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

Модель мембранного  элемента	Типоразмер	Рабочее давление, бар	Рабочая поверхность, м2	Селективность по NаСl, %	Поток, м3/сутки
Filmtec BW30-4040	4040	16	7.2	99,0	8,3
Filmtec BW30-400	8040	16	37,0	99,5	40,1
Hydranautics ESPA4-4040	4040	10		99,0	9,5
Hydranautics ESPA4	8040	10		99,0	45,4
Hydranautics LFC3-4040	4040	16		99,5	7,6
Hydranautics LFC3	8040	16		99,6	36,0
Toray TMG10	4040	16	8,0	99,5	7,6
Toray TM720-400	8040	16	37,2	99,7	39,0
GE Osmonics Desal AG4040F	4040	13,8		99,4	8,3
GE Osmonics Desal AK4040F	4040	7		99,0	8,3
Владипор ЭРО-КН-100-1016	4040	16	-	92,0	24,0
Владипор ЭРО-КН-200-1016	8040	16	-	90,0	6,0

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.