Обратный осмос ( RO ) — это процесс очистки воды , в котором используется полупроницаемая мембрана для отделения молекул воды от других веществ. RO оказывает давление для преодоления осмотического давления , которое 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 стороне мембраны, находящейся под давлением, а очищенный растворитель переходит на другую сторону. Он полагается на относительные размеры различных молекул, чтобы решить, что проходит. «Селективные» мембраны отклоняют крупные молекулы, принимая при этом более мелкие молекулы (такие как молекулы растворителя, например, воды). [1]
RO наиболее широко известен своим использованием для очистки питьевой воды от морской воды , удаления соли и других сточных материалов из молекул воды. [2]
По состоянию на 2013 год крупнейшая в мире опреснительная установка обратного осмоса находилась в Сореке, Израиль , производительностью 624 тысячи кубических метров 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 всего лишь лабораторным явлением. В 1950 году Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе (UCLA) впервые исследовал осмотическое опреснение . Исследователи из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и Университета Флориды опресняли морскую воду в середине 1950-х годов, но поток был слишком низким, чтобы быть коммерчески жизнеспособным. [4] Сидни Леб из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и Сриниваса Сурираджан [5] из Национального исследовательского совета Канады , Оттава, нашли методы изготовления асимметричных мембран, характеризующихся эффективно тонким «кожным» слоем, поддерживаемым поверх высокопористой и гораздо более толстой области подложки. Джон Кадотт из корпорации Filmtec обнаружил, что мембраны с особенно высоким потоком и низким пропусканием соли могут быть изготовлены путем межфазной полимеризации м - фенилендиамина и тримезоилхлорида. Патент Кадота на этот процесс [6] стал предметом судебного разбирательства, срок его действия истек. Почти все коммерческие мембраны обратного осмоса сейчас изготавливаются этим методом. К 2019 году по всему миру работало около 16 000 опреснительных установок, производящих около 95 миллионов кубических метров воды в день (25 миллиардов галлонов США в день). Около половины этих мощностей приходилось на регион Ближнего Востока и Северной Африки. [7]
В 1977 году Кейп-Корал , штат Флорида, стал первым муниципалитетом США, который использовал RO в больших масштабах, с начальной рабочей мощностью 11,35 миллиона литров (3 миллиона галлонов США) в день. К 1985 году быстрый рост привел к тому, что в городе появилась крупнейшая в мире установка обратного осмоса низкого давления, производящая 56,8 миллиона 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, при которой уменьшается разница в концентрации растворителя между сторонами мембраны. Это называется осмотическим давлением. Оно уменьшается по мере перехода растворителя в более концентрированный раствор. Таким образом, применение внешнего давления для изменения естественного потока чистого растворителя является обратным осмосом. Этот процесс аналогичен другим применениям мембранных технологий.
RO отличается от фильтрации тем, что механизм потока жидкости обратный: растворитель пересекает мембрану, оставляя растворенное вещество позади. Преобладающим механизмом удаления при мембранной фильтрации является деформация или исключение размера, когда поры составляют 0,01 микрометра или больше, поэтому теоретически процесс может достичь 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 размером пор 0,001 микрометра. Преобладающий механизм удаления обусловлен различиями в растворимости или диффузии , 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 квадратный дюйм) для пресной и солоноватой воды и от 40 до 82 бар (600–1200 фунтов на квадратный дюйм) для морской воды. Морская вода имеет естественное осмотическое давление около 27 бар (390 фунтов на квадратный дюйм) [10] , которое необходимо преодолевать.
Размеры пор мембран варьируются от 0,1 до 5000 нм. Фильтрация частиц удаляет частицы размером 1 мкм и более. Микрофильтрация удаляет частицы размером 50 нм и более. Ультрафильтрация удаляет частицы размером примерно 3 нм или больше. Нанофильтрация удаляет частицы размером 1 нм и более. RO относится к последней категории мембранной фильтрации, гиперфильтрации, и удаляет частицы размером более 0,1 нм. [11]
Во всем мире бытовые системы очистки питьевой воды , включая стадию обратного осмоса, обычно используются для улучшения качества воды для питья и приготовления пищи.
Такие системы обычно включают в себя следующие этапы:
В некоторых системах угольный предварительный фильтр заменяется мембраной из триацетата целлюлозы (ЦТА). СТА — это мембрана из бумажного побочного продукта, прикрепленная к синтетическому слою, который обеспечивает контакт с хлором в воде. Для этого требуется небольшое количество хлора в источнике воды, чтобы предотвратить образование на нем бактерий. Типичный процент брака мембран СТА составляет 85–95%.
Мембрана из триацетата целлюлозы гниет, если ее не защитить хлорированной водой , а тонкопленочная композитная мембрана разрушается в присутствии хлора. Мембрана из тонкопленочного композита (TFC) изготовлена из синтетического материала и требует удаления хлора до того, как вода попадет в мембрану. Для защиты мембранных элементов TFC от повреждения хлором в качестве предварительной очистки используются угольные фильтры . Мембраны TFC имеют более высокий уровень отторжения (95–98%) и более длительный срок службы, чем мембраны CTA.
Портативные очистители воды обратного осмоса продаются для личной воды. Для эффективной работы вода, подаваемая в эти устройства, должна находиться под давлением (обычно 280 кПа (40 фунтов на квадратный дюйм) или выше). [12] Эти процессоры можно использовать в районах, где не хватает чистой воды.
Производство минеральной воды в США использует RO. В Европе такая обработка природной минеральной воды (согласно определению европейской директивы) [13] не разрешена. На практике часть живых бактерий проходит через RO через дефекты мембраны или полностью обходит мембрану через неплотности уплотнений.
Для бытовой очистки, где нет необходимости удалять растворенные минералы (умягчать воду), альтернативой RO является фильтр с активированным углем с микрофильтрационной мембраной.
Установка опреснения 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, разработанная опреснительная установка на солнечной энергии прошла испытания на Северной территории Австралии . [14]
Прерывистый характер солнечного света затрудняет прогнозирование выходной мощности без возможности накопления энергии. Однако батареи или системы хранения тепловой энергии могут обеспечивать электроэнергию, когда солнце этого не делает. [15]
Более крупные установки для очистки воды обратным осмосом (ROWPU) существуют для использования в военных целях. Они были приняты на вооружение вооруженными силами США и Канадскими вооруженными силами . Некоторые модели представляют собой контейнеры , некоторые — прицепы, а некоторые сами являются транспортными средствами. [ нужна цитата ]
Вода обрабатывается полимером для инициирования коагуляции . Далее его пропускают через мультимедиа-фильтр, где он подвергается первичной очистке, удаляя мутность . Затем он прокачивается через картриджный фильтр, который обычно представляет собой спирально-навитый хлопок. Этот процесс удаляет любые частицы размером более 5 мкм и почти полностью устраняет мутность.
Очищенная вода затем подается через поршневой насос высокого давления в ряд сосудов обратного осмоса. 90,00–99,98% общего количества растворенных твердых веществ в сырой воде удаляется, и военные стандарты требуют, чтобы результат имел не более 1000–1500 частей на миллион по показателю электропроводности . Затем его дезинфицируют хлором . [ нужна цитата ]
Дождевая вода, очищенная методом обратного осмоса, собранная из ливневых стоков, используется для орошения ландшафтов и промышленного охлаждения в Лос-Анджелесе и других городах.
В промышленности RO удаляет минералы из котловой воды на электростанциях . [16] Вода подвергается многократной дистилляции , чтобы гарантировать, что она не оставляет отложений на оборудовании и не вызывает коррозии.
RO используется для очистки сточных вод и солоноватой грунтовой воды . Сточные воды в больших объемах (более 500 м 3 /сут) сначала очищаются на водоочистных сооружениях , а затем сточные воды проходят через RO. Этот гибридный процесс значительно снижает стоимость лечения и продлевает срок службы мембраны.
RO можно использовать 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 их сбросом в резервуары.
Обратный осмос — более экономичный способ концентрирования жидкостей (например, фруктовых соков), чем традиционная термическая обработка. Концентрация апельсинового и томатного сока имеет преимущества, включая более низкие эксплуатационные расходы и возможность избежать термической обработки, что делает ее подходящей для термочувствительных веществ, таких как белки и ферменты .
RO используется в молочной промышленности для производства порошков сывороточного белка и концентрата молока. Перед ультрафильтрационной обработкой сыворотку ( жидкость , оставшуюся после производства сыра) концентрируют с помощью обратного осмоса от 6% до 10–20% сухих веществ . Ретентат затем можно использовать для приготовления порошков сыворотки, включая изолят сывороточного белка . Кроме того, пермеат, содержащий лактозу , концентрируется с помощью обратного осмоса от 5% твердых веществ до 18% общего содержания твердых веществ, чтобы снизить затраты на кристаллизацию и сушку.
Хотя когда-то в винодельческой промышленности RO избегали, сейчас он широко распространен. По оценкам, в 2002 году в Бордо , Франция, использовалось около 60 машин обратного осмоса. Среди известных пользователей многие элитные фирмы, такие как Château Léoville-Las Cases .
В 1946 году некоторые производители кленового сиропа начали использовать RO для удаления воды из сока перед кипячением сока до сиропа . RO позволяет удалить около 75–90% воды, снижая потребление энергии и воздействие на сироп высоких температур.
Когда пиво обычной концентрации подвергается обратному осмосу, вода и спирт проходят через мембрану легче, чем другие компоненты, оставляя «пивной концентрат». Затем концентрат разбавляют пресной водой, чтобы восстановить исходную интенсивность нелетучих компонентов. [18]
Для мелкомасштабного производства водорода иногда используется RO для предотвращения образования минеральных отложений на поверхности электродов .
Многие владельцы рифовых аквариумов используют системы обратного осмоса для получения морской воды, благоприятной для рыб. Обычная водопроводная вода может содержать чрезмерное количество хлора , хлораминов , меди , нитратов , нитритов , фосфатов , силикатов или других химикатов, губительных для морских организмов. Загрязнения, такие как азот и фосфаты, могут привести к нежелательному росту водорослей. Эффективное сочетание обратного осмоса и деионизации популярно среди владельцев рифовых аквариумов и предпочтительнее других процессов очистки воды из-за низкой стоимости владения и эксплуатационных затрат. Если в воде обнаружены хлор и хлорамины , перед RO необходима угольная фильтрация, поскольку обычные бытовые мембраны не справляются с этими соединениями.
Пресноводные аквариумисты также используют RO для дублирования мягкой воды, встречающейся во многих тропических водах. Хотя многие тропические рыбы могут выжить в очищенной водопроводной воде, размножение может оказаться невозможным. Многие магазины, занимающиеся водными видами спорта, продают для этой цели контейнеры с водой обратного осмоса.
Все более популярным методом мытья окон становится система «столб с подачей воды». Вместо мытья окон обычным моющим средством их моют очищенной водой, обычно содержащей менее 10 частей на миллион растворенных твердых веществ, используя щетку на конце шеста, поднимаемого с уровня земли. RO обычно используется для очистки воды.
Обработка RO ограничена, что приводит к низкому извлечению при высоких концентрациях (измеренных по электропроводности ) и загрязнению мембраны. Применимость обратного осмоса ограничена проводимостью, органикой и отложениями неорганических элементов, таких как CaSO 4 , Si, Fe и Ba. Для удаления отложений с низким содержанием органических отложений можно использовать две разные технологии: мембрану со спиральной намоткой и (при высоком отложении органических отложений, высокой проводимости и более высоком давлении (до 90 бар)) можно использовать модули дисковых трубок с мембранами обратного осмоса. Модули дисковых труб были переработаны для очистки фильтрата свалок , который обычно загрязнен органическими материалами. Из-за перекрестного потока в него устанавливается повышающий насос, который рециркулирует поток через мембрану от 1,5 до 3 раз, прежде чем он будет выпущен в виде концентрата. Высокая скорость защищает мембрану от накипи и позволяет очищать мембрану.
Районы с ограниченным количеством поверхностных или грунтовых вод могут выбрать опреснение . RO становится все более распространенным методом из-за его относительно низкого энергопотребления. [19]
Потребление энергии составляет около 3 кВтч/м 3 (11 000 Дж/л) благодаря разработке более эффективных устройств рекуперации энергии и улучшенных мембранных материалов. По данным Международной ассоциации опреснения , в 2011 году RO использовался на 66% установленных опреснительных мощностей (0,0445 из 0,0674 км³/день) и почти на всех новых установках. [20] На других заводах используются методы термической дистилляции: многокорпусная дистилляция и многоступенчатая вспышка .
Для опреснения морской воды методом обратного осмоса (SWRO) требуется около 3 кВтч/м 3 , что намного выше, чем для других форм водоснабжения, включая очистку сточных вод методом обратного осмоса, при расходе от 0,1 до 1 кВтч/м 3 . До 50% поступающей морской воды может быть восстановлено в виде пресной воды, хотя более низкие скорости восстановления могут снизить загрязнение мембран и потребление энергии.
Обратный осмос солоноватой воды (BWRO) — это опреснение воды с меньшим содержанием соли, чем морской воды, обычно из устьев рек или соленых скважин. Этот процесс по существу аналогичен SWRO, но требует более низкого давления и меньшего количества энергии. [1] До 80% подаваемой питательной воды может быть восстановлено в виде пресной воды, в зависимости от солености исходной воды.
Опреснительная установка Ашкелон в Израиле является крупнейшей в мире. [21] [22] [23]
Типичная однопроходная система SWRO состоит из:
Предварительная обработка важна при работе с нанофильтрационными мембранами из-за их спирально-навитой конструкции. Материал разработан таким образом, чтобы обеспечить односторонний поток. Конструкция не позволяет обратным пульсациям воды или перемешиванию воздуха очищать его поверхность и удалять скопившиеся твердые частицы. Поскольку материал невозможно удалить с поверхности мембраны, он подвержен загрязнению (потере производственной мощности). Поэтому предварительная обработка необходима 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 квадратный дюйм). В случае морской воды они варьируются от 5,5 до 8 МПа (от 800 до 1180 фунтов на квадратный дюйм). Это требует значительных затрат энергии. При использовании рекуперации энергии часть работы насоса высокого давления выполняется устройством рекуперации энергии, что снижает энергозатраты.
Мембранный узел состоит из сосуда под давлением с мембраной, которая позволяет проталкивать к нему питательную воду. Мембрана должна быть достаточно прочной, чтобы выдерживать давление. Мембраны обратного осмоса изготавливаются в различных конфигурациях. Двумя наиболее распространенными являются спирально-навитые и полые волокна .
Через него проходит только часть воды, закачанной на мембрану. Оставшийся «концентрат» проходит по солевой стороне мембраны и смывает соль и другие остатки. Процент опресненной воды представляет собой «коэффициент восстановления». Это 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 квадратный дюйм меньше, чем давление подачи, и, таким образом, сохраняется большая часть входной энергии.
Чистота опресненной воды зависит от минерализации питательной воды, выбора мембраны и коэффициента восстановления. Для достижения более высокой чистоты можно добавить второй проход, что обычно требует еще одного цикла откачки. Чистота, выраженная как общее количество растворенных твердых веществ, обычно варьируется от 100 до 400 частей на миллион (ppm или мг/литр) исходной морской воды. Уровень 500 ppm обычно является верхним пределом для питьевой воды, тогда как Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США классифицирует минеральную воду как воду, содержащую не менее 250 ppm.
Рекуперация энергии может снизить потребление энергии на 50% и более. Большая часть входной энергии может быть извлечена из потока концентрата, а повышение эффективности устройств рекуперации энергии значительно снижает потребности в энергии. Используемые устройства в порядке изобретения:
Опресненная вода стабилизируется для защиты последующих трубопроводов и хранилищ, обычно путем добавления извести или каустической соды для предотвращения коррозии покрытых бетоном поверхностей. Известковый материал используется для регулирования pH в пределах от 6,8 до 8,1 в соответствии со спецификациями питьевой воды, в первую очередь для эффективной дезинфекции и борьбы с коррозией. Реминерализация может потребоваться для замены минералов, удаленных из воды при опреснении, хотя этот процесс оказался дорогостоящим и неудобным для удовлетворения потребности людей и растений в минералах, содержащихся в типичной пресной воде. Например, вода из национального водоканала Израиля обычно содержит уровень растворенного магния от 20 до 25 мг/литр, тогда 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 их приходилось устранять путем внесения удобрений. Израильские стандарты питьевой воды требуют минимального уровня кальция 20 мг/литр. В процессе опреснения воды в Аскелоне используется серная кислота для растворения кальцита (известняка), в результате чего концентрация кальция составляет от 40 до 46 мг/литр, что ниже, чем от 45 до 60 мг/литр, обнаруженных в типичной израильской пресной воде.
Дезинфекция после обработки обеспечивает вторичную защиту от повреждения мембран и последующих проблем. Дезинфекция с помощью ультрафиолетовых (УФ) ламп (иногда называемых бактерицидными или бактерицидными) может использоваться для стерилизации патогенов, которые уклоняются от процесса обратного осмоса. Хлорирование или хлораминирование (хлор и аммиак) защищает от болезнетворных микроорганизмов, которые могли поселиться в распределительной системе ниже по течению. [29]
Крупномасштабные промышленные/муниципальные системы обычно восстанавливают от 75% до 80% питательной воды или до 90%, поскольку они могут создавать необходимое более высокое давление.
Бытовые установки обратного осмоса используют много воды, поскольку у них низкое противодавление. Бытовые водоочистители RO обычно производят один литр полезной воды и 3-25 литров сточных вод . [30] Остаток сбрасывается, как правило, в канализацию. Поскольку сточные воды содержат отброшенные загрязняющие вещества, восстановление этой воды непрактично для бытовых систем. Сточные воды обычно сбрасываются в канализацию домов. Установка обратного осмоса, поставляющая 20 литров (5,3 галлона США) очищенной воды в день, также сбрасывает от 50 до 80 литров (от 13 до 21 галлона США). Это привело к тому, что Национальный зеленый трибунал Индии предложил запретить системы очистки воды обратного осмоса в районах, где общее содержание растворенных твердых веществ (TDS) в воде составляет менее 500 мг/литр. [ нужна цитата ] В Дели широкомасштабное использование бытовых устройств обратного осмоса увеличило общий спрос на воду на и без того засушливой национальной столичной территории Индии . [31]
RO удаляет как вредные загрязнения, 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 имеют низкое качество. [32]
В зависимости от желаемого продукта поток растворителя или растворенного вещества обратного осмоса будет отходом. При концентрировании пищевых продуктов поток концентрированных растворенных веществ является продуктом, а поток растворителя — отходами. При очистке воды поток растворителя представляет собой очищенную воду, а поток растворенных веществ представляет собой концентрированные отходы. [33] Поток растворителей от пищевой промышленности может использоваться в качестве регенерированной воды , но вариантов утилизации концентрированного потока растворенных отходов может быть меньше. Суда могут использовать морские сбросы , а прибрежные опреснительные установки обычно используют морские водосбросы . Для установок обратного осмоса, не имеющих выхода к морю, могут потребоваться пруды-испарители или нагнетательные колодцы , чтобы избежать загрязнения грунтовых вод или поверхностного стока . [34]
Современные мембраны обратного осмоса, тонкопленочные композитные (TFC) полиамидные мембраны, изучаются с целью найти способы улучшения их проницаемости. Благодаря новым методам визуализации исследователи смогли создать 3D-модели мембран и изучить, как вода течет через них. Они обнаружили, что мембраны TFC с участками с низким потоком значительно снижают водопроницаемость. [35] Обеспечивая однородность мембран и позволяя воде течь непрерывно и без замедления, проницаемость мембран можно улучшить на 30–40%. [36]
Исследования изучали интеграцию обратного осмоса с электродиализом для улучшения извлечения ценных деионизированных продуктов или уменьшения объемов концентрата.
Другой подход - многоступенчатый RO низкого давления с высокой степенью извлечения (LPHR). Он производит концентрированный рассол и пресную воду, многократно пропуская продукцию через относительно пористую мембрану при относительно низком давлении. Каждый цикл удаляет дополнительные примеси. Как только продукт становится относительно чистым, его пропускают через обычную мембрану обратного осмоса при обычном давлении для завершения этапа фильтрации. Было обнаружено, что LPHR экономически целесообразен: извлечение более 70% при OPD от 58 до 65 бар и оставление не более 350 ppm TDS из исходной морской воды с TDS 35 000 ppm.
Углеродные нанотрубки потенциально призваны решить типичный компромисс между проницаемостью и селективностью мембран обратного осмоса. УНТ обладают многими идеальными характеристиками, включая: механическую прочность, сродство к электрону, а также гибкость во время модификации. Реструктурируя углеродные нанотрубки и покрывая или пропитывая их другими химическими соединениями, ученые могут изготовить эти мембраны, обладающие всеми наиболее желательными характеристиками. Мембраны из УНТ надеются найти сочетание высокой водопроницаемости и одновременно уменьшить количество нейтральных растворенных веществ, выводимых из воды. Это поможет снизить затраты энергии и стоимость реминерализации после очистки через мембрану. [37]
Графеновые мембраны призваны использовать преимущества своей тонкости для повышения эффективности. Графен представляет собой особый слой атомов углерода, поэтому он примерно в 1000 раз тоньше существующих мембран. Графеновые мембраны имеют толщину около 100 нм, тогда как толщина современных мембран составляет около 100 мкм. Многие исследователи были обеспокоены долговечностью графена и тем, сможет ли он выдержать давление обратного осмоса. Новое исследование показывает, что в зависимости от подложки (поддерживающего 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 морской воды обратного осмоса. [38]
Пакетный RO может предложить повышенную энергоэффективность , более долговечное оборудование и более высокие пределы солености.
Традиционный подход утверждал, что молекулы пересекают мембрану индивидуально. Исследовательская группа разработала теорию «трения раствора», утверждающую, что молекулы объединяются в группы через временные поры. Определение характеристик этого процесса может способствовать развитию мембран. Принятая теория состоит в том, что отдельные молекулы воды диффундируют через мембрану, что называется моделью «диффузии раствора». [39]
{{cite book}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)