Сущность метода обратноосмотического разделения растворов
Обратным осмосом называется метод опреснения, основанный на фильтровании соленой воды через полупроницаемую мембрану, пропускающую воду, но задерживающую ионы растворенных в воде солей. Если растворитель и раствор разделить полупроницаемой перегородкой, пропускающей молекулы растворителя и задерживающей молекулы растворенного вещества, то растворитель начнет переходить через перегородку в раствор. Этот самопроизвольный переход и называется осмосом.
Переход растворителя в раствор сопровождается увеличением объема раствора и возрастанием гидростатического давления в сосуде с раствором. При установлении равновесия отвечающее ему давление может служить количественной характеристикой явления обратного осмоса. Оно называется осмотическим давлением и равно тому давлению, которое нужно приложить к раствору, чтобы привести его в равновесие с растворителем, отделенным от него полупроницаемой перегородкой.
Чтобы осуществить опреснение воды, нужно создать избыточное давление и заставить воду фильтроваться через мембрану в направлении, противоположном осмотическому переносу, т. е. со стороны соленой воды.
В процессе обратного осмоса вода и растворенные в ней вещества разделяются на молекулярном уровне, при этом с одной стороны мембраны накапливается практически идеально чистая вода, а все загрязнения остаются по другую ее сторону.
Явление обратного осмоса используют для очистки воды от различных примесей, так как обратный осмос обеспечивает более высокую степень очистки, чем большинство традиционных способов очистки воды, основанных на фильтрации механических частиц и адсорбции ряда веществ с помощью активированного угля.
К тому же метод обратного осмоса гораздо проще и дешевле в эксплуатации по сравнению с ионообменными системами.
Бытовые системы обратного осмоса имеют небольшие размеры, и, как правило, размещаются под кухонной мойкой. Для их работы требуется давление 2,5–5 атмосфер, при более низком давлении требуется подключение встраиваемого насоса.
Основные блоки бытовой системы обратного осмоса
Основными блоками бытовой системы обратного осмоса являются:
Префильтры
Используются для предварительной очистки воды от нерастворимых частиц, хлора, органических веществ до того, как вода достигнет мембраны, и способствуют увеличению срока службы основного чистящего элемента системы – мембраны. В зависимости от степени загрязненности исходной воды рекомендуется выбирать модели с двумя или тремя префильтрами.
Первая ступень (первый префильтр) – картридж из вспененного или нитяного полипропилена, обеспечивающий предварительную очистку воды от песка, ржавчины и других механических примесей размером более 5–20 мкм. Частота замены этого картриджа зависит от конкретных условий эксплуатации (в среднем – один раз в полгода).
Вторая ступень (второй префильтр) – картридж, содержащий прессованный или гранулированный активированный уголь. Он задерживает хлор и его соединения. Периодичность замены картриджа – 1–2 раза в год.
Третья ступень (третий префильтр) – также картридж из вспененного или нитяного полипропилена, обеспечивающий более тонкую очистку воды от механических примесей размером более 1–5 мкм (в бытовой четырехступенчатой обратноосмотической системе эта ступень отсутствует). Частота замены этого картриджа также зависит от конкретных условий эксплуатации (в среднем – один-два раза в год).
Мембранный элемент
Четвертая ступень – заключенная в пластиковом корпусе мембрана, свернутая в рулон. Мембрана является главным элементом системы обратного осмоса. Мембрана разделяет поток воды после фильтрации на чистую воду (пермеат) и «грязную» (концентрат). Срок службы мембранного элемента при правильной эксплуатации и своевременной замене фильтров предварительной очистки – 2–3 года.
В среднем RO-мембраны задерживают 97–99 % всех растворенных веществ, бактерии, вирусы, соли, железо и гумусовые соединения, придающие воде цветность, патогенные вещества и пропускают лишь молекулы воды, растворенные газы и легкие минеральные соли. Такие мембраны используются во многих отраслях промышленности, где есть необходимость в получении воды высокого качества (разлив воды, производство алкогольных и безалкогольных напитков, пивоварение, пищевая промышленность, фармацевтика, электронная промышленность и т. д.).
Определить эффективность работы мембраны можно по производительности – следует убедиться, что давление в норме и картриджи не задерживают поток воды.
Современные обратноосмотические мембраны – композитные – состоят из нескольких слоев. Общая толщина 10–150 мкм, причем толщина собственно селективного слоя, который определяет селективность мембраны – не более 1 мкм. В бытовых системах в основном применяются мембраны из двух материалов – триацетат целлюлозы (международное название – СТА) и тонкопленочный композит (ТFC).
1 – префильтр – картридж из вспененного полипропилена (5 мкм); 2 – префильтр – угольный картридж; 3 – префильтр-картридж из вспененного полипропилена (1 мкм); 4 – четырехходовой клапан; 5 – мембранный элемент; 6 – гидроаккумулятор; 7 – постфильтер – посткарбон; 8 – ограничитель дренажа; 9 – кран для питьевой воды; 10 – байпасная линия; 11 – слив в дренаж; 12 – обратный клапан
В комплектацию обратноосмотических фильтров, как правило, входит:
Накопительная емкость
Представляет собой бак для хранения очищенной воды – гидроаккумулятор, общий объем которого 10–15 л (полезный объем – 6–8 л). Т. к. производительность мембраны очень мала, гидроаккумулятор необходим для создания некоего запаса очищенной воды, которая поступает к пользователю при открытии крана. Гидроаккумулятор состоит из металлического корпуса, внутри которого находится мембрана (груша). Очищенная вода накапливается внутри мембраны, давление в воздушной полости в пустом баке 0,5–0,6 атм.
Автоматический диафрагменный клапан, предназначенный для отключения подачи воды в бак при его наполнении.
Постфильтр
Это последний, финишный фильтр; представляет собой неразборный пластиковый корпус с активированным углем, который после выработки ресурса полностью заменяется. Если система обратного осмоса долгое время не используется, то очищенная вода, находящаяся в баке для хранения очищенной воды и трубках, может приобрести неприятный привкус или запах. Угольный постфильтр служит для устранения посторонних запахов и привкусов. Периодичность замены постфильтра – 1 раз в 3–6 месяцев или при появлении «горьковатого» привкуса в очищенной воде.
Минерализатор – картридж, который обогащает воду минеральными веществами (солями кальция, магния, калия, натрия).
Кран для питьевой воды
Каждая система комплектуется отдельным краном для очищенной воды, независимым от общего потока воды для хозяйственных нужд. Кран врезается в кухонную мойку или столешницу.
Комплект для подключения (врезки) в водопровод – предназначен для подключения системы обратного осмоса к магистрали холодного водоснабжения.
Комплект для врезки в сливную магистраль – предназначен для подключения системы обратного осмоса к канализации и слива концентрата в канализацию.
Мембранные системы очистки воды имеют ряд достоинств. Загрязнения не накапливаются внутри мембраны, а смываются потоком воды с поверхности мембраны и сливаются в дренаж, что исключает вероятность их попадания в очищенную воду. Благодаря такой технологии, даже при значительном ухудшении параметров исходной воды, качество очищенной воды остается стабильно высоким. Со временем лишь понижается производительность фильтра (в бытовых системах, устанавливаемых под мойкой, потребитель легко сможет их заменить самостоятельно). Другое преимущество – в конструкции фильтра отсутствуют какие-либо химические реагенты, что обеспечивает их экологическую безопасность.
Мембранные системы компактны и прекрасно вписываются в интерьер. Они просты в эксплуатации и не нуждаются в излишнем внимании со стороны пользователя.
Ультрафильтрационные системы. Описание, принцип действия. Отличия от обратного осмоса
Ультрафильтрацию, в отличие от обратного осмоса, используют для разделения систем, в которых молекулярная масса растворенных компонентов намного больше молекулярной массы растворителя. Например, для водных растворов принимают, что ультрафильтрация применима тогда, когда хотя бы один из компонентов системы имеет молекулярную массу от 500 и выше.
