EnglishGermanItalianRussian

Установка обратного осмосаСуть обратного осмоса заключается в фильтровании растворов под давлением, превышающем осмотическое, через полупроницаемые мембраны, пропускающие молекулы воды, но задерживающие молекулы или ионы растворенных низкомолекулярных веществ.

Отчего обратный осмос получил такое название?

Если отделить воду от водного раствора полупроницаемой мембраной, то вода будет самопроизвольно переходить в сторону раствора. Это обычный, или, как стали говорить в последние годы, прямой осмос:

прямой осмос

Если приложить к раствору давление, равное осмотическому, то наступает равновесие: сколько воды переходит слева направо, столько же и справа налево:

Осмотическое равновесие

Если давление, прилагаемое к раствору, больше осмотического, то будет происходить течение воды из раствора в сторону чистой воды, т.е. в направлении, обратном направлению течения воды в прямом осмосе:

Обратный осмос

Исходя из такой слегка упрощенной схемы следует, что движущей силой обратного осмоса является разница между приложенным гидростатическим давлением и осмотическим давлением раствора. В реальной практики фильтрации на мембранах обратного осмоса мы сталкиваемся с тем, что почти никогда мембраны не обладают идеальной полупроницаемостью, то есть не полностью задерживают молекулы и ионы растворенных веществ. К тому же, со стороны раствора возникает явление концентрационной поляризации, из-за которой концентрация растворенных веществ у поверхности мембраны больше, чем в объеме раствора. Наконец, давление со стороны воды может быть больше атмосферного из-за гидравлического сопротивления дренажного канала. Поэтому запись выражения для движущей силы обратного осмоса Δp принимает следующий вид:

движущая сила обратного осмоса

Здесь p – разность гидростатического давления над раствором и пермеатом, π3 – осмотическое давление разделяемого раствора у поверхности мембраны, π2 – осмотическое давление пермеата, т.е. воды (с некоторой примесью растворенных веществ), перешедшей через мембрану.

Величину p называют рабочим давлением.

Для расчета движущей силы необходимо уметь правильно определять осмотическое давление.

Надежных методов расчета осмотических давлений многокомпонентных растворов нет. Однако в разбавленных растворах сильных электролитов без существенной погрешности можно считать осмотическое давление равным сумме осмотических давлений составляющих компонентов.

В практике обратного осмоса осмотические давления растворов варьируются от нескольких килопаскалей до нескольких мегапаскалей, а рабочее давление от десятков долей мегапаскаля до 5 – 7 МПа.

Несмотря на сравнительно высокие рабочие давления, обратный осмос оказывается энергетически выгоднее большинства других массообменных процессов и даже многокорпусного выпаривания.

Работу, необходимую для продавливания воды через мембрану, А, можно представить как произведение рабочего давления на объем прошедшей через мембрану воды V. Посмотрим, какова будет работа на продавливание 1м3воды при сравнительно высоком рабочем давлении 5 МПа:

Работа на продавливание воды в осмосе

это величина в (Дж).

Это – теоретическая работа продавливания. С учетом коэффициентов полезного действия насоса и двигателя, потерь энергии с отходящим концентратом, затрат на преодоление трения и местных сопротивлений в установке обратного осмоса реальный расход энергии составит (10-20)·106 Дж. Это на полтора порядка меньше, чем при выпаривании 1 м3 воды в многокорпусной выпарной установке с оптимальным числом корпусов.

Сравнительно малые затраты энергии в обратном осмосе объясняются тем, что разделение осуществляется без фазовых превращений и почти всегда при температуре окружающей среды. Последнее обстоятельство помимо экономии энергии на подогрев раствора обеспечивает еще одно важное достоинство – возможность разделения нетермостойких растворов.

Следует отметить и простоту конструкции установок обратного осмоса, которые включают только два основных элемента – мембранный аппарат и насос.

Исходный раствор подается насосом в напорный канал мембранного аппарата, где разделяется на два потока – прошедший через мембрану (пермеат, или фильтрат) и задержанный мембраной (ретант, или концентрат). Необходимое рабочее давление в системе поддерживается с помощью вентиля на линии концентрата и контролируется по манометру.

Промышленное значение обратный осмос приобрел в 60-х годах 20-го века, когда были созданы анизотропные ацетатцеллюлозные мембраны. Ацетатцеллюлозные мембраны для обратного осмоса состоят из активного слоя с порами размером порядка 15-25 Ǻ и толщиной в десятые доли микрона и крупнопористого подслоя толщиной порядка 100 мкм. Слои эти слиты в единое целое и между ними имеется переходная область. Активный слой контактирует с разделяемым раствором и обеспечивает селективные свойства мембраны, а толстый подслой придает мембране прочность, практически не оказывая гидравлического сопротивления потоку пермеата. Благодаря этому ацетатцеллюлозные мембраны характеризуются приемлемо высокими значениями селективности и удельной производительности.

Селективность выражается в долях единицы (или процентах) и характеризует долю (процент) растворенного вещества, задержанного мембраной.

Удельная производительность G выражается как количество жидкости, проходящей в единицу времени через единицу рабочей поверхности мембраны. При этом под рабочей поверхностью понимается поверхность, контактирующая с разделяемым раствором (часть общей поверхности мембран находится под герметизирующими прокладками или в области склейки мембранных элементов и не участвует в процессе обратного осмоса).

Удельная производительность обычно представляется в следующих размерностях:

[л/м2 ·час], [л/м2 ·сутки], [кг/м2 ·час].

Порядок величин в этих размерностях – десятки и сотни.

В системе СИ размерность G [м/с] или [кг/м2·с]. Здесь получаются величины малых порядков, поэтому чаще пользуются указанными выше внесистемными размерностями.

 

Сферы применения обратного осмоса:

1. Подготовка питьевой воды.

Наиболее распространен процесс получения питьевой воды из речной воды, пресных озер и водоемов. При этом обратный осмос проводится при невысоких давлениях, что делает его особенно экономичным.

Пока менее распространено получение питьевой воды из морских и океанических вод. Они имеют осмотическое давление порядка 2,5 МПа, поэтому рабочее давление должно быть 3 МПа и выше. К тому же, требуются высокоселективные (а значит – менее производительные) мембраны. Однако с ростом дефицита пресной воды способ получения питьевой воды из соленых вод непрерывно расширяется.

2. Получение воды повышенного качества.

Очень высокие требования предъявляются к воде, которая используется для промывки деталей при изготовлении изделий микроэлектроники, и к воде, направляемой в котлы, где производится водяной пар. Здесь обратный осмос находит широкое применение. В качестве исходной обычно берется вода из артезианских скважин или водопроводов.

3. Обработка сточных вод.

Обратный осмос применяется при обработке сточных вод в химической, пищевой, целлюлозно-бумажной, атомной и других отраслях промышленности. При этом одновременно происходит очистка воды до санитарных норм на сбрасываемую воду или пригодную для технических нужд и концентрирование ценных компонентов, часто содержащихся в сточных водах, что облегчает их утилизацию.

4. Концентрирование и фракционирование растворов.

Типичные примеры – это концентрирование фруктовых и овощных соков, молока и молочной сыворотки, концентрирование обработанных технологических растворов электролитов в химической промышленности, реактивов для повторного использования в фото- и кинопромышленности. Выделение отдельных компонентов из многокомпонентных растворов путем фракционирования.

Говоря о применении обратного осмоса, нельзя не упомянуть о том, что как единственно необходимый процесс он используется при решении ограниченного числа задач – например, при получении питьевой воды из природных вод, где концентрат может сбрасываться в тот же водоем, откуда забирается вода.

В большинстве же случаев наибольшая эффективность достигается при сочетании обратного осмоса с другими методами разделения. Так, при концентрировании растворов целесообразно бывает на первой стадии использовать обратный осмос, а окончательное концентрирование провести выпариванием. При получении особо чистой воды пермеат со стадии обратного осмоса обычно направляется на ионный обмен, где вода окончательно очищается от солей.

Выбор той или иной схемы разделения является задачей технико–экономического анализа. Важнейшей составляющей, необходимой для его выполнения, является знание теоретических основ обратного осмоса.