Система обратного осмоса — это мембранная установка для отделения растворённых в воде веществ. Чаще всего её применяют для опреснения морской воды, удаляя из неё соли и прочие примеси, а также в промышленных котельных, системах питьевого водоснабжения, фармацевтическом производстве и других областях.
Что такое осмос?
Чтобы понять принципы и устройство обратного осмоса, сначала нужно разобраться в естественном процессе осмоса. Осмос — это природное явление, при котором два раствора разной концентрации разделены полупроницаемой мембраной (мембраной, пропускающей молекулы растворителя и не пропускающей молекулы растворённого вещества), и молекулы воды или иного растворителя переходят из раствора с меньшей концентрацией через полупроницаемую мембрану в раствор с большей концентрацией. Это явление встречается в природе повсеместно: благодаря ему растения поглощают воду и питательные вещества из почвы, а у человека почки за счёт осмоса извлекают воду из крови.
Понять явление осмоса поможет простой опыт. Предположим, что ёмкость с сахарным раствором разделена на две части мембраной, подобной мембране животной клетки. Эта мембрана проницаема для воды, но не пропускает молекулы сахара. Как показано на рисунке, кружками обозначены молекулы сахара. В части A молекул сахара больше, чем в части B, то есть концентрация выше. Чтобы выровнять концентрацию по обе стороны, мембрана должна была бы пропустить часть молекул сахара из A в B, но она не пропускает сахар. Поэтому для достижения равновесия молекулы воды из части B переходят на другую сторону, разбавляя раствор в части A, пока концентрации растворённого вещества по обе стороны не сравняются. В итоге объём раствора в части B уменьшается, а в части A — увеличивается.
Что такое обратный осмос?
Осмотические мембраны пропускают только молекулы воды; частицы крупнее, чем молекула воды, — минералы, соли, бактерии — пройти сквозь мембрану не могут. Осмос — это естественный процесс, не требующий затрат энергии. Однако установлено, что воду можно заставить течь из области высокой концентрации в область низкой, если приложить давление, превышающее естественное осмотическое, и тем самым продавить воду сквозь осмотическую мембрану. Это явление называют обратным осмосом.
Например, по обе стороны ёмкости, разделённой осмотической мембраной, находятся солёная и чистая вода. При естественном осмосе чистая вода будет переходить к солёной, пока концентрация по обе стороны не сравняется. Но если со стороны солёной воды приложить определённое давление, молекулы воды из неё начнут переходить к чистой воде — произойдёт обратный осмос. Именно на этом явлении основана идея опреснения морской воды: его применяют для опреснения и очистки морской воды с целью получения пресной. После многочисленных исследований и развития технологии она нашла применение в промышленных котельных, системах питьевого водоснабжения, опреснении морской воды, фармацевтическом и косметическом производстве, переработке продуктов питания и напитков и во многих других сферах.
Что такое обратноосмотическая мембрана?
Обратноосмотическая мембрана также является полупроницаемой: она пропускает только молекулы воды, задерживая такие примеси, как органические и неорганические вещества, микроорганизмы, коллоиды и бактерии. Принцип работы мембраны заключается в том, что под действием давления вода отделяется от высококонцентрированного раствора, содержащего растворённые вещества, а ионы, микроорганизмы, органика и другие примеси отфильтровываются из исходной воды, в результате чего получается вода высокой степени чистоты.
Типичные примеси и методы их удаления при обратном осмосе
- Взвешенные частицы: осадок, коллоиды и т. п., которые легко вызывают засорение поверхности обратноосмотической мембраны. Решение: отстойник, флокулянт, многослойный механический фильтр, фильтр с активированным углём.
- Микроорганизмы: бактерии, вирусы, водоросли и т. п. Решение: бактерициды, УФ-обеззараживание.
- Растворённая органика: удобрения, пестициды, белки, аминокислоты. Решение: восстановитель, фильтр с активированным углём.
- Растворённые неорганические вещества: ионы кальция, магния и другие ионы металлов, карбонаты, сульфаты, хлориды, ионы тяжёлых металлов и т. п. Решение: фильтр с активированным углём, ионообменная смола, восстановитель, ингибитор отложений (антискалант), обратный осмос.
- Остаточные дезинфектанты: хлор, озон и т. п. Решение: фильтр с активированным углём, восстановитель.
Как работают системы обратного осмоса?
Насос высокого давления повышает давление на входе обратноосмотической мембраны, продавливая воду сквозь мембрану и задерживая практически все примеси (от 95 до 99 %), в результате чего получается очищенная вода. Необходимое давление зависит от содержания примесей в исходной воде и от типа выбранной мембраны. Прошедший очистку фильтрат называют очищенной (пермеатной) водой, а оставшаяся концентрированная вода, несущая загрязнения и примеси, называется концентратом.
Система обратного осмоса состоит из узла предварительной очистки исходной воды, узла мембранной очистки и узла финишной обработки и может быть разделена на следующие компоненты:
- Узел предварительной очистки: насосы исходной воды, многослойный механический фильтр / кварцевый песочный фильтр, фильтр с активированным углём, умягчитель, многослойный механический фильтр, бак дозирования реагентов.
- Узел мембранной очистки: фильтр тонкой очистки, насосы высокого давления, обратноосмотические мембранные элементы, мембранные корпуса, панель управления.
- Узел финишной обработки: EDI (электродеионизация), фильтр смешанного действия (mixed bed), УФ-обеззараживание.
Роль предварительной очистки
Исходная вода крайне разнообразна и сложна по составу, а такие ключевые технологические параметры, как качество исходной воды и коэффициент извлечения системы обратного осмоса, существенно различаются. Поэтому правильный подбор узла предварительной очистки позволяет снизить загрязнение и накипеобразование на обратноосмотической мембране и предотвратить чрезмерное падение селективности по солям и производительности по очищенной воде.
Ниже кратко описана роль ступеней предварительной очистки:
- Отстойник: удаление взвешенных частиц из исходной воды путём естественного отстаивания либо за счёт добавления флокулянта или коагулянта-вспомогателя для ускорения осаждения.
- Многослойный механический фильтр и кварцевый песочный фильтр: удаление части примесей, коллоидов и ионов металлов.
- Фильтр с активированным углём: адсорбция взвешенных примесей. Активированный уголь также может выступать восстановителем для нейтрализации некоторых окислителей, например остаточного хлора.
- Бак-умягчитель: удаление ионных примесей.
- Химические реагенты: ингибиторы отложений для удаления ионов кальция и магния, бактерициды для удаления бактерий и вирусов, окислители для обеззараживания и разложения органики, восстановители для нейтрализации окислителей в воде.
Нужен ли анализ качества воды?
Анализ качества воды — обязательный этап перед началом любого проекта водоподготовки. Он включает данные по жёсткости, щёлочности, общему солесодержанию (минерализации, TDS), концентрации ионов и другие показатели. На основании предоставленного протокола анализа воды инженеры-проектировщики разрабатывают схему водоподготовки: формируют обоснованную программу предварительной очистки, обеспечивающую удаление примесей и снижение загрязнения обратноосмотической мембраны; подбирают оптимальную компоновку мембран для достижения максимального коэффициента извлечения и селективности по солям системы обратного осмоса; а также выявляют потенциальные загрязнители для их своевременного предотвращения и удаления. Например, индекс стабильности Ланжелье — это показатель склонности воды к накипеобразованию, который рассчитывается по данным протокола анализа воды для предотвращения отложений.
Таким образом, подробный анализ качества воды перед её подачей в систему обратного осмоса абсолютно необходим для эффективной и безопасной работы всей установки.
Различие между «проходом» и «ступенью» обратного осмоса
«Проход» (pass) и «ступень» (stage) — два понятия, которые часто путают применительно к системам обратного осмоса. Кратко поясним разницу.
В двухступенчатой системе концентрат первой ступени становится исходной водой для второй ступени. Цель — повысить коэффициент извлечения системы.
В двухпроходной системе очищенная вода первого прохода становится исходной водой для второго прохода. Цель — улучшить качество получаемой воды (повысить селективность по солям).
Более подробную информацию о «проходах» и «ступенях» системы можно найти в материале о компоновке обратноосмотических мембран.
Селективность по солям и коэффициент извлечения
Селективность по солям характеризует способность обратноосмотической мембраны удалять соли и задерживать прочие растворённые вещества. Мембрана отделяет молекулы воды от растворённых солей и других загрязнителей: чем выше селективность, тем лучше характеристики мембраны. Рассчитывается по следующей формуле:
Коэффициент извлечения (выход фильтрата) показывает отношение расхода фильтрата в системе к расходу исходной воды. На него влияют многие факторы: качество поступающей воды, тип мембранного элемента, схема соединения и т. д. Чем выше коэффициент извлечения, тем больше получаемой очищенной воды и тем меньше сброс концентрата. Рассчитывается по следующей формуле:
Преимущества процесса обратного осмоса
Будучи зрелой технологией водоподготовки, обратный осмос обладает множеством достоинств:
- Удаление большинства загрязнителей: обратный осмос считается одним из самых комплексных и эффективных методов устранения загрязнений воды, отфильтровывая подавляющее большинство растворённых веществ — бактерии, вирусы, ионы тяжёлых металлов, нерастворимые соли и т. д.
- Экологичность и энергоэффективность: по сравнению с другими методами обработки, такими как термическая дистилляция, технология обратного осмоса относительно экологична и не требует подвода тепла.
- Отсутствие накипеобразования: как в промышленном, так и в коммерческом водоснабжении засорение накипью способно привести к серьёзным авариям; технология обратного осмоса эффективно предотвращает образование накипи.
Недостатки и сложности систем обратного осмоса
Хотя обратный осмос — одна из самых эффективных технологий фильтрации на сегодняшнем рынке, у него остаются неизбежные недостатки, которые по-прежнему представляют для нас сложность:
- Низкий коэффициент использования воды: при существующей технологии объём образующегося концентрированного стока остаётся немалым и означает заметные потери воды.
- Высокие эксплуатационные расходы: обратноосмотические мембраны склонны к засорению и накипеобразованию и требуют регулярного обслуживания, что обходится дорого.
- Высокая стоимость монтажа: чтобы продлить срок службы обратноосмотической мембраны, к установке при необходимости добавляют систему предварительной очистки, снижающую риск засорения и накипеобразования мембраны.
- Удаление полезных минералов: обратный осмос не различает, какие минералы полезны для организма человека, и удаление их всех не всегда идёт на пользу.
Готовое решение — установки АКВАПЛЕКС
Промышленные установки обратного осмоса АКВАПЛЕКС серии 8040 (1–10 м³/ч) поставляются в сборе с предподготовкой, насосом высокого давления и приборами контроля — спроектированы под параметры вашей воды.
