Обратный осмос ( RO ) — это процесс очистки воды , в котором для отделения молекул воды от других веществ используется полупроницаемая мембрана . RO применяет давление для преодоления осмотического давления , что способствует равномерному распределению. RO может удалять растворенные или взвешенные химические вещества , а также биологические вещества (в основном бактерии ) и используется в промышленных процессах и производстве питьевой воды . RO удерживает растворенное вещество на находящейся под давлением стороне мембраны, а очищенный растворитель переходит на другую сторону. Относительные размеры различных молекул определяют, что проходит. «Селективные» мембраны отклоняют большие молекулы, при этом принимая более мелкие молекулы (такие как молекулы растворителя, например, воду). [1]
Метод обратного осмоса наиболее известен тем, что он используется для очистки питьевой воды из морской воды , удаляя соль и другие сточные воды из молекул воды. [2]
По состоянию на 2013 год крупнейшая в мире установка обратного опреснителя находилась в Сореке, Израиль , и производила 624 тысячи кубических метров воды в день (165 миллионов галлонов США в день). [3]
Процесс осмоса через полупроницаемые мембраны впервые наблюдал в 1748 году Жан-Антуан Нолле . В течение следующих 200 лет осмос был только лабораторным явлением. В 1950 году Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе (UCLA) впервые исследовал осмотическое опреснение . Исследователи из UCLA и Университета Флориды опресняли морскую воду в середине 1950-х годов, но поток был слишком мал, чтобы быть коммерчески жизнеспособным. [4] Сидни Леб из UCLA и Шриниваса Сурираджан [5] из Национального исследовательского совета Канады , Оттава, нашли методы изготовления асимметричных мембран, характеризующихся эффективно тонким слоем «кожи», поддерживаемым поверх высокопористой и гораздо более толстой области субстрата. Джон Кадотт из корпорации Filmtec обнаружил, что мембраны с особенно высоким потоком и низким соляным проходом могут быть изготовлены путем межфазной полимеризации м -фенилендиамина и тримезоилхлорида. Патент Кадотта на этот процесс [6] был предметом судебного разбирательства и истек. Почти все коммерческие мембраны обратного осмоса теперь производятся этим методом. К 2019 году в мире работало около 16 000 опреснительных установок, производящих около 95 миллионов кубических метров в день (25 миллиардов галлонов США в день). Около половины этой мощности приходилось на регион Ближнего Востока и Северной Африки. [7]
В 1977 году Кейп-Корал , Флорида, стал первым муниципалитетом США, который начал использовать RO в больших масштабах, с начальной рабочей мощностью 11,35 миллионов литров (3 миллиона галлонов США) в день. К 1985 году быстрый рост привел к тому, что город начал эксплуатировать крупнейшую в мире установку RO низкого давления, производящую 56,8 миллионов литров (15 миллионов галлонов США) в день (MGD). [8]
При (прямом) осмосе растворитель перемещается из области с низкой концентрацией растворенного вещества (высокий водный потенциал ) через мембрану в область с высокой концентрацией растворенного вещества (низкий водный потенциал). Движущей силой движения растворителя является уменьшение свободной энергии Гиббса системы, в которой уменьшается разница в концентрации растворителя между сторонами мембраны. Это называется осмотическим давлением. Оно уменьшается по мере того, как растворитель перемещается в более концентрированный раствор. Таким образом, приложение внешнего давления для изменения направления естественного потока чистого растворителя является обратным осмосом. Процесс аналогичен другим применениям мембранной технологии.
RO отличается от фильтрации тем, что механизм потока жидкости обратный, так как растворитель пересекает мембрану, оставляя растворенное вещество позади. Преобладающим механизмом удаления при мембранной фильтрации является деформация или исключение размера, где поры составляют 0,01 микрометра или больше, поэтому процесс теоретически может достигать идеальной эффективности независимо от таких параметров, как давление и концентрация раствора. Вместо этого RO включает диффузию растворителя через мембрану, которая либо непористая, либо использует нанофильтрацию с порами размером 0,001 микрометра. Преобладающим механизмом удаления являются различия в растворимости или диффузионной способности , и процесс зависит от давления , концентрации растворенного вещества и других условий. [9]
Для обратного осмоса требуется давление от 2 до 17 бар (30–250 фунтов на кв. дюйм ) для пресной и солоноватой воды и от 40 до 82 бар (600–1200 фунтов на кв. дюйм) для морской воды. Морская вода имеет около 27 бар (390 фунтов на кв. дюйм) [10] естественного осмотического давления , которое необходимо преодолеть.
Размеры пор мембраны варьируются от 0,1 до 5000 нм. Фильтрация частиц удаляет частицы размером 1 мкм или больше. Микрофильтрация удаляет частицы размером 50 нм или больше. Ультрафильтрация удаляет частицы размером примерно 3 нм или больше. Нанофильтрация удаляет частицы размером 1 нм или больше. RO находится в последней категории мембранной фильтрации, гиперфильтрации, и удаляет частицы размером более 0,1 нм. [11]
Во всем мире бытовые системы очистки питьевой воды , включающие этап обратного осмоса, широко используются для улучшения качества воды для питья и приготовления пищи.
Такие системы обычно включают следующие этапы:
В некоторых системах угольный предварительный фильтр заменяется мембраной из триацетата целлюлозы (CTA). CTA — это побочная бумажная мембрана, прикрепленная к синтетическому слою, который допускает контакт с хлором в воде. Для них требуется небольшое количество хлора в источнике воды, чтобы предотвратить образование бактерий на нем. Типичный уровень отбраковки для мембран CTA составляет 85–95%.
Мембрана из триацетата целлюлозы гниет, если ее не защитить хлорированной водой , в то время как тонкопленочная композитная мембрана разрушается в присутствии хлора. Тонкопленочная композитная мембрана (TFC) изготовлена из синтетического материала и требует удаления хлора до попадания воды в мембрану. Для защиты элементов мембраны TFC от повреждения хлором в качестве предварительной обработки используются угольные фильтры . Мембраны TFC имеют более высокий уровень отбраковки 95–98% и более длительный срок службы, чем мембраны CTA.
Для эффективной работы вода, подаваемая в эти устройства, должна находиться под давлением (обычно 280 кПа (40 фунтов на кв. дюйм) или выше). [12]
Хотя портативные очистители воды RO имеются в продаже и широко используются в регионах, где не хватает чистой питьевой воды, в Европе такая обработка природной минеральной воды (как определено Европейской директивой) [13] не допускается. На практике часть живых бактерий проходит через RO через дефекты мембраны или полностью обходит мембрану через утечки в уплотнениях.
Опреснительная установка на солнечной энергии производит питьевую воду из соленой воды , используя фотоэлектрическую систему для подачи энергии. Солнечная энергия хорошо подходит для очистки воды в условиях отсутствия сетевого электричества и может снизить эксплуатационные расходы и выбросы парниковых газов . Например, опреснительная установка на солнечной энергии, разработанная для испытаний в Северной территории Австралии . [14]
Прерывистая природа солнечного света затрудняет прогнозирование выходной мощности без возможности хранения энергии. Однако батареи или системы хранения тепловой энергии могут обеспечивать электроэнергию, когда солнце не может этого сделать. [15]
Более крупные установки очистки воды методом обратного осмоса (ROWPU) существуют для военного использования. Они были приняты на вооружение вооруженными силами Соединенных Штатов и канадскими вооруженными силами . Некоторые модели являются контейнерными , некоторые — прицепами, а некоторые сами по себе являются транспортными средствами. [ необходима цитата ]
Вода обрабатывается полимером для инициирования коагуляции . Затем она проходит через многофункциональный фильтр, где проходит первичную очистку, удаляя мутность . Затем она прокачивается через картриджный фильтр, который обычно представляет собой спирально-навитой хлопок. Этот процесс удаляет любые частицы размером более 5 мкм и устраняет почти всю мутность.
Очищенная вода затем подается через поршневой насос высокого давления в ряд сосудов обратного осмоса. Удаляется 90,00–99,98% от общего количества растворенных твердых веществ в сырой воде , а военные стандарты требуют, чтобы результат имел не более 1000–1500 частей на миллион по измерению электропроводности . Затем она дезинфицируется хлором . [ требуется ссылка ]
Очищенная методом обратного осмоса дождевая вода, собранная из ливневых стоков, используется для орошения ландшафтов и промышленного охлаждения в Лос-Анджелесе и других городах.
В промышленности обратный осмос удаляет минералы из котловой воды на электростанциях . [16] Вода перегоняется несколько раз, чтобы гарантировать, что она не оставит отложений на оборудовании и не вызовет коррозию.
RO используется для очистки сточных вод и солоноватых грунтовых вод . Сточные воды в больших объемах (более 500 м 3 /день) сначала обрабатываются на водоочистной станции , а затем сточные воды проходят через RO. Этот гибридный процесс значительно снижает стоимость очистки и продлевает срок службы мембраны.
RO может быть использован для производства деионизированной воды . [17]
В 2002 году Сингапур объявил, что процесс под названием NEWater станет важной частью его планов по водоснабжению. RO будет использоваться для очистки сточных вод перед сбросом в водохранилища.
Обратный осмос — более экономичный способ концентрирования жидкостей (например, фруктовых соков), чем традиционная термическая обработка. Концентрация апельсинового и томатного сока имеет такие преимущества, как более низкие эксплуатационные расходы и возможность избежать термической обработки, что делает ее пригодной для термочувствительных веществ, таких как белок и ферменты .
RO используется в молочной промышленности для производства порошков сывороточного белка и концентрированного молока. Сыворотка (жидкость, остающаяся после производства сыра) концентрируется с помощью RO от 6% твердых веществ до 10–20% твердых веществ перед ультрафильтрационной обработкой. Затем ретентат может быть использован для производства порошков сыворотки, включая изолят сывороточного белка. Кроме того, пермеат, содержащий лактозу , концентрируется с помощью RO от 5% твердых веществ до 18–общего количества твердых веществ для снижения затрат на кристаллизацию и сушку.
Хотя RO когда-то избегали в винодельческой промышленности, сейчас он широко распространен. По оценкам, в 2002 году в Бордо , Франция, использовалось около 60 машин RO. Среди известных пользователей есть многие элитные фирмы, такие как Château Léoville-Las Cases .
В 1946 году некоторые производители кленового сиропа начали использовать обратный осмос для удаления воды из сока перед его кипячением до сиропа . Возвращение к прежнему состоянию позволяет удалить около 75–90 % воды, что снижает потребление энергии и воздействие высоких температур на сироп.
Когда пиво в типичной концентрации подвергается обратному осмосу, и вода, и спирт проходят через мембрану легче, чем другие компоненты, оставляя «пивной концентрат». Затем концентрат разбавляется свежей водой, чтобы восстановить нелетучие компоненты до их первоначальной интенсивности. [18]
При мелкомасштабном производстве водорода обратный осмос иногда используется для предотвращения образования минеральных отложений на поверхности электродов .
Многие владельцы рифовых аквариумов используют системы обратного осмоса для приготовления морской воды, пригодной для рыб. Обычная водопроводная вода может содержать избыточное количество хлора , хлораминов , меди , нитратов , нитритов , фосфатов , силикатов или других химикатов, вредных для морских организмов. Загрязнители, такие как азот и фосфаты, могут привести к нежелательному росту водорослей. Эффективное сочетание обратного осмоса и деионизации популярно среди владельцев рифовых аквариумов и является предпочтительным по сравнению с другими процессами очистки воды из-за низкой стоимости владения и эксплуатационных расходов. Если в воде присутствуют хлор и хлорамины , перед обратным осмосом необходима угольная фильтрация, поскольку обычные бытовые мембраны не справляются с этими соединениями.
Пресноводные аквариумисты также используют RO для копирования мягкой воды, встречающейся во многих тропических водах. Хотя многие тропические рыбы могут выживать в очищенной водопроводной воде, разведение может быть невозможным. Многие магазины водных животных продают емкости с водой RO для этой цели.
Все более популярным методом очистки окон становится система «водяной шест». Вместо мытья окон обычным моющим средством, их моют очищенной водой, обычно содержащей менее 10 ppm растворенных твердых веществ, с помощью щетки на конце шеста, удерживаемого на уровне земли. Для очистки воды обычно используется обратный осмос.
Обработка с помощью обратного осмоса ограничена, что приводит к низкому извлечению при высокой концентрации (измеренной с помощью электропроводности ) и загрязнению мембраны. Применимость обратного осмоса ограничена проводимостью, органикой и неорганическими элементами, образующими накипь, такими как CaSO4 , Si, Fe и Ba. Для образования накипи с низким содержанием органических веществ можно использовать две разные технологии: спирально-навитую мембрану и (для образования накипи с высоким содержанием органических веществ, высокой проводимости и более высокого давления (до 90 бар)), можно использовать модули дисковых труб с мембранами обратного осмоса. Модули дисковых труб были переработаны для очистки фильтрата свалок , который обычно загрязнен органическим материалом. Из-за поперечного потока он снабжен насосом-ускорителем потока, который рециркулирует поток через мембрану от 1,5 до 3 раз, прежде чем он будет выпущен в виде концентрата. Высокая скорость защищает от образования накипи на мембране и позволяет очищать мембрану.
Районы с ограниченным количеством поверхностных или грунтовых вод могут выбрать опреснение . Метод обратного осмоса становится все более распространенным из-за его относительно низкого потребления энергии. [19]
Потребление энергии составляет около 3 кВт·ч/м 3 (11 000 Дж/л) с разработкой более эффективных устройств рекуперации энергии и улучшенных мембранных материалов. По данным Международной ассоциации по опреснению , в 2011 году RO использовался в 66% установленных мощностей опреснения (0,0445 из 0,0674 км 3 /день) и почти на всех новых заводах. [20] Другие заводы используют методы термической дистилляции: многоэффектную дистилляцию и многоступенчатую вспышку .
Для опреснения морской воды методом обратного осмоса (SWRO) требуется около 3 кВт·ч/м 3 , что намного выше, чем требуется для других форм водоснабжения, включая очистку сточных вод методом обратного осмоса, при 0,1–1 кВт·ч/м 3 . До 50% поступающей морской воды можно восстановить в виде пресной воды, хотя более низкие показатели восстановления могут снизить загрязнение мембран и потребление энергии.
Обратный осмос солоноватой воды (BWRO) — это опреснение воды с меньшим содержанием соли, чем морская вода, обычно из речных эстуариев или соленых скважин. Процесс по сути такой же, как SWRO, но требует более низкого давления и меньшего количества энергии. [1] До 80% входной питательной воды можно восстановить в виде пресной воды, в зависимости от солености питания.
Опреснительный завод в Ашкелоне в Израиле является крупнейшим в мире. [21] [22] [23]
Типичная однопроходная система SWRO состоит из:
Предварительная обработка важна при работе с мембранами нанофильтрации из-за их спиральной конструкции. Материал спроектирован так, чтобы обеспечивать односторонний поток. Конструкция не допускает обратных импульсов с перемешиванием водой или воздухом для очистки его поверхности и удаления накопленных твердых частиц. Поскольку материал не может быть удален с поверхности мембраны, он подвержен загрязнению (потеря производительности). Поэтому предварительная обработка является необходимостью для любой системы обратного осмоса или нанофильтрации. Предварительная обработка состоит из четырех основных компонентов:
Насос высокого давления проталкивает воду через мембрану. Типичное давление для солоноватой воды составляет от 1,6 до 2,6 МПа (от 225 до 376 фунтов на кв. дюйм). В случае морской воды оно составляет от 5,5 до 8 МПа (от 800 до 1180 фунтов на кв. дюйм). Это требует значительных затрат энергии. При использовании рекуперации энергии часть работы насоса высокого давления выполняется устройством рекуперации энергии, что снижает затраты энергии.
Мембранный узел состоит из сосуда под давлением с мембраной, которая позволяет проталкивать в него исходную воду. Мембрана должна быть достаточно прочной, чтобы выдерживать давление. Мембраны обратного осмоса изготавливаются в различных конфигурациях. Две наиболее распространенные — спирально-навитые и полые волокнистые .
Только часть воды, закачиваемой на мембрану, проходит через нее. Оставшийся «концентрат» проходит вдоль соленой стороны мембраны и смывает соль и другие остатки. Процент опресненной воды — это «коэффициент восстановления». Он зависит от солености и параметров конструкции системы: обычно 20% для небольших систем с морской водой, 40%–50% для более крупных систем с морской водой и 80%–85% для солоноватой воды. Поток концентрата обычно на 3 бара/50 фунтов на кв. дюйм меньше давления подачи, и, таким образом, сохраняет большую часть входной энергии.
Чистота опресненной воды зависит от солености исходной воды, выбора мембраны и коэффициента восстановления. Для достижения более высокой чистоты можно добавить второй проход, который обычно требует еще одного цикла перекачки. Чистота, выраженная в виде общего количества растворенных твердых веществ, обычно варьируется от 100 до 400 частей на миллион (ppm или мг/литр) в исходной морской воде. Уровень 500 ppm обычно является верхним пределом для питьевой воды, в то время как Управление по контролю за продуктами и лекарствами США классифицирует минеральную воду как воду, содержащую не менее 250 ppm.
Восстановление энергии может снизить потребление энергии на 50% и более. Значительная часть входной энергии может быть восстановлена из потока концентрата, а повышение эффективности устройств восстановления энергии значительно снижает потребность в энергии. Используемые устройства, в порядке изобретения, следующие:
Опресненная вода стабилизируется для защиты трубопроводов и хранилищ, расположенных ниже по течению, обычно путем добавления извести или каустической соды для предотвращения коррозии бетонных поверхностей. Известковый материал используется для регулировки pH от 6,8 до 8,1 для соответствия требованиям к питьевой воде, в первую очередь для эффективной дезинфекции и борьбы с коррозией. Реминерализация может потребоваться для замены минералов, удаленных из воды опреснением, хотя этот процесс оказался дорогостоящим и неудобным для удовлетворения потребности людей и растений в минералах, которые содержатся в типичной пресной воде. Например, вода из национального водоносного канала Израиля обычно содержит растворенный уровень магния от 20 до 25 мг/литр, в то время как вода с завода в Ашкелоне не содержит магния. Вода из Ашкелона вызывала симптомы дефицита магния у сельскохозяйственных культур, включая томаты, базилик и цветы, и ее пришлось устранять путем внесения удобрений. Израильские стандарты питьевой воды требуют минимального уровня кальция 20 мг/литр. В процессе постопреснения воды в компании Askelon для растворения кальцита (известняка) используется серная кислота, в результате чего концентрация кальция достигает 40–46 мг/литр, что ниже показателей типичной израильской пресной воды (45–60 мг/литр).
Дезинфекция после обработки обеспечивает вторичную защиту от скомпрометированных мембран и проблем ниже по течению. Дезинфекция с помощью ультрафиолетовых (УФ) ламп (иногда называемых бактерицидными или бактерицидными) может использоваться для стерилизации патогенов, которые избегают процесса обратного осмоса. Хлорирование или хлораминирование (хлор и аммиак) защищает от патогенов, которые могли застрять в распределительной системе ниже по течению. [29]
Крупные промышленные/муниципальные системы обычно восстанавливают от 75% до 80% подаваемой воды или даже до 90%, поскольку они могут создавать необходимое более высокое давление.
Бытовые установки обратного осмоса потребляют много воды, поскольку имеют низкое обратное давление. Бытовые очистители воды обратного осмоса обычно производят один литр пригодной для использования воды и 3-25 литров сточных вод . [30] Оставшаяся часть сбрасывается, как правило, в канализацию. Поскольку сточные воды содержат отбракованные загрязняющие вещества, восстановление этой воды нецелесообразно для бытовых систем. Сточные воды обычно поступают в домовые стоки. Установка обратного осмоса, поставляющая 20 литров (5,3 галлона США) очищенной воды в день, также сбрасывает от 50 до 80 литров (13 и 21 галлон США). Это привело к тому, что Национальный экологический трибунал Индии предложил запретить системы очистки воды обратного осмоса в районах, где показатель общего содержания растворенных твердых веществ (TDS) в воде составляет менее 500 мг/литр. [ требуется цитата ] В Дели широкомасштабное использование бытовых устройств обратного осмоса увеличило общий спрос на воду и без того истощенной водой Национальной столичной территории Индии . [31]
RO удаляет как вредные загрязнители, так и полезные минералы. Некоторые исследования сообщают о некоторой связи между долгосрочными последствиями для здоровья и потреблением воды с низким содержанием кальция и магния , хотя эти исследования низкого качества. [32]
В зависимости от желаемого продукта, поток растворителя или растворенного вещества обратного осмоса будет отходами. Для приложений концентрации пищевых продуктов поток концентрированного растворенного вещества является продуктом, а поток растворителя является отходами. Для приложений очистки воды поток растворителя является очищенной водой, а поток растворенного вещества является концентрированными отходами. [33] Поток отходов растворителя от переработки пищевых продуктов может использоваться в качестве регенерированной воды , но может быть меньше вариантов утилизации потока концентрированного отработанного растворенного вещества. Суда могут использовать морской сброс , а прибрежные опреснительные установки обычно используют морские сбросы . Для установок обратного осмоса, не имеющих выхода к морю, могут потребоваться испарительные пруды или инжекционные скважины , чтобы избежать загрязнения грунтовых вод или поверхностного стока . [34]
Текущие мембраны обратного осмоса, тонкопленочные композитные (TFC) полиамидные мембраны, изучаются с целью поиска способов улучшения их проницаемости. С помощью новых методов визуализации исследователи смогли создать 3D-модели мембран и изучить, как вода протекает через них. Они обнаружили, что мембраны TFC с областями низкого потока значительно снижают проницаемость воды. [35] Обеспечивая однородность мембран и позволяя воде течь непрерывно без замедления, проницаемость мембран может быть улучшена на 30%-40%. [36]
Исследования изучали возможность интеграции обратного осмоса с электродиализом для улучшения извлечения ценных деионизированных продуктов или сокращения объемов концентрата.
Другой подход — это многоступенчатый RO с высоким восстановлением при низком давлении (LPHR). Он производит концентрированный рассол и пресную воду, многократно прогоняя выход через относительно пористую мембрану при относительно низком давлении. Каждый цикл удаляет дополнительные примеси. Как только выход становится относительно чистым, он направляется через обычную мембрану RO при обычном давлении для завершения этапа фильтрации. Было обнаружено, что LPHR экономически целесообразен, восстанавливая более 70% при OPD от 58 до 65 бар и оставляя не более 350 ppm TDS из морской воды с 35 000 ppm TDS.
Углеродные нанотрубки предназначены для потенциального решения типичного компромисса между проницаемостью и селективностью мембран обратного осмоса. УНТ обладают многими идеальными характеристиками, включая: механическую прочность, сродство к электрону, а также демонстрируют гибкость во время модификации. Реструктурируя углеродные нанотрубки и покрывая или пропитывая их другими химическими соединениями, ученые могут производить эти мембраны, обладающие всеми наиболее желаемыми характеристиками. Надежда в отношении мембран УНТ заключается в том, чтобы найти комбинацию высокой проницаемости для воды, а также уменьшить количество нейтральных растворенных веществ, извлекаемых из воды. Это поможет снизить затраты на электроэнергию и стоимость реминерализации после очистки через мембрану. [37]
Графеновые мембраны предназначены для использования своей тонкости для повышения эффективности. Графен представляет собой один слой атомов углерода, поэтому он примерно в 1000 раз тоньше существующих мембран. Графеновые мембраны имеют толщину около 100 нм, в то время как современные мембраны имеют толщину около 100 мкм. Многие исследователи были обеспокоены долговечностью графена и тем, сможет ли он выдерживать давление обратного осмоса. Новые исследования показывают, что в зависимости от субстрата (несущего слоя, который не фильтрует, а только обеспечивает структурную поддержку), графеновые мембраны могут выдерживать давление 57 МПа, что примерно в 10 раз превышает типичное давление для обратного осмоса морской воды. [38]
Периодический обратный осмос может обеспечить повышенную энергоэффективность , более долговечное оборудование и более высокие пределы солености.
Традиционный подход утверждал, что молекулы пересекают мембрану индивидуально. Исследовательская группа разработала теорию «трения растворения», утверждая, что молекулы в группах проходят через транзитные поры. Характеристика этого процесса может направлять развитие мембраны. Принятая теория заключается в том, что отдельные молекулы воды диффундируют через мембрану, что называется моделью «диффузии растворения». [39]
{{cite book}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)