Очистка воды методом обратного осмоса

Содержание

1.      История обратного осмоса……………………………………………………………..........................3

2.      Обратный осмос в природе……………………………………………………………........................3

3.      Обратный осмос – определение……………………………………………………………………….3

4.      Принцип действия……………………………………………………………………………5

5.      Предварительные фильтры механических примесей……………………………… …………………………………………12

6.      Свойства очищенной воды……………………………………………………………………………….13

7.      Применение…………………………………………...................................13

8.      Литература…………………………………………………………………18

1. История обратного  осмоса 
 
    Обратный осмос разработали как метод очистки воды более чем 40 лет назад. Он впервые был представлен как технология опреснения морской воды. Как только возможности этого метода были оценены, системы обратного осмоса начали производить для очистки воды в домашних условиях.  
 
     Использование 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. По завершению Второй мировой войны американцы, используя немецкие наработки, наладили производство ацетат целлюлозных и нитроцеллюлозных мембран. В конце 50-х – начале 60-х годов с началом широкого производства синтетических полимерных материалов появились первые научные работы, которые легли с основу промышленного применения обратного осмоса. Первые промышленные обратноосмотические системы появились только в начале 70-х годов, поэтому это сравнительно молодая технология по сравнению с тем же ионным обменом или адсорбцией на активированных углях. Тем не менее, в Западных странах обратный осмос стал одним из самых экономичных, универсальных и надежных методов очистки воды, который позволяет снизить концентрацию находящихся в воде компонентов на 96-99% и практически на 100% избавиться от микроорганизмов и вирусов.

2. Обратный осмос в  природе 
 
            Принцип работы мембранной системы является обратноосмотическим. Явление осмоса лежит в основе обмена веществ всех живых организмов. Например, подкладка скорлупы куриного яйца является естественной мембраной, через нее проходят молекулы кислорода, но задерживаются загрязнители. Стенки клеток растений, животных и человека представляют собой естественную мембрану, которая является частично проницаемой, поскольку она свободно пропускает молекулы воды, но не молекулы других веществ. В то время когда корни растений впитывают воду, стены их клеток формируют натуральную осмотическую мембрану, которая пропускает молекулы воды и отторгает большинство примесей. Цветы и травы стоят вертикально только за счет так называемого осмотического давления. Поэтому при недостатке воды они выглядят пожухлыми и вялыми. Способность мембраны фильтровать, уникальна. Мембрана отделяет вещества от воды на молекулярном уровне и именно это позволяет любому живому организму существовать. 
 

3. Обратный осмос - определение

Процесс обратного осмоса, как способ очистки воды, используется с начала 60-х годов. Первоначально он применялся для опреснения морской воды. Сегодня  по принципу обратного осмоса в мире производятся сотни тысяч тонн питьевой воды в сутки.

Совершенствование технологии сделало  возможным применение обратноосмотических  систем в домашних условиях. На настоящий  момент в мире уже установлены  тысячи таких систем. Получаемая обратным осмосом вода имеет уникальную степень  очистки. По своим свойствам она  близка к талой воде древних ледников, которая признается наиболее экологически чистой и полезной для человека.

Обратный осмос-прохождение воды или других растворителей через  полупроницаемую мембрану из более  концентрированного в менее концентрированный  раствор в результате воздействия  давления, превышающего разницу осмотических давлений обоих растворов. При  это мембрана пропускает растворитель, но не пропускает некоторые растворенные в нем вещества.

 Применение для очистки воды.

При очистке воды многие растворенные в ней вещества задерживаются  на мембране фильтра. Для преодоления  на мембране осмотического давления воду подают под давлением около 2…17 атм для фильтрации и опреснения питьевой и солоноватой воды, и 24….70 атм для морской воды.

В системах очистки воды обычно используются синтетические полупроницаемые  мембраны. Мембрана задерживает  высокомолекулярные загрязнители, но пропускает низкомолекулярные вещества, например. Такие газы, как кислород, хлор, углекислый газ и пр. Некоторые газы могут определять вкус воды.

В процессе обратного осмоса вода практически не нагревается.

Современная промышленная установка  обратноосмотического опреснения включает следующее оборудование: фильтр тонкой очистки воды, система реагентной подготовки, насос высокого давления, блок фильтрующих модулей, блок химической промывки. Основной элемент установки обратного осмоса — полупроницаемая обратноосмотическая мембрана, помещённая в корпус. В неё поступает исходная вода, а отводится два потока — очищенная и обессоленная, которая называется пермеатом, и вода с концентрированными примесями, называемая концентратом, которая сливается. Продавливание воды через мембрану ведётся при высоком давлении, которое создает насос, обычно центробежный многоступенчатый или роторный. Для замедления образования нежелательных отложений на мембранах применяется дозирование ингибитора осадкообразования. Для снятия осадков с поверхности мембран используется система химпромывки. Для контроля качества очистки и рН — проточные измерители солесодержания и рН-метры. Для контроля расхода пермеата и концентрата — проточные расходомеры. Управление системой обратного осмоса можно осуществлять в полуавтоматическом и автоматическом режиме.

4. Принцип действия

Осмос

Явление осмоса лежит в основе обмена веществ всех живых организмов. Благодаря ему в каждую живую клетку поступают питательные вещества и, наоборот, выводятся шлаки.

Явление осмоса наблюдается, когда  два соляных раствора с разными  концентрациями разделены полупроницаемой  мембраной.

Эта мембрана пропускает молекулы и  ионы определенного размера, но служит барьером для веществ с молекулами большего размера. Таким образом, молекулы воды способны проникать через мембрану, а молекулы растворенных в воде солей - нет.

Если по разные стороны полупроницаемой  мембраны находятся солесодержащие растворы с разной концентрацией, молекулы воды будут перемещаться через мембрану из слабо концентрированного раствора в более концентрированный, вызывая  в последнем повышение уровня жидкости. Из-за явления осмоса процесс проникновения воды через мембрану наблюдается даже в том случае, когда оба раствора находятся под одинаковым внешним давлением.

Разница в высоте уровней двух растворов  разной концентрации пропорциональна  силе, под действием которой вода проходит через мембрану. Эта сила называется "осмотическим давлением".

Мембранные установки  обратного осмоса

Наиболее распространены процессы разделения, в которых в  качестве движущей силы применяют разность давлений: обратный осмос, нанофильтрация, ультрафильтрация.

Мембранное разделение это  процесс продавливания воды через  полупроницаемую мембрану под давлением. Мембраны отличаются друг от друга  конструкционными материалами, размером пор, при этом, чем меньше размер пор, тем выше степень очистки  и тем большее давление надо приложить.

Обратный осмос это  процесс фильтрации водных растворов  под давлением, превышающее осмотическое, через полупроницаемую мембрану. Процесс обратного осмоса, как  правило, протекает под давлением 2,8-5 МПа.

Рис.1 Процесс обратного  осмоса

Рулонный мембранный элемент  для установки обратного осмоса, представленный на Рис.2. состоит из трубки с прорезями для прохода пермеата и герметично присоединенного к ней пакета мембран, расположенного между ними дренажного листа и сетки-сепаратора, образующей межмембранные каналы. В процессе скручивания пакета для герметичного разделения напорной полости и полости сбора пермеата кромки дренажного листа пропитывают специальным клеем.

Рис.2 Рулонный мембранный элемент

Рулонные мембранные элементы для мембранных установок обратного  осмоса работают по принципу тангенсальной фильтрации. В процессе обессоливания, она разделяется на два потока: фильтрат (обессоленная вода) и концентрат (раствор с высоким солесодержанием). Разделяемый поток воды движется в осевом направлении по межмембранным каналам рулонного элемента, а фильтрат спиралеобразно по дренажному листу в направлении отвода фильтра. Концентрат выходит с другой стороны мембранного модуля обратного осмоса. Сегодня обратноосмотические мембранные элементы рулонного типа являются наиболее распространенными и наименее дорогостоящими.

Преимущества  обратноосмотических аппаратов  рулонного типа:

• Высокая плотность упаковки мембран в единице объема (300–800 м²/м³);
• Удобство монтажа и демонтажа мембранного элемента в корпусе установки обратного осмоса;
• Низкая стоимость и простота конструкции напорного корпуса установки обратного осмоса;
• Относительно низкие потери давления в установке обратного осмоса;
• Использование для изготовления разделительных элементов плоской мембраны, качество которой может быть предварительно проконтролировано несложными способами.

Таблица.1 Технические  характеристики мембранных элементов  для установок обратного осмоса

Работа установок обратного  осмоса осуществляется при высоком  давлении, которое обеспечивается при  использовании многоступенчатых насосов  высокого давления (насосных станций  бустерного типа). Таким образом, в примембранном слое происходит концентрирование растворенных веществ, содержащихся в питающей воде. Это процесс  концентрационной поляризации, приводящей к образованию осадка на поверхностях обратноосмотических мембран. Для снижения эффекта концентрационной поляризации, в мембранные модулях обратного осмоса, производители используют новые сетки турбулизаторы, подбирают полимерные материалы сильнее препятствующие отложению солей на их поверхности. Кроме того, для снижения осадкообразования производители мембран вводят требования к качеству воды, подаваемой на установки обратного осмоса, (ограничения по солям жесткости, ионам железа, общей минерализации, взвешенным веществам и свободному хлору).

Вода, прошедшая процесс  предварительной очистки, подается на мембранную установку обратного  осмоса Рис.3. Обратноосмотические мембранные элементы задерживают все загрязнения  диаметром более 0,1 нм. Мембрана пропускает молекулы растворителя (воды) и задерживает ионы растворимых солей: Са²⁺, Mg²⁺, Na⁺, К⁺, Fe²⁺, Cu²⁺, Zn²⁺, Ni²⁺ S0₄^2-, Cl^- и полный спектр органических веществ и коллоидов с размером, значительно превышающим диаметр пор мембран, в том числе вирусы и бактерии. Установки обратного осмоса эффективно извлекают из воды гуминовые кислоты и их соединения, которые практически невозможно полностью удалить другими технологиями.

Рис.3 Установки  обратного осмоса

Установки нанофильтрации воды имеют селективность по ионам первой группы (Na⁺, К⁺, Cl^-) порядка 50% по сравнению с системами обратного осмоса. В установках нанофильтрации также применяются рулонные мембранные элементы. Нанофильтрационные мембраны имеют диметр пор порядка 1 нм. Нанофильтрацию применяют как для умягчения природных вод, так и для обессоливания очищенных сточных вод гальванического производства при создании систем оборотного водоснабжения. Однако, мембраны для нанофильтрации имеют более высокую стоимость по сравнению с обратноосмотическими, что обусловлено сложностью их изготовления.

Использование установок  обратного осмоса и нанофильтрации позволяет получить питьевую умягченную воду высокого качества в процессе водоподготовки и воду для промывных операций и приготовления растворов электролитов при создании систем оборотного водоснабжения предприятий машиностроительного комплекса.

В настоящее время обратный осмос становится все более популярной технологией очистки и обессоливания воды, которая полностью или частично решает вопросы водоподготовки практически во всех сферах деятельности человека. Технология обратного осмоса является одним из нескольких видов мембранах методов очистки жидкостей.

При подготовке питьевой, котловой, технологической и другой воды обратный осмос используют в качестве стадии обессоливания. Этот метод обеспечивает высокоэффективное удаление из воды основной массы растворенных солей, органики, микроорганизмов, коллоидных примесей и т.п. Основой для изготовления любой установки обратного осмоса являются мембранные элементы самого разного исполнения и конструкции. Наиболее распространенными являются рулонные мембранные элементы, при  производстве которых применяются  самые современные технологии, обеспечивающие стабильно высокое качество и  характеристики. Широкий модельный  ряд и стандартизированные характеристики (размеры, рабочие площади, селективность  и т.п.) позволяют быстро и качественно  производить сборку установок обратного  осмоса различной производительности и назначения. Компания "Гелиос Стар" на своих производственных мощностях  осуществляет сборку подобных установок  различной производительности. Использование  самого современного оборудования и  комплектующих, высокий уровень  инженерного персонала, хорошо налаженное производство установок с использованием технологии обратный осмос обеспечили достойную репутацию компании среди  ее клиентов. На сегодняшний день можно  смело утверждать, что обратный осмос является визитной картой компании "Гелиос Стар".

Хотя обратный осмос является достаточно сложной технологией, установки производства компании "Гелиос Стар" отличаются простотой и надежностью в эксплуатации. По сравнению с конкурирующими методами, обратный осмос обеспечивает более высокий экономический и экологический эффект. В совокупности все эти факторы выводят мембранные методы очистки воды в лидирующие по сравнению с традиционными технологиями.

Основные требования к качеству исходной воды для работы промышленных систем обратного осмоса 
 
Диапазоны и максимально допустимые концентрации показателей входной воды для стандартных систем обратного осмоса, предназначенных для обработки воды питьевого качества (водопроводная вода)*: 
 
•   pH - 4-11; 
•   мутность - 0,1 мг/л (0,2 NTU);  
•   индекс плотности осадка ** (SDI) - 3,0;  
•   общая жесткость *** - 0,2 мг-экв/л;  
•   железо общее (Fe) - 0,1 мг/л;  
•   марганец (Mn) - 0,05 мг/л;  
•   окисляемость - 5 мгO2/л;  
•   свободный хлор - 0,1 мг/л;  
•   перманганат калия (KMnO4) - 10 мг/л;  
•   кремний (SiO2) - 22 мг/л;  
•   максимальное солесодержание (TDS) - 1000 мг/л;  
•   температура - 1-35°C. 
 
* Качество воды после обработки системой обратного осмоса для обессоливания зависит от параметров 
   обрабатываемой воды. 
** В этом случае количество химических промывок обратного осмоса минимальное. Производитель мембран вводит 
    ограничения на этот показатель до 5. 
*** При применении антискалантов значение общей жесткости воды может достигать значений 15-20 мг-экв/л. 
 
Основные условия применения промышленных систем обратного осмоса 
 
•   рабочее давление - от 3,0 до 6,0 атм.; 
•   электрические параметры - 380 В, 50 Гц, 1-45 кВт; 
•   температура воздуха в помещении 5-35°C; 
•   влажность - не более 70%; 
•   наличие дренажной системы и накопительной емкости.

5. Предварительные  фильтры механических примесей

Удаление крупных взвешенных частиц производится при так называемом предварительном фильтровании (макрофильтрование или "грубая" очистка). Для этого на магистральную трубу, подающую воду к потребителю, устанавливают фильтры предварительной грубой очистки. Процесс фильтрования может осуществляться либо на поверхности, либо в глубине фильтрующего материала. Исходя из этого, данные фильтры имеют различное конструктивное исполнение. Например, в сетчатых фильтрах в качестве фильтрующего элемента используются металлические сетки с различными размерами ячеек, фильтрование осуществляется на поверхности сетки, а в дисковых или картриджных фильтрах используется принцип глубинного (объемного) фильтрования. В большинстве случаев дисковые фильтры имеют неоспоримое преимущество перед сетчатыми вследствие их более высокой "грязеёмкости" (при этом, размер удаляемых частиц не менее 25 мкм). Основным достоинством дисковых фильтров является сочетание поверхностной и объемной фильтрации, а так же возможность 100% отмывки пакета дисков.

Для грубого предварительного фильтрования применяются так же фильтры засыпного типа. Принцип  работы засыпных механических фильтров основан на фильтрации вышеуказанных  загрязнений через слои зернистых  и пористых фильтрующих материалов различной структуры, плотности. Возможно применение как однослойных, так  и многослойных схем фильтрования. Такие фильтры применяют для  эффективного удаления загрязнений  с рейтингом частиц более 5 мкм. Настройка  засыпных фильтров сводится к установке  гидравлических режимов, периодичности  и длительности взрыхляющей промывки. Регенерация, как правило, не требует  применения химреагентов и весьма кратковремена. Частота и время регенерационной промывки фильтра рассчитывается специалистами на основе параметров исходной воды и характеристик применяемой фильтрующей загрузки.

6. Свойства очищенной  воды

Вода, полученная из установки  очистки методом обратного осмоса, практически полностью лишена минеральных  солей. 
 
Если с пищей не поступает их достаточное количество, то воду для питья и приготовления пищи можно дополнительно целенаправленно минерализовать добавляя соли NaF, KI, CaCl и MgCl, а также, если нужно, другие микроэлементы, причём состав и степень минерализации можно подбирать индивидуально по региону проживания, личным анализам и т. д. Корректирующие порошки солей можно заказать в аптеке. Можно также просто пользоваться качественными витаминно-минеральными комплексами

7. Применение

В системах обратного осмоса бытового назначения давление входной  воды на мембрану соответствует давлению воды в трубопроводе. В случае, если давление возрастает, поток воды через мембрану также возрастает.

На практике, мембрана не полностью задерживает растворенные в воде вещества. Они проникают  через мембрану, но в ничтожно малых  количествах. Поэтому очищенная  вода все-таки содержит незначительное количество растворенных веществ. Важно, что повышение давления на входе  не приводит к росту содержания солей в воде после мембраны. Наоборот, большее давление воды не только увеличивает производительность мембраны, но и улучшает качество очистки. Другими словами, чем выше давление воды на мембране, тем больше чистой воды лучшего качества можно получить.

В процессе очищения воды концентрация солей со стороны входа возрастает, из-за чего мембрана может засориться и перестать работать. Для предотвращения этого вдоль мембраны создается принудительный поток воды, смывающий "рассол" в дренаж.

Эффективность процесса обратного  осмоса в отношении различных  примесей и растворенных веществ  зависит от ряда факторов. Давление, температура, уровень рН, материал, из которого изготовлена мембрана, и химический состав входной воды, влияют на эффективность работы систем обратного осмоса.

Неорганические вещества очень хорошо отделяются обратноосмотической  мембраной. В зависимости от типа применяемой мембраны (ацетатцеллюлозная или тонкопленочная композитная) степень очистки составляет по большинству неорганических элементов 85%-98%. 
Мембрана обратного осмоса также удаляет из воды и органические вещества . Органические вещества с молекулярным весом более 100-200 удаляются полностью; а с меньшим - могут проникать через мембрану в незначительных количествах. Большой размер вирусов и бактерий практически исключает вероятность их проникновения через мембрану.

В то же время, мембрана пропускает растворенные в воде кислород и другие газы, определяющие ее вкус. В результате, на выходе системы обратного осмоса вода получается свежая и вкусная.

Системы обратного осмоса (фильтры обратноосмотической очитски воды) – самые эфектиыне фильтры для бытового использования. Удаляются такие вредные вещества как магний, ртуть, нитраты, нитриты, стронций, мышьяк, цианиты, асбест, фтор, свинец, сульфаты, железо, хлор,…. и т.д…., все бактерии и вирусы.

Сравнительная таблица системы  обратного осмоса по сравнению с  другими методами очистки воды - здесь

Пермеат - поток обессоленной воды, выходящий из установки системы обратного осмоса или ультрафильтрации

Таблица работы системы обратного  осмоса:

Концентрат - поток воды, выходящий из установки системы обратного  осмоса или ультрафильтрации в дренаж.

Вода, очищенная бытовыми системами обратного осмоса абсолютно  не отличается от воды, продаваемой  под известными брендами, так как  производители используют тот же метод только в промышленных масштабах.

Бытовые системы обратного  осмоса, как правило, являются накопительными. В таких фильтрах производительность мембраны небольшая (в среднем 150-300 литров в сутки (~ 0,1-0,15 литра в минуту)), в этом случае необходим накопительный бак, для того ,чтобы накопить запас чистой воды . Вода медленно продавливается через мембрану и накапливается в баке (скорость наполнения бака при давлении 4 атм. примерно 1 час). Когда бак заполнен - работа фильтра останавливается. При расходе воды, бак снова пополняется, при этом в баке всегда есть запас чистой воды.

Требование к давлению на входе в фильтр - не менее чем 2,8 атм. (как правило, в домах с  централизованным водоснабжением более  низкое давление встречается редко). Если давление ниже -необходимо дополнительно установить помпу повышения давления перед системой обратного осмоса. В продаже имеются системы, уже укомплектованные такими насосами.

Литература

1.       Кочаров Р.Г. Теоритические основы обратного осмоса. Учебное пособие – М: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2007, - 143с. www.membrane.msk.ru

2.       Дытнерский Ю.И. Обратный осмос и ультрафильтрация. Год издания 1978, УДК 66.

3.       Oрлов Н.С. Ультра – и микрофильтрация. Теоритические основы. МХТИ им. Д.И. Менделеева, М., 1990.174с.