Мембранна технологія очищення води

Головною перевагою мембранної технології очищення води є екологічна чистота процесу: при очищенні води методом зворотного осмосу не використовуються хімічні речовини і реагенти. Також можна виділити низьку енергозатратність процесу, і, як наслідок, прийнятну собівартість очищеної води. Крім того, жодна з масових і доступних технологій очищення питної води не може так само надійно гарантувати ступінь і рівень чистоти. У зворотноосмотичної технології просто немає альтернатив.

Мембрана є напівпроникним фільтром: вона пропускає воду, але не пропускає (або майже не пропускає) домішки - колоїдні, дисперсні, розчинені. На відміну від звичайних фільтрів, в яких домішки осідають усередині фільтра, в мембрані відділення води від “не води" відбувається тільки на поверхні. Через мембрану проникає тільки вода, а домішки залишаються на ній. Щоб уникнути швидкого забруднення фільтруючої поверхні, в мембранному елементі організовані два потоки води: з "чистою" сторони відводиться пермеат (очищена вода), а із зовнішнього боку мембрани постійно надходять нові порції вихідної води, які змивають з поверхні домішки (концентрат ), що не пройшли через мембрану.

У сучасних системах зворотного осмосу використовуются рулонні (spiral wound) плоскі (thin film) поліамідні (PA, Nylon) мембрани. Елемент являє собою так званий багатошаровий конверт (або мембранний лист, якщо завгодно), відкритою частиною "приклеєний" до стрижня з отворами. З метою компактності конверт намотаний на цей самий стрижень. Під час роботи мембрани неочищена вода подається з торця мембрани; пермеат збирається всередині мембранного конверта і по спіралі проходить в стрижень і далі в питну частину системи. Концентрат при цьому безперервно змивається в дренаж, йдучи з іншого торця мембрани.

Незважаючи на поширеність і масовість мембранної технології очищення води методом зворотного осмосу, єдиної загальноприйнятої теорії процесу немає. Наведемо кілька моделей очищення.

1. Подання про мембрані як про сито з дуже маленькими отворами, порівнянними з розміром молекули води. Найпростіше пояснення для споживача, але не саме чесне. Приміром, не дає відповіді на питання: чому одновалентні іони (одноатомні, менше трехатомного Н2О) не проходять через мембрану.

2. Модель дифузійного переносу. Відповідно до цієї теорії молекули води за рахунок водневих зв'язків утворюють на поверхні води плівку; і вода благополучно дифундує із зовнішнього боку мембрани у внутрішню, питну. Також, водна плівка не дає проникати солям через пори мембрани. Солі та іони також можуть дифундувати через мембрану, але швидкість їх перенесення набагато нижче, ніж у води.

3. Капілярна теорія. Згідно з цим поданням вода проникає через мембрану як через систему капілярів. При цьому вода зв'язується з матеріалом мембрани за допомогою водневих зв'язків і структурується. Пов'язана вода повністю заповнює собою пори мембрани і значно відрізняється від звичайної води, утворюючи бар'єр для інших молекул і розчинених речовин.

4. Модель селективної проникності. У гідрофільних мембранах, у яких розмір пор не перевищує подвійного розміру молекули води, всередині пор за рахунок адсорбції на стінках утворюється шар чистої води, і розчинені речовини не можуть пройти через пори.

Для розуміння особливостей процесів мембранного розділення води слід звернути увагу на наступні закономірності.

Осмотичний тиск (осмотичний опір). Якщо дуже грубо і "на пальцях" - розчин завжди хоче "втягнути" в себе чисту воду. А ми в системі зворотного осмосу якраз з розчину під тиском намагаємося через мембрану "видавити" чисту воду. Тому робочий тиск на мембрану повинно перевищувати це осмотичний опір (і набагато, через ще інших ньюансов конструкції системи). Чим більше у вихідній воді розчинених солей, тим вище її осмотичний опір. Приміром, для Харкова загальна мінералізація водопровідної води становить приблизно 400-500 мг / літр; в основному це солі кальцію і магнію. Вважається, що кожні 1000 мг / літр розчинених солей підвищують осмотичний опір на 0,6 - 0,8 атмосфер (точні цифри для різних солей можуть відрізнятися).

Чим вище концентрація домішок у вихідній воді, тим нижче продуктивність.

Температура води також впливає на продуктивність системи мембранної технології очищення води. При підвищенні температури осмотичний опір зростає, але зменшується в'язкість рідини; в цілому пропускна здатність мембрани підвищується на 3% з кожним градусом Цельсія (пояснює падіння продуктивності систем в зимовий час).

Чим вище прикладена до мембрани тиск, тим краще очищення. Вважається, що високий тиск ущільнює верхній розділовий шар, тим самим звужуючи пори мембрани; потік чистої води через мембрану збільшується, а проходження сторонніх домішок залишається на тому ж рівні.

Вперше стаття була опублікована на нашому сайті Осмос Харків 29.07.2014