Метод обратного осмоса: принцип. Осмос и осмотическое давление, обратноосмотические системы.

ГлавнаяСтатьи › Метод обратного осмоса: принцип

— Почему процесс носит таков странное название — обратный осмос? Что такое осмос и почему он обратный?

— Осмос (от греч. osmos — толчок, давление) — процесс самопроизвольного переноса растворителя (преимущественно воды) через полупроницаемую перегородку (мембрану), разделяющую два раствора с разной концентрацией. Например, чистую воду и раствор солей. Если мембрана пропускает только воду и не пропускает растворенные вещества, то вода будет проходить через мембрану в направлении к более концентрированному раствору до тех пор, пока не наступит равновесие и не выровняется давление (или концентрация) по обе стороны мембраны. Давление, при котором наступает это равновесие, называется осмотическим давлением раствора.

Это давление зависит от природы растворенного вещества и его концентрации. Осмос играет очень важную роль в жизни животных и растительных организмов. Именно осмотическое давление в живых клетках придает растительным и животным тканям прочность и упругость. Давление крови у человека составляет 7,7 атм, а в клетках пустынных растений — более 100 атм. Благодаря осмосу растения могут всасывать воду и растворенные в ней питательные вещества. Чувство жажды у человека также вызвано изменением осмотического давления крови. По отношению к осмотическому давлению крови жидкости подразделяются на три типа: гипотонические, изотонические и гипертонические.

— Изотонический раствор — это что-то из области медицины?

— Гипотонические растворы имеют более низкое осмотическое давление, чем в крови (в них меньше содержание солей); изотонические — одинаковое давление; гипертонические — более высокое давление. Вот почему в сталелитейных цехах рабочим дают пить солоноватую воду для предотвращения обезвоживания организма, а спортсмены пьют специальные изотонические напитки для утоления жажды.

Процесс обратного осмоса заключается в фильтрации растворов через полупроницаемую мембрану под давлением, превышающем осмотическое, при этом через мембрану проходит преимущественно вода, а растворенные вещества остаются в растворе. Движущей силой этого процесса является разность приложенного и осмотического давлений.

— Расскажите немного об истории технологии обратного осмоса?

— Обратный осмос относится к мембранным процессам разделения компонентов растворов и суспензий, так как разделение происходит на полупроницаемой перегородке, называемой мембраной. Это обстоятельство коренным образом отличает обратный осмос от других методов очистки. Применение мембран для отделения одних компонентов раствора от других имеет очень давнюю историю, восходящую еще к Аристотелю, впервые обнаружившему, что морская вода
опресняется, если ее пропустить через стенки воскового сосуда. Изучение этого явления и других мембранных процессов началось гораздо позже, в начале XVIII века, когда Реомюр использовал для научных целей полупроницаемые мембраны природного происхождения.

Но до середины 20-х годов уходящего века все эти процессы имели сугубо теоретический интерес, не выходя за пределы лабораторий. В 1927 году немецкая фирма «Сарториус» получила первые образцы искусственных мембран. После Второй мировой войны американцы, используя немецкие наработки, наладили производство ацетатцеллюлозных и нитроцеллюлозных мембран. Лишь в конце 50-х — начале 60-х годов с началом широкого производства синтетических полимерных материалов появились первые научные работы, которые легли в основу промышленного применения обратного осмоса.

Первые промышленные обратноосмотические системы появились только в начале 70-х годов. Поэтому обратный осмос — сравнительно молодая технология по сравнению с тем же ионным обменом или адсорбцией на активированных углях. Тем не менее, метод обратного осмоса стал одним из самых экономичных, универсальных и надежных способов очистки воды, который позволяет снизить концентрацию коллоидных и растворенных компонентов на 96 — 99% и практически на 100% избавиться от микроорганизмов и вирусов. Так как качество водопроводной воды во всем мире после повального применения ДДТ значительно ухудшилось, возникла проблема эффективной очистки воды в бытовых условиях от разнообразных загрязнителей. Поэтому на основе промышленных схем и имевшихся бытовых картриджных систем очистки были разработаны недорогие, надежные и эффективные бытовые обратноосмотические системы.

— Пожалуйста, расскажите об устройстве этих систем подробнее.

— По сравнению с промышленными бытовые обратноосмотические системы устроены намного проще и компактнее. Размеры позволяют поместить их под стандартной кухонной мойкой. Для нормальной работы им достаточно давления водопроводной воды (3,5 — 4 атм). При давлении воды менее 2 — 2,5 атмосфер необходим повышающий давление насос. Бытовые обратноосмотические фильтры оснащены небольшим гидроаккумулятором, который устраняет неудобства, связанные с невысокой производительностью, а также автоматическим диафрагменным клапаном, отключающим систему при его заполнении.

Стандартная конфигурация бытовой системы включает в себя пятимикронный механический картридж, предохраняющий мембрану от загрязнения и повреждения механическими частицами, и угольный предфильтр, защищающий ее от разрушающего воздействия остаточного хлора. После предварительной очистки вода подается на мембрану. Та вода, которая прошла через мембрану, поступает в накопительный мембранный бак. А та, что не прошла, стекает в канализацию.

— Получается, что обратноосмотические системы сбрасывают часть воды. Почему не может быть отфильтрована вся вода?

— Первые лабораторные установки на плоских мембранах работали в режиме тупиковой фильтрации. Однако это приводит к концентрированию растворенных веществ у поверхности мембраны, что влечет за собой ухудшение производительности и качества очищенной воды. На поверхности мембраны происходит осаждение малорастворимых соединений (солей жесткости, железа, органических соединений), что, в конечном итоге, выводит мембрану из строя. Поэтому процесс обратного осмоса всегда проводят в режиме тангенциальной фильтрации (cross-flow): разделяемый поток движется в осевом направлении по межмембранным каналам рулонного модуля, а фильтрат — спиралеобразно по дренажному материалу и поступает в отводящую трубку. Концентрат выходит с другой стороны модуля и либо весь поступает на сброс, либо часть его возвращается обратно на вход системы. Соотношение потоков регулируется таким образом, чтобы избежать появления отложений на поверхности мембраны. Количество сбрасываемой воды обычно составляет 30-45%.

Вернемся к устройству системы. На выходе из бака стоит финишный угольный фильтр и ультрафиолетовый стерилизатор. Угольный фильтр используется для доочистки воды от низкомолекулярных органических соединений, которые могут проникнуть через обратноосмотическую мембрану или попасть в чистую воду из резиновой груши бака-накопителя, придавая воде неприятный запах и вкус.

— Если через мембрану не могут пройти микроорганизмы и вирусы, зачем ультрафиолетовый стерилизатор? Тем более на хлорированной воде?

— Да, обратноосмотическая мембрана является непреодолимым барьером для бактерий и вирусов, и вода после мембраны получается практически стерильная. Однако могут возникнуть ситуации, когда повреждается мембрана. К тому же замена картриджей осуществляется не в стерильных условиях. Возможно обратное заражение очищенной воды в накопительном баке через кран. Одним словом, вероятность всегда отлична от нуля. Поэтому наличие УФ-стерилизатора является гарантией качества очищенной воды.

Некоторые системы оснащаются мощным насосом, встроенными средствами контроля качества воды, а также в них может отсутствовать накопительная емкость, так как они имеют достаточно высокую производительность. Такое оборудование уже относится к классу высококачественной бытовой техники, оно очень удобно в эксплуатации, однако стоит на порядок дороже, чем вышеописанные системы. Добавлю также, что системы, компоненты которых имеют разборную конструкцию (например, мембранный корпус, накопительный бак, УФ-стерилизатор), более гибки и дешевы в эксплуатации.

— В беседе Вы постоянно упоминаете полупроницаемые мембраны. Почему они пропускают только воду? Что они собой представляют?

— Механизм обратного осмоса на сегодняшний день достоверно неизвестен. Обратноосмотическая мембрана со стороны рабочей поверхности имеет селективный слой, который и участвует в разделении. Этот слой имеет очень мелкие поры, соизмеримые по своим размерам с молекулами растворенных веществ. Согласно наиболее распространенной теории, на поверхности селективного слоя мембраны и в ее порах образуется слой связанной воды, которая сильно отличается по свойствам от обычной воды. Связанная вода обладает пониженной растворяющей способностью и образует своеобразный барьер для многих веществ, но не для обычной воды. Полупроницаемые мембраны являются важнейшей составной частью обратноосмотических систем и именно они определяют качество и количество очищенной воды.

Каждая мембрана имеет показатели: селективность (степень задержания) по тому или иному компоненту и производительность. Как правило, мембраны сами по себе в виде пленки используются только для производства мембранных модулей. Мембранные модули могут иметь разнообразную конструкцию, но в настоящее время наиболее распространены рулонные мембранные модули на основе обратноосмотических композитных тонкослойных (TF) мембран.

— Производители других питьевых систем утверждают, что пить такую обессоленную воду вредно для организма, поскольку в ней практически отсутствуют полезные минеральные вещества.

— Во-первых, растворенные минеральные вещества в тех количествах, в которых они содержатся в обычной воде, не обеспечивают потребности в них человеческого организма при нормальном водопотреблении.

Во-вторых, та форма, в которой они присутствуют в воде, плохо способствует их усвоению. Человеческий организм привык усваивать ионы и микроэлементы в том виде, в котором они присутствуют в растительной и животной пище, т. е. в виде органических комплексов.

В-третьих, пища обеспечивает поступление в организм более 90% всех минеральных веществ. Например, в молоке содержание кальция (иона, отвечающего за жесткость воды) в 40 раз превышает его содержание в воде московского водопровода. При этом молоко пить полезно, а вода с такой жесткостью неминуемо приведет к образованию камней в почках и отложению солей в суставах. Вишневый нектар (разбавленный сок) содержит железо в концентрации 4 мг/л, что более чем в 10 раз превышает допустимую норму для воды. Регулярное употребление воды с таким содержанием железа для печени вреднее алкоголя. Лучше съесть одно яблоко, чем выпить 5 литров жесткой и железистой воды. Для обеспечения необходимой потребности в минеральных веществах человек должен, прежде всего, иметь полноценное питание.

И, в-четвертых: много ли Вы пьете воды?

Литр кофе в день.

— То-то и оно, что кофе. За счет своих высоких экстрактивных (извлекающих) свойств такая вода хорошо подходит для приготовления пищи, а также разнообразных напитков: кофе, чая, коктейлей (Вода для любимых напитков). Супы и борщи получаются более наваристыми и вкусными (На какой воде готовить суп?), чай и кофе — более ароматными и насыщенными. При умывании такой водой исключается аллергическая реакция со стороны чувствительной кожи.

Эта вода часто используется в пищевой промышленности. Например, те же фруктовые соки в пакетах. Эти соки на Лианозовском или Останкинском заводе только разбавляются из концентрата. Или нормализованное молоко и молокопродукты, приготовленные из порошкового молока. Другие потребители чистой воды — предприятия по производству пива, прохладительных напитков, ликероводочных изделий, бутилированной столовой воды и многого другого.

— С пищевым производством все понятно. А где еще требуется обессоленная вода?

— Помимо пищевых производств обратноосмотические системы поставляют воду для медицины, микроэлектроники, фармацевтики, парфюмерии, химической промышленности и теплоэнергетики.

— В теплоэнергетике? А ионный обмен?

— Вода для паровых котлов должна иметь очень низкое содержание растворенных веществ, особенно таких, как соли жесткости, окись кремния, железо. Обратный осмос позволяет снизить содержание этих компонентов до требуемых величин. Действительно, традиционно в этой области применяются деионизаторы с регенерацией ионообменных смол растворами кислот и щелочей. Эти устройства при сопоставимой с обратноосмотическими системами стоимости имеют ряд существенных недостатков. Это и необходимость содержания реагентного хозяйства, и большой объем агрессивных кислотно-щелочных стоков, что предъявляет особые требования к дренажной системе. Затраты на расходные материалы (кислоты, щелочи) составляют зачастую немалые суммы. Для обеспечения непрерывной подачи очищенной воды необходимо дублирование оборудования, поскольку не допускается перерыв в работе.

Обратноосмотические системы практически лишены этих недостатков. Они способны работать 24 часа в сутки, более удобны в эксплуатации, требуют гораздо меньше расходных материалов (ингибиторы, моющие растворы), имеют неагрессивные сточные воды.

— Из Ваших слов получается, что обратный осмос позволяет решить все проблемы, связанные с очисткой воды. Так ли это на самом деле?

— И так, и не так. Принципиально на обратноосмотической установке возможно очистить воду любого качества. Однако от качества исходной воды будет зависеть производительность установки и ее ресурс. Например, если исходная вода очень жесткая или содержит большое количество железа или марганца, обратноосмотическая установка проработает на такой воде недолго и может выйти из строя. Потому что на поверхности рабочих колес насоса высокого давления и мембран образуются отложения, значительно снижающие производительность системы. Поэтому существует ряд требований к качеству исходной воды, при соблюдении которых обеспечивается большой срок эксплуатации без замены или промывки мембран.

Как правило, исходная вода проходит предварительную очистку. Состав системы предочистки определяется качеством исходной воды: при работе на хлорированной водопроводной воде устанавливают угольный фильтр. Подземные воды часто содержат железо и марганец, попадание которых в обратноосмотическую систему недопустимо. Для их задержания устанавливают обезжелезиватель. Иногда достаточно дозирующего насоса, который подает в исходную воду раствор ингибитора, препятствующего образованию отложений. Для предотвращения роста бактерий в стерильной воде устанавливают УФ-стерилизатор или озонатор. Поэтому обычно проблему получения чистой обессоленной воды решают комплексно, с привлечением других методов водоочистки.

— Существуют ли другие мембранные методы разделения, помимо обратного осмоса?

— Конечно: микрофильтрация, ультрафильтрация, нанофильтрация, электродиализ, первапорация и многие другие. Но это тема для отдельного разговора.

Беседовал Кирилл Иванов

ГлавнаяСтатьи › Метод обратного осмоса: принцип