Обратный осмос

О́смос (от греч. ὄσμος — толчок, давление) — процесс односторонней диффузии через полупроницаемую мембрану молекул растворителя в сторону бо́льшей концентрации растворённого вещества из объёма с меньшей концентрацией растворенного вещества. 

Обратный осмос — процесс, в котором с помощью давления принуждают растворитель (обычно вода) проходить через полупроницаемую мембрану из более концентрированного в менее концентрированный раствор, то есть в обратном для осмоса направлении. При этом мембрана пропускает растворитель, но не пропускает некоторые растворён
ные в нём вещества.

Рис. 1 Осмос. Система пытается перейти в равновесие путем переноса растворителя в раствор и разбавлением раствора. Поток направлен в сторону раствора.

Рис. 2 Равновесие.  

Рис. 3 Обратный осмос. Давление, приложенное со стороны раствора и превышающее осмотическое, вызывает перенос растворителя в обратном направлении и раствор концентрируется.

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.

Рис. 4 Фильтрующая способность мембранных аппаратов. По материалам компании «Осмоникс»

Сущность метода

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.

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.

Условия применения обратного осмоса

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,
• марганцевокислый калий) – до 0,1 г/л;
• марганец общий (Mn) – до 0,05 мг/л;
• железо общее (Fe) – до (0,1–0,3) мг/л (некоторые фирмы требуют не более 0,05 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 (иногда до 50 г/л); при значениях минерализации менее 2–3 г/л экономические показатели аппаратов ухудшаются;
• температура воды – 5–35 (иногда до 45) °С;
• давление – (0,3–6,0) МПа (в зависимости от минерализации);
• температура воздуха в помещении – 5–35°С;
• влажность воздуха в помещении – ≤ 70%;
• не допускается высыхание мембран и их длительный простой (более трех суток без специальной консервации).