Обратный осмос

   В настоящее время фильтры, работающие по принципу обратного осмоса становятся всё более популярными среди потребителей. В таких фильтрах имеется специальная мембрана, а движение воды через нее из более концентрированного раствора в направление менее концентрированного.
    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 ледников, которая признается наиболее экологически чистой и полезной для человека.
    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.
    В случае, когда на раствор с большей концентрацией воздействует внешнее давление, превышающее осмотическое, молекулы воды начнут двигаться через полупроницаемую мембрану в обратном направлении, то есть из более концентрированного раствора в менее концентрированный.
    Этот процесс называется обратным осмосом. По этому принципу и работают все мембраны обратного осмоса.
    В процессе обратного осмоса вода и растворенные в ней вещества разделяются на молекулярном уровне, при этом с одной стороны мембраны накапливается практически идеально чистая вода, а все загрязнения остаются по другую ее сторону. Таким образом, обратный осмос обеспечивает гораздо более высокую степень очистки, чем большинство традиционных методов фильтрации, основанных на фильтрации механических частиц и адсорбции ряда веществ с помощью активированного угля.
    По этому принципу и работают все мембраны обратного осмоса. Процесс обратного осмоса осуществляется на осмотических фильтрах, содержащих специальные мембранах, задерживающих растворенные в воде органические и минеральные примеси, бактерии и вирусы. Очистка воды происходит на уровне молекул и ионов, при заметно уменьшается общее солесодержание в воде. Много домашних фильтров обратного осмоса используются в США и Европе для очистки муниципальной воды с содержанием солей от 500 до 1000 мг/л; обратноосмотические системы высокого давления очищают солоноватую и даже морскую воду (36000 мг/л) до качества нормальной питьевой воды.
    Фильтры на основе обратного осмоса удаляют из воды ионы Na, Са, Cl, Fe, тяжелых металлов, инсектициды, удобрения, мышьяк и многие другие примеси. «Молекулярное сито», которое представляют собой обратноосмотические мембраны, задерживает практически все примесные элементы, содержащиеся в воде, независимо от их природы, что оберегает потребителя воды от неприятных сюрпризов, связанных с неточным или неполным анализом исходной воды, особенно из индивидуальных скважин.
    В процессе обратного осмоса вода и растворенные в ней вещества разделяются на молекулярном уровне, при этом с одной стороны мембраны накапливается практически идеально чистая вода, а все загрязнения остаются по другую сторону мембраны. Таким образом, обратный осмос обеспечивает гораздо более высокую степень очистки, чем большинство традиционных методов фильтрации, основанных на фильтрации механических частиц и адсорбции ряда веществ с помощью активированного угля.
    Основным и самым важным элементом обратноосмотических установок является мембрана. Исходная, загрязненная различными примесями и частицами, вода пропускается через поры мембраны, столь мелкие, что загрязнения сквозь них практически не проходят. Для того чтобы поры мембраны не забивались, входной поток направляется вдоль мембранной поверхности, который вымывает загрязнения. Таким образом, один входной поток разделяется на два выходных потока: раствор, проходящий через мембранную поверхность (пермеат) и часть исходного потока, не прошедшего через мембрану (концентрат).
    Обратноосмотическая полупроницаемая мембрана представляет собой композитный полимер неравномерной плотности. Этот полимер образован из двух слоев, неразрывно соединенных между собой. Наружный очень плотный барьерный слой толщиной около 10 миллионных см лежит на менее плотном пористом слое, толщина которого составляет пять тысячных см. Осмотическая мембрана действует как барьер для всех растворенных солей и неорганических молекул, а также органических молекул с молекулярной массой более 100. Молекулы воды свободно проходят через мембрану, создавая поток пермеата. Качество пермеата сопоставимо с качеством обессоленной воды, полученной по традиционной схеме Н-ОН-ионирования, а по некоторым параметрам (окисляемость, содержание кремниевой кислоты, железа и др.) превосходит.
    Обратноосмотическая мембрана — это прекрасный фильтр и теоретически содержание растворенных минеральных веществ в полученной в результате фильтрации чистой воде должно составлять 0 мг/л (то есть их совсем не должно быть!), независимо от их концентрации во входящей воде.
    Обратноосмотическая мембрана незаменима для избавления воды от микробов, поскольку размер пор мембран значительно меньше размер самих вирусов и бактерий.
    Фактически, в нормальных рабочих условиях, из входящей воды извлекается 98 – 99 % растворенных в ней минеральных веществ. В полученной в результате фильтрации чистой воде, остается 6 – 7 мг/л растворенных минеральных веществ.
    Растворенные в воде минеральные вещества имеют электрический заряд и полупроницаемая мембрана также имеет собственный электрический заряд. За счет этого 98 – 99% молекул минеральных веществ отталкивается от обратноосмотической мембраны. Однако все молекулы и ионы находятся в постоянном, хаотичном движении. В какой-то момент движущиеся противоположно заряженные ионы оказываются на очень близком расстоянии друг от друга, притягиваются, их электрические заряды взаимно нейтрализуются и образуется незаряженная частица. Незаряженные частицы уже не отталкиваются от обратноосмотической мембраны и могут проходить через нее.
    Но не все незаряженные частицы попадают в чистую воду. Обратноосмотическая мембрана устроена таким образом, что величина ее пор максимально приближена к величине самых маленьких в природе молекул воды, поэтому через обратноосмотическую мембрану могут проходить только мельчайшие незаряженные молекулы минеральных веществ, а самые опасные крупные молекулы, например, солей тяжелых металлов, не смогут проникнуть через нее.
    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 при применении метода обратного осмоса. Другими словами, чем выше давление воды на мембране, тем больше чистой воды лучшего качества можно получить.
    В процессе очищения воды по принципу обратного осмоса 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 системы обратного осмоса. Степень очистки воды в таких фильтрах составляет по большинству неорганических элементов 85%-98%. Органические вещества с молекулярным весом более 100-200 удаляются полностью; а с меньшим - могут проникать через мембрану в незначительных количествах.
    Неорганические вещества очень хорошо отделяются мембраной обратного осмоса. 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. При этом 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 обратного осмоса. Однако производители утверждают, что 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 получается свежая, вкусная, настолько чистая вода, что она, строго говоря, даже не требует кипячения.
    В промышленности такие мембраны изготавливают из полимерных и керамических материалов. В зависимости от размера пор, с их помощью осуществляется:
• обратный осмос;
• микрофильтрация
• ультрафильтрация;
• нанофил ьтрация (нанометр — одна миллиардная метра, или одна тысячная микрона, то есть 1 нм = 10 ангстрем = 0,001 мкм.);
Обратноосмотические мембраны содержат самые узкие поры, и потому являются самыми селективными. Они задерживают все бактерии и вирусы, бoльшую часть растворенных солей и органических веществ (в том числе железо и гумусовые соединения, придающие воде цветность и патогенные вещества), пропуская лишь молекулы воды небольших органических соединений и легких минеральных солей. В среднем RO мембраны задерживают 97-99 % всех растворенных веществ, пропуская лишь молекулы воды, растворенных газов и легких минеральных солей.
    Материал мембранных фильтров – нитрат целлюлозы. Как показала многолетняя практика, этот материал обеспечивает оптимальные условия роста задержанных микроорганизмов, исключая получение ложного отрицательного результата.
    Мембранный фильтр состоит из нескольких слоев, которые соединены вместе и обмотаны вокруг пластиковой трубки. Материал мембраны полупроницаем. Вода продавливается через полупроницаемую мембрану, которая отторгает даже низкомолекулярные соединения. Схематическое изображение мембраны приведено ниже.
    Обратноосмотические мембраны используются во многих отраслях промышленности, где есть необходимость в получении воды высокого качества (разлив воды, производство алкогольных и безалкогольных напитков, пищевая промышленность, фармацевтика, электронная промышленность и т. д.).
Использование двухступенчатого обратного осмоса (вода дважды пропускается через обратноосмотические мембраны) позволяет получить дистиллированную и деминерализованную воду. Такие системы являются экономически выгодной альтернативой дистилляторам-испарителям и используются на многих производствах (гальваника, электроника и т. д.). В последние годы начался новый бум в мембранной технологии.
Мембранные фильтры стали все больше и больше использоваться в быту. Это стало возможным благодаря научным и технологическим достижениям: мембранные аппараты стали дешевле, возросла удельная производительность и снизилось рабочее давление. Системы обратного осмоса позволяют получить чистейшую воду, удовлетворяющую СанПиН «Питьевая вода» и европейским стандартам качества для питьевого водопользования, а также всем требованиям для использования в бытовой технике, системе отопления и сантехнике.
    Мембранная фильтрация незаменима для избавления воды от микробов, поскольку размер пор мембран значительно меньше размер самих вирусов и бактерий.
    Микрофильтрационные мембраны с размером пор 0,1-1,0 мкм задерживают мелкие взвеси и коллоидные частицы, определяемые как мутность. Как правило, они используются, когда есть необходимость в грубой очистке воды или для предварительной подготовки воды перед более глубокой очисткой.
При переходе от микрофильтрации к обратному осмосу размер пор мембраны уменьшается и, следовательно, уменьшается минимальный размер задерживаемых частиц. При этом, чем меньше размер пор мембраны, тем большее сопротивление она оказывает потоку и тем большее давление требуется для процесса фильтрации.
Ультрафильтрация (УФ) УФ-мембрана задерживает взвешенные вещества, микроорганизмы, водоросли, бактерии и вирусы, значительно снижает мутность воды. В ряде случаев, УФ-мембраны эффективно уменьшают окисляемость и цветность воды. Ультрофильтрация заменяет отстаивание, осаждение, микрафильтрацию.
Ультрафильтрационные мембраны с размером пор от 0,01 до 0,1 мкм удаляют крупные органические молекулы (молекулярный вес больше 10 000), коллоидные частицы, бактерии и вирусы, не задерживая при этом растворенные соли. Такие мембраны применяются в промышленности и в быту и обеспечивают стабильно высокое качество очистки от вышеперечисленных примесей, не изменяя при этом минеральный состав воды.
В промышленной водоподготовке наибольшее распространение получили половолоконные мембраны, основным элементом которых является полое волокно диаметром 0,5-1,5 мм с нанесенной на внутренней поверхности ультра-фильтрационной мембраной. Для получения большой фильтрующей поверхности группы полых волокон группируются в модули обеспечивая 47-50 м2.
    Ультрафильтрация позволяет сохранить солевой состав воды и осуществить ее осветление и обеззараживание практически без применения химреагентов.
    Обычно, УФ-установка работает в режиме тупиковой фильтрации без сброса концентрата. Процесс фильтрации чередуется с обратной промывкой мембран от накопившихся загрязнений. Для этого часть очищенной воды подается в обратном направлении. Периодически в промывную воду дозируется раствор моющих реагентов. Промывные воды, являющиеся концентратом составляют не более 10?20 % от потока исходной воды. Один-два раза в год производится усиленная циркуляционная промывка мембран специальными моющими растворами.
     Ультрафильтрация может применяться для получения питьевой воды непосредственно из поверхностного источника. Поскольку УФ-мембрана является барьером для бактерий и вирусов, не требуется первичное хлорирование воды. Обеззараживание осуществляется уже непосредственно перед подачей воды потребителю.
Поскольку ультрафильтрат полностью свободен от взвешенных и коллоидных веществ, то возможно применение данной технологии как предподготовки воды перед обратным осмосом.
    Нанофильтрация (НФ) занимает промежуточное положение между обратным осмосом и ультрафильтрацией. Нанофильтрационные мембраны характеризуются размером пор от 0,001 до 0,01 мкм. Они задерживают органические соединения с молекулярной массой выше 300 и пропускают 15-90 % солей в зависимости от структуры мембраны.
    Обратный осмос и нанофильтрация очень близки по механизму разделения сред, схеме организации процесса, рабочему давлению, мембранам и оборудованию. Нанофильтрационная мембрана частично задерживает органические молекулы, растворенные соли, все микроорганизмы, бактерии и вирусы. При этом степень обессоливания ниже, чем при обратном осмосе. Нанофильтрат почти не содержит солей жесткости (снижение в 10-15 раз), т.е. он умягчен. Происходит также эффективное снижение цветности и окисляемости воды. В результате исходная вода умягчается, обеззараживается и частично обессоливается.
    Современные нанофильтрационные фильтры – альтернатива установкам ионообменного умягчения воды.
Последнее поколение фильтров для воды - фильтры на основе наноуглерода. На мировом рынке они пока не распространены, но, несмотря на это, стоят относительно небольших денег. Их преимущество перед другими фильтрами - в особой тонкости очистки и деликатности очистки - они не удаляют из воды все подряд, т.е. оставляют в воде соли и микроэлементы. При этом они очищают воду на наноуровне, т.е. работают в десятки и сотни лучше раз аналогов - фильтров на основе угольного сорбента.
    Но наибольшее признание получили обратноосмотические мембранные фильтры очистки воды благодаря уникальному качеству воды, достигаемому после фильтрации. Такие фильтры эффективно справляются с низкомолекулярными гуминовыми соединениями, которые придают воде желтоватый оттенок и ухудшают ее вкусовые свойства, и которые очень трудно удалить другими методами. С использованием мембранных обратноосмотических фильтров можно получить чистейшую воду. Такая вода не только безопасна для здоровья, но и сохраняет белоснежность дорогостоящей сантехники, не выводит из строя бытовую технику и систему отопления, и просто радует глаз.
    Обратноосмотические фильтры имеют и ряд других достоинств. Во-первых, загрязнения не накапливаются внутри мембраны, а постоянно сливаются в дренаж, что исключает вероятность их попадания в очищенную воду. Благодаря такой технологии даже при значительном ухудшении параметров исходной воды качество очищенной воды остается стабильно высоким. Может лишь понизиться производительность, о чем потребитель узнает по счетчикам, встроенным в систему. В этом случае мембрану необходимо промыть специальными реагентами. Такие промывки проводятся регулярно (примерно 4 раза в год) специалистами сервисной службы. Одновременно производится контроль работы установки. Другое преимущество — отсутствие химических сбросов и реагентов, что обеспечивает экологическую безопасность. Мембранные системы компактны и прекрасно вписываются в интерьер. Они просты в эксплуатации и не нуждаются во внимании со стороны пользователя.
    Мембранные системы очистки воды достаточно дорогостоящи. Но, учитывая то, что при использовании «накопительных» систем скорее всего понадобится несколько установок различного действия, то общая их стоимость тоже обойдется недешево. А если говорить об эксплуатационных затратах, то для мембранных систем они значительно меньше.
    Сейчас технология обратного осмоса активно развивается. Установки постоянно совершенствуются. Современные системы представляют собой целые агрегаты с предочисткой воды, устанавливающиеся под мойкой или на линии подачи воды.
    Осмотические фильтры получают все большую популярность в бытовом использовании благодаря надежности, компактности, удобству в эксплуатации и, конечно же, стабильно высокому качеству получаемой воды. Многие потребители утверждают, что только благодаря обратному осмосу узнали настоящий цвет чистой воды.
    Большинство фильтров на основе обратного осмоса, используемых в жилых помещениях, комплектуются композитными тонкопленочными мембранами, способными задерживать от 95 до 99% всех растворенных веществ. Эти мембраны могут работать в широком диапазоне рН и температуры, а также при высоких концентрациях растворенных в воде примесей.
    Наиболее прогрессивными системами подготовки питьевой воды в настоящее время являются обратноосмотические системы, дающие воду на выходе по степени очистке близкую к дистиллированной. Однако, в отличие от дистиллированной, она обладает прекрасными вкусовыми качествами, так как в ней сохранены растворенные газы.
    Ключевая компонента такой системы – полупроницаемая мембрана, обеспечивающая степень очистки воды до 98-99% в отношении практически любых загрязнителей. Мембрана пропускает через себя лишь молекулы воды, отфильтровывая всё остальное. Характерный размер пор мембраны – 1 Ангстрем (10-10 м). Благодаря такой очистке из воды удаляются растворенные неорганические и органические соединения, а также тяжелые металлы, бактерии и вирусы.
    В некоторых случаях применение обратного осмоса необходимо. Например, для умягчения воды. Обычно для этого применяют ионообменные смолы, которые заменяют в воде ионы кальция и магния, ответственные за жесткость, на ионы натрия. Соли натрия не образуют накипи и допустимые концентрации натрия в воде намного больше, чем кальция и магния. Поэтому обычно всё нормально. Но если жесткость очень большая, более 30 мг/экв/л, то при этом процессе происходит превышение и по натрию. Накипи не будет, но пить такую воду нельзя. Тут-то и нужен обратный осмос, чтобы убрать избыток натрия - произвести умягчение воды.
Сегодня на российском рынке представлены и другие разновидности фильтров мембранно-сорбционного класса. Они состоят из мембранного блока и одного-двух блоков (в зависимости от производительности и ресурса) дополнительной очистки. Кроме того, уже очищенная и стабилизированная по солевому составу питьевая вода проходит финишное 6-12-кратное осветление на специальных волокнах и сорбентах. Подобное сочетание многочисленных методов очистки и осветления жидкой среды, известное среди специалистов под названием «шлифовка воды», позволило довести ресурс данных водоочистителей до 50000-75000 л.
Отечественной промышленностью выпускаются и компактные обратноосмотические фильтры, предназначенные для очистки воды в походных или экстремальных условиях. Их основное достоинство - универсальность и компактность, их всегда можно взять с собой и иметь возможность воспользоваться фильтром в любой момент. Это телескопические трубки по форме и размерам с обычную авторучку. Несмотря на миниатюрность, подобные аппараты способны надежно очистить 10 л воды от бактерий, вирусов, хлора, фенола и токсичных металлов.
Но, несмотря на свои достоинства, осмотические фильтры нравятся не всем. Главный аргумент: Что хорошего, когда вода идеально чистая? Ведь в ней нет микроэлементов. Отвечая на этот вопрос, одни производители говорят о том, что необходимые микроэлементы человек получает не из воды, а вместе с продуктами питания, ведь, чтобы удовлетворить ежедневную потребность, к примеру, в калии, нужно выпить 150 л воды, а в фосфоре - 1000 л; другие разрабатывают специальный минерализаторы, чтобы вода после очистки фильтром становилась не только чистой, но и «живой», т. е. полноценной для употребления. Такие установки имеют большой ресурс (4000 - 15000 л) и высокую скорость фильтрации (1,5-3 л/мин). Эти фильтры дорого стоят – от150 до 900$, а также требуют достаточно много места для установки.