Обратный осмос

Метод обратного осмоса возник в 1953 г., когда Рейдом и Бретоном (США) были открыты полупроницаемые свойства ацетилцеллюлозных мембран. Технология производства полупроницаемых мембран была усовершенствована Маникяном (США), разработавшим способ промышленного изготовления мембран из раствора ацетилцеллюлозы в ацетоне и формамиде. В дальнейшем были изготовлены мембраны, которые можно длительное время хранить в сухом виде, а также мембраны в виде полых волокон и составные (композитные) мембраны. Качество мембран постепенно совершенствуется, ассортимент расширяется. Обратный осмос – один из наиболее перспективных методов обработки воды, преимущества которого заключены в малых энергозатратах, простоте конструкций аппаратов и установок, малых их габаритах и простоте эксплуатации; применяется для обессоливания вод с солесодержанием до 40 г/л, причем границы его использования постоянно расширяются.

Если растворитель и раствор разделить полупроницаемой перегородкой, пропускающей только молекулы растворителя, то растворитель начнет переходить через перегородку в раствор до тех пор, пока концентрации растворов по обе стороны мембраны не выравниваются. Процесс самопроизвольного перетекания веществ через полупроницаемую мембрану, разделяющую два раствора различной концентрации (частный случай – чистый растворитель и раствор), называется осмосом (от греч.: osmos – толчок, давление). Если над раствором создать противодавление, скорость перехода растворителя через мембрану уменьшится. 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 чистым растворителем, отделенным от него полупроницаемой перегородкой. Применительно к системам водоподготовки, где растворителем является вода, процесс обратного осмоса можно представить следующим образом: если со стороны протекающей через аппарат природной воды с некоторым содержанием примесей приложить давление, превышающее осмотическое, то вода будет просачиваться через мембрану и скапливаться по другую ее сторону, а примеси – оставаться с исходной водой, их концентрация будет увеличиваться. Некоторые гипотезы, предложенные для объяснения процесса обратного осмоса.

Ситовая гипотеза

Размеры молекул воды меньше молекул и ионов всех веществ, находящихся в воде, – растворенных, коллоидов, неионогенных. Диаметр пор мембраны должен быть меньше суммы удвоенной толщины пограничного слоя на мембране и диаметра задерживаемого иона. В противном случае гидратированный ион может пройти через пору, при этом гидратная оболочка иона и пограничный слой воды будут частично обмениваться молекулами Н2О. Здесь проявятся еще и необычные свойства тонких слоев (капилляров), в которых вода изменяет и плотность, и другие физические свойства. При рассмотрении сущности обратного осмоса, вероятно, нет смысла говорить о порах как аналогах неких туннелей в мембране. Скорее всего, ионы и молекулы воды проходят через пустоты в молекулярной структуре материала мембраны.

Энергетическая гипотеза

«Протискивание» молекул примесей через мембраны обусловлено энергией гидратации частиц примесей. Процесс этот тем легче, чем меньше энергия гидратации. Способность мембран задерживать ионы растворенных веществ совпадает с рядом увеличения их энергии гидратации. Лучше всех задерживаются (труднее проходят или вовсе не проходят через поры) многовалентные ионы.

Капиллярно-фильтрационная (сорбционная) гипотеза

Предполагается, что слой воды перед мембраной, имеющий толщину нескольких десятков молекул, и вода внутри пор имеют пониженную растворяющую способность по сравнению с исходной водой, и поэтому ионы примесей не проходят через поры, так как растворитель (капиллярная и пленчатая вода) их плохо растворяет.

Каждая из гипотез сводится к действию определенного фактора, считающегося в данной гипотезе основным. Конечно, нужно рассматривать весь комплекс факторов, зависящий от условий процесса. Есть и другие предположения с разной степенью обоснованности. На практике мембраны обычно не обладают идеальной полупроницаемостью и наблюдается некоторый переход через мембрану растворенного вещества. Осмотические давления растворов могут достигать десятков МПа. Рабочее давление в обратноосмотических установках должно быть значительно больше, поскольку их производительность определяется движущей силой процесса – разностью между рабочим и осмотическим давлением. Так, при осмотическом давлении 2,45 МПа для морской воды, содержащей 3,5% солей, рабочее давление в опреснительных установках рекомендуется поддерживать на уровне 6,85–7,85 МПа.