Принцип работы установок обратного осмоса

Когда полупроницаемая мембрана используется в качестве разделяющего барьера для отделения воды от концентрированного раствора солей, вода естественным образом переходит через мембрану в концентрированный раствор за счет сил осмоса, чтобы уравновесить внешнее и осмотическое давление.

Вода естественным образом продолжается перемещаться до тех пор, пока со стороны концентрированного раствора не создастся осмотическое давление, достаточное для уравновесить давление в системе и предотвратить дальнейшее движение воды по градиенту концентрации.

Для того чтобы запустить процесс в обратном направлении, «выжать» воду из концентрированных рассолов в разбавленный (почти чистый) раствор по другую сторону мембраны требуется приложить со стороны рассола (соленого раствора) давление, которое превышает осмотическое, т.е. создать процесс обратного осмоса.

В процессе обратного осмоса происходит разделение исходного раствора на два потока: концентрат – концентрированный по растворенным веществам, солям поток, отводимый на утилизацию или разбавление перед сбросом; пермеат – очищенный поток с минимальным содержанием солей, выдавливаемый через мембрану под давлением.

Рис.  Внешний вид мембранного модуля в разрезе с обозначением потоков.

Осмотическое давление зависит от концентрации растворенного вещества, температуры раствора, а также типа и ионной силы растворенных солей.

Содержание солей в пермеате зависит от следующих факторов: концентрации одновалентных солей; селективности мембран и прикладываемого давления.

Коэффициент мембранной проницаемости для обратноосмотических мембран находится приблизительно в диапазоне 3*10^-3…6*10^-5 м³/м²*ч*бар. Для сравнения для нанофильтрационных мембран коэффициент мембранной проницаемости составляет 2*10^-2…3*10^-3 м³/м²*ч*бар, т.е. на 1-2 порядка выше, чем у ОО.

Для изготовления мембран обратного осмоса применяются три основных типа материалов:

– гомогенные асимметричные целлюлозные (CA) и из смеси триацетата целлюлозы с ацетатом целлюлозы (CTA, англ. Cas);

– ароматические полиамиды (PA), полученные методом инверсии фаз;

– тонкопленочные композитные мембраны на основе сшитых полиамидов (англ. Thin Film Composite, TFC).

Однако мембраны TFC в настоящее время доминируют на рынке обратного осмоса, а мембраны из ацетата целлюлозы занимают второе место.

Тонкопленочные композитные мембраны TFC обладают рядом преимуществ:

– гораздо более высокой проницаемостью из-за их чрезвычайно тонких (100 нм) слоев;

– стабильная работа в большом диапазоне рН по сравнению с мембранами на основе целлюлозы.

Выбор мембраны и мембранного элемента обычно определяется составом очищаемой воды (по загрязнениям и pH), а также качеством пермеата (очищенной воды, продукта).

Мембраны синтезируются с селективностью, адаптированной к типу применения; например, в случае для морских мембран (англ. seawater reverse osmosis, SWRO) селективность обычно составляет >99,6%, тогда как в случае мембран для солоноватой воды (англ. brackish water reverse osmosis, BWRO) селективность обычно составляет <99%.

Специализированные применения технологий осмоса:

1. Осмос с замедлением давления (осмос с замедленным давлением, осмос с задержкой давления (англ. Pressure-retarded osmosis, PRO).

В данном применении процесс, основанный на эффекте обратного осмоса, позволяет вырабатывать энергию за счет разницы концентраций. Во время процесса осмоса вода перетекает из разбавленного раствора (чистая вода) в концентрированный раствор. Осмотический поток воды может быть использован для выработки электроэнергии с помощью турбины.

Для солевого раствора из морской воды мощность, вырабатываемая с использованием PRO, равна 1,5 Вт/м². При использовании растворов с более высокой минерализацией мощность увеличивается. Максимальная генерируемая мощность прямо пропорциональна коэффициенту водопроницаемости мембраны, а также пропорциональна квадрату разности осмотических давлений при разбавлении рассольного раствора.

Практическое применение систем осмоса с замедленным давлением зависит от двух условий:

– для работы системы требуется источник пресной воды вблизи источника морской воды;

– для того, чтобы процесс был экономичным требуется гораздо более концентрированный раствор, примерно в 8-9 раз превышающий соленость морской воды.

Б) Прямой осмос (англ. forward osmosis (FO).

Прямой осмос — это процесс мембранного разделения, который использует разницу осмотического давления между концентрированным отбираемым раствором и подаваемым потоком для перемещения воды через полупроницаемую мембрану. Основой FO является осмос, естественный и спонтанно происходящий процесс. Это строго прямой осмос через мембрану RO. Всасываемый раствор с высоким осмотическим давлением, например карбонат аммония, проходит через одну сторону мембраны FO, а раствор с высокой соленостью, например морская вода, течет через другую сторону мембраны. Вода переходит из морской воды на сторону всасываемого раствора за счет осмотического потока. Затем производится регенерация извлеченного раствора и восстановление воды, перенесенной в процессе FO, например, в дистилляционной установке.

Основная задача заключается в выборе отводимого раствора таким образом, чтобы концентрации солей в нем соответствовали стандарту питьевой воды, а отводимый раствор можно было легко и экономично использовать или утилизировать. Главная привлекательность FO заключается в том, что он не ограничен осмотическим давлением, как обратный осмос, и, следовательно метод может обрабатывать воды с высокой минерализацией.

Однако процесс прямого осмоса (двойного разделения) является сложным в реализации и должен преодолеть несколько ограничений:

– обычные мембраны обратного осмоса RO не подходят, поскольку FO отличается от RO наличием соленых растворов с обеих сторон мембраны. Пористая подложка, подвергающаяся воздействию проходящего солевого раствора, подвержена загрязнению и внутренней поляризации от него. Это означает, что концентрация ионов соли внутри мембраны сильно отличается от концентрации объемного раствора, что приводит к потере движущей силы осмотического давления, так что обычные мембраны RO достигают только <50% своей способности в процессах FO;

– тепловая энергия требуется для отделения аммиака и CO₂ от разбавленного выходящего раствора и для испарения большого количества воды;

– процесс более энергоемкий, чем обратный осмос;

– выходящая с установки очищенная вода (продукт) содержит около 9 мг/дм3 аммоний-иона и аммиака. Поэтому, требуется дополнительная стадия очистки воды, такая как ионный обмен, чтобы гарантировать соответствия стандартам питьевой воды.

Одним из потенциальных применений прямого осмоса является предварительная обработка морской воды перед опреснением обратным осмосом. Интегрированная система FO–RO может быть эффективной в удовлетворении требований к качеству воды, содержащей бор и хлориды, для сельскохозяйственного орошения без двухступенчатой системы обратного осмоса.

Другим полезным применением прямого осмоса FO является так называемая “осмотическая обратная промывка” для очистки обратноосмотических мембран. Мембраны TFC нельзя подвергать обратной промывке, так как верхний тонкий слой может отсоединиться. Однако, поскольку прямой осмос пропускает чистую или пресную воду через мембрану RO/NF под осмотическим давлением, его можно использовать для обратной промывки и очистки мембраны пермеатом без риска повреждения мембраны.

 

• Компактность

  это самый компактный и простой метод обессоливания и тонкой доочистки воды и водных растворов

• Качество

  обеспечивает стабильное качество очищенной воды

• Любой объем

  возможность изготовления установок любой производительности путем наращивания количества мембранных модулей

• Стоимость

  меньшие инвестиционные и эксплуатационные затраты по сравнению с аналогами (ионообменными фильтрами и пр.)

• Экологичность

  требуется минимальное количество реагентов

• Независимость

  работает полностью в автоматическом режиме

• Контроль

  простой процесс, легко контролируется

• Срок службы

  длительный срок непрерывной службы мембранных элементов до 7 лет и более

• Практически для любой воды

  применим для морской воды и концентрированных рассолов (для опреснения)

• Тонкая очистка

  метод обеспечивает получение воды с максимальной прозрачностью

• Широкий диапазон жесткости воды

  метод применим как для кислых, так и для щелочных вод (pH=2-11), без необходимости их предварительной нейтрализации

• Гибкость

  возможно использование мембран с различной селективностью, что позволяет оптимизировать эксплуатацию для нужд конкретного объекта

• Вариативность

  допустимые концентрации солей до 50 г/м³ и более (возможно концентрировать рассолы, например перед выпариванием)

• Рабочая температура

  максимальная рабочая температура +45 °С

• Надежность

  данный метод успешно применяется в самых сложных условиях (в космический технике – обеспечение жизнедеятельности космонавтов, в морской, военно-морской технике и др.)

• Высокая степень очистки

  обратный осмос отделяет практически все виды микроорганизмов (дрожжи, бактерии, большая часть вирусов и пр.), что упрощает дальнейшее обеззараживание

Типичные области применения обратноосмотических мембран

– обессоливание морской воды с получением питьевой (рабочее давление 30-80 бар и более);

– очистка концентрированных солоноватых вод с высоким содержанием солей (минерализацией, англ. TDS) >10 000 мг/дм3, более 10 г/л (рабочее давление 10-20 бар и более);

– очистка солоноватых вод со средним содержанием солей (TDS < 10 000 мг/дм3, менее 10 г/л) с получением воды высокой чистоты, в т.ч. концентрирование пищевых продуктов и очистка от микроконцентраций тяжелых металлов из поверхностных или промышленных сточных вод (рабочее давление 10-20 бар и более);

– RO-мембраны низкого давления. Идеально подходит для небольших систем питьевого водоснабжения благодаря компактности и низкому энергопотреблению (рабочее давление обычно 8-12 бар);

– устойчивые к загрязнениям RO – мембраны, с улучшенными характеристиками, устойчивой работы при меньшем количестве отмывок, благодаря гидрофильным свойствам и вероятно отрицательному заряду поверхности. Применяется там, где можно обойтись без предочистки (напорных фильтров или ультрафильтрации) (рабочее давление обычно 12-20 бар и более);

– бытовые мембраны обратного осмоса – для удаления растворенных веществ размером более 10-4 мкм, канцерогенов (тригалогенметанов), ионов тяжелых металлов, бактерий и микробов из воды систем водоснабжения (рабочее давление обычно 4-5 бар).

Последующая обработка опресненной воды

Опресненная вода (RO-пермеат), как правило, кислая (рН 6,0), химически нестабильная, с низким содержанием минеральных веществ и обладает некоторой коррозионной активностью.

Вода, с низким содержанием солей (в т.ч. жесткости), может быть непригодной для питья или иметь неприятный вкус.

Следовательно, реминерализация необходима для сбалансированного качества, хороших показателей физиологической полноценности, необходимых для здоровья человека, а также стабилизации воды, предотвращения коррозии в трубопроводах

Пермеат может быть реминерализован несколькими способами: контакторами с кальцитом, известью в сочетании с раствором углекислоты, гидроксидом натрия и смешанным ингибитором фосфатной коррозии, а также пермеатом, смешанным с исходной солоноватой водой.

Обработка кальцитом CaCO₃ проще и дешевле, чем дозирование гидроксидом натрия. Пермеат от обратного осмоса проходит через уплотненный слой кальцита, и среда медленно растворяется с течением времени. Растворение увеличивает щелочность (HCO3-) с дополнительным преимуществом увеличения эквивалентного количества жесткости (Ca2+).

Реминерализованную воду перед подачей в сеть хозяйтвенно-питьевого водоснабжения обычно обеззараживают УФ-излучением или гипохлоритом натрия.

 

Эффективность разделения обратноосмотических мембран зависит от состава растворенных солей:

– многовалентные ионы (Ca²⁺, Mg²⁺) задерживаются мембраной (переходят в концентрат) гораздо больше, чем одновалентные ионы (Na+ и пр.);

– недиссоциированные или слабо диссоциированные вещества (например, диоксид кремния) задерживаются мембраной меньше;

– кислоты и основания подвергаются разделению в меньшей степени, чем их соли;

– отделение слабых кислот и оснований сильно зависит от рН, при их ионизации степень отделения высокая, а неионизированных веществ низкое (например, борной кислоты);

– ко-ионы влияют на отделение конкретного иона (Na+ больше задерживаются на мембране в виде Na₂SO₄, чем в виде NaCl);

– недиссоциированные низкомолекулярные органические кислоты плохо отделяются, в то время как их соли, наоборот, хорошо;

– следовые количества одновалентных ионов, как правило, плохо отделяются;

– отделение нитрат-иона происходит в меньшей степени, чем других одновалентных ионов;

– иногда наблюдается отрицательное разделение фенолов и бензола на мембранах из ацетата целлюлозы.

Отделение нейтральных органических растворенных веществ обычно увеличивается с увеличением молекулярной массы или диаметра молекул растворенного вещества (например, отделение капролактама выше, чем этанола). Органические компоненты с молекулярной массой >100 Да отделяются почти полностью.

 

Области применений обратного осмоса:

– производство питьевой воды из соленых вод (опреснение морских и солоноватых вод).

– оборотные системы водоснабжения (в т.ч. повторное использование технологической воды в химической промышленности; доочистка и повторное использование очищенных сточных вод). Примечание: за рубежом, а также на подводном флоте и в космонавтике применяются схемы многократной повторной очистки сточных вод с получением воды для питьевых нужд. Для гражданских объектов в РФ на данный момент не разрешается использовать сточные воды в качестве источника исходной воды для питьевого водоснабжения.;

– очистка питательной воды для котлов для выработки тепла и электроэнергии (теплоэнергетика, атомные станции и пр.);

– получение сверхчистой воды для полупроводниковой промышленности;

– получение воды высокой чистоты для производства фармацевтических препаратов и медицинского использования;

– разделение воды и растворенных органических веществ, разделение органических жидких смесей;

– доочистка сточных вод горнодобывающей промышленности;

– очистка воды для гальванических растворов для получения покрытий;

– концентрирование солей металлов и их органических соединений для повторного использования;

– в пищевой промышленности: переработка молочных продуктов, концентрирование подсластителей, переработка, концентрирование соков и напитков, производство светлого пива и вина;

– восстановление химических веществ для окрашивания и отделки текстиля для повторного использования;

– очистка целлюлозно-бумажных отходов и повторное использование воды;

– применение в биотехнологии и медицине: извлечение и очистка продуктов ферментации;

– очистка некоторых опасных отходов (в растворенном виде);

– глубокая доочистка муниципальных сточных вод (экспериментальное применение).

Технология обратного осмоса играет важную роль в обеспечении питьевой водой регионов, имеющих доступ только к морской воде или солоноватым водам.

Обратноосмотические мембраны с самой высокой селективностью позволяют получать питьевую воду из морской воды с использованием многоступенчатых однопроходных установок обратного осмоса.

Питательная вода для теплоэнергетики (в т.ч. паровых котлов, турбин и атомных электростанций) – еще одно важное применение обратноосмотических мембран. Мембраны RO снижают электропроводность до 5-20 мкСм/см в зависимости от минерализации (total dissolved solids, TDS) питательной воды и конструкции установок обратного осмоса.

Широко применяются схемы экономичной доочистки (деминерализации, глубокого умягчения) воды после двух ступеней обратного осмоса с помощью ионного обмена (англ. ion exchange, IX) или электродеионизации (англ. electrodeionization, EDI).

На заводах микроэлектроники для промывки 15-сантиметровой пластины в процессе изготовления микрочипов требуется около 4,5 м³ воды высокой чистоты. Крупные установки по производству полупроводников могут потреблять 2500-7500 м³/сут сверхчистой воды, которая производится последовательным применением методов очистки: микрофильтрация (MF), обратный осмос (RO), электродеионизация (EDI), (полировочный) ионный обмен (IX), УФ-стерилизация, мембранная дегазация и дополнительная обработка УФ-излучением.

Обратный осмос широко используется в молочной промышленности для предварительного концентрирования молока от 10 до 25 (масс. %) сухих веществ перед выпариванием (для получения сухого молока), что позволяет снизить затраты на выпаривание без денатурации белков и с минимальным количеством сточных вод. Прочие области применения в молочной промышленности включают концентрирование сырной сыворотки и молока, обессоливание соленой сыворотки и обработку потоков отходов. Также метод обратного осмоса используется для концентрирования сахарных растворов, фруктовых и овощных соков и напитков для сохранения солей и естественных низкомолекулярных вкусоароматических веществ.

Расчет установок производится индивидуально на основании данных по анализу воды, типу источника и с учетом пожеланий Заказчика, поэтому их комплектация может быть различной.

По заказу могут быть поставлены установки любой производительности.

 

В состав стандартной установки (блока) обратного осмоса входят:

– блок фильтров тонкой очистки (5-10 мкм);

– станция дозирования антискаланта (реагента, препятствующего образованию отложений на мембране);

– насос высокого давления с частотным регулированием (для подачи на мембранный блок);

– блок (узел) обратноосмотических мембранных модулей;

– узел промывки и химической мойки обратноосмотических модулей;

– контрольно-измерительные приборы (датчик pH, температуры, манометры, аналоговые датчики давления, кондуктометрический датчик (кондуктометр, TDS-метр, солемер) – для контроля качества очистки и целостности мембран);

– комплект монтажных фитингов для подключения установки;

– комплект приборов КИПиА (в т.ч. регулятор рабочего давления, расходомеры, манометры, аналоговые датчики давления, мутномер – для контроля качества очистки и целостности мембран, pH-метр для контроля химической промывки);

– шкаф автоматики на базе программируемого логического контроллера (состав уточняется в задании на разработку);

– система трубопроводов с запорно-регулирующей аппаратурой на раме с опорами;

– пробоотборники.

Дополнительно (опционально) в комплект могут входить:

– насосы-дозаторы пропорциональной подачи реагентов (в т.ч. антискаланта, корректора pH и пр.);

– накопительная емкость для аккумулирования обработанной воды;

– накопительная емкость для приготовления растворов для химической промывки;

– измеритель и набор реагентов для определения концентрации хлора;

– блок интеграции АСУ установки обратного осмоса в систему АСУ более высокого уровня.

Опросный лист вы можете просмотреть и скачать по ссылке ниже:

Опросн.лист_мембранные технологии pdf 597,2 КБ