Обратный осмос: химия и технологии

Обратный осмос - наилучший способ получения кристально чистой питьевой воды. Получаемая обратным осмосом вода по своим свойствам очень близка к талой воде древних ледников. Фильтры с обратным осмосом - современные, выгодные системы очистки воды, состоящие из фильтрующего блока, накопительного бака и отдельного крана подачи очищенной воды. Эти фильтры устанавливаются под мойкой.

При первом знакомстве с обратным осмосом возникает впечатление, что нет ничего проще этой технологии. Кажущаяся простота на первых порах вовлекла в бизнес производства мембранных систем огромное количество компаний. Некоторые преуспели, тогда как многие вскоре сошли с дистанции.

Часто причиной неудач было низкое качество произведенного оборудования, еще чаще - низкий уровень технической поддержки внедренных систем.

Сегодня обратный осмос является самым распространенным процессом очистки воды во всех отраслях промышленности - от получения сверхчистой воды до очистки сточных вод. Не менее популярно применение обратного осмоса в технологиях подготовки питьевой воды: опреснении морской воды, очистке подземных и поверхностных пресных вод от вредных примесей, а также доочистке водопроводной воды в производственных и домашних условиях.

Коммерческий успех обратного осмоса в первую очередь основан на его экономических и экологических преимуществах. По сравнению с обратноосмотической, другие технологии очистки воды от растворенных примесей существенно проигрывают не только по капитальным и эксплуатационным затратам, но и по показателям экологической безопасности. Обратный осмос не требует ни больших затрат энергии на фазовые переходы, как дистилляция, ни расходов кислот и щелочей, как ионный обмен, и не приводит к образованию опасных отходов.

Обратный осмос - не просто фильтрация

В основе технологии обратного осмоса - процесс разделения растворов на полупроницаемой мембране, для протекания которого необходимо создание избыточного давления. Мембрана пропускает воду и задерживает большую часть растворенных примесей, однако механизм обратного осмоса отличается от классической фильтрации. Классическая фильтрующая перегородка имеет поры и задерживает примеси, размер которых превышает диаметр пор. В обратноосмотической мембране нет пор, а вода и некоторые другие вещества могут проходить через мембрану благодаря диффузии внутри материала, на которую накладываются эффекты электростатического взаимодействия.

Максимальная эффективность обратноосмотического разделения достигается при тангенциальном способе фильтрации, в результате которого образуется два потока: пермеат - очищенная вода и концентрат - вода, содержащая удаленные примеси. С одной стороны - это процесс очистки, с другой - метод концентрирования. Концентрат, который является жидким отходом процессов очистки воды, не содержит никаких примесей, кроме присутствующих в исходной воде, но в большей концентрации. В большинстве случаев концентрат может сбрасываться в канализацию без дополнительной обработки, чем и определяется экологическая безопасность обратноосмотических прочессов.

Получить правильную мембрану - это не только химия, но и искуство

От качества и характеристик мембраны напрямую зависит эффективность обратноосмотической очистки воды. Одним из наиболее распространенных типов мембран являются тонкопленочные композитные мембраны, состоящие из:

Получение таких мембран - сложный и наукоемкий технологический процесс, поэтому производителей качественных мембран в мире единицы.

Разработанная американской компанией DowChemical мембрана из ароматического полиамида FT30 на сегодня является эталоном в области обратного осмоса. Для этой мембраны характерна высокая селективность по неорганическим веществам: от 97% для нитрата натрия, до 99,7% для сульфата магния. Не менее эффективно мембрана FT30 задерживает органические вещества - обычно селективность выше 90%, а для больших молекул - выше 99%. Однако некоторые органические вещества способны проходить через мембрану. Например, селективность по метанолу составляет 25%, а по формальдегиду - 35%.

Для каждой мембраны существует свой показатель удельной производительности - максимальное количество пермеата, которое можно получить с единицы площади мембраны в стандартных условиях. Каждая мембрана имеет уникальные характеристики по переносу вещества, в частности воды и растворенных солей. Производители официально заявляют в технических спецификациях к своим продуктам такой показатель как селективность по соли (%), как правило, определяемая по NaCl.

Для повышения эффективности очистки вод различных типов применяется мембранное полотно с разной плотностью и свойствами поверхности.

Рулонный мембранный элемент - большая площадь в небольшом объеме

Самый оптимальный способ организации фильтрующего элемента из мембранного полотна - рулон. В рулонном элементе длиной 1 метр и диаметром 20 сантиметров помещается 37 квадратных метров мембранного полотна, а производительность такого элемента может достигать 1,8 м.куб./ч. Рулонные элементы наиболее практичны: их удобно транспортировать и хранить, домашние и коммерческие мембранные системы, на основе таких элементов, просты в обслуживании, а промышленные могут быть полностью автоматизированы.

Одной из наиболее важных характеристик мембранных элементов является конверсия - рекомендуемое соотношение объемов очищенной и исходной воды. Для обеспечения длительного и стабильного функционирования мембранных элементов обычно рекомендуется придерживаться конверсии 10-15%. При такой конверсии на элементе суммарная конверсия промышленных систем достигает значений 50-85%, чаще всего - 75%. Превышение рекомендованных значений конверсии элемента с одной стороны приводит к ухудшению качества пермеата, а с другой повышает риск образования отложений на поверхности мембраны.

На качество рулонных мембранных элементов, прежде всего, влияют качество и характеристики мембранного полотна и способ производства мембранных элементов. Так, автоматизация производства элементов Filmtec позволяет наматывать элементы с большим количеством более коротких мембранных листов, что улучшает эксплуатационные характеристики элементов, а прецизионное склеивание мембранного полотна позволяет максимально использовать площадь, снижая вероятность протечек. Важным фактором повышения эффективности мембранных элементов является принцип и конструкция межэлементного соединения. Наиболее распространенный вид соединения - с помощью специальных соединительных трубок с уплотнительными кольцами. У этого способа есть два существенных недостатка - повышение гидравлического сопротивления системы и снижение качества пермеата вследствие протечек через кольцевые уплотнения. Другой способ соединения - байонетное соединение iLec, применяемое в элементах Filmtec. Этот вид последовательного подключения элементов не требует соединительных трубок - уплотнительное кольцо установлено непосредственно в крышке элемента, а надежность соединения обеспечивается специальными защелками. Такое соединение уменьшает риск протечек за счет сокращения количества кольцевых уплотнений и их полной фиксации. Кроме того, байонетные соединения не требуют использования смазывающих материалов и обеспечивают низкую сопротивляемость пермеату.

Производители мембранных элементов используют различную систему маркировки своих продуктов, однако, принципов классификации не так много: по назначению и по типоразмеру. В качестве примера мы приводим классификацию мембранных элементов Filmtec, производства компании DowChemical.

Для типоразмерной классификации мембранных элементов используются длина и диаметр элемента в дюймах. В промышленных системах обратного осмоса чаще всего применяются мембранные элементы длиной 40" и диаметром 8". Единственным мембранным элементом большего диаметра на сегодня является 16" элемент, выпускаемый специально для высокоэффективного и экономичного обессоливания морской воды.

Оптимальная технология - лучшее качество пермеата при минимальных затратах

Спектр применения технологий обратного осмоса сегодня чрезвычайно широк: коммунальное водоснабжение и бытовые системы, обессоливание морской и солоноватой воды, промышленное водоснабжение, вода для сельского хозяйства, коммерческие локальные системы, военный сектор и др. В каждом случае перед проектировщиками систем мембранной очистки стоит задача получения пермеата требуемого качества с минимальными капитальными, эксплуатационными и энергетическими затратами. Решение этой задачи состоит из двух частей - разработка технологии предварительной очистки воды и дизайн системы обратного осмоса.

Эффективность и стабильность работы систем обратного осмоса сильно зависит от качества очищаемой воды. Правильная технология предварительной очистки должна минимизировать риски образования отложений на поверхности мембран, предотвратить их деградацию, а также обеспечить стабильную производительность, качество пермеата и степень конверсии. Незначительные отклонения в этих показателях оказывают существенное влияние на энергетические и эксплуатационные затраты, что в свою очередь отражается на стоимости очищенной воды. Неадекватная технология предварительной очистки воды может привести, как к необратимой деградации мембран, так и к росту себестоимости очищенной воды за счет увеличения количества химических промывок и снижения основных технологических показателей системы. В зависимости от качества исходной воды и конфигурации мембранной системы могут использоваться различные методы предподготовки и коррекции состава воды:

Разработка оптимальной технологии предварительной очистки воды для систем обратного осмоса определяет, как стоимость и качество пермеата, так и срок службы мембранных элементов.

Важным аспектом оптимального проектирования мембранных систем также являются выбор типа мембранных элементов и конфигурация системы. В некоторых случаях уход от рекомендуемых стандартных типов элементов может дать ощутимый экономический эффект, например при переходе на элементы средней плотности в технологиях обессоливания высокосоленых вод с последующей организацией многостадийной технологии.

Современный дизайн

Мембранные технологии - это широкое поле для инженерной деятельности. Бытовые системы обратного осмоса - простейшая реализация мембранной технологии, ориентированная на доочистку водопроводной воды в домашних условиях. Эта система - разновидность фильтров, устанавливаемых в точках использования воды (POU-фильтров). Такая система содержит стадию предварительной очистки воды - три картриджных колбовых фильтра, стадию обратноосмотической очистки и постобработку воды в угольном картридже. Поскольку производительность и коэффициент конверсии мембран, применяемых в бытовых системах невелики, для обеспечения постоянного запаса воды предусмотрен специальный накопительный бак.

Так называемые "коммерческие" обратноосмотические системы состоят из одного или нескольких мембранных элементов промышленного назначения. Коммерческие системы являются разновидностью фильтров, устанавливаемых в точках входа воды (POE-фильтров). Эти системы обеспечивают очищенной водой весь дом или небольшое предприятие, например сферы обслуживания. Коммерческие системы - серьезные инженерные комплексы, включающие насосное оборудование, систему контроля и управления процессом очистки воды и измерительные приборы. Обычно после таких систем устанавливаются накопительные баки, например емкость 1 м куб. Система автоматически включается при достижении минимального уровня очищенной воды, а при наполнении бака переходит в режим промывки мембранного элемента и отключается.

Промышленные системы обратного осмоса - это всегда индивидуальный проэкт, требующий подробного анализа качества исходной воды и требований к очищенной воде, предпроектного изучения объекта и т.д.

Секреты успеха

Подводя итоги, следует отметить, что эффективность работы обратноосмотических систем зависит от: