ОБЕССОЛИВАНИЕ ВОДЫ ОБРАТНЫМ ОСМОСОМ

Обессоливание воды обратным осмосом - процесс выделения из воды полностью или частично растворенных примесей посредством фильтрования ее под давлением через полупроницаемую мембрану, которая пропускает растворитель (воду) и задерживает ионы или молекулы растворенного вещества. Обратноосмотический процесс используется также для извлечения ценных компонентов из сточных вод и жидких промышленных отходов с целью их концентрации и утилизации. Давление на мембрану создается в направлении, обратном осмотическому.
Фильтрование при обратном осмосе принципиально отличается от фильтрования при очистке воды от механических примесей. Извлекаемое из исходной воды (раствора) вещество не должно сорбироваться ни на поверхности, ни в толще обратноосмотических мембран. Накапливание извлеченного растворенного вещества сопровождается повышением осмотического давления раствора, снижением гидростатического давления и увеличением проникновения растворенного вещества в фильтрат. Устройства, в которых происходит обратноосмотический процесс, должны быть проточного типа. В них водный раствор, поступающий в обратноосмотический аппарат с полупроницаемыми мембранами, разделяется на два потока: обессоленная вода, содержащая значит, меньше, чем исходная, растворенных веществ, и концентрат, в котором их больше, чем в исходной воде.
Эффективность обратноосмотического процесса зависит от его технологии, параметров, свойств полупроницаемых мембран и частично осевших на поверхности мембраны растворенных веществ. Технологические свойства мембран характеризуются их удельной водопроницаемостью (пропускной способностью) и селективностью (задерживающей способностью по растворенному веществу). Пропускная способность мембран связана со скоростью фильтрования исходной воды, которая находится в прямой зависимости от давления фильтрования и осмотического давления. При прохождении обессоленной воды (растворителя), через мембрану на ее поверхности возникает так называемая концентрация поляризация растворенных веществ при градиенте концентраций, направленным перпендикулярно поверхности мембраны. Это приводит к ухудшению обратноосмотического процесса.
Обратноосмотические мембраны могут быть получены различными методами из разных материалов: пористого стекла, керамики, полимерных материалов, а также специальных жидкостей. Наибольшее распространение в практике очистки воды находят мембраны из ацетил-целлюлозы и полиамидов. Мембраны могут быть плоскими (листовыми), трубчатыми и в виде полых волокон. Плоские мембраны выпускают в виде непрерывной ленты толщиной 250—300 мкм и шириной 1 м. Трубчатые мембраны в зависимости от конструкции фильтрующего элемента могут фильтровать из внутреннего пространства наружу через трубу, а также в обратном направлении. Мембраны в виде полыхволокон используют при подаче исходной воды к внешней поверхности волокон.В зависимости от полимерного материала наружный диаметр полых волокон составляет 40—210 мкм при толщине стенок 10—50 мкм. Обратноосмотические мембраны изготовляют: розливом растворов или расплавов; размазыванием и экструзией (выдавливанием); намывом различных веществ на пористую подложку; осаждением внутрь пористого тела нерастворимых веществ, образованного в результате химической реакций между диффундированными реагентами; выщелачиванием или вытравливанием отдельных компонентов из непроницаемой мембраны; напылением мембрано-образующих веществ на пористую матрицу; соединением двух или более мембран различной пористости. Обратноосмотические полимерные мембраны имеют анизотропную структуру: состоят из поверхностного тонкопористого слоя толщиной 0,25—0,5 мкм и крупнопористого толщиной 100—200 мкм. Тонкопористый слой, называется активным или селективным, играет барьерную роль для растворенного вещества. От качества этого слоя зависит задерживающая способность мембраны. Крупнопористый слой находится под активным слоем, служит подложкой, повышающей механическую прочность мембраны и обеспечивающей отвод фильтрата в дренажную систему обратноосмотического фильтрующего элемента.
Концентрация растворенных веществ в исходной воде влияет на осмотическое давление, но не сказывается на задерживающей способности мембран в пределах концентраций 0,01—50 г/л. Дальнейшее увеличение концентраций может привести к деструкции мембран из-за гидролиза или омыливанию полимерного материала в результате сдвига значения рН. Влияние на свойства мембран оказывает и природа растворенных веществ. При обратноосмотическом обессоливании сильных электролитов одновалентные ионы задерживаются хуже, чем двух- и многовалентные. Ионы в порядке увеличения их задержания мембраной располагают в ряд, совпадающий в основнов с рядом увеличения энергий гидратации. Степень извлечения одновалентных ионов из многокомпонентных растворов выше, чем из бинарных.
Аппараты для обессоливания воды обратным осмосом включают в себя один или несколько фильтрующих элементов, которые состоят из полупроницаемых мембран, дренажных элементов и турбулизаторов-разделителей. Существуют следующие обратноосмотические аппараты; фильтр-прессный, рулонный, трубчатый и с полыми волокнами. В фильтр-прессном аппарате фильтрующий элемент представляет собой пакет, состоящий из опорной пластины с отверстиями для отвода фильтрата, по обе стороны которой находятся мембраны, опирающиеся на дренажный материал. Уплотнение между пластинами достигается с помощью рамок из паронита или полиэтилена толщиной 0,5—1 мм. Напорная камера образуется мембраной, имеющей с одной стороны пластину, разделяющую фильтрующие элементы, а с другой — уплотнительную прокладку. Аппараты рулонного типа представляют собой трубу диаметром 70—200 мм и длиной 1—9 м, в которой устанавливают рулонные фильтрующие элементы — фильтрующие пакеты, спирально накрученные на центр, перфорированную водоотводящую трубку. Фильтрующий пакет состоит из двух полупроницаемых мембран, разделенных дренажными элементами и проклеенными по периметру специальной клеевой композицией. Для предотвращения соприкосновения поверхностей мембран и с целью формирования напорной камеры определенной высоты между пакетами устанавливают турбулизатор-сепаратор. Устройство аппаратов трубчатого типа зависит от конструкции фильтрующего элемента, состоящего из мембраны, микропористой подложки и дренажного каркаса. Пористый дренажный каркас в виде трубки служит опорой для мембраны и обеспечивает отвод обессоленных воды. В практике нашли применение две конструкции аппарата этого типа; с расположением мембраны внутри трубки и с вынесением ее на наружную поверхность трубки. Аппараты с мембранами в виде полых волокон представляют собой напорный корпус, в котором находится фильтрующий элемент. Он состоит из центральной трубки и уложенных параллельной оси аппарата пучков полых волокон, которые укрепляют в эпоксидных блоках с обеих сторон трубки. Торец одного из блоков обрабатывают с целью обнажения капилляров полых волокон. Для плотной упаковки их слои, состоящие из пучков мембран, поджимают вокруг центр, трубки пористым нетканым материалом. Подвод исходной воды, а также отвод фильтрата (обессоленной воды) и концентрата осуществляется через штуцеры в торцевых крышках, которые вставляются в корпус и удерживаются пружинными шайбами.
В комплект обратноосмотического установки входят насосы высокого давления, обратноосмотические аппараты, трубопроводы, запорная и регулирующая арматура, приборы контроля и оборудование для промывки, стерилизации и консервации обратноосмотических аппаратов.
Станция обессоливания воды обратным осмосом состоит из следующих основных элементов: установок предварительной подготовки исходной воды, обратноосмотической установки, оборудования для обработки концентрата, кондиционирования обессоленной воды, автоматического и ручного управления и контроля за работой установки. Предварительная подготовка исходной воды в зависимости от источника может осуществляться по традиционной схеме: коагуляция — отстаивание — фильтрование — обеззараживание. Оборудование для обработки концентратов может состоять из выпарных установок и устройств для доведения досуха полученных рассолов.