Мембраны обратного осмоса: промывка или замена

Что такое «обратный осмос» и как с его помощью чистить воду?

В основе обратного осмоса лежит широко распространённое в природе явление осмоса, известное из курса средней школы. Осмос можно наблюдать, если рассмотреть систему из двух камер с раствором какой-либо соли и чистой водой, разделенных полупроницаемой мембраной, пропускающей молекулы воды, но непроницаемой для растворенных в воде примесей (рис. 1).

Рис. 1. Иллюстрация принципа обратного осмоса

В такой системе молекулы воды будут перемещаться через мембрану из камеры с чистой водой в солевой раствор, разбавляя его и вызывая в камере с последним повышение уровня жидкости. Явление осмоса наблюдается даже в том случае, когда вода и раствор находятся под одинаковым внешним давлением. Разница в высоте уровней воды и солевого раствора обусловлена силой, под действием которой молекулы воды проникают через мембрану. Эта сила непосредственно связана с осмотическим давлением, зависящим от концентрации растворенных в воде примесей. Если приложить к солевому раствору давление, равное его осмотическому давлению, система придет в равновесное состояние, и процесс осмоса прекратится.

Если же в рассмотренной системе к раствору соли приложить давление, превышающее осмотическое давление этого раствора, движение молекул воды в системе будет направлено из камеры солевого раствора в камеру чистой воды. Иными словами, за счет приложенного давления будет происходить «выдавливание» чистой воды из раствора соли. Именно это явление лежит в основе очистки воды методом обратного осмоса.

В обратноосмотических системах используются тонкопленочные композитные мембраны, состоящие из барьерного и вспомогательных слоев (рис. 2).

Рис. 2. Строение тонкопленочной композитной мембраны

За процесс обратноосмотического разделения отвечает барьерный слой, состоящий из полимерного материала (чаще всего на основе ароматического полиамида), проницаемого для молекул воды, но не для растворенных солей и других примесей. Исключение составляют растворенные в воде газы – кислород, углекислый газ и другие, которые свободно проникают через мембрану. Размер условных пор обратноосмотической мембраны оценивается на уровне 0,0001 мкм, что обеспечивает задержание мембраной не менее 99% примесей.

Под воздействием давления часть воды проходит через мембрану, очищаясь от примесей и образуя поток так называемого пермеата. Задержанные примеси с оставшейся частью воды образуют поток концентрата. Пермеат, являющийся очищенной водой, подается потребителю, концентрат же сбрасывается в канализацию.

Величина отношения количества пермеата к количеству исходной воды называется выход пермеата или «recovery», и чем она выше, тем лучше. Однако, задача повышения выхода пермеата является далеко не простой и требует учета большого количества факторов – от состава исходной воды до габаритов установки. Поиск и обеспечение оптимальных условий повышения «recovery» лежит в основе всей мембранной науки и связанных с ней технологий.

Химия загрязнений

Ваш мембранный фильтр это по сути уменьшенная копия большой системы по очистке воды.

Для обслуживания промышленных мембран обратного осмоса используются два типа промывок — текущие и химические.

Во время текущей обратной промывки происходит смыв с поверхности мембранного полотна большинства частиц загрязнений.

Но несмотря на то, что она проводится регулярно, часть из них все равно налипает на мембрану. Стоит отметить, что данные вещества делятся на группы и смываются разными химическими реагентами.

Существует четыре основных подгруппы загрязнений:

1. Коллоидные примеси — частички глины, угольная пыль и прочие примеси, которые прошли через фильтры предварительной очистки.
2. Неорганические соли — карбонаты кальция и магния, железо, марганец и другие металлические соединения, которые создают плотные отложения в структуре мембраны.
3. Органические вещества преимущественно природного происхождения создают слизь в межлистовом пространстве мембраны, которая приводит к такому же эффекту.
4. Биологические обрастания представляют собой колонии водорослей и микроорганизмов, которые поселяются и размножаются в корпусе мембраны.

Минеральные отложения неорганических солей можно смыть с помощью кислых реагентов. Органические и коллоидные примеси, а также микробиологические обрастания вымываются щелочными веществами.

Стоит отметить, что все подобные вещества довольно агрессивны, поэтому применяются с учетом техники безопасности обученным персоналом.

Принципы работы обратного осмоса и нанофильтрации

Как работает обратный осмос

Явление осмоса можно увидеть, если в одну часть сосуда, разделенного полупроницаемой мембраной, налить чистую воду, а в другую — соленую. Термин «полупроницаемая» означает, что мембрана является проницаемой для одних частиц и непроницаемой для других. Если использовать мембрану проницаемую только для молекул воды, то она не будет пропускать через себя растворенные в воде соли. Спустя некоторое время можно будет заметить, что концентрации в обеих частях сосуда выравниваются. Таким образом происходит явление осмоса — чистая вода проходит через полупроницаемую мембрану в сторону концентрированного раствора и концентрации выравниваются. Это явление естественно, т. к. любая система стремится к равновесию.

Из рисунка видно, что в результате осмоса увеличивается высота столба жидкости в той части сосуда, где находился соленый концентрированный раствор. Высота будет увеличиваться до тех пор, пока давление столба жидкости (соляного раствора) не будет достаточно высоким, чтобы поток воды остановился. Прилагаемое давление, при котором поток воды через мембрану остановится, называется осмотическим давлением. Если к жидкости приложить ещё большее давление, поток воды через мембрану может развернуться в обратном направлении. На этом и основан термин «обратный осмос». В результате воздействия давления из соляного раствора через мембрану будет выходить только чистая вода, так как соли мембрана не пропускает.

Как работает нанофильтрация

Нанофильтрационная мембрана не является абсолютным барьером для растворенных солей. Степень пропускания солей может быть низкой или высокой в зависимости от типа соли и типа мембраны. Нанофильтрационные мембраны с низкой проницаемостью имеют почти такое же рабочее давление, что и обратный осмос. Нанофильтрационные мембраны с высокой проницаемостью работают при более низком давлении. На практике обратный осмос и нанофильтарция применяются с тангенциальным процессом фильтрации. С помощью насоса высокого давления исходная вода непрерывно подается в систему мембран при повышенном давлении. Внутри мембранной системы исходная вода разделяется на поток с низким содержанием солей — очищенный продукт, называемый пермеатом, и высококонцентрированный поток, называемый концентратом. Клапан регулирования потока, называемый клапаном концентрата, регулирует выход пермеата.

Как промыть мембрану дома?

Очистка мембраны обратного осмоса дома с использованием лимонной кислоты, судя по запросам в Google, является первым по популярности трендом. Самый простой вариант, который предлагают, это замачивание в растворе на 4, 6, 12 часов. Почему мы не рекомендуем использовать данный метод:

• Лимонная кислота довольно слабый реагент, который не способен растворить все отложения;
• процесс замачивания не является промывкой, поскольку вода должна подаваться на мембрану под давлением вынося с собой отмытые частицы загрязнений.
• спектр удаляемых кислотными реагентами солей обеспечивает снижение минерального загрязнения, но при этом практически не влияет на слизь.

Реальным методом восстановления мембран является применение специальных фильтров, которые могут обеспечивать режим промывки. В данном случае у них есть специальный клапан, который позволяет запустить воду в системе обратным током из бака накопителя или же из емкости со специальным раствором.

Зачем нужна пост-обработка пермеата?

Особого внимания заслуживают стадии пост-обработки или финишной коррекции пермеата. В составе бытовых систем обратного осмоса эти стадии реализуются с помощью различных пост-фильтров, устанавливаемых на линии подачи очищенной воды из накопительного бака в кран. Существуют различные варианты пост-фильтров, которыми производители комплектуют бытовые системы обратного осмоса, однако все они на практике выполняют три различные функции:

• коррекция вкусовых качеств воды;
• обеспечение микробиологической чистоты питьевой воды;
• реминерализация и корректировка рН.

Рассмотрим детально каждую из задач, решаемых различными вариантами пост-обработки пермеата в бытовых системах обратного осмоса.

Практически во всех бытовых осмосах используется пост-обработка пермеата с помощью активированного угля, получаемого из скорлупы кокосовых орехов. Для этой цели система обратного осмоса комплектуется так называемым пост-карбоном – инкапсулированным фильтром, наполненным кокосовым активированным углем высокого качества. При прохождении воды через этот фильтр происходит коррекция важных органолептических показателей качества воды – вкуса и запаха. Посткарбон позволяет улучшить вкус воды для тех потребителей, которые находят пермеат безвкусным, а также позволяет устранить возможные посторонние запахи, связанные с хранением воды в накопительном баке.

Вопрос о необходимости обеспечения микробиологической чистоты воды после накопительного бака в бытовом обратном осмосе возник относительно недавно. Для его решения обычно проводят регламентное обслуживание системы с промывкой бака обеззараживающими реагентами. Проблему присутствия микроорганизмов в воде можно решить и с помощью определенных методов пост-обработки воды.

Одним из таких методов является обеззараживание воды с помощью ультрафиолетового излучения. Этот физический метод, используемый уже много лет, отличается не только высокой эффективностью, но и отсутствием негативного влияния на химический состав очищенной воды. Еще недавно широкому распространению УФ существенно препятствовала высокая стоимость и энергозатратность метода, сегодня же большой ассортимент ламп разной мощности, в том числе и светодиодных (UV– LED) обеззараживателей, позволяет применять его в самых разных сферах. Для бытовой водоподготовки УФ-лампы – едва ли не идеальный вариант. Компактные и эргономичные, они легко устанавливаются в системы очистки, обеспечивая бесперебойную работу и эффективную дезинфекцию воды.

Еще один физический метод обеззараживания воды, который можно применить в локальной водоподготовке – ультрафильтрация. Суть обеззараживания воды с помощью ультрафильтрации заключается в том, что при прохождении воды через полупроницаемую мембрану с размером пор от 0,001 до 0,1 мкм задерживаются различные примеси: коллоиды, органические вещества, водоросли и большинство микроорганизмов. Совсем недавно данный метод главным образом применялся для удаления коллоидных примесей и взвесей в промышленных масштабах. Сейчас же существенно возрос интерес к его использованию для удаления микроорганизмов в условиях бытовой водоподготовки.

На сегодняшний день различными компаниями выпускаются компактные, простые в использовании ультрафильтрационные картриджи, которые по эффективности обеззараживания не уступают УФ-лампам. Картриджи данного типа рекомендуется применять после накопительного бака бытовых систем обратного осмоса для доочистки воды от возможного микробиологического загрязнения.

Солесодержание пермеата бытового осмоса не превышает 15–20 мг/л. В последние годы мировое медицинское сообщество признало, что обессоленная вода не вредит здоровью человека. Однако вкус такой воды существенно отличается от привычного. Именно для обеспечения возможности выбора состава очищенной воды существует такая опция для бытовых систем обратного осмоса, как минерализирующий пост-фильтр, или минерализатор. Минерализатор в общем случае представляет собой фильтр, заполненный крошкой из различных природных минералов. Обратноосмотический пермеат, характеризующийся рН 5,8-6 и низким солесодержанием, при контакте с такой крошкой медленно растворяет ее и насыщается солями кальция, магния, натрия и калия до уровня 50–100 мг/л. Также при этом происходит коррекция кислотности пермеата – значение рН повышается до значений 6,5–7.

При описании процессов обратного осмоса/ нанофильтрации обычно используются следующие термины.

Выход пермеата — процент получаемой очищенной воды (пермеата) от исходной воды, поступающей на мембранную очистку. Определенное значение выхода достигается регулированием расхода концентрата с помощью вентиля на концентрате. Выход пермеата фиксируется на максимальном уровне, при котором расход по пермеату является максимальным, но при этом исключается осаждение солей на поверхности мембран.

Степень очистки — процент растворённых веществ, удалённых на мембране из исходной воды

При обратном осмосе важно, чтобы степень удаления общего растворённого вещества была высокой, в то время как при нанофильтрации степень очистки от разных веществ может быть различной, например, возможна низкая степень удаления жёсткости и высокая степень удаления органического вещества

Проскок — термин, противоположный термину «степень задержания», т. е. процентная доля растворенных (загрязняющих) веществ, содержащихся в — исходной воде, пропускаемых мембраной.

Пермеат — очищенная вода, полученная в результате мембранной очистки.

Расход (производительность) — расходом по исходной воде называется скорость потока исходной воды в м3/ч, подаваемой в мембранный элемент или систему мембран. Производительность по концентрату — скорость концентрированного потока в м3/ч на выходе из мембранного элемента или мембранной системы. Производительность по пермеату — скорость потока по фильтрату (пермеату) в м3/ч на выходе из мембранного элемента или мембранной системы.

Удельная производительность — скорость потока пермеата, проходящего через единицу мембранной площади, обычно измеряется в литрах на квадратный метр (л/м2×ч).

История

С тех пор, как были разработаны методы обратного осмоса (ОО) и ультрафильтрации (УФ) в конце 50-х – начале 60-х гг прошлого века, спектр их применения постоянно расширялся. Изначально обратный осмос использовался для обессоливания морской и солоноватой воды. Повышение требований к промышленным предприятиям по сбережению воды, снижению расхода электроэнергии, контролю загрязнений и переработке отходов с целью повторного использования сделали новые применения обратного осмоса экономически привлекательными. Кроме того, благодаря прогрессу в биотехнологии и фармацевтике, вместе с продолжающимся прогрессом в развитии мембран, мембраны в настоящее время представляют собой важный этап для сепарации воды и примесей, который является более энергосберегающим, чем дистилляция, и не приводит к разрушению продуктов под действием температуры.

В целом, в настоящее время мембраны обратного осмоса делают возможным более интенсивное удаление солей при значительно меньшем рабочем давлении и, следовательно, меньших затратах. С помощью нанофильтрационной мембранной технологии можно удалять определённые соли и соединения при сравнительно низких рабочих давлениях.

*Принцип обратного осмоса

Понятие «обратный осмос» показывает обратимость прямого или естественного осмоса, характеризуемого самопроизвольным переходом растворителя через полупроницаемую мембрану в раствор. Рассмотрим принцип действия прямого и обратного осмоса на графических примерах. Пусть в камере «А» содержится водный раствор неорганических солей, а в камере «В» чистая вода. Обе камеры разделены полупроницаемой мембраной, способной пропускать только молекулы воды. Начальное состояние системы, в которой реализуется прямой осмотический процесс, показано на рис. 1.

Из-за разности давлений (концентраций) молекул воды в различных камерах (большее давление в камере В) осуществляется переход молекул воды через полупрони­цаемую мембрану в объем с их меньшей концентрацией, т.е. в камеру раствора А. Объем раствора при этом посто­янно увеличивается, сам раствор разбавляется. Разность давлений молекул воды в обеих камерах постепенно уменьшится, тормозя дальнейший перенос молекул воды. Другими словами, уровень воды в камере «А» поднимается до тех пор, пока давление, создаваемое столбом жидкости, уравновесит поток чистой воды. При этом достигается осмотическое равновесие. Величина создаваемого гидравлического давления называется осмотическим давление раствора в камере «А» рис.2.

Если приложить к раствору соли в этой системе гидр­статическое давление, превышающее осмотическое, то обнаружим, что чистая вода протекает в направление, противоположному описанному выше, и что соли задерживаются мембраной. Это явление стало известно как обратный осмос (рис. 3).

Эффективность процессов обратного осмоса определяется в значительной мере свойствами применяемых мембран, которые должны отвечать следующим требованиям: обладать высокой разделяющей способностью (селективностью), высокой удельной проницаемостью, устойчивостью к действию среды, неизменностью характеристик в процессе эксплуатации, достаточной механической прочностью и химической стойкостью. При разделении водных растворов материал полупроницаемой мембраны должен быть гидрофильным.

Несмотря на кажущуюся простоту обратного осмоса, до настоящего времени нет единого взгляда на механизм перехода молекул воды через мембраны. Наибольшее распространение получила гиперфильтрационная (ситовая) гипотеза, согласно которой в полупроницаемой мембране имеются поры с диаметром, достаточным, чтобы пропускать молекулы воды (d H₂O=0,276 нм), но недостаточным для прохождения гидратитрованных ионов >0,4нм) и молекул растворенных веществ.

На основании сорбционного механизма полупроницаемости на поверхности мембраны и в ее порах адсорбируется слой связанной воды, обладающий пониженной растворяющей способностью. Следовательно, мембрана будет полупроницаемой, если она хотя бы в поверхностном слое имеет поры, не превышающие по размеру удвоенной толщины слоя (t) связанной жидкости (рис.4).

Под действием давления через такую мембрану проходит только пресная вода, причем вытесненные из пор молекулы воды будут заменяться другими, сорбируемыми мембраной. Способностью сорбировать молекулы воды обладают мембраны, изготовленные из гидрофильных веществ и, в частности, из ацетатцелюлозы или полиамида.

Что собой представляет RO система?

Чтобы понять лучше, от чего зависит срок службы важного сменного блока в системах обратного осмоса, разберемся сначала, что это за устройства, и какую роль в них играет мембрана. Итак, RO-система для бытового использования – это многоступенчатый фильтр очистки воды

Это значит, что прежде, чем хозяин устройства получит высококачественную жидкость, она пройдет несколько этапов очистки с помощью специальных сменных картриджей. Каждый из которых избавляет воду от определенного рода примесей

Итак, RO-система для бытового использования – это многоступенчатый фильтр очистки воды. Это значит, что прежде, чем хозяин устройства получит высококачественную жидкость, она пройдет несколько этапов очистки с помощью специальных сменных картриджей. Каждый из которых избавляет воду от определенного рода примесей.

Что касается мембраны, о сроке использования которой речь идет в статье, на нее приходится основная нагрузка. Она удаляет около 90% всех примесей. Располагается она после нескольких (чаще всего трех) ступеней очистки. Они исполняют роль предварительной подготовки воды, которая в последующем будет пропущена через сердце системы.

Сама мембрана изготавливается из особого полимерного материала. Представляет собой пленку с мельчайшими порами, размер которых не превышает размера молекул воды. Эта пленка свернута в рулон и упакована в пластиковый корпус.

Так от чего же зависит срок службы мембраны?

Для начала в поле нашего зрения попадут картриджи предварительной очистки, расположенные перед мембраной. Они предназначены для защиты увеличения времени ее работы, очищая влагу от механических частиц, которые могут засорить полимерный материал, а также от хлора, который губительного на него действует.

Становится понятным, что чем больше примесей в водопроводной воде, тем выше вероятность того, что полимерный материал прослужит меньше, чем мог бы. А также если качество и эффективность картриджей для фильтров воды оставляет желать лучшего, мембрана быстро придет в негодность.

Поэтому, очень важно правильно подобрать фильтрующие элементы, кроме того своевременно производить их замену. Также, если качество влаги, поступающей в дом, достаточно низкое, в ней много хлора и прочих примесей, рекомендуется установить магистральный фильтр с подходящим в вашем случае картриджем

Зачем он нужен? – спросите вы. Очень просто. Он задержит значительную часть примесей, облегчив тем самым работу картриджам в обратном осмосе, защитив мембрану и продлив срок ее службы. Замечательный вариант для экономных хозяев, ведь благодаря магистральному фильтру продлевается срок службы всех элементов очистки в обратноосмотической системе.

Итак, из всего вышеописанного следует, что на срок эксплуатации мембраны оказывают влияние следующие факторы:

• качество водопроводной воды,
• качество картриджей, которые установлены перед мембраной,
• правильность подбора картриджей перед мембраной в соответствии с качеством воды,
• наличие магистрального фильтра в доме,
• своевременность замены картриджей воды перед мембраной.

Все эти факторы в той или иной мере способны сократить либо увеличить время работы мембраны обратного осмоса. В среднем, элемент подлежит замене раз в 3 года

Обратим внимание, что другие картриджи в системе обратного осмоса нужно менять чаще, примерно раз в полгода. Тогда устройство будет работать безупречно

Для чего нужна предподготовка воды и как она происходит?

Качество предварительной очистки воды перед подачей ее на мембрану обратного осмоса имеет большое значение, поскольку именно от него зависит срок службы мембранного элемента. Необходимо помнить, что бытовая система обратного осмоса предназначена для доочистки водопроводной воды, предварительно очищенной на централизованных станциях, или воды, прошедшей очистку на локальных установках подготовки воды. Бытовые системы обратного осмоса не предназначены для прямой очистки воды из скважины или колодца, так как в большинстве случаев такая вода содержит значительные количества различных примесей – железо и марганец, соли жесткости, природные органические вещества и другие.

Все эти примеси эффективно удаляются обратным осмосом, но очень быстро выводят из строя наиболее дорогостоящий элемент системы – обратноосмотическую мембрану (рис. 4). Поэтому очистка неподготовленной воды с помощью бытового обратного осмоса является прежде всего нецелесообразной с экономической точки зрения.

Рис. 4. Загрязнение мембраны бытового осмоса вследствие очистки воды ненадлежащего качества

На этапе предподготовки в бытовых системах используются, в основном, три картриджных фильтра (префильтры) (рис. 5):

1. Полипропиленовый картридж механической фильтрации с рейтингом фильтрации 5–10 микрон, предназначенный для удаления всевозможных механических примесей, встречающихся в водопроводной воде – песчинок, частиц ржавчины и окалины и прочих частиц. Удаление таких примесей продлевает срок службы последующих картриджей и системы в целом. Срок службы картриджа механической фильтрации зависит от мутности очищаемой воды и составляет в среднем 3–6 месяцев. Несвоевременная замена картриджа, забившегося накопленными механическими примесями, может привести к снижению давления воды на входе в мембранный элемент и вследствие этого к снижению производительности системы.

Рис. 5. Типы картриджей фильтрации:

а) полипропиленовый картридж механической фильтрации; б) картридж с гранулированным активированным углем; в) картридж типа «карбон-блок»

2. Картридж с гранулированным активированным углем для удаления из водопроводной воды природных органических веществ и активного хлора, негативно влияющих на обратноосмотическую мембрану. В качестве наполнителя картриджа в данном случае может использоваться как кокосовый, так и битуминозный активированный уголь. Первый относится к микропористым углям и эффективно удаляет из воды примеси активного хлора и хлорорганических соединений, второй является мезопористым и очень эффективен для удаления природных органических соединений, содержащихся в поверхностных водах и получаемой из них водопроводной воде. Срок службы картриджа с гранулированным активированным углем также составляет в среднем 3–6 месяцев. Реальный ресурс этого картриджа зависит от таких показателей качества очищаемой воды, как окисляемость и цветность. Несвоевременная замена картриджа на этой стадии может привести к забиванию мембранного элемента, развитию на поверхности мембраны микроорганизмов из-за проскока питательной природной органики через истощенный слой активированного угля. В свою очередь, это сократит срок службы мембранного элемента, и может ухудшить качество очистки воды.

3. На третьей стадии могут применяться различные картриджи, в зависимости от типа системы обратного осмоса. В случае недорогих систем на этой стадии используется полипропиленовый картридж с рейтингом фильтрации 1 или 5 микрон для удаления частичек угля, которые могут вымываться из предыдущего картриджа, а также возможных остаточных механических загрязнений. В системах более высокого класса устанавливается картридж с использованием брикетированного активированного угля (карбон-блок), обеспечивающий не только механическую фильтрацию, но и дополнительную очистку от хлора и хлорорганики. Срок службы картриджа третьей стадии префильтрации составляет 3–6 месяцев. Таким образом, все три картриджа заменяются одновременно, что упрощает пользование бытовой системой обратного осмоса.