Касаться общемировых проблем дефицита питьевой воды не будем и обратимся к проблеме качества воды на бытовом уровне. Эта проблема в современном мире встает все острее, все большее число людей использует фильтры для обработки водопроводной воды перед ее употреблением или предпочитает покупать питьевую воду специально. Вопрос качества воды остро стоит для различных пищевых и многих других производств. И, наконец, особо важна проблема водоподготовки для энергетического хозяйства. Способов и методов водоподготовки довольно много, а выбор зависит от конкретных требований к конечному продукту, и конечно, немаловажна экономическая составляющая. Далее будет подробно рассмотрен способ водоподготовки методом обратного осмоса. Общие данные по технологии обратного осмоса В основе водоподготовки методом обратного осмоса лежит процесс, механизм которого заимствован у живой природы: в любом организме обмен веществ, который физически представляет собой проникновение молекул определенного размера через «полупрозрачную» мембрану, разделяющую два раствора с разным содержанием примесей. В результате такой фильтрации молекулы воды могут перемещаться через мембрану, тогда как молекулы ряда растворенных примесей не имеют такой возможности. Толчком к переходу молекул воды через мембрану является разность концентраций растворенных солей в жидкостях. Так происходит перемещение из менее концентрированного раствора в более концентрированный, следствием чего становится изменение уровней двух жидкостей и появление разности давлений между ними. Таким образом возникает осмотическое давление, которое и определяет скорость перемещения молекул через мембрану. Описанный процесс — это прямой осмос. Обратный осмос возникает в случае приложения внешнего давления к раствору с большей концентрацией солей. При этом переход молекул воды в раствор с меньшей концентрацией солей возможен, только если прикладываемое давление превышает осмотическое. Именно по этому принципу работают все установки обратного осмоса. В упрощенной схеме участвуют два раствора, разделенные мембраной, причем с одной стороны остается вода, лишенная практически всех примесей солей, а с другой — раствор, содержащий высокую концентрацию таких примесей. Основные параметры, характеризующие обратный осмос Интенсивность потока — расход воды в единицу времени через единицу площади поверхности; этим параметром характеризуют поток, проходящий сквозь обратноосмотическую полупроницаемую мембрану. Селективность (процент задержания) — параметр, определяющий способность обратноосмотической мембраны не допускать переход солей из исходной воды в фильтрат. Селективность выражается в процентах и определяется как разность 100 % и соотношения концентраций соли в премеате (потоке обессоленной воды, выходящем из установки обратного осмоса или ультрафильтрации) и в исходной воде. Селективность обратноосмотических мембран по NaCl колеблется от 98 до 99,7 %. Скайлинг — осаждение малорастворимых солей, например, карбоната кальция, на поверхности мембраны. Получаемый осадок приводит к сокращению потока и уменьшению значений селективности мембраны для различных компонентов. Степень извлечения воды (процент извлечения) — отношение расхода потока полученной воды к расходу подаваемого потока. Измеряется в процентах и характеризует качество работы не отдельных мембранных элементов, а установки обратного осмоса в целом. Загрязнение мембраны — осаждение нерастворимых веществ, например бактерий, коллоидов, оксидов, взвешенных частиц и др. на поверхности обратноосмотической мембраны. Этот процесс снижает поток премеата и ведет к падению селективности обратноосмотических мембран. Индекс насыщения Ланжелье (LSI) — параметр, характеризующий процесс осаждения карбонатов кальция и магния в системах очистки воды. Позволяет предсказывать «поведение» труднорастворимых карбонатов при заданных условиях. Производители обратноосмотических установок могут использовать этот показатель для определения максимальной степени извлечения воды и значений селективности, которые можно получить в конкретной системе водоподготовки, прежде чем осаждение труднорастворимых карбонатов начнет серьезно влиять на процесс. Рассматриваемый параметр используется при выборе методов предварительной обработки воды. Индекс плотности осадка (SDI) — показатель, характеризующий способность фильтруемой воды загрязнять мембранный элемент или забивать осадком фильтр. Качество воды, полученной методом обратного осмоса В процессе работы установки происходит удаление из воды молекул растворенных примесей. Фактически в результате получается деминерализованная вода. Применение данной технологии позволяет проводить очистку воды, снижая содержание следующих растворенных соединений: ❏ кальций, магний, железо, марганец; ❏ медь, свинец, кадмий, радиоактивные изотопы; ❏ фториды; ❏ хлориды, нитраты, нитриды, фосфаты; ❏ растворенный хлор; ❏ органические соединения, в т.ч. пестициды. Утверждать, что полученный фильтрат полностью лишен растворенных солей, было бы неправильно, однако он превосходит по своим качествам (в отношении содержания растворенных примесей) воду, пропущенную через механические фильтры и прошедшую обработку с помощью угольных фильтров. Качество фильтрации зависит от ряда параметров, ведущее место среди которых занимает давление. В перечень влияющих на качество фильтрации факторов входят температура воды, уровень рН, а также химический состав воды. Далеко не последнюю роль играет и материал мембраны. Роль давления в процессе обратного осмоса можно признать определяющей, его повышение приводит к улучшению качества фильтрации. Влияние температуры в процессе водоподготовки методом обратного осмоса как физического процесса также вполне очевидно, и подробно останавливаться на этом вопросе не будем. Мембраны, применяемые в технологии обратного осмоса, могут быть ацетатцеллюлозные, полиамидные (тонкопленочные) и полисульфоновые. В зависимости от используемой мембраны степень очистки от неорганических веществ составляет 85–98 %. Качество очистки от органических веществ во многом зависит от их молекулярной плотности. Большой размер вирусов и бактерий затрудняет их переход в фильтрат и практически исключает его. Область применения установок водоподготовки, работающих на основе метода обратного осмоса Технология обратного осмоса широко применяется для подготовки воды в таких отраслях, как: ❏ пищевая промышленность — производство безалкогольных напитков, молочных продуктов, пищевых продуктов; ❏ медицина — подготовка воды для гемодиализа, для приготовления лекарственных форм и инъекций; ❏ фармацевтическая промышленность — производство лекарственных препаратов; ❏ химическая промышленность — изготовление чистых реактивов, а также средств бытовой химии и т.п.; ❏ микроэлектроника — глубокое предварительное обессоливание воды перед стадией полной ее деионизации; ❏ теплоэнергетическая промышленность — водоподготовка для котельных и электростанций; ❏ подготовка воды для бытовых нужд. Преимущества и недостатки применения обратноосмотических установок Большим и неоспоримым преимуществом применения установок обратного осмоса является качество получаемой воды. В ряде случаев сегодня такой вариант водоподготовки остается практически единственным, позволяющим получить воду необходимого качества. К преимуществам обратноосмотических установок можно отнести также: ❏ довольно чистые стоки, сбрасываемые в дренаж; ❏ отсутствие большого реагентного хозяйства; ❏ возможность изменять производительность установки и качество получаемой воды, применяя мембраны различной селективности; ❏ низкие по сравнению с рядом других установок эксплуатационные затраты; ❏ компактность; ❏ возможность варьировать до определенного предела как уровень автоматизации процесса, так и соответственно размер установки. Однако необходимо учесть и недостатки применения установок обратного осмоса: ❏ высокая стоимость; ❏ низкая производительность — в ряде случаев не обойтись без накопительной емкости, а также низкий КПД по фильтруемой воде (в дренаж сбрасывается до 50–75 % очищаемой воды); ❏ необходимость предварительной подготовки воды (к этому же пункту можно отнести и то, что коллоидные и взвешенные вещества, если они присутствуют в воде, приводят к загрязнению мембран и связанным с этим отрицательным последствиям); ❏ проблемой может стать низкая стойкость ряда мембран к окислителям, а полимерные мембраны легко подвергаются микробиологическому разрушению. Оборудование для водоподготовки на основе метода обратного осмоса Установки обратного осмоса предъявляют к исходной воде ряд требований, нарушение которых может вести к снижению производительности или даже к преждевременному выходу оборудования из строя. Перечислим основные параметры, которым должна соответствовать исходная вода для стандартной установки: ❏ температура фильтруемой воды 8– 30 °С; ❏ общая минерализация до 3000 мг/л; ❏ жесткость до 3 мг÷экв/л (в случае наличия антискаланта может достигать 30 мг÷экв/л); ❏ содержание железа до 0,1 мг/л (при наличии антискаланта может достигать 3 мг÷экв/л); ❏ содержание марганца до 0,05 мг/л (в присутствии антискаланта может достигать 0,1 мг÷экв/л); ❏ содержание силикатов до 20 мг/л (в случае наличия антискаланта может достигать 250 мг÷экв/л); ❏ содержание хлора до 0,1 мг/л; ❏ химическое потребление кислорода до 4 мг/л. Основной расходный элемент установки — мембраны. Именно они являются «узким местом» и обусловливают требования к исходной воде. Остановимся более подробно на мембранах обратного осмоса. Это тонкие пленки, структура которых призвана обеспечить селективное пропускание растворенных веществ сквозь себя. В настоящее время применяют три типа мембран: ацетатцеллюлозные, полиамидные (тонкопленочные) и полисульфоновые. Эти мембраны отличаются селективностью и выбираются исходя из состава исходной и требований к очищенной воде. Мембрана может обладать гомогенной или асимметричной структурой. Первые в поперечном сечении отличается однородной структурой, которая наблюдается даже при стократном увеличении образца. Мембраны с максимальной гомогенностью разработаны и используются для микрофильтрации и гемодиализа. Однако необходимо учитывать и такой параметр, как скорость потока. Так, любая мембрана не только препятствует проходу в фильтрат растворенных примесей, но и снижает скорость пропуска растворителя через себя. Для повышения скорости фильтрации разработаны асимметричные мембраны. Их материал состоит из двух параллельных слоев и вследствие этого имеет асимметричное поперечное сечение. Асимметричные мембраны отличаются более тонким селективным слоем, что позволяет повысить интенсивность потока. Прочность конструкции обеспечивается вторым, более толстым поддерживающим слоем, который в свою очередь имеет открытую пористую структуру. Слои могут быть изготовлены из одного и того же материала (например, для асимметричных мембран это ацетат целлюлозы) или материалы могут отличаться (тонкопленочные составные (композитные) мембраны). Мембраны, используемые в оборудовании для очистки воды, бывают двух видов: плоские листы и полые волокна. Для получения питьевой воды применяют мембранные аппараты с рулонным фильтрующим элементом. Он представляет собой мешок, три кромки которого герметично закрыты, а четвертая крепится к перфорированной трубке для отвода фильтрата и вместе с сеткой-сепаратором накручивается на нее. Фильтруемая вода движется в продольном направлении по межмембранным каналам, фильтрат по дренажному материалу поступает в отводимую трубку. Трубки, отбирающие фильтрат, связаны между собой и образуют общую систему. Первый и последний мембранные элементы соединены концевыми пластинами корпуса. Мембранные элементы переложены прокладкой, которая препятствует попаданию потока воды между краем мембранного элемента и внутренней стенкой корпуса. Это направляет поток, который начинает двигаться, проходя через последующие мембранные элементы. Таким образом осуществляется процесс фильтрации. После прохождения фильтрующейся воды через каждый последующий мембранный элемент ее часть переходит в фильтрат. Фильтрат первого мембранного элемента от входного патрубка питающей воды имеет самое низкое содержание солей. Пермеат отводится от каждого элемента. Как уже отмечалось, мембрана — наиболее уязвимая часть оборудования, и для нормальной работы последнего без преждевременного выхода из строя и потери производительности вода перед поступлением на процесс обратного осмоса проходит предварительную подготовку. Обычно проводят предварительную очистку от механических примесей, кислот и окислителей до соответствия воды заданным нормам. Приведем пример схемы такой подготовки: ❏ очистка от взвесей с помощью механического префильтра, засыпка которого может варьироваться в зависимости от исходной воды (первая ступень); ❏ удаление активного хлора и органики с помощью фильтрующего элемента на основе гранулированного активированного угля — при повышенной жесткости на этом этапе в фильтрующий элемент может быть включена ионообменная смола или кристаллы гексаметафосфата (вторая ступень); ❏ дополнительная очистка с помощью фильтра (механического или с прессованным активированным углем). Базовая комплектация установки обратного осмоса включает: ❏ оборудование для подачи исходной воды; ❏ префильтр (блок фильтров); ❏ мембранодержатели с обратноосмотическими рулонными элементами. Устанавливаются корпуса с заключенными в них рулонными элементами; каждый из корпусов обычно содержит от 1 до 7 элементов; ❏ насос (блок насосов высокого давления); ❏ регулирующие вентили (дозаторы кислоты); ❏ датчики; ❏ порт подключения химической промывки (блок промывки). Дополнительно в состав установки обратного осмоса могут входить различные устройства автоматизации и слежения за качеством реагентов, что актуально для промышленных применений. Производительность установок обратного осмоса обычно рассчитывается по пермеату и составляет, как правило, до 75 %. Максимальное рабочее давление стандартных установок не должно превышать 16 бар (оно преимущественно находится в пределах от 6 до 16 бар), поскольку в установках используются трубы ПВХ, не допускающие большее давление. Если есть необходимость подавать на обратноосмотическую установку воду с общей минерализацией, превышающей 3000 мг/л, то применяется оборудование с металлическими трубами, что, однако, значительно удорожает систему. В определенной степени давление можно регулировать (снижать) сбросом концентрата, но это уменьшает производительность установок обратного осмоса. Максимальное рабочее давление установки обратного осмоса — 25 бар. В ряде случаев при особых требованиях к конечной воде процесс ведут в несколько ступеней. Проблемы, возникающие при эксплуатации установок, основанных на методе обратного осмоса Самой частой проблемой, возникающей при эксплуатации установки, является снижение ее производительности. Причин этому может быть несколько. Основные из них следующие: ❏ неправильная регулировка потоков пермеата, концентрата и рециркуляции; ❏ вода, поступающая на доочистку, не соответствует заданным требованиям (предварительная обработка воды была проведена в недостаточной мере); ❏ нарушаются правила эксплуатации установки — не проведена профилактическая химическая промывка мембран (она должна проводиться профилактически раз в год или при снижении производительности установки более чем на 20 %, однако слишком частые промывки также противопоказаны. Если система требует более частых промывок, чем рекомендовано производителем, то это сигнал неправильного подбора системы). Коснемся также вопроса использования обратноосмотической воды для питья и приготовления пищи. Деминерализованная вода хороша для применения в промышленности и для хозяйственно-бытовых нужд, снижая риск образования накипи и выхода из строя ряда промышленных или бытовых установок. Однако потребителей может смущать практически полное отсутствие минералов в питьевой воде. Если возникает потребность получать воду с более высоким, чем в обратноосмотической, содержанием микроэлементов, то используют предусмотренные производителями в системах водоподготовки специальные минерализаторы. Растворенные минералы не усваиваются организмом, однако обогащенная ими вода приобретает более привычный вкус. Заключение В любой отрасли промышленности универсальной технологии нет и, наверное, не будет. Каждая применяемая технология имеет свои достоинства и слабости. Не является исключением и водоподготовка методом обратного осмоса. Преимущества и недостатки этой технологии известны. Однако надо заметить, что для некоторых производств технология водоподготовки методом обратного осмоса остается практически единственно приемлемой. В качестве путей совершенствования и преодоления ряда основных недостатков можно выделить: ❏ увеличение долговечности обратноосмотических мембран; ❏ улучшение предварительной подготовки воды; ❏ повышение уровня автоматизации процесса; ❏ и, естественно, поиск путей увеличения производительности установок по очищенной воде.