אוסמוזה הפוכה

שרטוט של מערכת אוסמוזה הפוכה. 1. זרם מי ים. 2. זרם מים מתוקים, 3. זרם מרוכז, 4. זרם מי ים, 5. ריכוז (ניקוז), A: זרם שאוב בלחץ גבוה, B: מחזור משאבה, C: יחידת פעפוע עם ממברנה, D: מחליף לחץ.

תהליך הפעולה של אוסמוזה הפוכה

אוֹסְמוֹזָה הפוכה (פעפוע הפוך) היא תהליך של מעבר תמיסה דרך מסנן הלוכד את המומס בצד אחד ומאפשר מעבר של ממס טהור לצד השני. ליתר דיוק, זהו תהליך של הנעת ממס מתמיסה בעלת ריכוז מומסים גבוה לתמיסה בעלת ריכוז מומסים נמוך, על ידי הפעלת לחץ נגדי ללחץ האוסמוטי. זהו תהליך הפוך לאוסמוזה רגילה, שבמהלכה קיימת תנועה טבעית של ממס דרך ממברנה - מתמיסה בעלת ריכוז מומסים נמוך לתמיסה בעלת ריכוז מומסים גבוה - ללא הפעלת כוח חיצוני. הממברנה המשמשת לתהליך היא ממברנה חדירה למחצה, כלומר היא מאפשרת מעבר ממס ולא מומס.

ממברנה המשמשת לאוסמוזה הפוכה אינה נקבובית. הסינון נעשה בשכבה בעלת עובי מיקרוסקופי של פולימר דחוס. הממברנה עשויה בדרך כלל פוליאמיד או פוליסולפון, אך בשנת 2020 פותחה ממברנה העשויה פוליאסטר. יתרונה הוא בכך שבניגוד לשני החומרים הראשונים, היא אינה נפגעת מכלור בריכוז גבוה המשמש לחיטוי המים מחיידקים (הכלור משמש לקטילת חיידקים שעלולים ליצור שכבת ביופילם על פני הממברנה אשר סותמת אותה ופוגעת ביעילותה). במרבית המקרים בנויה הממברנה כך שרק מים יעברו דרכה. המים מצטרפים לפולימר הממברנה ועוברים בדיפוזיה לצידה השני. התהליך דורש הפעלת לחץ גבוה על התמיסה בעלת ריכוז המומסים הגבוה, בדרך כלל 2–14 בר למים מתוקים ומים בעלי מליחות ביניים ו 40–70 בר למי ים. במתקן אוסמוזה הפוכה עם מי ים ומים מתוקים נוצר לחץ אוסמוטי של כ 27 בר שיש להתגבר עליו.

תהליך האוסמוזה בעזרת ממברנות נצפתה לראשונה על ידי ז'אן אנטואן נולט בשנת 1748. במשך 200 השנים שלאחר מכן, האוסמוזה הייתה רק תופעה שנצפתה במעבדה. בשנת 1949, באוניברסיטת קליפורניה בלוס אנג'לס נחקרה לראשונה האפשרות להתפלת מי ים באמצעות אוסמוזה. הדגמה ראשונה של תהליך אוסמוזה הפוכה נערכה באוניברסיטה בשנת 1959. פיתוח הממברנה של המתקן באוניברסיטה נעשה על ידי פרופסור סידני לוב מאוניברסיטת בן-גוריון (אז מאסטרנט ב UCLA) וסריניוואזה סוריראג'אן, בהנחיית הפרופסור סמואל יוסטר. פרופסור לוב היה גם ממובילי הקמת ופיתוח המתקן המסחרי הראשון להתפלת מים בעזרת אוסמוזה הפוכה בעיר קואלינגה שבקליפורניה ב 1965. אוסמוזה הפוכה שימושית היום במיוחד בתחום ההתפלה.

שיטה

שרטוט אופייני של תוכנית להתפלת מים בשיטת האוסמוזה ההפוכה

כאשר מערבבים שתי תמיסות שונות בריכוזן, סך המומסים בתוכן יתפזר בשווה בסך הממס. התהליך מתרחש בדיפוזיה אשר במהלכה נעים מומסים מאזור בו ריכוזם גבוה לאזור בו ריכוזם נמוך. מצב שוויון הריכוזים בתמיסה מכונה שיווי משקל כימי.

במקום לערבב את שתי התמיסות, אפשר להכניסן לשני תאים שממברנה חדירה למחצה מפרידה ביניהם. הממברנה מאפשרת מעבר של ממס וחוסמת מעבר של מומסים. מכיוון שאין אפשרות להגיע לשיווי משקל על ידי תנועת מומסים, מתקיימת תנועה של ממס מהתמיסה הדלילה לתמיסה המרוכזת. מעבר הממס לתמיסה המרוכזת מפחית את ריכוזה ומעברו מהתמיסה הדלילה מעלה את ריכוזה. התהליך מכונה אוסמוזה. הכוח שגורם לתנועת הממס מכונה לחץ אוסמוטי, שכן הוא מקביל לזרימה הנגרמת על ידי הפרש לחצים.

באוסמוזה הפוכה מוסיפים למתקן שתואר בתהליך האוסמוזה, לחץ על התא של התמיסה המרוכזת. שני כוחות פועלים כעת על הממס: הממס שואף לעבור מתא התמיסה הדלילה לתא התמיסה המרוכזת (לחץ אוסמוטי) ומנגד קיים הפרש לחצים המנסה להניע חומר מתא התמיסה המרוכזת לתא התמיסה הדלילה, מכיוון שהממברנה לא מאפשרת מעבר מומסים, הלחץ החיצוני גורם לממס לשאוף לעבור מתא התמיסה המרוכזת לתא התמיסה הדלילה. כאשר הלחץ החיצוני גדול מהלחץ האוסמוטי, סך התנועה של הממס יהיה מהתמיסה המרוכזת אל התמיסה הדלילה, כלומר יתקיים תהליך של אוסמוזה הפוכה.

התהליך מתבצע בטמפרטורת הסביבה. האנרגיה החשמלית הדרושה לדחיסת המים ללחץ הפעלה, גבוהה יחסית. ניצולת המים המותפלים יכולה להגיע עד 80%-95% במים מליחים ו-35%-60% במי-ים.

יישום אוסמוזה הפוכה

התפלת מים

אוסמוזה הפוכה משמשת להתפלת מי ים ומים מליחים ואספקת מי שתייה או מים לחקלאות. באזור אילת מסופקים מי שתייה המופקים בעזרת אוסמוזה הפוכה ממים מליחים. מספר משקים חקלאיים משתמשים במי שופכין ומים מלוחים יחסית שהותפלו עד לרמה מתאימה לשימוש המשקים. למתקן התפלה אשקלון שהחל לפעול בשנת 2005 כושר ייצור של עד 110 מיליון מ"ק מים באיכות טובה. בשנת 2013 נחנך מתקן התפלה שורק המספק 150 מיליון מ"ק (ויכול לספק עד 220 מיליון מ"ק) ונכון לינואר 2017 זהו ההתקן הגדול מסוגו בעולם ועלות המים המותפלים שהוא מייצר היא הנמוכה ביותר בעולם למים מותפלים.

במתקני התפלה בטכנולוגיה זו מקובל לבצע הכנת המים על ידי תהליך אולטראפילטרציה.

טיהור מים ביתי

מתקני טיהור מים ביתיים משתמשים בין היתר באוסמוזה הפוכה כאחד השלבים בטיהור המים. במתקני אוסמוזה הפוכה קיימים השלבים הבאים:

• מסנן מכני המונע מעבר חלקיקים מעל גודל מסוים.
• מסנן פחם פעיל הלוכד כלור חופשי ותרכובות אורגניות.
• מסנן פחם דחוס, אשר מסלק תרכובות נוספות
• מסנן אוסמוזה הפוכה, הנקרא ממברנה.

בנוסף לשלבים המפורטים, לעיתים יותקנו מסנן מכני ו"מסנן" (שאינו למעשה מבצע סינון אלא מוסיף חומר למים) מסוג מינרליזטור, אשר מחזיר למים מינרלים כגון סידן, אשר הוצא בתהליך האוסמוזה מהמים, וכן מנורה על סגולית לטיהור חיידקים.

מתקני טיהור מים על בסיס אוסמוזה הפוכה הנמכרים לשימוש בייתי משתמשים בכבידה ליצירת הלחץ החיצוני ולכן אין להם צורך במשאבת מים. משתמשים במתקנים כאלו גם מטיילים ושייטים. המתקנים מטהרים רק כ-25 אחוזים מהמים המוזנים לתוכם ויתרת המים יוצאת מהם ואובדת.

תעשיית המזון

בנוסף לשימוש באוסמוזה הפוכה להתפלת מים, אוסמוזה הפוכה היא חסכונית יותר משימוש בחום ליצירת תרכיזים שונים בתחום המזון, למשל מיצי פירות. בנוסף לחיסכון הכלכלי, טיפול במוצרי מזון שלא בעזרת חום מקל על טיפול במרכיבי מזון המכילים חומרים רגישים לחום כמו חלבונים ואנזימים. משתמשים בתהליך ליצירת סירופ מייפל כבר משנות ה-70 של המאה ה-20.

שימוש באוסמוזה הפוכה בתהליך יצור יין מעורר התנגדות מסוימת במעגל תעשיית היין, ובכל זאת נפוץ השימוש בשיטה. מעטים יצרני היין המודים בשימוש במתקני אוסמוזה הפוכה, מאידך ההערכה היא שכשישים מתקני אוסמוזה הפוכה פעלו במחוז בורדו בשנת 2002. בתעשיית היין משתמשים בתהליך להעלאת ריכוז היין, לסינון חומרים שונים מהיין ולהפחתת ריכוז האלכוהול.

שימושים אחרים

מים מטוהרים באוסמוזה הפוכה משמשים לפעמים במתקני שטיפת מכוניות. תכולת המינרלים הנמוכה של המים מפחיתה את כמות המים הנותרים על הרכב וכפועל יוצא פוחת העומס הנדרש ממתקני הייבוש של הרכב.

בייצור מימן בקנה מידה קטן, משתמשים לפעמים במים מטוהרים למניעת יצירת משקעי מינרלים על האלקטרודות ולהפחתת המזהמים במים.

בהידרופוניקה, (שיטת גידול צמחים על מצע מנותק) עושים שימוש במי אוסמוזה כדי ליצור תמיסת דישון לגידול הצמחים.

קישורים חיצוניים

• ארז גרטי, אוסמוזה, במדור "מאגר המדע" באתר של מכון דוידסון לחינוך מדעי, 4 ביולי 2011
• אורי לכיש, מהם אוסמוזה אוסמוזה הפוכה ולחץ אוסמוטי