Метод зворотного осмосу принцип

- Чому процес носить такий дивну назву - зворотний осмос? Що таке осмос і чому він зворотний?

- Осмос (від грец. Osmos - поштовх, тиск) - процес самовільного перенесення розчинника (переважно води) через напівпроникну перегородку (мембрану), що розділяє два розчини з різною концентрацією. Наприклад, чисту воду і розчин солей. Якщо мембрана пропускає тільки воду і не пропускає розчинені речовини, то вода буде проходити через мембрану в напрямку до більш концентрованого розчину до тих пір, поки не настане рівновага і не вирівняється тиск (або концентрація) по обидві сторони мембрани. Тиск, при якому настає ця рівновага, називається осмотичним тиском розчину.

Це тиск залежить від природи розчиненої речовини і його концентрації. Осмос грає дуже важливу роль в житті тварин і рослинних організмів. Саме осмотичнийтиск в живих клітинах надає рослинним і тваринним тканин міцність і пружність. Тиск крові у людини становить 7,7 атм, а в клітинах пустельних рослин - понад 100 атм. Завдяки осмосу рослини можуть поглинати воду і розчинені в ній поживні речовини. Почуття спраги у людини також викликано зміною осмотичного тиску крові. По відношенню до осмотичного тиску крові рідини поділяються на три типи: гипотонические, ізотонічні і гіпертонічні.

- Ізотонічний розчин - це щось з області медицини?

Процес зворотного осмосу полягає в фільтрації розчинів через напівпроникну мембрану під тиском, що перевищує осмотичний, при цьому через мембрану проходить переважно вода, а розчинені речовини залишаються в розчині. Рушійною силою цього процесу є різниця прикладеного і осмотичного тисків.

- Зворотний осмос відноситься до мембранних процесів розділення компонентів розчинів і суспензій, так як поділ відбувається на напівпроникною перегородки, званої мембраною. Ця обставина докорінно відрізняє зворотний осмос від інших методів очищення. Застосування мембран для відділення одних компонентів розчину від інших має дуже давню історію, ще від Аристотеля, вперше виявив, що морська вода
опріснюється, якщо її пропустити через стінки воскової судини. Вивчення цього явища і інших мембранних процесів почалося набагато пізніше, на початку XVIII століття, коли Реомюр використовував для наукових цілей напівпроникні мембрани природного походження.

Але до середини 20-х років минулого століття всі ці процеси мали суто теоретичний інтерес, не виходячи за межі лабораторій. У 1927 році німецька фірма «Сарторіус» отримала перші зразки штучних мембран. Після Другої світової війни американці, використовуючи німецькі напрацювання, налагодили виробництво ацетатцелюлозних і нітроцелюлозних мембран. Лише в кінці 50-х - початку 60-х років з початком широкого виробництва синтетичних полімерних матеріалів з'явилися перші наукові роботи, які лягли в основу промислового застосування зворотного осмосу.

Перші промислові обратноосмотичні системи з'явилися лише на початку 70-х років. Тому зворотний осмос - порівняно молода технологія в порівнянні з тим же іонним обміном або адсорбцією на активованому вугіллі. Проте, метод зворотного осмосу став одним з найекономічніших, універсальних і надійних способів очищення води, який дозволяє знизити концентрацію колоїдних і розчинених компонентів на 96 - 99% і практично на 100% позбутися від мікроорганізмів і вірусів. Так як якість водопровідної води в усьому світі після повального застосування ДДТ значно погіршився, виникла проблема ефективного очищення води в побутових умовах від різноманітних забруднювачів. Тому на основі промислових схем і тих, що були побутових картриджних систем очищення були розроблені недорогі, надійні і ефективні побутові обратноосмотичні системи.

- У порівнянні з промисловими побутові обратноосмотичні системи влаштовані набагато простіше і компактніше. Розміри дозволяють помістити їх під стандартної кухонною мийкою. Для нормальної роботи їм досить тиску водопровідної води (3,5 - 4 атм). При тиску води менше 2 - 2,5 атмосфер необхідний підвищує тиск насос. Побутові обратноосмотические фільтри оснащені невеликим гідроакумулятором, який усуває незручності, пов'язані з невисокою продуктивністю, а також автоматичним діафрагмовим клапаном, що відключає систему при його заповненні.

Стандартна конфігурація побутової системи включає в себе пятімікронний механічний картридж, що оберігає мембрану від забруднення і пошкодження механічними частинками, і вугільний передфільтр, що захищає її від руйнівного впливу залишкового хлору. Після попереднього очищення вода подається на мембрану. Та вода, яка пройшла через мембрану, надходить в накопичувальний мембранний бак. А та, що не пройшла, стікає в каналізацію.

- Виходить, що обратноосмотичні системи скидають частину води. Чому не може бути відфільтрована вся вода?

- Перші лабораторні установки на плоских мембранах працювали в режимі тупикової фільтрації. Однак це призводить до концентрування розчинених речовин у поверхні мембрани, що тягне за собою погіршення продуктивності і якості очищеної води. На поверхні мембрани відбувається осадження малорозчинних сполук (солей жорсткості, заліза, органічних сполук), що, в кінцевому підсумку, виводить мембрану з ладу. Тому процес зворотного осмосу завжди проводять в режимі тангенциальной фільтрації (cross-flow): розділяється потік рухається в осьовому напрямку по межмембранное каналах рулонного модуля, а фільтрат - спиралеобразно по дренажному матеріалу і надходить в відводять трубку. Концентрат виходить з іншого боку модуля і або весь надходить на скидання, або частина його повертається назад на вхід системи. Співвідношення потоків регулюється таким чином, щоб уникнути появи відкладень на поверхні мембрани. Кількість води, що скидається зазвичай становить 30-45%.

Повернемося до пристрою системи. На виході з бака варто фінішний вугільний фільтр і ультрафіолетовий стерилізатор. Вугільний фільтр використовується для доочищення води від низькомолекулярних органічних сполук, які можуть проникнути через обратноосмотічеськую мембрану або потрапити в чисту воду з гумової груші бака-накопичувача, надаючи воді неприємний запах і смак.

- Якщо через мембрану не можуть пройти мікроорганізми і віруси, навіщо ультрафіолетовий стерилізатор? Тим більше на хлорованій воді?

- Так, обратноосмотическая мембрана є нездоланним бар'єром для бактерій і вірусів, і вода після мембрани виходить практично стерильна. Однак можуть виникнути ситуації, коли пошкоджується мембрана. До того ж заміна картриджів здійснюється не в стерильних умовах. Можливо зворотне зараження очищеної води в накопичувальному баці через кран. Одним словом, ймовірність завжди відмінна від нуля. Тому наявність УФ-стерилізатора є гарантією якості очищеної води.

Деякі системи оснащуються потужним насосом, вбудованими засобами контролю якості води, а також в них може бути відсутнім накопичувальна ємність, так як вони мають досить високу продуктивність. Таке обладнання вже відноситься до класу високоякісної побутової техніки, воно дуже зручно в експлуатації, проте коштує на порядок дорожче, ніж вищеописані системи. Додам також, що системи, компоненти яких мають розбірну конструкцію (наприклад, мембранний корпус, накопичувальний бак, УФ-стерилізатор), більш гнучкі і дешеві в експлуатації.

- У бесіді Ви постійно згадуєте напівпроникні мембрани. Чому вони пропускають тільки воду? Що вони собою являють?

- Механізм зворотного осмосу на сьогоднішній день достовірно невідомий. Зворотньоосмотична мембрана з боку робочої поверхні має селективний шар, який і бере участь в розподілі. Цей шар має дуже дрібні пори, співмірні за своїми розмірами з молекулами розчинених речовин. Згідно з найбільш поширеною теорії, на поверхні селективного шару мембрани і в її порах утворюється шар зв'язаної води, яка сильно відрізняється за властивостями від звичайної води. Пов'язана вода має знижену розчинюючої здатністю і утворює своєрідний бар'єр для багатьох речовин, але не для звичайної води. Напівпроникні мембрани є найважливішою складовою частиною обратноосмотічеськіх систем і саме вони визначають якість і кількість очищеної води.

Кожна мембрана має показники: селективність (ступінь затримання) з того чи іншого компоненту і продуктивність. Як правило, мембрани самі по собі у вигляді плівки використовуються тільки для виробництва мембранних модулів. Мембранні модулі можуть мати різноманітну конструкцію, але в даний час найбільш поширені рулонні мембранні модулі на основі обратноосмотічеськіх композитних тонкошарових (TF) мембран.

- Виробництво іншої питних систем стверджують, що пити таку обессоленную воду шкідливо для організму, оскільки в ній практично відсутні корисні мінеральні речовини.

- По-перше, розчинені мінеральні речовини в тих кількостях, в яких вони містяться в звичайній воді, не забезпечують потреби в них людського організму при нормальному водоспоживання.

По-друге, та форма, в якій вони присутні в воді, погано сприяє їх засвоєнню. Людський організм звик засвоювати іони і мікроелементи в тому вигляді, в якому вони присутні в рослинної і тваринної їжі, т. Е. У вигляді органічних комплексів.

І, по-четверте: чи багато Ви п'єте?

- Ото ж бо й воно, що кава. За рахунок своїх високих екстрактивних (витягають) властивостей така вода добре підходить для приготування їжі, а також різноманітних напоїв: кава, чаю, коктейлів (Вода для улюблених напоїв). Супи та борщі виходять більш наваристими і смачними (На якій воді готувати суп?), Чай і кава - більш ароматними і насиченими. При умовно такою водою виключається алергічна реакція з боку чутливої ​​шкіри.

Ця вода часто використовується в харчовій промисловості. Наприклад, ті ж фруктові соки в пакетах. Ці соки на ліанозовської або Останкінському заводі тільки розбавляються з концентрату. Або нормалізоване молоко і молокопродукти, приготовані з порошкового молока. Інші споживачі чистої води - підприємства з виробництва пива, прохолодних напоїв, лікеро-горілчаних виробів, бутильованої столової води і багато чого іншого.

- З харчовим виробництвом все зрозуміло. А де ще потрібно обезсолена вода?

- Крім харчових виробництв обратноосмотичні системи постачають воду для медицини, мікроелектроніки, фармацевтики, парфумерії, хімічної промисловості та теплоенергетики.

- У теплоенергетиці? А іонний обмін?

Обратноосмотичні системи практично позбавлені цих недоліків. Вони здатні працювати 24 години на добу, більш зручні в експлуатації, вимагають набагато менше витратних матеріалів (інгібітори, миючі розчини), мають неагресивні стічні води.

- З Ваших слів виходить, що зворотний осмос дозволяє вирішити всі проблеми, пов'язані з очищенням води. Чи так це насправді?

- І так, і не так. Принципово на зворотноосмотичної установці можливо очистити воду будь-якої якості. Однак від якості вихідної води буде залежати продуктивність установки і її ресурс. Наприклад, якщо вихідна вода дуже жорстка або містить велику кількість заліза або марганцю, обратноосмотическая установка працюватиме на такій воді недовго і може вийти з ладу. Тому що на поверхні робочих коліс насоса високого тиску і мембран утворюються відкладення, що значно знижують продуктивність системи. Тому існує ряд вимог до якості вихідної води, при дотриманні яких забезпечується великий термін експлуатації без заміни або промивання мембран.

Як правило, вихідна вода проходить попереднє очищення. Склад системи очистки визначається якістю вихідної води: при роботі на хлорованої водопровідній воді встановлюють вугільний фільтр. Підземні води часто містять залізо і марганець, потрапляння яких в обратноосмотічеськую систему неприпустимо. Для їх затримання встановлюють обезжелезіватель. Іноді досить дозуючого насоса, який подає в вихідну воду розчин інгібітору, що перешкоджає утворенню відкладень. Для запобігання зростанню бактерій в стерильній воді встановлюють УФ-стерилізатор або озонатор. Тому зазвичай проблему отримання чистої знесоленої води вирішують комплексно, із залученням інших методів водоочищення.

- Чи існують інші мембранні методи розділення, крім зворотного осмосу?

- Звичайно: мікрофільтрація, ультрафільтрація, нанофільтрація, електродіаліз, первапорация і багато інших. Але це тема для окремої розмови.

Розмовляв Кирило Іванов