Обратный осмос

1. Общее описание обратного осмоса

На практике, осмос находится в основе обмена веществ большинства организмов. Он подает в клетки питательные вещества и выводит шлаки. Появление осмоса возможно только при наличии двух соляных растворов с разным уровнем концентрации и разделенных полупроницаемой мембраной.

Данная мембрана в обратном осмосе пропускает через себя молекулы и ионы только нужного размера, а молекулы веществ больших размеров остаются за барьером. В данном случае, молекулы воды проникают за мембрану, а другие молекулы (как соли, растворенные в воде), остаются.

Важно, чтобы спереди и сзади от полупроницаемой мембраны находились солесодержащие растворы разного уровня концентрации. Только тогда молекулы воды переместятся через мембрану в более концентрированный раствор из менее концентрированного. Это вызовет изменения уровня жидкости. Однако процесс осмоса отличается тем, что вода проходит сквозь мембрану даже когда два раствора подвергаются одинаковому давлению извне.

Все это порождает явление, которое называют осмотическим давлением: отличие в уровне растворов разной концентрации соответствует силе давления, под влиянием которого вода перемещается за мембрану.

Если же раствор с большей концентрацией подвергается давлению извне, которое превышает осмотическое, то молекулы воды перемещаются сквозь полупроницаемую мембрану обратного осмоса в противоположной обратной последовательности: в менее концентрированный раствор из более концентрированного.

Данный процесс назван «Обратный осмос». Этот принцип лежит в основе производительности всех мембран обратного осмоса.

Вещества, проводимые через мембрану, называются пермеатом, они разграничиваются на молекулярной стадии: с одной стороны мембраны остается только чистая вода, с другой – скапливаются загрязнения. Это гарантирует высокую эффективность степени очистки. По факту, обратный осмос показывает лучшие результаты, в сравнении с прочими методами фильтрации, созданными на основе адсорбции веществ и фильтрации механических частей через активированный уголь.

Установки обратного осмоса

2. Назначение

Смысл системы обратного осмоса заключается в максимальном обессоливании и очистке воды, уничтожении микроорганизмов, органических соединений, в целях предподготовки воды питьевого, промышленного и хозяйственно-бытового назначения.

Помимо прочего, обратный осмос может приняться на следующих объектах:

• ЖКХ (в целях водоснабжения объектов первой категории);
• ТЭЦ и ГЭС (как системы технологической очистки воды);
• АЭС (комплексы водоснабжения);
• Научно-исследовательские комплексы (например, очистка воды нужна для опытных лабораторий с целью разработки бактериологических составов, как препараты против вредителей);
• Газовая энергетика (используется в блочных комплексах подготовки исходной воды).

3. Какие проблемы решает

При контакте с водой обратноосмотическая мембрана прекрасно отделяет все неорганические вещества. Так, в обычном случае степень очистки неорганических элементов находится на уровне 85-98% (зависит от типа мембраны, она может быть тонкопленочной композитной или же ацетатцеллюлозной).

Также, мембрана обратного осмоса убирает из воды и органические вещества, оставляя их в концентрате. Так, органические вещества, находящиеся в исходной воде и обладающие молекулярной массой в районе 100-200, наверняка остаются в концентрате. При меньшей массе возможно проникновение за мембрану, но только в несущественных количествах. В случае с вирусами и бактериями, практически полностью исключены вероятность их проникновения за мембрану из-за большого размера.

При этом в процессе обработки, мембрана пропускает кислород и все прочие газы, растворенные в воде и влияющие на вкус. По итогу, система обратного осмоса выпускает вкусную, чистую воду, которая даже не нуждается в кипячении перед ее употреблением.

Ниже в таблице представлены примерные нормы, на которые необходимо ориентироваться при предподготовке исходной воды, которая будет подаваться на обратноосмотические мембраны (наличие разбежек возможно из-за требований разных производителей мембран к качеству исходной воды):

4. Область использования

При взаимодействии с водой, фильтры обратного осмоса применяются в следующих, наиболее распространенных, целях:

• Уменьшение уровня минерализации (так называемое, опреснение) и обессоливание вод из подземных источников;
• Опреснение и обессоливание морской воды;
• Создание различных технологических растворов с разным уровнем солесодержания для дальнейшего использования в промышленности;
• Отделение ценных, нужных компонентов из подаваемого раствора исходной воды (так называемое, концентрирование);
• Концентрирование растворенного в воде вещества.

Основным направлением эксплуатационного применения мембраны обратного осмоса следует считать чистку воды. В частности, речь идет об обессоливании вод (часто, даже морской воды) с необходимостью приобретения питьевой воды. Еще одна обширная область применения  модулей обратноосмотических установок – это использование обратного осмоса с целью только начального, предварительного обессоливания воды на производстве ультрачистой воды, которая может быть необходима, например для теплоэнергетической, медицинской и полупроводниковой промышленности.

В целях концентрирования обратный осмос нашел широкое применение в молочной промышленности (например, для концентрирования молока на начальном этапе создания сыров), пищевой промышленности (с целью концентрирования различного сырья, типа сока из фруктов), а также в очистке сточных вод (в частности для концентрирования гальваностоков).

Сравнительный анализ методов обессоливания (обратный осмос и ионный обмен)

Обратный осмос.

Преимущества:

• Отличное качество воды на выходе, что стало возможным за счет благоприятных физико-химических условий процесса;
• Нет ограничения производительности и при этом, небольшие габариты модулей и блоков;
• Соотношение габариты/производительность лучше, чем у других методов обессоливания, как электродиализ, ионообмен и дистилляция;
• Совсем незначительные эксплуатационные затраты;
• Небольшой расход реагентов и ингибиторов, применяемых для очистки загрязнений на используемых мембранах;
• Низкий уровень энергоемкости (энергия необходима исключительно для получения градиента давления и осуществления рециркуляции раствора, так как процесс не подразумевает фазовых переходов);
• Есть возможность отправить собранный концентрат напрямую в канализацию или даже в окружающую среду, без предварительной обработки.

Ионообмен.

Преимущества:

• Можно получить воду отличного качества (при наличии многоступенчатых установок с натрий-катионными фильтрами). В том числе, применяемые реагенты дают возможность получения жидкости для промывки печатных плат на электронном оборудовании, а также для использования в котлах любого уровня давления.
• Работает независимо от изменений характеристик поступающей воды;
• Незначительные затраты;
• Низкий уровень потребления воды для собственных нужд (особенно касается противоточных фильтров).

5. Принцип действия

Обратноосмотическая технология предполагает использование полупроницаемой мембраны. Она пропускает через себя исключительно молекулы воды, и, напротив, задерживает молекулы всех загрязняющих веществ. Часто, технология обратного осмоса включает в себя процесс, именуемый перекрестным течением, из-за чего мембрана самоочищается. То есть, основная часть проходит через мембрану, а другая возвращается в обратную сторону, убирая из мембраны обратного осмоса оставшиеся частицы.

Процесс обратного осмоса требует наличия движущей силы, она необходима, чтобы протолкнуть жидкость сквозь мембрану. Оптимальным решением здесь является давление, создаваемой специальной помпой. Чем выше уровень, тем выше движущая сила.

Установки обратного осмоса могут задерживать все загрязняющие вещества с молекулярной массой более 150 далтонов. Среди них: протеины, бактерии, частицы соли и т.д.

Отделение ионов в установке обратного осмоса происходит при участии заряженных частиц. Растворенные ионы, несущие заряд, который равняется заряду солей, с большей долей вероятности будут остановлены мембраной, нежели те, которые не были заряжены (органика). То есть, чем выше заряд частицы и больше размер, тем больше шансов, что ее остановит мембрана.

6. Типы обратного осмоса

В водоподготовке могут быть использованы 3 вида мембран обратного осмоса: целлюлозные (состоят из смеси ацетата целлюлозы и триацетата целлюлозы), тонкопленочные композитные, а также мембраны, состоящие из ароматического полиамида. Во всех случаях к мембранам предъявляют исходные требования:

• Беспрепятственная проницаемость воды;
• Высокий уровень селективности;
• Сохранение работоспособности при любом давлении (даже самом высоком);
• Стойкость к воздействию обширных диапазонов pH и температур;
• Устойчивость к химическим веществам (в частности, окислителям, типа хлора);
• Биологическая устойчивость к бактериям;
• Низкий уровень адгезии поверхностного слоя ко всем отталкиваемым веществам.
• Первыми появились целлюлозные мембраны. Именно на них в середине прошлого века был показан обратный осмос. Данные мембраны  несимметричны и включают в себя 2 уровня: тонкий поверхностный слой и более плотная, пористая подложка. Первый тонкий слой предназначен для задержки растворенных веществ, а пористая подложка нужна, чтобы обеспечить прочность конструкции.

Ацетат целлюлозы могут применять в виде волокон или целых листов. Мембраны из ацетата целлюлозы несложны в изготовлении и недороги. Однако есть и ограничения. Из-за несимметричной структуры они восприимчивы к уплотнению при увеличенном давлении, а также при высоких температурах. Уплотнение происходит во время слияния тонкого слоя мембраны с пористой подложкой, что сокращает проходимость потока.

Также, мембраны из ацетата целлюлозы восприимчивы к гидролизу. Их можно применять только в определенном диапазоне pH (в зависимости от производителя значения могут достигать от 3 до 8 pH). При высоких температурах (свыше 35 градусов) они разрушаются, а кроме того, подвержены воздействию вредоносных бактерий.

Мембраны из ацетата целлюлозы обладают прекрасной проницаемостью для воды, однако они относительно плохо задерживают элементы, обладающие небольшим молекулярным весом.

Из-за указанных недостатков были разработаны и созданы мембраны из триацетат целлюлозы, которые обладают улучшенными показателями селективности всех солей, уменьшенной чувствительностью к pH, повышенным температурам и микробному воздействию. В то же время, мембраны из триацетата целлюлозы обладают пониженной водопроницаемостью (в сравнении с мембранами из ацетата целлюлозы). Чтобы достичь оптимального сочетания характеристик обоих видов мембран были придуманы смеси, включающие ацетат целлюлозы и триацетат целлюлозы.

• Мембраны из полиамида (е полиамидная мембрана). Похожи на целлюлозные мембраны несимметричной структурой с пористой подложкой и тонкой верхней пленкой (не менее 0.1 и не более 1.0 мкм).

В отличие от целлюлозных, полиамидные мембраны обладают улучшенной биологической стойкостью и практически не восприимчивы к гидролизу. При необходимости, они будут работать в диапазоне pH выше 11, однако при постоянном использовании в таких условиях возможно необратимое разрушение мембраны.

Данные мембраны способны выдерживать более высокие температуры в сравнении с целлюлозными. В то же время, как и целлюлозный вид, при увеличении давления и температуры, они начинают уплотняться. При этом у них лучше селективность по органическим веществам и по NaCl.

Среди недостатков полиамидных мембран – подверженность разрушению от различных окислителей, типа свободного хлора и прочих.

• Тонкопленочные композитные материалы представляют собой сочетание пористой подложки и тонкой поверхностной пленки, которая сразу изготавливается с увеличенным сопротивлением по потоку для всех видов растворенных веществ.

На практике, технологические процессы для изготовления обоих слоев могут менять в зависимости от целей и возможностей. Главная задача – получение наилучшего сочетания небольшой проницаемости для всех растворенных веществ при большом потоке воды.

Как правило, характеристики потока пропускаемой воды, а также уровень сопротивления всем растворенным веществам определяет тонкий поверхностный слой (его толщина может составлять от 0.01 до 0.1 мкм).

7. Устройство обратного осмоса

Процесс обратного осмоса включает несколько стадий, и первой из них считается тонкая очистка исходной воды от всех механических примесей. Как правило, с этой целью применяют фильтры типа патронных, укладываемые в специальные фильтродержатели (один или несколько, зависит от производительности ОО-установки). Такой фильтр причисляют к фильтрам непостоянного действия, которые работают под давлением. Принцип работы данных фильтрующих элементов следует относить к поверхностной или глубинной фильтрации. Это означает, что механические примеси, задерживаемые фильтрующим составом, собираются внутри фильтрующего слоя.

Вода, очищенная фильтрами, передается на насос высокого давления, главное назначение которого – получение давления исходной среды расчетного давления с целью организации обмена массы, осуществляемых на полупроницаемых обратноосмотических мембранах. Выбор насоса производится по его характеристикам. Следует учесть, что рабочая точка насоса должна быть не выше, чем на 60-70% от его производительности.

Если установить равновесие между производительностью насоса высокого давления и создаваемым давлением невозможно, перед патрубками насоса монтируют байпассный вентиль. Он помогает отрегулировать исходную воду, подающуюся на установку обратного осмоса. Процесс увеличения давления исходной воды производится только раз в процессе пуско-наладочных работ. В процессе эксплуатации ОО-установки организуют только контроль заданных параметров исходной воды.
Когда давление исходной воды повышается до нужного уровня, она передается на модули, где смонтированы обратноосмотические мембраны, именно здесь происходит деление исходной воды на концентрат и пермеат. Концентрат выходит из установки обратного осмоса под достаточно высоким давлением, что помогает его перемещению к месту утилизации или сброса в сточную яму. Давление же пермеата на выходе из обратноосмотической установки не всегда превышает даже 1 атм.

Исходя из этого, его необходимо направлять в накопительный сосуд, откуда уже он переводится на оставшиеся стадии очистки с помощью специального насоса.

8. Автоматизированное управление

Компания «Эко Лайф» предлагает Вашему вниманию водоподготовку обратным осмосом в Нижнем Новгороде с помощью установок разных комплектаций (зависит от пожеланий Заказчика). Все установки разрабатываем индивидуально под конкретные нужды.

Стандартная комплектация оборудования установки обратного осмоса включает в себя:

• Раму;
• Насос высокого давления;
• Арматура и обвязка труб;
• Фильтр тонкой очистки;
• Блок мембранных модулей;
• Автоматику и КИП;
• Блок CIP-мойки.

Элементы арматуры и трубной обвязки изготовлены из ПВХ. Фильтр тонкой очистки предназначен для того, чтобы оградить мембрану от замусорения механическими частицами. Насос повышенного давления обеспечивает создание нужного давления при входе в блок мембранных модулей. В свою очередь, блок мембранных модулей включает корпуса стекловолокна, где стоят мембраны. Блок CIP-мойки включается на стадии химических промывок мембран. КИП осуществляет автоматизированное управление всей установкой.

Степень зависимости от автоматики в установке обратного осмоса может варьироваться. Самая простая контролирует лишь несколько режимов работы, а самая усовершенствованная включает сложный комплекс, под контролем которого более 50 разных параметров с указанием основной информации на мониторах пульта или ПК.

9. ГОСТы

Питьевая вода. Норма по СанПин 2.1.4.1074-01.

Дистиллированная вода. Нормы по ГОСТ 6709-72.

Дистиллированная вода нашла широкое применение в промышленности (изготовление тосолов, косметических препаратов), на химических производствах, в химических лабораториях и пр.

Согласно ГОСТ, у дистиллированной воды имеет следующие физико-химические показатели.

Главный показатель качества дистиллированной воды – это ее электрическая проводимость.

Она не должна быть выше 5мкСм/см.

Прочие требования.

• Деминерализованная вода – не менее 0,1 и до 10 мкСм/см;
• Питьевая вода – не менее 100 и до 1300;
• Поверхностные воды – не менее 100 и до 8000;
• Стоковые воды – не менее 1000 и до 8000;
• Морская вода (или просто солоноватая) – не менее 1000 и до 80000;
• Концентрированная кислота – не менее 80000 и до 2000000.

10. Рекуперация энергии

Даже при создании самой простой из возможных систем (мембранная одноуровневая установка с отбросом фильтрата до 40% плюс высоконапорный насос) потребление энергии остается на достаточно высоком уровне: примерно 7кВт*ч на куб воды. При этом механизм выхода концентрата должен пропускать 60% всего потока исходной воды, который входит с давлением, равняющимся входному, за минусом потерь в модуле (не более 2 бар).

Исходя из этого, возникла мысль применения концентрата для работы в турбине, что способствует рекуперации энергии. На данный момент данная методика применяется всюду, и она делает экономически выгодной установку любых размеров.

Все существующие системы рекуперации энергии условно можно объединить в 2 группы:

• Турбины «Pelton». Рекуперирует энергию концентрата. Использует его на валу насоса, что делает возможным разгрузку двигателя, начиная с момента производства концентрата.

Данная процедура должна быть продумана и отработана еще на стадии проектирования.

В случае если применяемый насос имеет КПД 85% и выше, а в системе расположена лишь одна ступень обработки, потребление энергии данной системы снизится более чем вдвое, примерно до 3кВт*ч на 1 куб.

Примечание: менее качественные турбины не следует применять на больших установках.

С учетом всего комплекса установок (имеется в виду первичная обработка, транспортировка насосом из моря, нагнетание воды) система будет потреблять в среднем до 4.5 кВт*ч на 1 куб.

• Система обмена энергии. Данная система рекуперирует энергию концентрата с целью воздействия на аналогичный объем воды через создание давления, которое ниже давления на подаче на пару бар (давление теряется в модулях и обменнике энергии).

При таком раскладе насос с большой точностью (погрешность не более 2% с учетом возможных утечек в системе) станет передавать только тот расход, который будет равняться расходу конечного пермеата.

Для компенсации потерь напора монтируется насос-бустер. Данный вид систем (линейная или же ротационная) обладает отличным КПД – на уровне 94-97% (это намного больше, чем у центробежных насосов). Практические испытания показали, что установка, работающая на морской воде с солесодержанием в районе 36г/л, потребляет не более 2кВт*ч на 1 куб воды, что является очень хорошим результатом.

Если брать средние данные, то выигрыш в лишней энергии в сравнении с первым вариантом (турбина «Pelton») составляет примерно 0.5-0.8 кВт*ч на 1 куб. То есть, данная система потребляет энергию в общем в районе от 3.2 до 4 кВт*ч на 1 куб воды.