Обратный осмос

1. Описание явления обратного осмоса

2. Назначение

3. Решаемые проблемы

4. Области применения

5. Принцип работы

6. Типы обратного осмоса

7. Устройство. Схемы

8. Автоматизация

9. Госты. Нормативы

10. Рекуперация энергии

11. Справочник

1. Описание явления обратного осмоса

 Явление осмоса лежит в основе обмена веществ всех живых организмов. Благодаря ему в каждую  живую клетку поступают питательные вещества и, наоборот, выводятся шлаки.

Явление осмоса наблюдается, когда два соляных раствора с разными концентрациями разделены полупроницаемой мембраной.

Мембрана работающая на основе обратного осмоса пропускает   молекулы и ионы определенного размера, но служит барьером для веществ с молекулами большего размера. Таким образом, молекулы воды способны проникать через мембрану, а молекулы растворенных в воде солей - нет.

Если по разные стороны полупроницаемой мембраны находятся солесодержащие растворы с разной концентрацией, молекулы воды будут перемещаться через мембрану из слабо концентрированного раствора в более концентрированный, вызывая в последнем повышение уровня жидкости. Из-за явления осмоса процесс проникновения воды через мембрану наблюдается даже в том случае, когда оба раствора находятся под одинаковым внешним давлением.

Разница в высоте уровней двух растворов разной концентрации пропорциональна силе, под действием которой вода проходит через мембрану. Эта сила называется "осмотическим давлением".

В случае, когда на раствор с большей концентрацией воздействует внешнее давление, превышающее осмотическое, молекулы воды начнут двигаться через полупроницаемую мембрану обратного осмоса в обратном направлении, то есть из более концентрированного раствора в менее концентрированный.

Этот процесс называется "обратным осмосом". По этому принципу и работают все мембраны обратного осмоса.

Вщества разделяются на молекулярном уровне, при этом с одной стороны мембраны накапливается практически идеально чистая вода, а все загрязнения остаются по другую ее сторону. Таким образом, обратный осмос обеспечивает гораздо более высокую степень очистки, чем большинство традиционных методов фильтрации, основанных на фильтрации механических частиц и адсорбции ряда веществ с помощью активированного угля.

2. Назначение

Сисиема обратного осмоса предназначена для глубокой очистки и обессоливания воды, удаления органических соединений, микроорганизмов, взвесей, для подготовки воды хозяйственно-бытового, промышленного и питьевого назначения.

А также применяется на объектах:

АЭС (комплексы водоснабжения)

ТЭЦ, ГЭС (системы технологической очистки воды)

ГАЗОВАЯ ЭНЕРГЕТИКА  (блочных комплексы водоподготовки)

ЖКХ (водоснабжение объектов I категории)

Научно-исследовательских комплексов (очистка воды для лабораторий по разработке бактериологического оружия)

3. Решаевые проблемы

Обратноосмотическая мембрана очень хорошо отделяет неорганические вещества. В зависимости от типа применяемой мембраны (ацетатцеллюлозная или тонкопленочная композитная) степень очистки составляет по большинству неорганических элементов 85%-98%.

Мембрана обратного осмоса также удаляет из воды и органические вещества. Органические вещества с молекулярным весом более 100-200 удаляются полностью; а с меньшим - могут проникать через мембрану в незначительных количествах. Большой размер вирусов и бактерий практически исключает вероятность их проникновения через мембрану.

В то же время, мембрана пропускает растворенные в воде кислород и другие газы, определяющие ее вкус. В результате, на выходе системы обратного осмоса получается свежая, вкусная, настолько чистая вода, что она, строго говоря, даже не требует кипячения.

Ниже приведены ориентировочные показатели, которым должна соответствовать исходная вода, подаваемая на обратноосмотические мембраны (наличие некоторого диапазона обусловливается требованиями разных производителей мембран):

мутность  до 1–5 ЕМФ
окисляемость перманганатная до 3 мгО/л
водородный показатель (рН) 3–10, (иногда 2–11)
нефтепродукты 0,0–0,5 мг/л
сильные окислители (хлор свободный, озон) до 0,1 г/л
марганец общий (Mn) до 0,05 мг/л
железо общее (Fe) до 0,1–0,3 мг/л
кремниесоединения (Si) до 0,5–1,0 мг/л
сероводород 0,0 мг/л
индекс SDI до 3–5 ед.
минерализация общая до 3,0–20 г/л
температура воды  5–35 (иногда до 45) °С
давление 0,3–6,0 МПа
температура воздуха в помещении   5–35°С
влажность воздуха в помещении ≤ 70%

 

 

4. Области мприменения

Наиболее актуальными на сегодняшний день применениями фильтров обратного осмоса считаются:

- обессоливание, снижение минерализации (опреснение) подземных вод;

- опреснение морской воды;

- приготовление технологических растворов специального применения в промышленности;

- отделение ценных компонентов из растворов (концентрирование);

- концентрирование растворенного вещества.

            Основным направлением использования обратного осмоса является очистка воды, главным образом, обессоливание солоноватых вод и особенно морской воды с целью получения питьевой воды. Другой важной областью применения обратноосмотических установок является использование обратного осмоса как стадии предварительного обессоливания воды при производстве ультрачистой воды для полупроводниковой, медицинской и теплоэнергетической отраслей промышленности.

            На стадии концентрирования обратный осмос широко используется в пищевой промышленности (концентрирование фруктовых соков, сахара, кофе) и в молочной промышленности (для концентрирования молока на начальной стадии сыроделия), а также при очистке сточных вод (в гальванике для концентрирования гальваностоков).

 

Сравнение методов обессоливания (ионный обмен и обратный осмос)

Обратный осмос

Преимущества:

- очень высокое качество получаемой воды,  которое обусловлено весьма «мягкими» с физико-химической точки зрения условиями проведения процесса;

- неограниченная производительность (путем набора стандартных модулей и блоков) и одновременно – небольшие габариты;

отношение: производительность/габариты – лучшее по сравнению с другими методами обессоливания – дистилляцией, ионообменом, электродиализом;

- относительно низкие эксплуатационные расходы;

- малый расход ингибиторов отложений и реагентов для отмывки отложений на мембранах;

- низкая энергоемкость (процесс осуществляется без фазовых переходов, и, следовательно,  энергия требуется лишь для создания градиента давления и рециркуляции раствора);

- возможность почти во всех случаях сброса концентрата в канализацию (в окружающую среду) без обработки.

Недостатки обратного осмоса:

- необходима тщательная предподготовка воды для обеспечения большой производительности мембран и длительного срока их службы;

- большой объем сбрасываемого концентрата (с учетом компоновочных решений расход пермеата может составить 75–80% исходной воды, концентрат – 20–25%) и, следовательно, значительный расход исходной воды;

- большие капитальные затраты;

-желательный непрерывный режим работы установок.

 

Ионообмен

Преимущества:

- возможность получения воды очень высокого качества (многоступенчатые установки), в том числе для котлов любого давления и промывки печатных плат электронного оборудования;

- способность работать при резко меняющихся параметрах питающей воды;

- небольшие капитальные и энергозатраты;

- небольшой объем воды на собственные нужды, особенно у противоточных фильтров;

Недостатки:

- относительно большой расход реагентов, особенно у натрий-катионитных фильтров;

- эксплуатационные расходы  увеличиваются пропорционально солесодержанию исходной воды и при необходимости уменьшать предел обессоливания обработанной воды;

- в зависимости от качества исходной воды требуется предподготовка – иногда весьма сложная;

- необходима обработка сточных вод и сложности с их сбросом.

 

5. Принцип работы

В обратноосмотической технологии используется полупроницаемая мембрана, которая пропускает только молекулы воды и задерживает молекулы загрязняющих веществ. Наиболее часто в технологии обратного осмоса используется процесс, известный как перекресное течение, что позволяет мембране самоочищаться. В то время, как часть жидкости проходит через мембрану, другая ее часть двигается в обратном направлении, вымывая из мембраны обратного осмоса задержанные частички.

В процессе обратного осмоса требуется движущая сила, которая будет проталкивать жидкость через мембрану, наилучшим вариантом является давление, создаваемое помпой. Чем выше давление, тем больше движущая сила.

Установки обратного осмоса способны задерживать бактерии, соли, сахара, протеины, частицы, красители и другие загрязняющие вещества, молекулярная масса которых больше 150-250 далтонов.

Разделение ионов обратным осмосом происходит с участием заряженных частиц. Это значит, что расстворенные ионы, которые несут заряд, равный зараряду солей, более вероятно будут отброшены мембраной, чем те, которые не заряжены, например органика. Чем больше заряд частицы и ее размер, тем выше вероятность того, что она будет отброшена мембраной.

6. Типы обратного осмоса

 В современной водоподготовке используются три основных типа мембран обратного осмоса: целлюлозные (CA) и из смеси триацетата целлюлозы с ацетатом целлюлозы (CTA), полностью из ароматического полиамида и тонкопленочные композитные (TFC) мембраны.       Основные исходные требования, предъявляемые к мембранам следующие:

- свободная проницаемость для воды

- высокая селективность

- работоспособность при высоких давлениях

- стойкость в широком диапазоне pH и температуры

- устойчивость к воздействию химических веществ, в том числе окислителей (таких, как

свободный хлор)

- биологическая стойкость к бактериям

- низкая адгезия поверхностного слоя к осаждаемым веществам

Целлюлозные мембраны появились первыми, и именно на них в конце 1950-х годов был продемонстрирован принцип обратного осмоса. Эти мембраны асимметричны и состоят из тонкого плотного поверхностного слоя (от 0,2 до 0,5 мкм) и толстой пористой подложки. Задержка растворенных веществ осуществляется тонким плотным слоем и пористой подложкой, обеспечивающей прочность конструкции.

Ацетат целлюлозы может использоваться в листах или в виде полых волокон. Мембраны из ацетата целлюлозы недороги и просты в изготовлении, но имеют ряд ограничений.           Асимметричная структура делает их восприимчивыми к уплотнению при высоких давлениях и, особенно при повышении температуры. Уплотнение происходит, когда тонкий плотный слой мембраны утолщается за счет слияния с толстой пористой подложкой, что приводит к сокращению потока продукта.

Мембраны из ацетата целлюлозы подвержены гидролизу и могут использоваться только в ограниченном диапазоне pH (самые низкие значен ия рН от 3 до 5, а самые высокие рН от 6 до 8, в зависимости от производителя). При температуре выше 35°C они начинают разрушаться, а также они уязвимы для атак бактерий.

Мембраны из ацетата целлюлозы имеют высокую проницаемость для воды, но плохо задерживают загрязнения с низким молекулярным весом.

В последствии были разработаны мембраны из триацетата целлюлозы с улучшенными характеристиками селективности по соли, сниженной чувствительностью к рН, высокой температуре и микробным атакам. Тем не менее, мембраны из триацетата целлюлозы имеют более низкую водопроницаемость, чем мембраны из ацетата целлюлозы. Чтобы получить желаемые характеристики обеих мембран, были разработаны смеси триацетата целлюлозы и ацетата целлюлозы.

Мембраны из армированного полиамида (е полиамидные мембраны) с полой конфигурацией волокна были впервые разработаны компанией Дюпон. Как и целлюлозные мембраны, они имеют асимметричную структуру с тонкой (от 0,1 до 1,0 мкм), плотной пленкой и пористой подложкой.

Полиамидные мембраны, в отличие от целлюлозных, имеют лучшую биологическую стойкость и менее восприимчивы к воздействию гидролиза. Они могут работать даже выше диапазона рН от 4 до 11, но постоянное использование на краях этого диапазона может привести к началу необратимого разрушения мембраны.

Оболочка этих мембран может выдерживать более высокие температуры, чем у целлюлозных. Однако, как и целлюлозные, они уплотняются при высоких давлениях и температурах. У них лучше селективность по NaCl и органическим веществам.

Основным недостатком полиамидных мембран является то, что они подвержены разрушению под воздействием окислителей, таких как свободный хлор.

Тонкопленочные композитные мембраны изготавливаются путем формирования тонкой и плотной поверхностной пленки (с большим сопротивлением по потоку для растворенных веществ) поверх пористой подложки.

Конструкционные материалы и технологические процессы для изготовления этих двух слоев могут быть различными и оптимизируются с целью получения лучшего сочетания большого потока воды и низкой проницаемости для растворенных в ней веществ.

Характеристики потока пропускаемой воды и сопротивляемости растворенным в ней веществам в основном определяются тонким поверхностным слоем, толщина которого колеблется в пределах от 0,01 до 0,1 мкм.

7. Устройство обратного осмоса.

 Первой стадией процесса обратного осмоса является тонкая очистка исходной воды от механических примесей. Обычно для этого используются фильтры патронного типа, размещаемые в однопатронных или мультипатроных фильтродержателях, в зависимости от производительности ОО-установки.  Данный фильтр относится к фильтрам периодического действия, работающим под давлением. Механизм работы патронных фильтрующих элементов относится к глубинной и/или поверхностной фильтрации, т.е. механические примеси, задерживаемые фильтрующим элементом, накапливаются внутри слоя фильтрующей перегородки.            

Вода, очищенная на патронных фильтрах, подается на насос высокого давления, назначением которого является достижение давления исходной среды расчетного давления для осуществления массообменных процессов, протекающих на полупроницаемых обратноосмотических мембранах. Подбор высоконапорного насоса производится исходя из его рабочей характеристики. При этом рабочая точка насоса должна находится в диапазоне от 0,6 – 0,7 максимальной его производительности.

При невозможности установить «паритет» между давлением и производительностью насоса высокого давления (а это бывает чаще всего) между всасывающим и нагнетающим патрубками насоса устанавливается байпассный вентиль, с помощью которого и осуществляется данная операция (по показаниям ротаметра и манометра исходной воды, поступающей на установку обратного осмоса). Регулировка процесса повышения давления исходной воды производится один раз в процессе пуско-наладочных работ. В процессе эксплуатации ОО-установки осуществляется только контроль указанных параметров исходной воды.

После того как давление исходной воды повышено, она поступает на модули, в которых размещены обратноосмотические мембраны, где собственно и происходит разделение исходной воды на пермеат и концентрат. Концентрат, выходящий из установки обратного осмоса, имеет достаточно высокое давление и его транспортировка к месту сброса или утилизации не вызывает особых трудностей. Давление пермеата после обратноосмотической установки редко превышает 1 атм. Поэтому, чаще всего его приходиться подавать в накопительную емкость, откуда с помощью повышающего насоса он транспортируется на дальнейшие стадии очистки.

 8. Автоматизация.

Компания ООО «НПЦ ПромВодОчистка» реализует установки обратного осмоса в различных комплектациях, в зависимости требования Заказчика и все установки без исключения разрабатываются индивидуально.

Установки обратного осмоса могут комплектоваться различным оборудованием. В стандартную комплектацию входит:
- Рама    
- Насосы высокого давления
- Трубная обвязка и арматура    
- Блок мембранных модулей
- Фильтр тонкой очистки, 5 мкм    
- Блок CIP-мойка
- КИП и автоматика

Трубная обвязка и арматура изготовлена из ПВХ. Фильтр тонкой очистки  предохраняет мембраны от засорения механическими частицами. Насос повышения давления – создает необходимое давление на входе в блок мембранных модулей. Блок мембранных модулей состоит из корпусов из стекловолокна, в которых установлены мембраны. Блок CIP-мойки предназначен для проведения периодических химических промывок мембран. КИП – обеспечивает автоматическое управление установкой.

Степень автоматизации установки обратного осмоса может быть различна. От самой простой - контролирование основных режимов работы, и заканчивая - сложным комплексом с контролированием более 50 различных  параметров и вывода данных на ПК или диспетчерский пульт

9. Нормативы. Госты.

Питьевая вода. Требования по СанПин 2.1.4.1074-01

 Дистиллированная вода. Требования по ГОСТ 6709-72

Дистиллированная вода широко используется в различных отраслях промышленности (для изготовления косметики, тосолов), в химических лабораториях, на химических производствах и т.д.

Физико-химические показатели дистиллированной воды по ГОСТ 6709-72

Наименование показателя

Норма

1. Массовая концентрация остатка после выпаривания, мг/дм3

не более 5

2. Массовая концентрация аммиака и аммонийных солей (NH4 ), мг/дм3

не более 0,02

3. Массовая концентрация нитратов (КО3 ), мг/дм3

не более 0,2

4. Массовая концентрация сульфатов (SO4 ), мг/дм3

не более 0,5

5. Массовая концентрация хлоридов (Сl), мг/дм3

не более 0,02

6. Массовая концентрация алюминия (Аl), мг/дм3

не более 0,05

7. Массовая концентрация железа (Fe), мг/дм3

не более 0,05

8. Массовая концентрация кальция (Сa), мг/дм3

не более 0,8

9. Массовая концентрация меди (Сu), мг/дм3

не более 0,02

10. Массовая концентрация свинца (Рb), %

не более 0,05

11. Массовая концентрация цинка (Zn), мг/дм3

не более 0,2

12. Массовая концентрация веществ, восстанавливающих КМnО4 (O), мг/дм3

не более 0,08

13. рН воды

5,4 - 6,6

14. Удельная электрическая проводимость при 20°С, См/м

не более 5·10 -4

 

Основным показателем, контролируемым при использовании дистиллированной воды, является электрическая проводимость, которая не должна превышать 5 мкСм/см.

Требования по микросименсам

деминерализованная вода—от 0,1 до 10 мкСм/см;
питьевая вода — от 100 до 1300 мкСм/см;
поверхностные воды — от 100 до 8000 мкСм/см;
сточные воды — от 1000 до 8000 мкСм/см;
солоноватая и морская вода — от 1000 до 80000 мкСм/см;
концентрированные кислоты — от 80000 до 2 млн. мкСм/см.

10. Рекуперация энергии.

 При смешении даже самой простой системы: высоконапорного насоса и мембранной одноуровневой установки с выходом фильтрата 40% - удельное потребление энергии остается очень высоким (около 6-7 кВт*ч на 1 м3 произведенной воды), при этом задвижка на сбросе концентрата должна пропускать 60% потока исходной воды, входящего с давлением, равным входному, минус потери напора в модулях (от 1 до 2 бар).

Таким образом, идея использования концентрата для работы турбины в целях рекуперации его энергии возникла очень быстро и в настоящее время такая методика является экономически целесообразной для любых размеров установки.

Многочисленные системы рекуперации энергии, существующие в настоящее время, можно объединить в две большие группы.

1. Турбина типа “Pelton рекуперирует энергию концентрата и используете повторно на валу высоконапорного насоса, что позволяет разгрузить двигатель с момента производства концентрата.

Примечание. Процедуры запуска и автоматического останова должны прорабатываться вместе с проектировщиком.

При работе этой системы потребление энергии в рассмотренном случае снизится на 3 кВт*ч на 1 м3, если выбранный высоконапорный насос имеет КПД выше 85%, а система – только одну ступень обработки.

Примечание: Другие, менее совершенные типы турбин не используются для работы на больших установках.

В этом случае весь комплекс установок данной системы (предварительная обработка, перекачивание насосами из моря, нагнетание полученной воды) будет потреблять около 4,0-4,5 кВт*ч на 1 м3.

2. Система, называемая системой обмена энергии рекуперирует энергию концентрата, чтобы воздействовать непосредственно на такой же объем предварительно обработанной воды с помощью давления на нескольки бар ниже давления подачи (из-за потерь давления в модулях и обменнике энергии).

В этом случае высоконапорный насос с точностью 1 или 2% (учитывая внутренние утечки в системе обмена) будет перекачивать только расход, равный расходу пермеата, т.е. в данном случае 41 м3/час, что показано в примере на рисунке.

 Насос-бустер будет компенсировать потерю напора, о которой говорилось выше (3 бар). Такие системы (ротационные или линейные со свободным поршнемимеют более высокий КПД (94-97%) по сравнению с центробежными насосами. Удалось показать, что установка, работающая точно с проектнымипараметрами на морской воде с солесодержанием 36 г/л, может потреблять не более 2 кВт*ч на 1 м3 полученной воды.

В целом выигрыш энергии по сравнению с турбиной “Pelton” составляет 0,5 – 0,8 кВт*ч на 1 м3 и таким образом, общее потребление энергии этими системами составляет от 3,2 до 4 кВт*ч на 1 м3 получаемой воды.

Примечание:  При включении второй ступени обработки (100%) к вышеуказанным цифрам необходимо добавить 0,5 кВт*ч/м3  (энергопотребление второй ступени)

11. Справочник.

Соотношение единиц измерения объема

Из В

3

м3

литр (дм3)

дюйм3

фут3

UK
пинта

UK
галлон

US
пинта

US
галлон

3

1

-

0.001

0.061024

0.0000353

0.001760

0.00022

0.002113

0.000264

м3

-

1

1000

61023.7

35.3147

1759.75

219.969

2113.38

264.172

литр (дм3 )

1000

0.001

1

61.0237

0.035315

1.75975

0.219969

2.11338

0.264172

дюйм3

16.3871

-

0.016387

1

0.0005787

0.028837

0.003605

0.034632

0.004329

фут3

28316.8

0.028317

28.3168

1728

1

49.8307

6.22883

59.8442

7.48052

ярд3

764555

0.764555

764.555

46656

27

1345.429

168.1784

1615.793

201.974

UK
пинта

568.261

0.0005683

0.568261

34.6774

0.020068

1

0.125

1.20095

0.150119

UK
галлон

4546.09

0.0045461

4.54609

277.42

0.160544

8

1

9.6076

1.20095

US
пинта

473.176

0.0004732

0.473176

28.875

0.01671

0.832674

0.104084

1

0.125

US
галлон

3785.41

0.0037854

3.785411

231

0.133681

6.661392

0.832674

8

1

 

Соотношение единиц измерения давления

Из В

атм

мм рт.ст.

мбар

бар

паскаль

дюйм
вод.ст.

psi

атм

1

760

1013.25

1.0132

101325

406.781

14.6959

мм рт.ст.

0.0013158

1

1.33322

0.001333

133.322

0.53524

0.019337

мбар

0.0009869

0.750062

1

0.001

100

0.401463

0.014504

бар

0.9869

750.062

1000

1

100000

401.463

14.504

паскаль

0.0000099

0.007501

0.01

0.00001

1

0.004015

0.000145

дюйм
вод.ст.

0.0024583

1.86832

2.49089

0.002491

249.089

1

0.036127

дюйм
рт.ст.

0.033421

25.4

33.8639

0.0338639

3386.39

13.5951

0.491154

фунт/дюйм2

0.068046

51.7149

68.9476

0.068948

6894.76

27.6799

1

Паскаль = 1 Н/м2

Соотношение единиц измерения объемного расхода

Из В

литр/сек
(дм3/сек)

литр/час

м3/сек

м3/час

фут3/час

UK
галл/час

US
галл/час

литр/сек
(дм3/сек)

1

3600

0.001

3.6

127.133

791.8884

951.019

литр/час

0.000278

1

-

0.001

0.035315

0.219969

0.264172

м3/сек

1000

3600000

1

3600

127133

791889

951019

м3/час

0.277778

1000

0.000278

1

35.3147

219.969

264.1718

cfm

0.471947

1699.017

0.000472

1.699017

60

373.73

448.831

фут3/час

0.007866

28.3168

-

0.028317

1

6.228833

7.480517

UK галл/час

0.001263

4.54609

-

0.004546

0.160544

1

1.20095

US галл/час

0.001052

3.785411

-

0.003785

0.133681

0.832674

1

Полезная рассылка компании

Нам
11 лет!