Сегодня обратный осмос является самым распространённым процессом очистки воды во всех отраслях промышленности – от получения сверхчистой воды до очистки сточных вод. Не менее популярно применение обратного осмоса в технологиях подготовки питьевой воды: опреснении морской воды, очистке подземных и поверхностных пресных вод от вредных примесей, а также доочистке водопроводной воды в производственных и домашних условиях.
В основе технологии обратного осмоса лежит процесс разделения растворов на полупроницаемой мембране, для протекания которого необходимо создание избыточного давления. Мембрана пропускает воду и задерживает большую часть растворённых примесей, однако механизм обратного осмоса отличается от классической фильтрации. Классическая фильтрующая перегородка имеет поры и задерживает примеси, размер которых превышает диаметр пор. В обратноосмотической мембране нет пор, а вода и некоторые другие вещества могут проходить через мембрану благодаря диффузии внутри материала, на которую накладываются эффекты электростатического взаимодействия.
Максимальная эффективность обратноосмотического разделения достигается при тангенциальном способе фильтрации, в результате которого образуется два потока: пермеат – очищенная вода и концентрат – вода, содержащая удалённые примеси. С одной стороны – это процесс очистки, с другой – метод концентрирования. Концентрат, который является жидким отходом процессов очистки воды, не содержит никаких примесей, кроме присутствующих в исходной воде, но в большей концентрации. В большинстве случаев концентрат может сбрасываться в канализацию без дополнительной обработки, чем и определяется экологическая безопасность обратноосмотических процессов.
От качества и характеристик мембраны напрямую зависит эффективность обратноосмотической очистки воды. Одним из наиболее распространённых типов мембран являются тонкоплёночные композитные мембраны, состоящие из:
сверхтонкого полиамидного барьерного слоя (~0,2 микрон)
фиксирующего слоя микропористого полисульфона(~40 микрон)
подложки из полиэфирного волокна толщиной (~120 микрон)
Получение таких мембран – сложный и наукоёмкий технологический процесс, поэтому производителей качественных мембран в мире единицы.
Наиболее авторитетными из них являются:
DowChemical, США, торговая марка Filmtec
Koch, США, торговая марка KMS
General Electric (GE), США, торговая марка GE Osmonics Desal
Toray, Япония, торговая марка Toray
NittoDenko, США, торговая марка Hydranautics
Разработанная американской компанией DowChemical мембрана из ароматического полиамида FT30 на сегодня является эталоном в области обратного осмоса. Для этой мембраны характерна высокая селективность по неорганическим веществам: от 97% для нитрата натрия до 99,7% для сульфата магния. Не менее эффективно мембрана FT30 задерживает органические вещества – обычно селективность выше 90%, а для больших молекул – выше 99%. Однако некоторые органические вещества способны проходить через мембрану. Например, селективность по метанолу составляет 25%, а по формальдегиду – 35%.
Для каждой мембраны существует свой показатель удельной производительности – максимальное количество пермеата, которое можно получить с единицы площади мембраны в стандартных условиях. Каждая мембрана имеет уникальные характеристики по переносу вещества, в частности воды и растворённых солей. Производители официально заявляют в технических спецификациях к своим продуктам такой показатель как селективность по соли (%), как правило, определяемая по NaCl. Для повышения эффективности очистки вод различных типов применяются мембранное полотно с разной плотностью и свойствами поверхности. Рулонный мембранный элемент – большая площадь в небольшом объёме. Самый оптимальный способ организации фильтрующего элемента из мембранного полотна – рулон. В рулонном элементе длиной 1 метр и диаметром 20 сантиметров помещается 37 квадратных метров мембранного полотна, а производительность такого элемента может достигать 1,8 м3/ч. Рулонные элементы наиболее практичны: их удобно транспортировать и хранить, домашние и коммерческие мембранные системы, на основе таких элементов, просты в обслуживание, а промышленные могут быть полностью автоматизированы.
Одной из наиболее важных характеристик мембранных элементов является конверсия – рекомендуемое соотношение очищенной и исходной воды. Для обеспечения длительного и стабильного функционирования мембранных элементов обычно рекомендуется придерживаться конверсии 10–15%. При такой конверсии на элементе, суммарная конверсия промышленных систем достигает значений 50–85%, чаще всего – 75%. Превышение рекомендованных значений конверсии элемента с одной стороны приводит к ухудшению качества пермеата, а с другой повышает риск образования отложений на поверхности мембраны.
Важным фактором повышения эффективности мембранных элементов является принцип и конструкция межэлементного соединения. Наиболее распространенный вид соединения – с помощью специальных соединительных трубок с уплотнительными кольцами (А). У этого способа есть два существенных недостатка – повышение гидравлического сопротивления системы и снижение качества пермеата вследствие протечек через кольцевые уплотнения.
Другой способ соединения – байонетное соединение iLec, применяемое в элементах Filmtec (Б). Этот вид последовательного подключения элементов не требует соединительных трубок – уплотнительное кольцо установлено непосредственно в крышке элемента, а надёжность соединения обеспечивается специальными защёлками. Такое соединение уменьшает риск протечек за счет сокращения количества кольцевых уплотнений и их полной фиксации. Кроме того, байонетные соединения не требуют использования смазывающих материалов и обеспечивают низкую сопротивляемость пермеату.
Производители мембранных элементов используют различную систему маркировки своих продуктов, однако, принципов классификации не так много: по назначению и по типоразмеру. В качестве примера мы приводим классификацию мембранных элементов Filmtec, производства компании DowChemical.
Для типоразмерной классификации мембранных элементов используются длина и диаметр элемента в дюймах. В промышленных системах обратного осмоса чаще всего применяются мембранные элементы длиной 40" и диаметром 8". Единственным мембранным элементом большего диаметра на сегодня является 16" элемент, выпускаемый компанией DowChemical специально для высокоэффективного и экономичного обессоливания морской воды. В классификации и маркировке элементов Filmtec используются специальные приставки, указывающие на их размеры.
Спектр применения технологий обратного осмоса сегодня чрезвычайно широк: коммунальное водоснабжение и бытовые системы, обессоливание морской и солоноватой воды, промышленное водоснабжение, вода для сельского хозяйства, коммерческие локальные системы, военный сектор и др. В каждом случае перед проектировщиками систем мембранной очистки стоит задача получения пермеата требуемого качества с минимальными капитальными, эксплуатационными и энергетическими затратами. Решение этой задачи состоит из двух частей – разработка технологии предварительной очистки воды и дизайн системы обратного осмоса.
Эффективность и стабильность работы систем обратного осмоса сильно зависит от качества очищаемой воды. Правильная технология предварительной очистки должна минимизировать риски образования отложений на поверхности мембран, предотвратить их деградацию, а также обеспечить стабильную производительность, качество пермеата и степень конверсии. Незначительные отклонения в этих показателях оказывают существенное влияние на энергетические и эксплуатационные затраты, что в свою очередь отражается на стоимости очищенной воды. Неадекватная технология предварительной очистки воды может привести, как к необратимой деградации мембран, так и к росту себестоимости очищенной воды за счёт увеличения количества химических промывок и снижения основных технологических показателей системы. В зависимости от качества исходной воды и конфигурации мембранной системы могут использоваться различные методы предподготовки и коррекции состава воды:
для контроля осадкообразования – подкисление, дозирование антискалантов, умягчение, обесщелачивание и др.;
для предотвращения коллоидного и механического загрязнения мембран – механическая фильтрация, коагуляция-флокуляция, ультрафильтрация и др.;
для предотвращения биологического обрастания мембран – хлорирование-дехлорирование, обработка бисульфитом натрия и другими биоцидными агентами, ультрафильтрация, УФ-облучение;
для предотвращения отложений природных органических веществ – адсорбция на сорбентахорганопоглотителях и активированных углях, коагуляция, ультрафильтрация и др.
Разработка оптимальной технологии предварительной очистки воды для систем обратного осмоса определяет, как стоимость и качество пермеата, так и срок службы мембранных элементов.
Для получения консультации по вопросам очистки воды с помощью обратного осмоса обращайтесь в компанию Нотабли.