3.7 Физико-химические основы очистки воды методами обратного осмоса и ультрафильтрации

Обратный осмос (гиперфильтрация) – непрерывный процесс молекулярного разделения растворов путем их фильтрования под давлением через полупроницаемые мембраны, задерживающие полностью или частично мо­лекулы либо ионы растворенного вещества.

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 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.

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 (пармеат) 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 сантиметра лежит на менее плотном пористом слое, толщина которого составляет пять тысячных сантиметра. 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.

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. 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 промышленности мембраны изготавливают из полимерных и керамических материалов. В зависимости от размера пор, с их помощью осуществляется:

• обратный осмос;

• микрофильтрация;

• ультрафильтрация;

• нанофильтрация.

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 такие мембраны задерживают 97–99 % всех растворенных веществ, пропуская лишь молекулы воды, растворенных газов и легких минеральных солей.

Материал мембранных фильтров – нитрат целлюлозы. 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.

Обратноосмотические мембраны используются во многих отраслях промышленности, где есть необходимость в получении воды высокого качества (розлив воды, производство алкогольных и безалкогольных напитков, пищевая промышленность, фармацевтика, электронная промышленность и т. д.).

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.

Ультрафильтрационная мембрана задерживает взвешенные вещества, микроорганизмы, водоросли, бактерии и вирусы, значительно снижает мутность воды. В ряде случаев, такие 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 10000), 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.

Ультрафильтрация позволяет сохранить солевой состав воды и осуществить ее осветление и обеззараживание практически без применения химических реагентов.

Обычно, ультрафильтрациооные 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.

Нанофильтрация 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.

Очистка сточных вод гиперфильтрационным и ультра­фильтрационным методами имеет ряд преимуществ по сравнению с традиционными методами очистки: невысо­кие энергозатраты, простота и компактность установок, возможность полной их автоматизации, высокая эффек­тивность очистки, возможность повторного использования фильтрата и утилизации полученного концентрата. Недо­статком методов является необходимость проведения процесса при высоком давлении в системе.

Сейчас технология обратного осмоса активно развивается. Установки постоянно совершенствуются.