3. Обратный осмос

Технология обратного осмоса, разработанная более 40 лет назад для промышленного применения и использования для опреснения морской воды, является еще одним примером успешной адаптации индустриальных систем к домашнему использованию для очистки воды для питья и приготовления пищи. В промышленных условиях для разделения воды и растворенных в ней веществ обычно используются очень высокие давления - от 200 до 800 фунтов на квадратный дюйм и выше (14 - 56 атм.). Техническое усовершенствование обратноосмотических мембран позволило в бытовых системах, предназначенных для очистки всего 2-10 галлонов воды (7.5 - 37.5 л) в день, преодолеть необходимость приложения сверхвысокого давления.

Явление осмоса было первоначально открыто в 1748 году французским ученым, который заметил, что вода самопроизвольно перетекает сквозь перегородку, изготовленную из мочевого пузыря свиньи, в параллельную камеру с этиловым спиртом. После открытия на протяжении 200 лет осмос и его антагонист - обратный осмос - оставались не более чем лабораторными исследованиями, поскольку не было выбора естественных мембран, и они не отличались надежностью. В середине 50-ых годов работы доктора Сурираяна и других ученых (Калифорнийский Университет Лос-Анджелеса) привели к созданию искусственных мембран, что совершило прорыв в области опреснения воды, в первую очередь, с помощью технологий обратного осмоса.

Движение воды из почвы в корни растений - пример проявления осмоса в природе. Когда полуводопроницаемая мембрана, например, стенка живой клетки, разделяет два раствора с разными концентрациями, вода через мембрану перетекает от менее концентрированного раствора в более концентрированный (рис. 10-4). Поток останавливается, когда осмотическое давление с обеих сторон мембраны уравнивается. Процесс осмоса непрерывно происходит в живых организмах, благодаря этому явлению вода, питательные вещества и отходы транспортируются в клетки и обратно.

Обратный осмос, как видно из названия, - это процесс, противоположный встречающемуся в природе осмосу. Приложение искусственного давления к концентрированному водному раствору изменяет поток жидкости на противоположный естественному процессу (рис. 10-5) [6]. Требуется один фунт на квадратный дюйм (0,07 атм.) на каждые 100 мг/л общего содержания растворенных веществ, чтобы нейтрализовать разницу с естественным осмотическим давлением. Избыточное давление естественного осмоса заставляет воду течь в обратном направлении.

Рис. 10.4. Осмос

В таких условиях, мембрана пропускает только молекулы воды и задерживает концентрат солей.

Как метод очистки питьевой воды, обратный осмос приобрел широкое распространение в середине 70-х годов в связи с разработкой мембранных элементов, способных функционировать при низких давлениях - от 35 фунтов на квадратный дюйм (2.4 атм.). Бытовые системы обратного осмоса для очистки питьевой воды обычно рассчитаны на обслуживание одного крана холодной воды (рис. 10-6). И устанавливаются под раковиной в домах и клинических лабораториях. Как показано на рисунке, стандартная бытовая обратноосмотическая система состоит из: предфильтра - механического или угольного, обратноосмотической мембраны, дренажа для отвода концентрата, небольшого накопительного бака и постфильтра из активированного угля.

Поскольку для повседневных домашних потребностей нужны небольшие объемы воды, производительность бытовых обратноосмотических систем составляет 2-12 галлонов (7.5-45.0 л) деминерализованной воды в сутки. Повышение давления в трубопроводе приводит к увеличению производительности системы. Поэтому большинство производителей предлагает вместе с системами очистки питьевой воды небольшие насосы. При повышении давления на 50 процентов производительность домашней обратноосмотической системы (с тонкопленочной композитной мембраной) повышается на 60 процентов, степень деминерализации воды при этом не снижается.

Рис. 10.5. Обратный осмос

Рис. 10.6 Стандартная обратноосмотическая установка с напорным накопительным баком

Для эффективной работы домашних обратноосмотических систем требуется тщательная предварительная обработка и безопасный источник питьевой воды. Некачественная предварительная обработка воды в значительной степени может препятствовать эффективной работе систем обратного осмоса. Иногда от них ожидают намного больше, чем то, для чего они предназначены. Другими словами, прежде чем подавать воду в систему обратного осмоса, иногда сначала нужно провести ее дезинфекцию и фильтрование. Вода с высокой жесткостью (более трех грейн/галлон (1.1 мг-экв/л)) должна быть предварительно умягчена, так как кальциевые отложения делают мембрану менее водопроницаемой и сокращают срок ее пригодности. Аналогично, в воде, подаваемой в систему обратного осмоса, не должны присутствовать железо и марганец, особенно, если есть хоть малейшая вероятность контакта мембраны с кислородом или каким-либо другим окислителем.

Из-за чувствительности обратного осмоса ко многим факторам поставщикам следует предлагать программы послепродажного тестирования и обслуживания оборудования, которые обеспечат его эффективное и долгосрочное функционирование. В договор на обслуживание обычно входит замена предфильтров в целях профилактического обслуживания; замена мембранного элемента; ежегодная замена угольного постфильтра; очистка и промывка всей системы, включая накопительный бак, по крайней мере, раз в год.