Обратный осмос. Мембрана обратного осмоса

Обратный осмос – это вынужденное движение растворителя сквозь полупроницаемую мембрану с целью получения раствора с большей или меньшей концентрацией. Растворитель, в этом случае, проходит сквозь мембрану, оставляя растворенное вещество.

Одна из практических целей применения обратного осмоса – увеличение концентрации растворенного вещества.

Обратный осмос – процесс, который используется для удаления широкого спектра солей с целью придания воде высокой чистоты. Осмос естественный процесс, представляющий собой течение жидкости через полупроницаемый мембранный барьер.

Если Вы отделяете раствор солей от чистой воды используя базовую тонкую полупроницаемую мембрану, как натянутую кожу, чистая вода проходит через мембрану и пытается разбавить солевой раствор. Если солевой раствор подводится в вертикальную трубу, тогда постепенно разбавляемый раствор будет наполнять трубу пока «осмотическое давление» при прохождении чистой воды через мембрану не станет таким же, как и напор разбавленного раствора.

Процесс может быть обратным – отсюда обратный осмос – при применении более высокого давления к солевому раствору. Тогда чистая вода будет проходить в другом направлении через мембрану при процессе, который можно представить себе как «фильтрация», когда фильтр пропускает только маленькие молекулы воды и задерживает почти все другие молекулы. Это означает, что вода с высоким уровнем природной соли может быть очищена без необходимости применения химических регенерационных растворов, таких как кислота и каустическая сода, используемые в установках деминерализации воды. Таким образом, обратный осмос считается более надежным способом производства чистой воды для многих коммерческих и промышленных применений, и в дополнение нет необходимости останавливать установку для регенерации, как в случае с установкой деминерализации воды.

В настоящее время сфера применения значительно расширилась и охватывает следующие направления:

• опреснение соленых вод;
• очистка сточных вод;
• стерилизация воды;
• повышение концентрации растворов.

Прямой осмос (неравновесное состояние)	Прямой осмос (равновесное состояние)	Обратный осмос

Принцип процесса обратного осмоса

Вода: а -пресная, б -морская А - прямой осмос; Б - установившееся равновесие; В - обратный осмос.

Принципиальная схема работы обратного осмоса основана на создании в системе давления посредством насоса. Уровень давления значительно превышает осмотическое, что позволяет пропускать растворитель сквозь полупроницаемые мембраны и задерживать растворенные низкомолекулярные (обратный осмос) вещества.

По сравнению с методами выпаривания, кристаллизации, ректификации и другими, процесс разделения, в случае с обратным осмосом менее энергоемкий. Система работает в условиях естественных температур, не требует дополнительного прогревания и фазовых превращений. Совокупность экономически выгодных свойств – энергоемкости и отсутствия сложных аппаратных схем – говорит о высокой эффективности рассматриваемых методов мембранного разделения.

Результатом обратного осмоса являются:

• раствор с высокой концентрацией растворенных веществ, называемый концентрат или ретант;
• очищенный раствор с практически полным отсутствием растворенных веществ, называемый пермеат или фильтрат.

Как показывает практика первичное разделение не всегда достаточно и необходимо получить более концентрированный или тщательнее очищенный раствор. В этом случае используют, так называемые, комплексные схемы, суть которых заключается в одновременной работе обратного осмоса или ультрафильтрации с иными методами разделения. При комплексном подходе дополнительно применяют способы выпаривания, ионного обмена и другие.

Обратноосмотические мембранные фильтры  опреснения активно используются с 60-х годов. Изначально такие установки использовали только для опреснения морских вод, теперь же обратным осмосом очищают речные и сточные воды.

На сегодняшний день обратный осмос уже вытеснил из сферы опреснения воды термические установки. Обратноосмотические фильтры превзошли и дистилляционные агрегаты благодаря относительно невысоким затратам на процессы опреснения. Наибольшее количество таких фильтров сосредоточено в следующих странах: США, Саудовская Аравия, Япония.

Вода, полученная методом обратного осмоса значительно дешевле, чем, например, вода из дистилляционных установок. Этим объясняется высокая конкурентоспособность обратного осмоса.

Факторами, влияющими на обратноосмотическое опреснение, стали:

• процент концентрации солей в исходном растворе;
• осмотическое давление воды исходной и опресненной;
• давление на фильтрационную мембрану;
• остаточная энергия сбрасываемой воды.

Отсутствие фазовых превращений в протекании процесса обуславливает его невысокую энергозатратность. Основные затраты энергии в процессе опреснения обратным осмосом направлены на снижение концентрационной поляризации.

От эффективности воздействия мембраны с водой напрямую зависит эффективность всего процесса опреснения, поэтому принятие мер по снижению концентрационной поляризации просто необходимо. Также в процессе фильтрации важную роль играют удельная проницаемость мембраны, её селективная способность, общая площадь её поверхности и перепады температур и давлений.

Процент обессоливания воды до 99,7%
Производительность от 2 до 7000 м³/сутки

Фильтр состоит:

• система предварительной очистки (дозирующая система хлоринации, мембранный насос, резервуар, подающая система, фильтры, панель управления).
• антискалантная дозирующая система с системой фильтрации и мембранный блок.
• станция химической очистки
• автоматическая система промывки
• основной насос высокого давления
• измерители расхода
• электрическая панель управления
• система дозирующего хлорирования

Фильтры обратного осмоса предназначены для подготовки питьевой, технологической и другой воды от растворённых в воде ионов, а также для обессоливания морской воды. В фильтрах обратного осмоса основной элемент – это мембрана, при помощи которой происходит очистка воды. Метод обратного осмоса заключается в прохождении исходной воды через специализированную полупроницаемую мембрану. Поры мембраны пропускают через себя только молекулы воды и соединения солей, размер молекул которых приблизительно соответствует размеру молекул воды. Благодаря свойствам воды возможно отделение от воды различных примесей, в основном это соли. Удаление солей из воды является основной функцией фильтров обратного осмоса. Чтобы очистить воду от солей, нужно создать требуемое давление воды на входе в фильтр. Для очистки и доочистки пресной воды (относительно невысокая минерализация) давление должно соответствовать 8-15 бар и до 75 бар при обессоливании морской воды. Использование обратного осмоса позволяет достигнуть степени очистки до 99,7%. Фильтры обратного осмоса применяются не только в пищевой, химической промышленности, но и в любых других отраслях с высокотехнологичным оборудованием, которое требует определенных норм качества используемой воды.

Схема установки фильтра обратного осмоса

Классификация мембран:

1. По методу их получения делятся на:
   • основанные на расплаве полимеров сухого, мокрого и сухомокрого формирования;
   • основанные на расплаве полиэлектролитных комплексов;
   • основанные на выщелачивании продуктов полимера;
   • основанные на порообразовании с помощью ядерных частиц;
2. По функциональному назначению мембраны;
3. По структурному назначению мембраны и материалу, из которого она изготовлена:
   • монолитные;
   • пористые.

В качестве отдельного типа выделяют ассиметричные мембраны, то есть те, у которых плотность полимера в поверхностном слое выше плотности полимера в основной массе.

Качество мембраны определяется по следующим параметрам:

• коэффициент проницаемости – количество вещества, которое способно пройти через мембрану за единицу времени;
• разделяющая способность;
• удельная производительность;
• стойкость к кислотам и щелочам – важна при опреснении, гарантирует долговечность мембраны.

Говоря о стойкости к кислотам и щелочам, стоит обратить внимание на то, что ацетатцеллюлозные мембраны не годны для долгого использования, быстро выходят из строя. Более надежными можно считать мембраны, изготовленные из полисульфатов и полиамидов, так как их устойчивость к щелочам и кислотам достаточно высока.

Наиболее важную роль играет стабильность вышеуказанных свойств фильтрационной мембраны. Именно стабильность мембраны гарантирует надежность работы всего фильтра.

Нестабильность рабочих свойств мембраны может быть вызвана резким колебанием давлений и температур в фильтре или же засорением пор самой мембраны. Закупоривание пор возникает под воздействием компонентов опресняемой среды: на поверхности мембраны образуется заметный солевой осадок, который тормозит процесс передвижения потоков воды. Также поры могут быть закупорины вследствие выпадения дисперсных частиц или коррозии. Ухудшение технических свойств компонентов опреснительного фильтра ведет к его поломке.

Для того чтобы снизить показатель концентрационной поляризации, необходимо проводить тщательную подготовку морской воды перед её опреснением в обратноосмотической фильтре.

Выбор температуры

Повышение температуры раствора, предназначенного для разделения, практически не отражается на селективности мембраны. Однако в зависимости от вязкости изменяется (обратно пропорционально) ее удельная производительность. Данное качество справедливо для температур, не вызывающих разрушение мембраны.

Кроме того, мембрана фильтра обратного осмоса имеет существенно меньший период эксплуатации, поскольку в условиях повышенных температур процесс гидролиза мембран происходит быстрее. Поэтому оптимальным температурным режимом для работы фильтра обратного осмоса считается 20-25°С. Исключение составляет ситуация с подачей уже подогретого технологического раствора, когда работа при температуре более 25°С экономически выгодна.

Выбор давления

При определенном уровне давления процесс обратного осмоса характеризуется увеличением удельной производительности мембраны. Однако в случае особо высоких давлений полимерные мембраны уплотняются, тем самым полностью аннулируя эффект повышения давления. С точки зрения загрязнения мембраны, вполне логично, что оно происходит значительно быстрее. Взвешенные частицы получают возможность глубже проникать в поры мембраны и образовывать на ней более плотный осадок.

Чтобы не допустить быстрого износа мембраны и преждевременного выхода ее из строя, определены оптимальные значения перепада давления, которые составляют:

• 5-6 МПа для плоских мембран;
• 2-3 МПа для мембран, состоящих из полых волокон.

Выбор мембраны обратного осмоса

Основным критерием выбора мембраны является качество пермеата: выполнение санитарно-гигиенических, технологических и других норм. Ориентируясь на требуемый результат, производят подбор мембраны с точки зрения ее максимальной удельной производительности и повышенной химической стойкости к технологическому раствору.

Если разделяемые растворы нейтральны, применяют, как правило, ацетатцеллюлозные мембраны. Основное преимущество такого вида мембран – хорошая разделяющая способность, но главный недостаток – отсутствие химической стойкости по отношению к щелочным и сильнокислым средам. Уровень рН должен находиться в диапазоне 3-8 единицы.

От показателя уровня pH зависит ионообменная способность полупроницаемых мембран. Этот показатель оказывает значительное влияние на размер коллоидных частиц, из которых создана полупроницаемая мембрана: растворяет и коагулирует эти частицы.  Очевидно, что от уровня pH и объема содержания солей зависит скорость образования отложений на мембране. Это касается как сульфатных, так и карбонатных отложений.

Сульфатные отложения отличаются рыхлой структурой, карбонатные, напротив, имеют плотную структуру, таким образом, они закрывают всю поверхность мембраны. Из-за сульфатных и карбонатных отложений поры мембраны засоряются, изменяются в размере, и, соответственно, изменяется селективная способность мембраны.

Именно поэтому морские воды реже очищают в обратноосмотических фильтрах – велик риск выхода из строя фильтрационной мембраны.  Поэтому чаще берется вода с меньшим изначальным содержанием солей, чем морская. А морская вода в установках обратного осмоса проходит только первичную обработку – готовится к опреснению в фильтрах другого типа.

Целью, с которой выполняется расчет гидравлического сопротивления, является последующий подбор фильтра обратного осмоса по величине фактического давления в его объеме, а также типа насоса по величине требуемого напора.

Мощности подобранного насоса должно хватать, чтобы:

• создавать рабочее давление через мембрану;
• преодолевать сопротивление потоку разделяемого раствора;
• преодолевать сопротивление потоку пермеата в системе дренажа;
• компенсировать потери давления, образовывающиеся благодаря силам трения, местному сопротивлению трубопроводов и запорной арматуры;
• поднять технологический раствор на заданную высоту.

Суммируя все указанные составляющие, пренебрегая последней (так как в общем объеме она мала) и принимая во внимание, что сила преодоления местных сопротивлений составляет приблизительно 10% от сопротивления потоку разделяемого раствора, получают итоговую формулу для определения давления, развиваемое насосом.

В случае течения жидкости через сетки-сепараторы и дренажный слой, расположенный в каналах, гидравлическое сопротивление определяется произведением гидравлического сопротивления полых каналов на соответствующие сеткам и дренажному материалу коэффициенты.

К особенностям установки относятся: использование импортной системы обратного осмоса, импортного насоса, автоматическое управление, несколько систем обеспечения безопасности, отличное качество воды, низкая стоимость, длительная эксплуатация в непрерывном режиме и отсутствие проблем с регенерацией.

Схема процесса обработки воды

Водоочиститель обратного осмоса

В водоочистителе обратного осмоса используется передовая технология обратного осмоса для удаления веществ, растворенных в воде. В процессе обработки только насос высокого давления потребляет энергию, не применяются такие химические соединения, как кислоты или щелочи. К особенностям водоочистителя относятся длительный срок службы, простота в эксплуатации, стабильное качество воды, низкие эксплуатационные расходы, отсутствие химического загрязнения и т.д.

Мембранный элемент, используемый в водоочистителе обратного осмоса «ZSR», представляет собой сложный спиральный элемент, импортный, известной торговой марки. Один мембранный элемент может обеспечить степень деминерализации более 99%. Насос высокого давления также импортный, известной торговой марки. Первая ступень оборудования снабжена поглощающим фильтром с активированным углем и фильтром глубокой очистки; наполнитель из активированного угля производится из скорлупы кокосовых орехов с высокими эксплуатационными качествами и обеспечивает необходимую защиту мембранного элемента. В процессе работы оборудования действуют такие функции управления и защиты, как защита от прекращения подачи воды, останов при заполнении резервуаров водой, мониторинг электропроводности. Оборудование может непрерывно работать в течение продолжительного времени в автоматическом режиме. В сочетании с оборудованием для стерилизации озоном и упаковочной линией оно может использоваться для непосредственного производства чистой питьевой воды.

Оборудование для обработки воды. Технические характеристики

Фильтр обратного осмоса для обессоливания морской воды производительностью 40м3/сутки. Диапазон обессоливания воды на выходе с фильтра – до 99,7%

Описание:

Система фильтрации предусматривает 2 стадии очистки.

На первой стадии происходит антискалантная обработка воды (удаление из воды до попадания на фильтр обратного осмоса веществ, которые могут образовывать осадок на мембранах) и предварительная фильтрация до размера 5 микрон.

Вторая стадия – мембранная очистка.

В состав фильтра входит:

1. Полностью автоматическая установка обратного осмоса производительностью 40 м3/сутки
2. Резервуар чистой воды объемом 1м3 с датчиками уровня воды
3. Вертикальный сдвоенный рабочий/резервный перекачивающий насос в сборе из нержавеющей стали
4. Ультрафиолетовая камера уничтожения бактерий
5. Полностью соединенный и опечатанный контейнер пригодный для окончательного подсоединения и ввода в эксплуатацию

Диапазон обессоливания воды на выходе с фильтра – до 99,7%

Подробное описание процесса

Фильтр обратного осмоса, производительностью 40 м3/день чистого фильтрата. Предложение было разработано с учетом того, что соленость воды до 15 промилле и установка будет размещена на платформе в открытом море.

Входящая необработанная вода будет храниться в резервуаре, где она будет дезинфицироваться с использованием электронного дозирующего насоса. После проведения в резервуаре для хранения 30 минут вода будет подаваться насосом для необработанной воды через двухступенчатый фильтр (для удаления взвешенных частиц) и фильтр дехлорирования.

На данном этапе дехлорированная вода будет подвергнута антискалантному дозированию, чтобы предотвратить образование окалины на мембранах обратного осмоса. Потом вода будет проходить через систему защитной фильтрации, установленную вверх по потоку системы обратного осмоса, с тонкостью фильтрации до 5 мкм, чтобы удалить возможные твердые частицы, которые могут оказать негативное влияние на работу мембран обратного осмоса.

На выходе фильтра обратного осмоса, концентрированная вода будет попадать в дренаж, а фильтрованная вода будет храниться в резервуаре для хранения фильтрата (не входит в объем поставки), где она будет дезинфицироваться при помощи постоянного электронного дозирующего насоса, чтобы гарантировать бактериостатический (препятствующий размножению бактерий) эффект против быстрого образования бактерий. На этом этапе насосом воды-фильтрата среда будет доступна для конечного использования.

Технические характеристики

1. Насос для необработанной воды

2. Автоматическая система хлорирования – 1 шт

Электронный, постоянно дозирующий насос с датчиком уровня для дозирования хлора.

Производительность регулируется с помощью потенциометра.

В поставку входит:

• мембранный дозирующий насос
• шкаф управления
• труба всаса и нагнетания
• фитинг инжекторной трубы
• нижний фильтр
• датчик уровня
• контрольная лампа для минимального уровня продукта
• резервуар для хранения продукта из полиэтилена

Все материалы, контактирующие с водой, пригодны для работы с питьевой водой.

Технические характеристики:

Данные по электрике:

Резервуар для хранения раствора:

Оборудован датчиком уровня

3. Противопесочный фильтр – 1 шт

Картриджные фильтры необходимо менять приблизительно раз в месяц.

4. Фильтр дехлоринации – 3 шт

Картриджные фильтры необходимо менять приблизительно раз в месяц.

5. Общее описание фильтра обратного осмоса и комплектующих

Фильтр проектируется по стандартам EC.

Все составляющие смонтированы на салазках.

Фильтр состоит из:

5.1 Антискалантная система дозирования

Система автоматически дозирует входящий продукт и состоит из:

Резервуара объемом 120 л в качестве емкости для раствора

Электронного мембранного дозировочного насоса, часть всаса в сборе с ступенчатым поплавковым выключателем, линией нагнетания и дозирующей форсункой.

5.2 Защитная микронная система фильтрации, установленная на входе в секцию осмоса

5.3 Необработанная вода

5.4 Конечная вода

5.5 Рабочее давление

5.6 Восстановление

5.7 Мембраны

Мембраны необходимо менять примерно каждые 3 года

5.8 Сосуды

5.9 Материалы трубопроводов

5.10 Основной насос высокого давления для создания высокого давления на мембранах – 1шт

5.11 Измерители расхода – 3 шт

Магнитная турбинная система с визуализацией на дисплее

5.12 Датчики давления

На заполнение глицерином

Система также оснащена реле низкого давления для давления на входе в отсек осмоса, реле высокого давления на выходе из насоса высокого давления, и реле высокого давления для раствора, проходящего через мембрану.

5.13 Электрический шкаф управления с микропроцессором и цифровым дисплеем

5.14 Процент обессоливания

6 Система хлорирования после очистки

Описание:

Фильтр полностью автоматический и размещен в контейнере.

Расчетная производительность – 300 м3/сутки

Система предусматривает 2 стадии очистки.

На первой стадии происходит антискалантная обработка воды (удаление из воды до попадания на установку обратного осмоса веществ, которые могут образовывать осадок на мембранах)

Вторая стадия – мембранная очистка.

В состав фильтра входит резервуар растворенных веществ с регулировкой уровня, сдвоенным рабочим/резервным перекачивающим насосом в сборе и ультрафиолетовой камерой уничтожения бактерий из нержавеющей стали с лампой предупреждения о неисправности.

Диапазон обессоливания воды на выходе с фильтра – до 99,7%

Вся необходимая электрическая часть уже собрана и смонтирована на фильтре, на месте остается только запитать.

Габаритные размеры фильтра (дл х шир х выс): 3900х1100х1750 мм

Спецификация:

Контроллер
Трансформатор/реле
Вход 3/4"
Слив на выпуске 3/4"
Фильтр с гранулированным активным углем
Контроль давления
Манометр низкого давления
Манометр насоса
Манометр обратного давления
Входной соленоид
Контроль расхода рециркуляции
Контроль процесса промывки
Соленоид промывки
Cкважинный резистивиметр
Расходомер растворенного вещества (фильтрата)
Расходомер концентрата
Выход растворенного вещества 1/2"
Мембрана
Реле низкого давления
Подсоединения мембраны
Электродвигатель насоса
Насос
Реле высокого давления
Расходомер рециркуляции

Подробное описание процесса

Необработанная вода хранится в резервуаре, там же происходит ее дезинфекция. Через 30 минут вода подается на двухступенчатый (противопесочный) фильтр (для удаления взвешенных частиц) и фильтр дехлоринации.

Дехлорированная вода подвергается антискалантному дозированию, в целях предотвращения окалины на мембранах обратного осмоса. Затем воду пропускают через систему защитной фильтрации, установленной вверх по потоку системы обратного осмоса, с тонкостью фильтрации до 5 мкм, чтобы удалить возможные твердые частицы, которые могут оказать негативное влияние на работу мембран обратного осмоса. Концентрированная вода, на выходе из фильтра обратного осмоса, попадает в дренаж, фильтрованная вода хранится в резервуаре для хранения фильтрата, где она дезинфицируется. После этого вода будет доступна для конечного использования.

Технические характеристики

1. Насос

2. Двухступенчатый (противопесочный) фильтр – 3 шт

Картриджные фильтры необходимо менять раз в месяц.

3. Фильтр дехлоринации – 3 шт

Картриджные фильтры необходимо менять раз в месяц.

4. Автоматическая система хлорирования – 1 шт

Электронный, постоянно дозирующий насос с датчиком уровня для дозирования хлора.

Производительность регулируется с помощью потенциометра.

В поставку входит:

• мембранный дозирующий насос
• шкаф управления
• труба всаса и нагнетания
• фитинг инжекторной трубы
• нижний фильтр
• датчик уровня
• контрольная лампа для минимального уровня продукта
• резервуар из полиэтилена для хранения продукта

Все материалы, контактирующие с водой, пригодны для работы с питьевой водой.

Технические данные:

Резервуар:

Оборудован датчиком уровня

5. Фильтр обратного осмоса состоит из:

Системы дозирования антискаланта

Система автоматически дозирует входящий продукт. Состоит из:

• Резервуара объемом 120 л в качестве емкости для раствора
• Электронного мембранного дозировочного насоса, часть всаса в сборе со ступенчатым поплавковым выключателем, линией нагнетания и дозирующей форсункой.

Защитная микронная система фильтрации, установленная на входе в секцию осмоса

Необработаннаявода

Давление воды, входящей на первую стадию защитной фильтрации, должно быть между 3 и 5 бар

Конечная вода

Рабочее давление

Восстановление

Мембраны

Мембраны необходимо менять примерно каждые 3 года

Сосуды

Материалы трубопроводов

Основной насос высокого давления для создания высокого давления на мембранах – 1 шт

Измерители расхода – 3 шт

Магнитная турбинная система с визуализацией на дисплее

Датчики давления

На заполнение глицерином

Система также оснащена реле низкого давления для давления на входе в отсек осмоса, реле высокого давления на выходе из насоса высокого давления, и реле высокого давления для раствора, проходящего через мембрану.

Электрический шкаф управления с микропроцессором и цифровым дисплеем

Процент обессоливания на выходе 99,5 %

Фильтр размещен в двух 40 футовых контейнерах: один для системы предварительной обработки морской воды, второй для систем защитной микрофильтрации и обратного осмоса. Оба контейнера включены в объем поставки.

Необходимое количество фильтров:

• фильтр для удаления взвешенных твердых частиц - 2 шт (установлены параллельно).
  Каждый фильтр необходимо менять раз в месяц
• фильтр для удаления остаточного хлора в воде - 2 шт (установлены параллельно).
  Каждый фильтр необходимо менять раз в месяц
• мембраны обратного осмоса - 36 штук (6 сосудов по 6 мембран в каждом)
  Мембраны необходимо менять примерно каждые 3 года

Коэффициент восстановления - 50%

Чертеж фильтра обессоливания 500 м³/день

Инженеры всегда готовы проконсультировать или предоставить дополнительную техническую информацию по предлагаемым фильтрам обратного осмоса.

• Reverse osmosis filters and systems
• Osmosefiltern und Osmoseanlagen
• Plantas y filtros de ósmosis inversa