Мембранные технологии. Осмос и обратный осмос

1. Мембранные технологии 

Осмос и обратный осмос

2.

Мембрана - барьер, разделяющий две фазы и обеспечивающий
избирательный перенос веществ из одной фазы в другую.
ОСМОС (от греч. osmos - толчок, давление) самопроизвольный переход вещества через полупроницаемую мембрану,
разделяющую два раствора различной концентрации или раствор и
чистый растворитель. Осмос приближает систему к равновесию путём
выравнивания концентраций по обе стороны мембраны.
Обратный осмос основан на обратном явлении. Под этим термином
понимается процесс, при котором под воздействием давления
растворитель (роль которого обычно играет вода), проходит частично
проницаемую мембрану из раствора большей концентрации в раствор
меньшей концентрации.
Эта технология существует в живых организмах, обеспечивая
обмен различными веществами между клетками. Человеком
применяется обратный осмос с целью опреснения или очистки воды.

3.

Процесс обратного осмоса, как способ
очистки воды, используется с начала 60-х
годов. Первоначально он применялся для
опреснения морской воды. Сегодня по
принципу обратного осмоса в мире
производятся сотни тысяч тонн питьевой
воды в сутки. На настоящий момент в мире
уже установлены тысячи таких систем.
Получаемая обратным осмосом вода имеет
уникальную степень очистки. По своим
свойствам она близка к талой воде древних
ледников, которая признается наиболее
экологически чистой и полезной для
человека.

4.

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.

5.

Эта мембрана 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.

6. Принципиальные схемы

7.

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. Происходит
выравнивание концентраций. 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".

8. Обратный осмос

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

9.

Этот процесс
называется
"обратным
осмосом".
По
этому принципу и работают
все мембраны обратного
осмоса.
В
процессе
обратного
осмоса вода и растворенные
в ней вещества 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.

10. Мембранные технологии

Ужесточение требований к сбросным водам
ВПУ определило развитие безреагентных
методов очистки воды, среди которых
наиболее разработаны:
1. Обратный
осмос
может
пропускать
частицы от 1 до 15 Ангстрем;
2. Нанофильтрация от 10 до 70 А
3. Ультрафильтрация от 30 до 1000 А
4. Микрофильтрация от 500 до 20000 А

11.

Микрофильтрационные мембраны с размером пор
0,1-1,0 мкм задерживают взвешенные и коллоидные
частицы, определяемые как мутность.
Ультрафильтрационные мембраны с размером пор от
0,01 до 0,1 мкм удаляют крупные органические
молекулы, коллоидные частицы, бактерии и вирусы,
не задерживая при этом растворенные соли.
Нанофильтрационные мембраны характеризуются
размером пор от 0,001 до 0,01 мкм. Они
задерживают органические соединения и пропускают
15-90 % солей в зависимости от структуры мембраны.
Обратноосмотические мембраны задерживают
большую часть растворенных солей, органические
вещества, все вирусы и бактерии и пропускают только
молекулы воды и 1-3% легких минеральных солей.

12.

В основе всех мембранных технологий лежит
перенос примесей или растворителя (воды)
через мембраны. Природа сил, вызывающих
такой перенос, и строение мембран в
названных
процессах
различны.
При
использовании
сил
давления
при
ультрафильтрации
мембраны
должны
пропускать молекулы воды, задерживая в
максимальной степени ионы и молекулы
примесей. При использовании электрических
сил в электродиализном методе мембраны
должны быть проницаемы для ионов и не
должны пропускать молекулы воды.

13.

Мембраны по сути представляют собой очень
мелкое сито, размер ячеек которого
настолько мал, что невооруженным глазом
их не разглядеть. Изготавливаются
мембраны из композитных полимерных
материалов:
Ацетат целлюлозы
Полиамидное волокно
По способу изготовления делят на фильтрпрессы, трубчатые, рулонные, волоконные,
погружные касетные.

14. Преимущества систем обратного осмоса

Селективность (степень извлечения загрязняющих веществ) - до
99,9 %,
Уникальное качество очищенной воды,
Удаление низкомолекулярных гуминовых соединений, придающих
воде желтоватый оттенок и ухудшающих ее органолептические
свойства,
Универсальность - эффективное извлечение смеси загрязняющих
веществ: ионы тяжелых металлов + ионы кальция и магния +
фосфаты, сульфаты и хлориды,
Отсутствие вторичного загрязнения воды,
Низкие затраты электроэнергии
Длительный срок службы
Простота и надежность в эксплуатации. Автоматизированный
режим работы установок,
Высокая рентабельность,
Высокая экологическая безопасность.

15.

Принципиальная
схема
обратноосмотической установки:
1-высокоминерализованная обрабатываемая
вода; 2 - очищенная вода; 3 - концентрат
(сбросная вода); 4 - насос высокого
давления; 5 - модуль обратного осмоса; 6 полупроницаемая мембрана; 7 - выпускной
клапан

16.

Обратноосмотический аппарат рулонного типа:
1 - корпус; 2 - рулонный фильтрующий элемент; 3 уплотняющее; 4 - водоотводная трубка; 5 - муфта; I - исходная
вода; II - фильтрат; III - концентрат

17.

Современные
промышленные
обратноосмотические
установки выпускаются двух типов: со спиралевидными
(рулонными) мембранами и с мембранами в виде полых
волокон с внутренним диаметром от 25 до 80 мкм.
Установки состоят из большого числа модулей, которые
соединяют в блоки по определенной схеме. В аппарате
рулонного типа мембраны размещаются по границам
слоев поропластов, один из которых 5 предназначен для
подвода исходной воды к мембране, а другой 4 - для
отвода фильтрата. Каждый такой рулон образует
рулонный фильтрующий элемент (РФЭ). Такие РФЭ
располагаются в кожухе, по оси которого установлена
перфорированная трубка для отвода фильтрата. Из таких
модулей
собирается
аппарат
заданной
производительности. Исходная вода под давлением
подается через распределительное устройство в кожух к
разделяющим слоям поропласта, просачивается через
мембрану и стекает по внутреннему слою поропласта
(дренажи) к перфорированной трубке. Для исключения
попадания концентрата в фильтрат концы каждых двух
мембран склеивают.

18.

Рулонный фильтрующий элемент:
1 - водоотводящая трубка; 2 - щель;
3 - мембраны; 4 - дренажное
устройство; 5 - турболизатор разделитель

19.

Система обратного осмоса не может
работать одинаково хорошо в любых
условиях. Качество фильтрации зависит от:
Давления;
Температурного режима;
Кислотности среды;
Материала мембраны;
Химического состава фильтруемой воды

20.

Установки обратного осмоса используются как в
схемах ВПУ, так и для очистки сточных вод. Для
работы таких аппаратов требуется тщательная
очистка воды от коллоидных и грубодисперсных
примесей,
для
чего
на
предочистке
используются кроме насыпных также и другие
типы
механических
фильтров
(сетчатые,
намывные,
гильзовые
и
т.п.).
Установки
комплектуются также системой химической и
биологической очистки мембран, приборами и
устройствами автоматики.

21.

Обратный осмос, несмотря на свою простоту,
обеспечивает высокую степень очистки и
обеззараживания воды. Поэтому фильтры с
применением этой технологии полностью
оправдывают затраты на их приобретение,
обслуживание и ремонт.

22. Расчет стоимости литра воды при очистке обратным осмосом

В среднем человек, по минимальным подсчетам,
потребляет в день около двух литров питьевой воды.
Семье из четырех человек в год
2л х 4человека х 365дней = 2920л
Срок службы фильтра с обратноосмотической системой не
мене 10 лет. В таком случае, при цене оборудования 300$.,
затраты на амортизацию в год составляют 30$. Стоимость
расходных материалов складывается из:
стоимости предварительных фильтров (меняются два раза
в год) 11$ х 2=22$;
стоимости постугольного фильтра (меняется один раз в
год) 13$;
стоимость мембраны, из расчета трехлетней эксплуатации,
составит 38$/3=12.67$
Общая сумма затрат в год 68$.
Стоимость одного литра воды очищенного с помощью
фильтра с обратноосмотической системой составит
всего 0,023$. (68$ / 2920л).

23. Электродиализ

— процесс изменения
концентрации электролита в растворе под действием
электрического тока для получения сверхчистой воды.
Раствор для разделения помещают в сосуд, разделенный
перегородками из мембран. Мембраны свободно
пропускают раствор и задерживают ионы электролита.
Используются два вида мембран: одни задерживают
катионы, другие — анионы. Эти мембраны расположены
поочередно и разделяют общий объем на множество
полостей. Через ванну с раствором пропускают
постоянный электрический ток, который приводит ионы
растворенных солей в движение.
Противоположно заряженные ионы движутся в
противоположные стороны, но из-за того, что ванна
заполнена препятствующими движению ионов
мембранами, ионы задерживаются на ближайшей
мембране, соответствующей их заряду, и остаются в
полости между двумя мембранами.

24.

Результатом такого «просеивания» ионов
является изменение концентрации раствора
между соседними парами мембран —
между одной парой происходит её
повышение, между соседними к этой
паре — понижение.

25.

При наложении постоянного электрического поля на раствор
диссоциировавших на ионы веществ (электролитов) возникает
направленное движение ионов растворенных солей, а также
ионов Н + и ОН – . Причем катионы движутся к катоду, а
анионы – к аноду. Если раствор разделить парой специальных
ионоселективных мембран и при этом катионитную мембрану
расположить со стороны катода, а анионитную – со стороны
анода, катионы и анионы из межмембранного пространства
будут уходить к электродам, а ионы из приэлектродных
областей останутся там вследствие почти полной
непроницаемости мембран для ионов другого знака – т.е.
вода в межмембранном пространстве будет обессоливаться, а
у электродов концентрации ионов будут увеличиваться.
Замыкание цепи электрического тока достигается за счет
обмена электронами между электродами и раствором в ходе
так называемых электродных реакций:
катодной – 2Н2О + 2е – > Н 2 + 2ОН+
и анодных – 2Н2О – 4е – > О 2 + 4Н 2Cl – – 2e – > Cl 2

26.

Это приводит к выделению водорода вблизи
катода и кислорода или хлора вблизи анода.
Наработка Н + и ОН – ионов приводит к
электрической нейтрализации подходящих к
электродам ионов. Одновременно с этим
происходит обогащение прианодного
пространства кислотой, а прикатодного
щелочью. Таким образом, из исходной воды
получается три потока: обессоленная вода
(дилюат), щелочной и кислый концентраты
(католит и анолит).

27.

Процесс электродиализа реже применяется в
промышленности, чем процессы обратного осмоса и
ультрафильтрации, так как им возможно удалять из
раствора только ионы. Наиболее широко
электродиализные установки применяются для
опреснения морской воды. Но чаще процесс
электродиализа применяют для очистки воды,
содержание растворенных солей в которой составляет
примерно 10 г/л. В этом случае процесс электродиализа
является более экономичным по сравнению с обратным
осмосом или выпариванием.
При помощи электродиализа можно получать растворы
солей со сравнительно высокой концентрацией.
Благодаря этой особенности рассматриваемого
процесса электродиализ применяется также при
производстве поваренной соли и других солей из
морской воды. Электродиализ применяется также для
предочистки воды для теплоэнергетических установок.