Книга "Системы очистки воды" Пособие для менеджеров

Feature image

4.11 Обратный осмос и ультрафильтрация


4.11 Обратный осмос и ультрафильтрация.

Работа обратноосмотических водоочистных систем основана на природном явлении осмоса, открытом учеными более 200 лет назад. Для понимания процесса обратного осмоса необходимо вспомнить, что собой представляет процесс прямого осмоса.

Оболочки всех живых клеток — это естественные полупроницаемые мембраны, обладающие селективной (т.е. выборочной) пропускной способностью. Это означает, что без затраты дополнительной энергии через полупроницаемую мембрану живых клеток может проходить только вода. Молекулы минеральных веществ, при растворении в воде подвергаются процессу гидролиза и распадаются на электрически заряженные частицы — ионы. Наружная поверхность клеточной мембраны имеет на себе определенный электрический заряд и заряженные частицы растворенных в воде минеральных веществ просто отталкиваются от мембраны за счет ее собственного электрического заряда. Перенос минеральных веществ внутрь клетки осуществляется через специальные каналы, расположенные в клеточной мембране, с помощью специальных транспортных молекул и  затратой дополнительной энергии.

osmos1

Процесс осмоса

В экспериментальных условиях процесс осмоса происходит следующим образом. Представим себе сосуд, разделенный на две части полупроницаемой мембраной. С одной стороны мембраны налит водный раствор какого-либо минерального вещества высокой концентрации, с другой стороны — раствор того же вещества низкой концентрации.

Согласно закону равновесия вода переходит через полупроницаемую мембрану из раствора низкой концентрации в раствор высокой концентрации до тех пор, пока концентрации растворов по обе стороны мембраны не станут одинаковыми.

После того как концентрации растворов уравняются, верхние уровни растворов по обе стороны мембраны будут расположены на разной высоте. Разница между верхними уровнями растворов будет пропорциональна разнице концентраций этих растворов. Разница концентраций двух растворов, разделенных полупроницаемой мембраной называется осмотическим давлением. Единица измерения осмотического давления — psi. Каждые 100 мг минеральных веществ, растворенных в 1 литре воды, создают осмотическое давление 1 psi.

 Процесс обратного осмоса

Теперь попытаемся понять как происходит процесс обратного осмоса. На рисунке ниже изображен тот же сосуд, разделенный на две части полупроницаемой мембраной. С одной стороны налит раствор высокой концентрации, с другой — раствор низкой концентрации.

Вода переходит через мембрану в более концентрированный раствор, стремясь уравнять концентрации по обе стороны мембраны. Подействуем внешним давлением на более концентрированный раствор и увидим, что направление хода воды через мембрану изменилось на противоположное. Теперь переход воды через мембрану не зависит от концентрации растворов — она просто продавливается через мембрану внешним давлением.

В результате концентрация раствора изначально имевшего большую концентрацию начинает увеличиваться, а концентрация раствора изначально имевшего меньшую концентрацию начинает уменьшаться. Пропускная способность мембраны при этом не изменяется, через нее по-прежнему проходит только вода, но уже в обратном направлении.

Таким образом, мы получили процесс обратного осмоса, на котором и основан наиболее совершенный способ очистки питьевой воды от содержащихся в ней минеральных веществ.

osmos2 

Принцип работы водоочистных систем, работающих на основе процесса обратного осмоса

Принцип работы водоочистных систем, работающих на основе процесса обратного осмоса, показан на рисунке ниже. В одну часть сосуда, разделенного полупроницаемой мембраной, под давлением поступает водный раствор большой концентрации. Вода продавливается через мембрану во вторую половину сосуда, а минеральные вещества, оставшиеся в первой половине сосуда, сбрасываются в канализацию.

osmos3 

Простейшая обратноосмотическая система состоит из фильтра предварительной очистки, обратноосмотической мембраны и постфильтра. Основным рабочим элементом такой системы является обратноосмотическая полупроницаемая мембрана.

osmos4 

Устройство обратноосмотической полупроницаемой мембраны

Обратноосмотическая полупроницаемая мембрана представляет собой композитный полимер неравномерной плотности. Этот полимер образован из двух слоев, неразрывно соединенных между собой. Наружный очень плотный барьерный слой толщиной около 10 миллионных дюйма лежит на менее плотном пористом слое, толщина которого составляет пять тысячных дюйма. На рисунке ниже показана обратноосмотическая мембрана в разрезе.

 osmos5

Обратноосмотическая мембрана — это прекрасный фильтр и теоретически содержание растворенных минеральных веществ в полученной в результате фильтрации чистой воде должно составлять 0 мг/л, независимо от их концентрации во входящей воде.

Фактически же, в нормальных рабочих условиях, из входящей воды извлекается 98 – 99 % растворенных в ней минеральных веществ. В полученной в результате фильтрации чистой воде, остается 6 – 7 мг/л растворенных минеральных веществ.

Для того чтобы понять, почему обратноосмотическая мембрана пропускает незначительную часть минеральных веществ, вернемся к началу статьи и вспомним, что растворенные в воде минеральные вещества имеют электрический заряд и полупроницаемая мембрана также имеет собственный электрический заряд. За счет этого 98 – 99% молекул минеральных веществ отталкивается от обратноосмотической мембраны. Однако все молекулы и ионы находятся в постоянном, хаотичном движении.

В какой-то момент движущиеся противоположно заряженные ионы оказываются на очень близком расстоянии друг от друга, притягиваются, их электрические заряды взаимно нейтрализуются, и образуется незаряженная частица. Незаряженные частицы уже не отталкиваются от обратноосмотической мембраны и могут проходить через нее.

Но не все незаряженные частицы попадают в чистую воду. Обратноосмотическая мембрана устроена таким образом, что величина ее пор максимально приближена к величине самых маленьких в природе молекул воды, поэтому через обратноосмотическую мембрану могут проходить только мельчайшие незаряженные молекулы минеральных веществ, а самые опасные крупные молекулы, например, солей тяжелых металлов, не смогут проникнуть через нее.

Конфигурация обратноосмотических полупроницаемых мембран

Существуют различные конфигурации обратноосмотических мембран, и каждая имеет свои преимущества. Наиболее распространенная конфигурация — спиральная намотка.

Она образуется путем послойного наматывания мембраны на трубу, называемую трубкой продукта. Слои мембраны склеены друг с другом вдоль трех свободных краев, намотаны на трубку продукта и скреплены удерживающей лентой. Вся эта конструкция помещена в пластиковый корпус. Такой способ упаковки увеличивает площадь поверхности мембраны.

Питающий систему поток воды фильтруется через мембрану. Чистая вода выходит по трубке продукта, а концентрат минеральных солей сбрасывается в канализацию.

osmos6 

Составные части обратноосмотической водоочистной системы, которая стационарно устанавливается под мойку

Все модели обратноосмотических систем, которые стационарно устанавливают под мойку, имеют следующие составные части: фильтры предварительной очистки, обратноосмотическая мембрана, накопительная емкость, постфильтр, кран чистой воды.

osmos7 

 osmos8

Этапы очистки воды:

  • Входящая в систему водопроводная вода проходит через фильтры предварительной очистки, избавляясь от механических примесей, органических веществ и хлора.
  • Фильтрация через обратноосмотическую мембрану, извлечение из воды 98 –99% растворенных минеральных веществ.
  • Чистая вода поступает в накопительную емкость и находится там до момента открывания крана чистой воды на мойке.
  • Концентрат минеральных солей сбрасывается в канализацию.
  • После открывания крана чистой воды на мойке чистая вода из накопительной емкости проходит через постфильтр и поступает в кран чистой воды.

 

Технические характеристики обратных осмосов торговой марки Watex приведены в следующей таблице.

tab 

o1o2o3

 Cледует помнить, что обратный осмос необходимо устанавливать только после основной водоподготовки, т.к. он очень часто будет засоряться при работе с сильно грязной водой.

Наряду с обратным осмосом для очистки воды применяют ультрафильтрацию. Ультрафильтрация — это пропускание воды через мембрану, проницаемую для небольших молекул, ионов и одновременно непроницаемую для больших молекул и частиц, т.е. загрязняющих и вредных веществ. Для того, чтобы процесс ультрафильтрации проходил с заданными свойствами, изготавливают специальные ультрафильтрационные мембраны. Размер ультрафильтрационной мембраны составляет 0,002 – 0.1 мкм. Такой размер ультрафильтрационной мембраны обеспечивает задержку растворенных солей тяжелых металлов, коллоидных и тонкодисперсных примесей, микроорганизмов, бактерий, макромолекул (нижний предел молекулярной массы составляет несколько тысяч), водорослей, одноклеточных микроорганизмов, цист и т.д. Сама ультрафильтрационная мембрана состоит из трубчатого композита.

Одним из плюсов технологии ультрафильтрации является возможность сохранения солевого состава воды (это в основном натрий, калий, кальций и хлориды) и одновременно возможность очистить воду от патогенных микроорганизмов и примесей, получить вкус не обессоленной воды, а воды с естественным вкусом.

Стандартные модули ультрафильтрации обеспечивают удаление бактерий и вирусов на уровне не менее 99,99%, показывая высокую технологическую и санитарную надёжность. Если сравнивать с традиционными методами дезинфекции воды (ультрафиолетовое обеззараживание, хлорирование, озонирование и т.д.), то при ультрафильтрации происходит физическое устранение микроорганизмов из воды. Это объяснимо тем, что диаметр пор в ультрафильтрационной мембране значительно меньше размеров вирусов или бактерий (вирус – 0,02…0,4 мкм, бактерия – 0,4…1,0 мкм, пора – 0,01 мкм). Находящиеся в воде микроорганизмы не в состоянии протиснуться через такой барьер.

По сути фильтра с ультрафильтрацией практически идентичны фильтрам с обратным осмосом, с единственным отличием в скорости фильтрации и производительности. Внешне эти фильтры могут быть одинаковые и отличаться только применяемой мембраной.


Комментарии (0)



Добавление комментариев закрыто.
2010-2016 © Waterspace | Все права защищены.