, העשויים מפולימרים בעלי תכונה של ספיגה מועדפת של מולקולות מים. ממברנת אוסמוזה הפוכה הינה הידרופילית מאוד, כלומר, המים נמשכים אל המבנה הכימי שלה. מולקולות המים מרטיבות את פני שטח הפולימר ע"י קשירת  קשרי מימן לקבוצות הקוטביות שלו. פירוש הדבר, שתחת הלחץ המיוחל, המים עוברים את מסדרונות הנקבים, הרווחים הנמצאים בפולימר. האופי ההידרופילי של הפולימר הוא חלק בלתי נפרד. ככל שהפולימר הידרופילי יותר, כך הצפיפות של המתמירים הקוטביים שלו גדולה יותר; ולכן נדרש פחות לחץ על-מנת להכניס מים, שלא כמו בסננים הידרופוביים. כך מולקולות המים חודרות ממברנת  R.O. עם זאת, שאר היונים שבתמיסה גדולים מדי בשביל לעבור דרך הנקבים שבממברנת R.O.

מולקולת מים הינה קוטבית מאוד. ישנה בה חלוקה חזקה מאוד של המטען החשמלי בין האטומים המרכיבים את המולקולה. כשמולקולת מים נוצרת ע"י חיבור בין שני אטומי מימן לאטום חמצן, כל אחד מאטומי המימן חולק את האלקטרון הבודד שלו עם אטום החמצן. כך אטומי המימן נשארים במצב אנרגיה יציב יותר. גם אטום החמצן נמצא במצב אנרגיה יציב יותר כשהוא שואל את האלקטרונים מאטומי המימן.
שני אטומי המימן יכוונו עצמם אל צד אחד של אטום החמצן. מפני שהפרוטון שבכל אחד מגרעיני אטום המימן ויתר על האלקטרון השלילי שלו, הפרוטון החיובי הנותר באטום המימן יכול להשפיע על הסובבים אותו בעזרת מטענו החיובי. האלקטרונים שנדדו אל אטום החמצן יטו להפעיל את כוח ההשפעה של מטענם השלילי על החלק המרוחק מהם באטום החמצן. התוצאה הסופית היא חלוקת המטען החשמלי בין כל קצות מולקולת המים.

כאשר חלוקת המטען החשמלי מורכבת ממספר גדול של מולקולות מים בתמיסה טיפוסית, מתקיים כוח מספיק חזק המסוגל לפרק את המלחים במים מרכיביהם הטעונים שלילית. קצות אטומי המימן במולקולת המים ימשכו את הרכיב האניוני השלילי שבמולקולת המלח. קצה אטום החמצן במולקולת המים ימשוך את הרכיב הקטיוני החיובי שבמולקולת המלח. כשמולקולות המלח מתפרקות לרכיביהן, הן הופכות לחלק מהתמיסה.


בעת ההמסה, היונים הטעונים יוותרו מוקפים ע"י מולקולות המים הנמשכות אל המטען של היונים. כעיקרון, נוצרת קבוצת יונים. גודל קבוצת היונים יהיה תלוי בגודל המרכז של היון ובהיקף מאפייני המטען של היון. לסיבה שלשמה נערכת השוואה בין גודל קבוצת היון לבין המרווחים שבין קטעי הפולימר יש השפעה גדולה על הדיפוזיה של היון דרך הממברנה, שתהיה כהלכה.

אף-על-פי שהתפרקו ע"י מולקולות המים, הקטיונים המומסים עדיין ישמרו על משיכה אל האניונים המומסים בתמיסה. הקטיון המומס יגלה התנגדות למעבר בדיפוזיה דרך הממברנה במידה והאניון המומס המקביל אליו גם לא יכול לעבור דרכה. ולא, ייווצר חוסר איזון במטען החשמלי שבין הצד של מי ההזנה לבין הצד שחדרו את הממברנה.

אחוז המעבר של מלח מומס מסוים יהיה תלוי בעיקר ברכיב היוני המאופיין בגודל ובמטען חשמלי גדולים יותר. לדוגמה: אם אניון גופריתי SO4-2 המומס בתמיסת נתרן גופרתי     Na2SO4 אינו יכול לעבור בדיפוזיה דרך הפולימר בממברנה, גם קטיון הנתרן Na+ לא יוכל לחדור דרכה. במידה וסידן כלורי CaCl2 יתווסף לתמיסה הנ"ל, יוני הנתרן Na+ יוכלו לאחר מכן לעבור יותר בקלות דרך הממברנה משום שיוני הכלוריד Cl- המומסים מסוגלים לחדור את הממברנה טוב יותר.

יחס השבה
המושג "יחס השבה" מתייחס לאחוז ספיקת מי ההזנה אשר הופכים למי תוצר. בד"כ עבור מערכות גדולות אחוז יחס ההשבה הינו כ-75%. השלכת 25% הנותרים של מי ההזנה, אשר מעובדים לפני כן ע"י טיפולים מקדימים, הם התכונה השלילית הגדולה ביותר של פעולת R.O. זהו בזבוז יקר. ככל שמי ההזנה מרוכזים יותר, כך יש צורך להשליך אחוז גבוה יותר של מים.

הגבלת יחס השבה
מאחר והעלות העיקרית בתפעול R.O היא של המים הלא מושבים, אשר בד"כ עוברים טיפול מקדים יקר, ומושלכים לביוב, כדאי למזער את הנפח שלהם. אולם עדיין ישנן מגבלות על אחוזי ההשבה של R.O. יחס השבה בכל מצב נתון יכול להשתנות באופן רחב, מ-30% עד 90%. יחס השבה משפיע על הדחייה.

הלחץ האוסמוטי של המים עצמם מטיל מגבלות. כשהמים המטופלים נהיים יותר מרוכזים, הלחץ האוסמוטי שלהם עולה. זה לא הלחץ האוסמוטי של מי ההזנה המקוריים שבא בחשבון, אלא ממוצע הלחץ האוסמוטי של המים המזינים את הממברנות במתקן R.O. זה מאוד חשוב כאשר מתפילים מים מליחים או מי-ים. כאשר מדובר במי רשת, הלחץ האוסמוטי של המים אינו מהווה דאגה אמיתית בד"כ. הריכוז של כמות המלחים המסיסים במי הרכז (המים המושלכים) המטופלים ע"י הממברנה הבאה במתקן R.O חשוב מאוד. אם 75% מהמים מושבים, ריכוזם של מלחים מסיסים כמו סידן גופרתי (CaSO4) וסידן פחמתי
(CaCO3) יגדל פי 4 בזרם הרכז. הריכוז עלול לגרום לשיקוע המלחים ע"י חריגה ממכפלת המסיסות שלהם.

אולם ברוב המקרים גורם זה אינו גדול כאשר מערכת R.O מוזנת ממים חומציים או מים רכים אשר מקטינים באופן משמעותי את תכולת הקטיונים הדו-ערכיים הראשונית שבמי ההזנה למערכת. אפילו בעליית ריכוזים פי 4 במי הרכז, שפכים אלו אינם גורמים להצטברות משקעים, והשימוש בזרם הרכז מומלץ למטרות קירור.
יוני כלוריד הם בין היונים שקשה יותר לדחות. אם מי הזנה יהיו בעלי תכולת כלורידים גבוהה, ואם יעשה שימוש במתקן R.O סינגל-פס, מי המוצר יהיו בסופו של דבר עם כמות מופרזת של יוני כלוריד. זוהי דוגמה כיצד יחס השבה גבוה מדי משפיע על איכות מי המוצר.

דחייה
המים המטופלים במתקן R.O זורמים דרך רצף ממברנות, נהיים בהדרגה מרוכזים יותר במעבר שלהם. היכולת של ממברנות R.O להעביר מלחים מסוימים בזמן שהיא דוחה מלחים אחרים אינה מוחלטת. ממברנה אחת מספקת 98% דחיית מלחים. הממברנה האחרונה עלולה להתמודד עם זרם מים מרוכז לפחות פי 4 יותר מזרם ההזנה המקורי. מי התוצר מורחקים לחוד מכל בית ממברנה. אלו אשר מופקים מהבית האחרון הם חלק קטן מאוד מהכלל, הודות לכמויות הקטנות יותר וללחצים האוסמוטיים הגבוהים יותר של המים המזינים את הבית האחרון.

עבור כל ממברנה, אחוז המעבר של יונים קטנים יותר, או בעלי מטען חשמלי קטן יותר, יהיה יחסית גדול יותר מזה של היונים הגדולים יותר. בד"כ, קטיונים או אניונים עם ערכיות גבוהה יותר (מטען חשמלי גדול יותר) יידחו טוב יותר מאשר יונים עם ערכיות פחותה יותר. קטיון דו-ערכי, למשל סידן (Ca+2) עם ערכיות +2, ידחה כצפוי פי 3 יותר טוב מאשר יון נתרן חד-ערכי (Na+) עם ערכיות +1.

המבנה הפיסיקלי של המולקולה מכריע האם היא תעבור דרך הממברנה. מולקולה בעלת צורה מוארכת לא תחדור את הממברנה בקלות כמו מולקולה עגולה ודחוסה.
בנוגע לדחיית חומרים אורגניים, מתקני אוסמוזה הפוכה דוחים די טוב מולקולות אורגניות בעלות משקל מולקולארי גדול מ-100.

היכולת של מולקולה אורגנית לחדור את הממברנה תלויה בגודלה הפיסיקלי וצורתה, כמו גם במאפייניה הכימיים. בד"כ, ככל שהמולקולה האורגנית קרובה מבחינת המבנה שלה לזה של הפולימר בממברנה, היא תוכל לעבור דרך הפולימר יותר בקלות.

מולקולות אורגניות קטנות יותר המתאפיינות בקוטביות ייטו לעבור טוב יותר מאשר מולקולות גדולות יותר וניטרליות.
ישנה אמונה, הגיונית אך לא מאומתת, שמים המטופלים ע"י R.O פחות מסבירי פנים לאורגניזמים משום שהרכיבים התזונתיים של החיידקים , התכולה האורגנית של המים, מצומצמים.
 


 

  עיצוב אתרים - מאי סטודיו יונקס בע"מ - מערכות טיהור מים | רח' הסוללים 5 א.ת. בת - ים | טל: 03-5512634 | פקס: 03-5530568