- 29 июля 2014
- Просмотров: 180288
-
Мембранная очистка питьевой воды, основы технологии
Главным достоинством мембранной технологии очистки воды является экологическая чистота процесса: при очистке воды методом обратного осмоса не используются химические вещества и реагенты. Также можно выделить низкую энергозатратность процесса, и, как следствие, приемлемую себестоимость очищенной воды. Кроме того, ни одна из массовых и доступных технологий очистки питьевой воды не может так же надежно гарантировать степень и уровень чистоты. У обратноосмотической технологии просто нет альтернатив.
Мембрана является полупроницаемым фильтром: она пропускает воду, но не пропускает (или почти не пропускает) примеси - коллоидные, дисперсные, растворенные. В отличие от обычных фильтров, в которых примеси оседают внутри фильтра, в мембране отделение воды от "не воды" происходит только на поверхности. Через мембрану проникает только вода, а примеси остаются на ней. Чтобы избежать быстрого загрязнения фильтрующей поверхности, в мембранном элементе организованы два потока воды: с "чистой" стороны отводится пермеат (очищенная вода), а с наружной стороны мембраны постоянно поступают новые порции исходной воды, которые смывают с поверхности не прошедшие через мембрану примеси (концентрат).
В современных системах обратного осмоса иcпользуются рулонные (spiral wound) плоские (thin film) полиамидные (PA, Nylon) мембраны. Элемент представляет собой так называемый многослойный конверт (или мембранный лист, если угодно), открытой частью "приклеенный" к стержню с отверстиями. В целях компактности конверт намотан на этот самый стержень. Во время работы мембраны неочищенная вода подается с торца мембраны; пермеат собирается внутри мембранного конверта и по спирали проходит в стержень и далее в питьевую часть системы. Концентрат при этом непрерывно смывается в дренаж, уходя с другого торца мембраны.
Несмотря на распространенность и массовость мембранной технологии очистки воды методом обратного осмоса, единой общепринятой теории процесса нет. Приведем несколько моделей очистки.
1. Представление о мембране как о сите с очень-очень маленькими отверстиями, сопоставимыми с размером молекулы воды. Самое простое объяснение для потребителя, но не самое честное. К примеру, не дает ответа на вопрос: почему одновалентные ионы (одноатомные, меньше трехатомного H2O) не проходят через мембрану.
2. Модель диффузионного переноса. Согласно этой теории молекулы воды за счет водородных связей образуют на поверхности воды пленку; и вода благополучно диффундирует с внешней стороны мембраны во внутреннюю, питьевую. Также, водная пленка не дает проникать солям через поры мембраны. Соли и ионы также могут диффундировать через мембрану, но скорость их переноса гораздо ниже, чем у воды.
3. Капиллярная теория. Согласно этому представлению вода проникает через мембрану как через систему капилляров. При этом вода связывается с материалом мембраны с помощью водородных связей и структурируется. Связанная вода полностью заполняет собой поры мембраны и значительно отличается от обычной воды, образуя барьер для других молекул и растворенных веществ.
4. Модель селективной проницаемости. В гидрофильных мембранах, у которых размер пор не превышает двойного размера молекулы воды, внутри пор за счет адсорбции на стенках образуется слой чистой воды, и растворенные вещества не могут пройти через поры.
Для понимания особенностей процессов мембранного разделения воды следует обратить внимание на следующие закономерности.
Осмотическое давление (осмотическое сопротивление). Если очень грубо и "на пальцах" - раствор всегда хочет "втянуть" в себя чистую воду. А мы в системе обратного осмоса как раз из раствора под давлением пытаемся через мембрану "выдавить" чистую воду. Поэтому рабочее давление на мембрану должно превышать это осмотическое сопротивление (и намного, из-за еще других нюансов конструкции системы). Чем больше в исходной воде растворенных солей, тем выше ее осмотическое сопротивление. К примеру, для Харькова общая минерализация водопроводной воды составляет примерно 400-500 мг/литр; в основном это соли кальция и магния. Считается, что каждые 1000 мг/литр растворенных солей повышают осмотическое сопротивление на 0.6 - 0.8 атмосфер (точные цифры для разных солей могут отличаться).
Чем выше концентрация примесей в исходной воде, тем ниже производительность.
Температура воды также влияет на производительность системы мембранной технологии очистки воды. При повышении температуры осмотическое сопротивление растет, но уменьшается вязкость жидкости; в целом пропускная способность мембраны повышается на 3% с каждым градусом Цельсия (объясняет падение производительности систем в зимнее время).
Чем выше приложенное к мембране давление, тем лучше очистка. Считается, что высокое давление уплотняет верхний разделительный слой, тем самым сужая поры мембраны; поток чистой воды через мембрану увеличивается, а прохождение посторонних примесей остается на том же уровне.
