7.4. Зворотний осмос (гіперфільтрація)

Під терміномосмос розуміється процес мимовільного перетікання менш концентрованого розчину в більш концентрований через розділяючи їх напівпроникну мембрану.

Якщо в посудині між солоною і прісною водою помістити напівпроникну перегородку, здатну пропускати воду і затримувати гідратовані іони розчинених у воді солей, то можна спостерігати, як прісна вода починає поступати у відсік із солоною водою (рис. 25, а).

Перетікання чистої води відбувається внаслідок різниці концентрацій рідини по обох сторонах мембрани. Через якийсь час рівень прісної води стане помітно нижче за рівень солоного розчину. Різниця рівнів у момент сталої рівноваги і характеризуватиме осмотичний тиск розчиненої речовини в розчині (рис. 25, б). Величина осмотичного тиску залежить від різниці концентрацій солей в розчинах.

Якщо створити в розчині тиск, що перевищує осмотичний, то виникає міграція молекул води в напрямі, зворотному її природному руху, тобто вода з розчину починає перетікати через мембрану в прісну воду (рис. 25, в). Такий процес відомий під назвою зворотного осмосу.

Опріснення солоної води методом зворотного осмосу ґрунтується якраз на процесі перетікання солоного потоку при створенні додаткового надмірного тиску, що перевищує осмотичне, в напрямі від розчину до прісної води через розділяючі напівпроникні мембрани.

Явище осмосу може відбуватися без фазових перетворень, коли молекули води мігрують через канали мембрани, дуже вузькі для міграції іонів розчинених речовин. Це явище одержало назву гіперфільтрації.

Мембрани виготовляють з полімерних матеріалів, пористого скла, графіту, металевої фольги.

За виглядом мембранних елементів зворотноосмотичні апарати діляться на плоскокамерні, рулонні, трубчасті і з порожнистими волокнами.

До баромембранних процесів також належить ультра - та нанофільтрування.

Процес ультрафільтрування здійснюється під дією різниці тиску 0,05-0,5 МПа з обох боків мембрани. Ультрафільтрування застосовують для розділення систем, в яких молекулярна маса розчинених компонентів набагато більша за молекулярну масу розчинника (води). Для проведення ультрафільтрування використовують менш проникні мембрани, на відміну від зворотного осмосу, але які мають високий ступінь моно дисперсності і певний ступінь гідрофільності або заряд поверхні.

З метою оптимізації більшості характеристик мембран є створення композиційних дво- і багатошарових мембран. Кожний із шарів виконує певну функцію. Високу механічну, термічну, хімічну і біологічну стійкість мають плоскі або трубчасті неорганічні (керамічні) мембрани. Ці мембрани можна регенерувати термічними, хімічними або фізико-хімічними способами, але вони характеризуються нижчою продуктивністю і високою вартістю.

Нанофільтрування – процес розділення речовин при робочих тисках 1-2 МПа. У процесі нанофільтрування можуть частково (40-60 %) затримуватися низькомолекулярні електроліти. Солі з двозарядними йонами затримуються на 80-98% і практично повністю (до 98-99,9 %) – органічні сполуки (спирти, цукри, пестициди, барвники та ін.). Дослідження довели, що цей процес за механізмом є зворотньоосмотичним. Нанофільтрування здійснюється в ультра тонкому розділювальному шарі, оскільки нанофільтрувальні мембрани мають пори діаметром 1-3 нм.

Баромембранні установки повинні відповідати таким вимогам: корозійна стійкість, стабільність і герметичність при високому тиску; швидкість і зручність монтажу та демонтажу під час ремонту й транспортування, компактність і простота в обслуговуванні, можливість ефективного промивання та регенерації мембран; високі гідродинамічні характеристики; запобігання процесам відкладання осадів та гелеутворення; регулювання температури очищуваної води.