Обратный осмос и нанофильтрация в водоочистке

Баромембранные процессы являются современным и востребованным методом очистки жидкости как в быту, так и в промышленности. Основной конструктивной частью мембранных установок является полупроницаемая перегородка, через которую под сильным давлением проходит жидкая среда (как правило, вода).

Важнейшей характеристикой мембраны является селективность, то есть «проницаемость». Этот фактор во многом определяет качество очистки воды и, следовательно, сферу применения.

Нанофильтрация как способ водоподготовки занимает промежуточное положение между обратным осмосом и ультрафильтрацией. Пористая мембрана, используемая при нанофильтрации, задерживает частицы размером порядка 0,002-0,001 мкм. Для сравнения: размеры пор ультрафильтрационной перегородки не пропускают загрязнения 0,001–0,02 мкм, а обратноосмотические установки задерживают микроэлементы диаметром 0,0001–0,001 мкм.

Сфера применения нанофильтрации

Нанофильтрационные мембраны появились в конце прошлого века и с тех пор занимают достойное место среди всех инструментов очистки или концентрирования воды. Основными областями применения нанофильтрации являются:

  • Производство напитков
  • Пищевая промышленность
  • Изготовление фармацевтических, парфюмерных и лекарственных средств
  • Производство лакокрасочной продукции
  • Нефтехимическая промышленность
  • Фильтрация водных растворов перед финишной очисткой ионным обменом и другими методами водоподготовки

Преимущества и недостатки нанофильтрации

Нанофильтрационное оборудование качественно очищает жидкую среду от бактерий, вирусов, органических соединений (в том числе, пестицидов), коллоидных частиц, молекул солей, тяжелых металлов, а также нитритов, нитратов и других растворенных веществ, характеризующихся молекулярными массами от нескольких сотен до нескольких тысяч. Качество очистки воды является главным преимуществом нанофильтрации по сравнению с ультрафильтрацией и микрофильтрацией, которые задерживают частицы размером 0,001–0,02 мкм и 0,1-1 мкм соответственно. Это преимущество обусловлено структурой нанофильтрационной мембраны, имеющей более проницаемый и менее плотный селективный слой, чем у мембраны, которая используется в ультрафильтрационных установках. Стоит добавить, что очистка воды по методу нанофильтрации не требует использования реагентов.

Вторым достоинством нанофильтрации как способа водоподготовки является полное сохранение в жидкой среде солей и микроэлементов, необходимых для организма человека. К примеру, метод обратного осмоса обеспечивает более высокое качество очистки воды, но при этом полностью деминерализует жидкость, делая ее «мертвой». Именно поэтому воду, прошедшую нанофильтрацию, предпочтительно использовать на предприятиях по изготовлению и розливу напитков, производству продуктов питания, а также в бытовых условиях.

Третье преимущество нанофильтрации является то, что этот способ водоподготовки позволяет получить воду точной жесткости. Для сравнения: обратный осмос умягчает воду с большей глубиной, но при этом делает ее более агрессивной, что нередко становится причиной коррозии оборудования и труб.

Немаловажным достоинством нанофильтрации является экономическая целесообразность. Это обусловлено тем, что в сравнении с обратным осмосом процесс нанофильтрации протекает при меньших напорах (до 7 бар) и, следовательно, потребляет меньше энергии.

И наконец, селективность нанофильтрационной мембраны позволяет использовать такие установки в случаях, когда системы обратного осмоса использовать невыгодно. Речь идет об отделении гексана при производстве растительного масла, многостадийном химическом синтезе при изготовлении лекарственных средств и пр.

Среди недостатков нанофильтрации можно назвать недостаточную глубину умягчения воды в ряде случаев, необходимость тщательной предподготовки жидкой среды и высокие эксплуатационные расходы.

Небольшой ассортимент бытовых систем нанофильтрации представлен на нашем сайте в разделе «Нанофильтрационные системы», для подбора систем нанофильтрации для коттеджей и производственных целей рекомендуем обратиться к нашим специалистам по бесплатному номеру: 8-800-234-85-48.

Как очищали воду до нанофильтрации

Современные водоочистные технологии на сегодняшний день малоизвестны и представляют собой выгодную нишу для бизнеса. Сейчас в таких устройствах применяется и микроэлектротехника, и сенсорное управление. Тем не менее проверенные старые методы очистки воды еще пользуются популярностью. В чем же причина?

Во-первых, это обусловлено низкой платежеспособностью населения. Далеко не каждый гражданин РФ может себе позволить приобрести дорогостоящее оборудование. Поэтому россияне до сих пор отстаивают, осветляют и кипятят воду. К тому же, многие современные водоочистные устройства подходят только для предварительно обработанной воды, и при помощи осветления люди избавляют воду от определенного осадка, а также от взвешенных частиц. Данных микроэлементов в паводковый период насчитывается около 2500 мг/л воды. Далее в таблице вы можете ознакомиться с информацией, как быстро оседают те или иные примеси в воде, нагретой до кипения (100 °С).

Вид примесей

Скорость осаждения, мм/с

Время выпадения в осадок

Крупный песок

10 секунд

Мелкий песок

2 минуты

Ил

0,154

2 часа

Глина

0,00154

неделя

Мелкая глина

0,0000145

2 года

Кипячение как способ смягчения воды работает не так долго, как отстаивание, однако при этом формируется накипь, которая является одним из самых существенных недостатков некачественной воды. И в отличие от старых технологий очистки воды, новые способны избавить воду от образования осадка.

Статьи, рекомендуемые к прочтению:

  • Виды фильтров для воды и их характеристики

  • Как установить фильтр для воды — полезные советы

  • Как пить воду правильно: практические рекомендации

Очищать воду можно не только с целью умягчения. Зачастую жидкость, используемую для технических нужд, достаточно очистить от переизбытка железа и болезнетворных бактерий. Воду очищают от железа с помощью окислителей или специальных установок, отфильтровывающих железосодержащие примеси.

Также, помимо жесткости, существуют и другие проблемы. Как правило, вода, добываемая из глубоких скважин, содержит огромное количество разнообразных примесей, с некоторыми из которых бороться довольно трудно.

Добиться того, чтобы такая вода стала чистой, мягкой и пригодной для питья, непросто. Идеальных фильтров не бывает. Одно устройство не может подойти для абсолютно любой воды, потому что жидкость из разных источников обладает различным набором примесей. Именно поэтому для бытовых нужд и в промышленности пользуются водоподготовкой – специальным комплексом фильтров, который помогает очистить воду от различных элементов. Из всех способов очистки воды чаще всего отдают предпочтение:

  • Озонированию – окислению примесей посредством жидкого кислорода. Данный способ является экологически безопасным. Озон за довольно короткий срок испаряется с поверхности, эффективно борется с вирусными бактериями. Единственный минус заключается в том, что могут образоваться биологические наросты.

  • Ультрафильтрации – одному из наиболее известных мембранных методов, который относится к разряду новейших технологий очищения воды. С помощью ультрафильтрации можно устранить практически любые примеси. Но недостаток всех разновидностей приборов данного метода заключается в том, что они работают только с заранее подготовленной жидкостью. Таким образом, воду нужно предварительно очистить.

  • Обратному осмосу – первому варианту мембранного метода очистки. Он отлично борется не только с жесткостью воды, но и органикой, большим количеством бактерий, вирусов, превосходно опресняет морскую воду. Благодаря данному методу очистки можно получить действительно качественную питьевую воду.

  • Ионообменным методам, которые являются довольно старыми, но проверенными и довольно часто используемыми, поскольку ионы лучше всего смягчают воду, сохраняя при этом высокую скорость очистки.

  • Смешанным установкам, которые относятся к технологиям очистки воды. К таким методам относятся, например, озоно-каталитические приборы с использованием активированного угля. Данные технологии избавляют жидкость от хлористых и органических соединений, при этом уголь сохраняет свои водоочистные свойства.

Читайте материал по теме: Вредные примеси в воде: виды и способы очистки

Историческая справка: Трапеза монаха

Все началось с того, что в 1748 году французский ученый, монах Нолле, решил пообедать. Перед трапезой он поместил бычий пузырь с вином в воду, задавшись целью охладить напиток, и стал размещать на столе все, что послал Бог. Но вина, к сожалению, в тот день отведать ему не довелось: то ли Бог хотел видеть монаха трезвым, то ли решил наказать его за какие-то грехи, но пузырь с вином увеличился в объеме и лопнул. Выяснилось, что вода проникла в пузырь через его стенку.

Так было открыто явление самопроизвольного проникновения через пленку малоконцентрированного раствора (природной воды) в более концентрированный (вино). Это явление впоследствии получило название ОСМОС, а ученые стали обращать внимание на тонкие пленки животного происхождения (мембраны), которые, к изумлению исследователей, оказались пористыми. Было установлено, что процесс осмоса продолжается до некоторого момента — когда между растворами устанавливается определенная разница в давлении — так называемое осмотическое давление.

Почти два столетия изучались удивительные осмотические явления и свойства пленок-мембран, пока в Германии, после первой мировой войны, не была изготовлена первая искусственная мембрана для продажи и промышленного использования.

Позднее, в 60-е годы XX века, стало возможным создание такого давления над концентрированным раствором перед мембраной, которое превышало бы осмотическое и заставило растворитель (чаще всего воду) протекать в обратном направлении по отношению к осмосу, т.е. из концентрированного раствора в разбавленный. Такой процесс получил название ОБРАТНЫЙ ОСМОС и положил начало бурному развитию мембран — нанофильтрационных и обратноосмотических, используемых для разделения жидких смесей и в том числе для очистки воды. Годовой мировой объем реализации мембранной техники вырос с тех пор в сотни раз и продолжает расти.

Секрет индивидуальности

Последними технологическими разработками в области обратноосмотических и нанофильтрационных мембран являются композитные мембраны с селективным полиамидным слоем.

Достоинствами полиамидных мембран является то, что они работают в широком диапазоне рН (2-12) и способны давать высокую производительность при более низком давлении по сравнению с другими мембранами. В зависимости от условий получения из полиамидного материала можно создать очень селективные — обратноосмотические мембраны — или умеренно селективные — нанофильтрационные мембраны.

Нанофильтрационные и обратноосмотические мембраны аналогичны по принципу работы, а отличаются размером пор и соответственно размером задерживаемых примесей. Так нанофильтрационные мембраны характеризуются размером пор до 10 нм и удаляют молекулы и многозарядные ионы, имеющие размер от 0,001 мкм, органические молекулы с молекулярной массой выше 300 и все бактерии и вирусы. Обратноосмотические мембраны характеризуются минимальным размером пор (до 1 нм), соизмеримым с размером одиночных ионов, поэтому извлекаются 99% всех растворенных в воде примесей.

В процессе фильтрации происходит концентрирование веществ, которые не проходят через мембрану, у поверхности мембраны. В результате возможно осадкообразование на мембране, что существенно снизит ее производительность. Для того чтобы избежать подобных проблем, мембранная система должна быть правильно спроектирована и укомплектована соответствующими блоками предварительной очистки.

Более сложной проблемой является локальное концентрирование у поверхности мембраны (так называемая концентрационная поляризация), когда очень трудно предсказать, будет ли превышена растворимость определенных веществ. Чтобы решить эту проблему, необходимо обеспечить хорошее перемешивание концентрата, что зависит от конструкции мембранного модуля. Наиболее эффективное перемешивание концентрата достигается в рулонных мембранных модулях. В них у поверхности мембраны расположена тонкая сетка, которая препятствует образованию стационарного слоя жидкости в процессе фильтрации и способствует перемешиванию концентрата. Такая конфигурация также позволяет производить более компактные установки по сравнению с установками с плоскими мембранными элементами.

При производстве мембранных установок ООО «Осмос» использует рулонные полиамидные мембранные элементы.

О применении мембран

Обратноосмотические и нанофильтрационные мембраны широко применяются в процессах очистки природных вод. Еще несколько лет назад основной областью их применения было промышленное использование — на предприятиях розлива воды, для производства алкогольных и безалкогольных напитков, в пищевой промышленности, в фармацевтике, электронике и т. д.- словом, везде, где нужна чистая вода.

В последние годы начался новый бум в мембранной технологии. Мембранные установки стали все больше и больше использоваться в быту. Это стало возможным благодаря научным и технологическим достижениям: мембранные аппараты стали дешевле, возросла удельная производительность, и снизилось рабочее давление. Обратноосмотические мембраны незаменимы для снижения общей минерализации воды (обессоливании) и широко используются для очистки пресной, в том числе водопроводной, воды.

Основные достоинства обратноосмотических систем — такие как высокая степень очистки, стабильное качество очищенной воды, универсальность метода, небольшие габариты установок, длительный срок службы мембран (до 5 лет) — обеспечивают данной технологии все большую популярность.

История

С тех пор, как были разработаны методы обратного осмоса (ОО) и ультрафильтрации (УФ) в конце 50-х – начале 60-х гг прошлого века, спектр их применения постоянно расширялся. Изначально обратный осмос использовался для обессоливания морской и солоноватой воды. Повышение требований к промышленным предприятиям по сбережению воды, снижению расхода электроэнергии, контролю загрязнений и переработке отходов с целью повторного использования сделали новые применения обратного осмоса экономически привлекательными. Кроме того, благодаря прогрессу в биотехнологии и фармацевтике, вместе с продолжающимся прогрессом в развитии мембран, мембраны в настоящее время представляют собой важный этап для сепарации воды и примесей, который является более энергосберегающим, чем дистилляция, и не приводит к разрушению продуктов под действием температуры.

В целом, в настоящее время мембраны обратного осмоса делают возможным более интенсивное удаление солей при значительно меньшем рабочем давлении и, следовательно, меньших затратах. С помощью нанофильтрационной мембранной технологии можно удалять определённые соли и соединения при сравнительно низких рабочих давлениях.

Технологии мембранной очистки и их применение

Мембранные технологии обратного осмоса (ОО) и нанофильтрации (НФ) получили широкое признание в качестве наиболее эффективных и экономичных из доступных в настоящее время процессов. Обратный осмос и нанофильтрация способны очищать пресную, солоноватую, морскую воду из большинства естественных источников. Комбинация различных типов фильтрации и их ступеней очистки позволяет получать фильтрат, соответствующий большей части требований разных отраслей промышленности и питьевому качеству.

Различают по качеству воду, используемую для хозяйственно-питьевых нужд, для пищевой промышленности, орошения полей, для животноводства и др. отраслей народного хозяйства; для охлаждения элементов технологических агрегатов, пара, жидких и газообразных продуктов в холодильниках и конденсаторах; для нужд энергообеспечения населения и предприятий (питание паровых котлов); технологических целей промышленности; заводнения нефтяных пластов и т. д. За счёт применения ОО и НФ по отдельности, в сочетании друг с другом или с другими процессами, например, ионным обменом, можно снизить эксплуатационные затраты на реагенты, количество и качество сбрасываемых стоков. ОО занял свое место для производства сверх чистой воды, применяющейся в производстве полупроводников, энергетике (вода для подпитки котлов) и для медицинских/ лабораторных целей.

Различные технологии фильтрации, существующие в настоящий момент, можно классифицировать по размеру частиц, удаляемых из потока исходной воды. Традиционная макрофильтрация предназначена для очистки от взвешенных веществ и представляет собой пропуск исходной воды через фильтрующую загрузку. Очищаемая вода проходит через весь слой загрузки, а взвешенные вещества и грубодисперсные примеси оседают на поверхности или в объеме загрузки. Примерами такой фильтрации служат патронные фильтры, мешочные фильтры, песчаные фильтры и многослойные фильтры (фильтры с разнородной загрузкой). Разделяющая способность макрофильтрации обычно ограничивается удалением нерастворенных частиц крупнее 1 мкм. Для удаления мелких частиц и растворенных солей используются разные виды мембранной очистки.

При мембранной очистке исходная вода подается под давлением, поток воды проходит параллельно мембранной поверхности. Часть этого потока проходит через мембрану, оставляя задержанные частицы на поверхности или же задержанные примеси в концентрированном виде выводятся с отдельным потоком, называемым концентратом. Так как поток через мембранную поверхность проходит непрерывно, задержанные частицы не скапливаются, а отводятся с потоком концентрата. Таким образом, один поток исходной воды разделяется на два: поток очищенной воды (пермеат) и поток, насыщенный примесями (концентрат). По рейтингу фильтрации мембранная очистка делится на: микрофильтрацию, ультрафильтрацию, нанофильтрацию, обратный осмос.

Микрофильтрация (МФ)

Микрофильтрация позволяет удалять частицы в диапазоне приблизительно 0,1–1 мкм. В целом, взвешенные частицы и крупные коллоидные частицы задерживаются, в то же время макромолекулы и растворенные твёрдые частицы проходят через МФ мембрану. МФ применяется для удаления бактерий, хлопьевидных материалов или общей взвеси. Рабочее давление обычно составляет около 0,7 бар.

Ультрафильтрация (УФ)

Ультрафильтрация позволяет удалять частицы в диапазоне приблизительно от 20 до 1000 Ангстрем (до 0,1 мкм). Все растворенные соли и более мелкие молекулы проходят через мембрану. Вещества, задерживаемые мембраной, включают коллоиды, белки, микробиологические загрязнения и крупные органические молекулы. Большая часть УФ мембран имеет рейтинг по молекулярной массе между 1000 и 100 000 Ангстрем. Рабочее давление обычно составляет около 1–7 бар.

Нанофильтрация (НФ)

Нанофильтрация позволяет удалять частицы в размером в нанометры, отсюда и термин «нанофильтрация». Нанофильтрация представляет собой средний процесс между ультрафильтрацией и обратным осмосом. Молекулы органических веществ с молекулярной массой 200–400 задерживаются. Кроме того, задерживаются растворенные соли на 20–98 %. Соли, содержащие одновалентные ионы (например, хлорид натрия или кальция), задерживаются на 20–80 %, в то время как соли с двухвалентными анионами (например, сульфат магния), задерживаются в большей степени (90–98 %). НФ используется для удаления цветности и общего органического углерода из поверхностных вод, удаления жёсткости или радия из артезианской воды, общего снижения содержания растворенных веществ. Рабочее давление обычно составляет около 3,5–16 бар.

Обратный осмос (ОО)

Обратный осмос представляет собой самый тонкий уровень фильтрации. ОО мембраны служат барьером для всех растворенных солей, а также для веществ с молекулярным весом более 100. Молекулы воды, наоборот, свободно проходят через мембрану, благодаря чему на выходе создаётся поток чистой воды. Задержание растворенных солей обычно составляет 95 %–99,9 %. Рабочее давление ОО обычно варьируется от 5 бар для солоноватой воды и до 84 бар для морской воды.

Принципы работы обратного осмоса и нанофильтрации

Как работает обратный осмос

Явление осмоса можно увидеть, если в одну часть сосуда, разделенного полупроницаемой мембраной, налить чистую воду, а в другую — соленую. Термин «полупроницаемая» означает, что мембрана является проницаемой для одних частиц и непроницаемой для других. Если использовать мембрану проницаемую только для молекул воды, то она не будет пропускать через себя растворенные в воде соли. Спустя некоторое время можно будет заметить, что концентрации в обеих частях сосуда выравниваются. Таким образом происходит явление осмоса — чистая вода проходит через полупроницаемую мембрану в сторону концентрированного раствора и концентрации выравниваются. Это явление естественно, т. к. любая система стремится к равновесию.

Из рисунка видно, что в результате осмоса увеличивается высота столба жидкости в той части сосуда, где находился соленый концентрированный раствор. Высота будет увеличиваться до тех пор, пока давление столба жидкости (соляного раствора) не будет достаточно высоким, чтобы поток воды остановился. Прилагаемое давление, при котором поток воды через мембрану остановится, называется осмотическим давлением. Если к жидкости приложить ещё большее давление, поток воды через мембрану может развернуться в обратном направлении. На этом и основан термин «обратный осмос». В результате воздействия давления из соляного раствора через мембрану будет выходить только чистая вода, так как соли мембрана не пропускает.

Как работает нанофильтрация

Нанофильтрационная мембрана не является абсолютным барьером для растворенных солей. Степень пропускания солей может быть низкой или высокой в зависимости от типа соли и типа мембраны. Нанофильтрационные мембраны с низкой проницаемостью имеют почти такое же рабочее давление, что и обратный осмос. Нанофильтрационные мембраны с высокой проницаемостью работают при более низком давлении. На практике обратный осмос и нанофильтарция применяются с тангенциальным процессом фильтрации. С помощью насоса высокого давления исходная вода непрерывно подается в систему мембран при повышенном давлении. Внутри мембранной системы исходная вода разделяется на поток с низким содержанием солей — очищенный продукт, называемый пермеатом, и высококонцентрированный поток, называемый концентратом. Клапан регулирования потока, называемый клапаном концентрата, регулирует выход пермеата.

При описании процессов обратного осмоса/ нанофильтрации обычно используются следующие термины.

Выход пермеата — процент получаемой очищенной воды (пермеата) от исходной воды, поступающей на мембранную очистку. Определенное значение выхода достигается регулированием расхода концентрата с помощью вентиля на концентрате. Выход пермеата фиксируется на максимальном уровне, при котором расход по пермеату является максимальным, но при этом исключается осаждение солей на поверхности мембран.

Степень очистки — процент растворённых веществ, удалённых на мембране из исходной воды. При обратном осмосе важно, чтобы степень удаления общего растворённого вещества была высокой, в то время как при нанофильтрации степень очистки от разных веществ может быть различной, например, возможна низкая степень удаления жёсткости и высокая степень удаления органического вещества.

Проскок — термин, противоположный термину «степень задержания», т. е. процентная доля растворенных (загрязняющих) веществ, содержащихся в — исходной воде, пропускаемых мембраной.

Пермеат — очищенная вода, полученная в результате мембранной очистки.

Расход (производительность) — расходом по исходной воде называется скорость потока исходной воды в м3/ч, подаваемой в мембранный элемент или систему мембран. Производительность по концентрату — скорость концентрированного потока в м3/ч на выходе из мембранного элемента или мембранной системы. Производительность по пермеату — скорость потока по фильтрату (пермеату) в м3/ч на выходе из мембранного элемента или мембранной системы.

Удельная производительность — скорость потока пермеата, проходящего через единицу мембранной площади, обычно измеряется в литрах на квадратный метр (л/м2×ч).

Факторы, влияющие на работу обратного осмоса и нанофильтрации

Удельная производительность по пермеату и степень очистки — ключевые параметры, на которые обращают внимание при проектировании установок обратного осмоса или нанофильтрации. В основном на удельную производительность и степень очистки мембранной системы влияют несколько параметров, а именно:

  • давление;
  • температура;
  • выход пермеата;
  • концентрация солей в исходной воде.

Для предоставления технико-коммерческого предложения необходимо заполнить форму заказа.

Закладка Постоянная ссылка.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *