РЕФЕРАТ
Тема:“Общая характеристика, свойства и производители осмотических мембран”
Общиетеоретические сведения о системах обратного осмоса и мембранах
Обратный осмос,известный также как гиперфильтрация, лучший из известных способов фильтрацииводы. Обратный осмос позволяет удалять из водной массы мельчайшие частицывеличиной с ионы. И для удаления из питьевой воды солей и других включений стем, чтобы улучшить цвет, вкус или свойства жидкости.
Явление осмоса(выравнивание концентраций растворов, разделенных полупроницаемой мембраной)лежит в основе обмена веществ всех живых организмов. Например, подкладкаскорлупы куриного яйца является естественной мембраной, через нее проходятмолекулы кислорода, но задерживаются загрязнители. Стенки клеток растений,животных и человека представляют собой естественную мембрану, которая являетсячастично проницаемой, поскольку она свободно пропускает молекулы воды, но не молекулыдругих веществ. Когда корни растений впитывают воду, стены их клеток формируютнатуральную осмотическую мембрану, которая пропускает молекулы воды и отторгаетбольшинство примесей. Травы и цветы стоят вертикально только за счет такназываемого осмотического давления. Поэтому при недостатке воды они выглядятпожухлыми и вялыми. Фильтрующая способность природной мембраны уникальна, онаотделяет вещества от воды на молекулярном уровне и именно это позволяет любомуживому организму существовать.
Применение мембран дляотделения одних компонентов раствора от других имеет очень давнюю историю,восходящую еще к Аристотелю, впервые обнаружившему, что морская водаопресняется, если ее пропустить через стенки воскового сосуда. Изучение этогоявления и других мембранных процессов началось гораздо позже, в начале XVIIIвека, когда Реомюр использовал для научных целей полупроницаемые мембраныприродного происхождения. Но до середины 20-х годов уходящего века все этипроцессы имели сугубо теоретический интерес, не выходя за пределы лабораторий.В 1927 году немецкая фирма «Сарториус» получила первые образцы искусственныхмембран. После Второй мировой войны американцы, используя немецкие наработки,наладили производство ацетат целлюлозных и нитроцеллюлозных мембран. Лишь вконце 50-х – начале 60-х годов с началом широкого производства синтетическихполимерных материалов появились первые научные работы, которые легли с основупромышленного применения обратного осмоса. Первые промышленные обратноосмотические системы появились только в начале 70-х годов, поэтому этосравнительно молодая технология по сравнению с тем же ионным обменом илиадсорбцией на активированных углях. Тем не менее, в Западных странах обратныйосмос стал одним из самых экономичных, универсальных и надежных методов очисткиводы, который позволяет снизить концентрацию находящихся в воде компонентов на96-99% и практически на 100% избавиться от микроорганизмов и вирусов.
Явление осмосанаблюдается в тех средах, где подвижность растворителя (например, воды) большеподвижности растворённых в нем веществ (примесей воды). Важным частным случаемосмоса является осмос через полупроницаемую мембрану. Если такая мембранаразделяет раствор (например, воду с примесями) и чистый растворитель (воду), токонцентрация воды в растворе оказывается менее высокой, поскольку там часть еемолекул замещена на молекулы растворенного вещества. Вследствие этого, переходычастиц воды из отдела, содержащего чистую воду, в воду с примесями, будетпроисходить чаще, чем в противоположном направлении (рис. 1-а). Соответственно,объём воды с растворенными примесями будет увеличиваться, тогда как объёмчистой воды, будет уменьшаться. Давление, при котором между двумя жидкостяминаступает равновесие, называют осмотическим (рис. 1-б)
/>
Обратный осмос — этопроцесс, при котором молекулы растворителя (воды) под действием давлениядвижутся из раствора (воды, содержащей примеси) в чистый растворитель (в воду).Если со стороны раствора приложить давление, превышающее осмотическое, томолекулы воды из раствора будут свободно проникать в чистую воду (рис. 1-в).Ввиду того, что полупроницаемая мембрана, разделяющая две жидкости, пропускаетв основном только молекулы воды, с одной стороны может быть получена чистаявода без примесей, с другой стороны сконцентрированный раствор солей.
/>
Этот процесс — обратныйосмос, может быть использован для очистки таких жидкостей как этанол и гликоль,которые пройдут через обратноосмотическую мембрану, в то время как другие ионыи примеси она не пропустит. Обратный осмос используют в фильтрах для очисткиводы, в том числе, для питья.
Помимо пищевыхпроизводств обратноосмотические системы применяются для получения воды длямедицины, микроэлектроники, фармацевтики, парфюмерии, химической промышленностии теплоэнергетики. Вода для паровых котлов должна иметь очень низкое содержаниерастворенных веществ, особенно таких, как соли жесткости, окись кремния,железо. Обратный осмос позволяет снизить содержание этих компонентов дотребуемых величин. Действительно, традиционно в этой области применяютсядеионизаторы с регенерацией ионообменных смол растворами кислот и щелочей. Этиустройства при сопоставимой с обратноосмотическими системами стоимости имеютряд существенных недостатков. Это и необходимость содержания реагентногохозяйства, и большой объем агрессивных кислотно-щелочных стоков, чтопредъявляет особые требования к дренажной системе. Затраты на расходныематериалы (кислоты, щелочи) составляют зачастую немалые суммы. Для обеспечениянепрерывной подачи очищенной воды необходимо дублирование оборудования,поскольку не допускается перерыв в работе. Системы обратного осмоса практическилишены этих недостатков. Они способны работать 24 часа в сутки, более удобны вэксплуатации, требуют гораздо меньше расходных материалов (ингибиторы, моющиерастворы), имеют неагрессивные сбросные воды.
Недостатком установокобратного осмоса и нанофильтрации можно назвать необходимость качественнойпредварительной подготовки воды перед мембранами. В исходной воде должныотсутствовать сильные окислители (например, содержание свободного хлора дляобратноосмотических мембран не должно превышать 0,1 мг/л). Перед подачей вмембрану, воду тщательно очищают от механических примесей, железа. Такаяпредварительная подготовка воды позволяет увеличить срок службы мембран.
В обратноосмотическойтехнологии используется полупроницаемая мембрана, которая пропускает толькомолекулы воды и задерживает молекулы загрязняющих веществ. Наиболее часто втехнологии обратного осмоса используется процесс, известный как перекресноетечение, что позволяет мембране самоочищаться. В то время, как часть жидкостипроходит через мембрану, другая ее часть двигается в обратном направлении,вымывая из мембраны обратного осмоса задержанные частички. В процессе обратногоосмоса требуется движущая сила, которая будет проталкивать жидкость черезмембрану, наилучшим вариантом является давление, создаваемое помпой. Чем вышедавление, тем больше движущая сила. Установки обратного осмоса способнызадерживать бактерии, соли, сахара, протеины, частицы, красители и другиезагрязняющие вещества, молекулярная масса которых больше 150-250 далтонов.Разделение ионов обратным осмосом происходит с участием заряженных частиц. Этозначит, что расстворенные ионы, которые несут заряд, равный зараряду солей,более вероятно будут отброшены мембраной, чем те, которые не заряжены, напримерорганика. Чем больше заряд частицы и ее размер, тем выше вероятность того, чтоона будет отброшена мембраной.
Применяемые в настоящеевремя композитные мембраны позволяют значительно снизить гидродинамическоесопротивление. В них тонкий селективный слой наносится химическим путем напористую основу (подложку). Толщина селективного слоя составляет 0,1-1,0 мкм, атолщина пористой основы — 50-150 мкм. Подложка практически не создаетсопротивления потоку благодаря широким порам, а сопротивление селективного слоязначительно снижается благодаря значительному сокращению его толщины. В целомкомпозитная структура мембраны обеспечивает механическую прочность за счеттолщины пористой подложки, а кроме того, позволяет снизить общее сопротивлениемембраны за счет тонкости селективного слоя.
Селективный слойобратно осмотических мембран выполнен из полиамидного материала. Рабочеедавление таких мембран при минерализации исходной воды до 5 г/л составляет10-15 бар. Стандартная рабочая температура обратного осмоса не превышает40ºС, хотя в настоящее время производятся полиамидные мембраны, работающиепри повышенных температурах — до 90°С. Селективность полиамидных мембрансоставляет 90-99,6%.
Обратно осмотическиемембраны производятся в виде рулонных мембранных элементов, которые позволяютразместить мембранное полотно с большой площадью в небольшом объеме. Этообеспечивает компактность обратно осмотических установок.
/>
Отечественный изарубежный опыт показал, что на продолжительность и надежность работы мембранбольшое влияние оказывает процесс осадкообразования. Образующийся слой осадка,который, как правило, является соленепроницаемым, забивает поверхностные порымембраны, создает дополнительное сопротивление потоку и массопередаче вграничном слое, в результате чего увеличивается концентрационная поляризация намембранах и снижается их солезадерживающая способность и производительность.
Химический составосадков, образующихся при опреснении и очистке вод различного типа, весьмаразнообразен. На процессы обратного осмоса отрицательное влияние оказываетобразование в аппаратах отложений малорастворимых солей кальция, гидроокисейжелеза и марганца, а также взвешенных веществ и высокомолекулярных соединений.
В подземныхминерализованных и морских водах кальций находится в равновесии сбикарбонатными и сульфатными ионами и содержание его весьма значительно –обычно от 100-120 до 300-400 мг/л. в процессе обратноосмотической обработкиводы происходит преимущественный перенос молекул Н2О через мембрану, чтовызывает нарушение равновесного состояния и может привести к выпадению намембранах осадков сульфата и карбоната кальция. Причиной образования осадкасульфата кальция является быстрое достижение в граничном слое концентрацииСаSО4, превышающий предел его растворимости (около 2-3 г/л при 200С).
Несколько иначепроисходит образование отложений карбоната кальция. В ходе обратноосмотическогопроцесса при опреснении воды происходит удаление из раствора не только воды, нои части свободной углекислоты. В результате углекислотное равновесие в водесдвигается с образованием избытка карбонатных ионов, которые реагируют с ионамикальция. Образующийся карбонат кальция вследствие малой растворимости выпадаетв осадок.
Скорость образованиясульфатных и карбонатных отложений зависит от содержания в исходной воде солейжесткости и от величины рН. Чем выше эти значения, тем быстрее происходитобразование осадка. Карбонатные отложения образуют плотную, прочно скрепленнуюс поверхностью мембраны пленку; для сульфатных отложений характерны рыхлостьструктуры и неравномерность распределения в объеме камеры.
Осадок гидроокисижелеза также снижает эффективность работы полупроницаемых мембран. Отложениегидроокиси железа на мембранах приводит к резкому снижению ихпроизводительности.
По сути,обратноосмотическая мембрана — это сердце и душа системы обратного осмоса.Фильтры обратного осмоса начинается с подбора мембраны обратного осмоса, адругие компоненты выбираются исходя из свойств мембраны. Существует три типамембраны обратного осмоса, каждая из которых имеет свои преимущества инедостатки:
· смесьтриацетата целлюлозы с ацетатом целлюлозы(CTA);
· тонкослойнаяполупроницаемая мембрана (TLCR);
· модифицированныйполисульфон (SPSF).
Вода, прошедшая через мембраныобратного осмоса CTA, имеет самую низкую себестоимость питьевой воды.Низкая производительность ограничивает использование обратно осмотическихмембран CTA там, где необходима высокая производительность, однако их стойкостьк окислению позволяет им самоочищаться от производных хлора, находящихся вводопроводной воде. Это делает обратноосмотические мембраны CTA наиболееподходящими для типичных нужд водоподготовки. К тому же, пропущенный внакопительный бак хлор позволяет позволяет снизить уровень бактерий в питьевойводе.
Мембраныобратного осмоса TLC сочетают в себе высокуюпроизводительность, высокий уровень отталкивания частиц и широкий приемлемыйдля работы уровень рН, что делает их идеально подходящими для применнеия вомногих областях водоподготовки. В случаях высокого уровня потребления воды, принизких температурах и давлении воды, высокой концентрации нитратов или привысоком уровне рН (более 9,0) рекомендовано применять именно мембраны ТСL.
Однако, в связи смембранами обратного осмоса TLC, нарaстает беспокойство по поводу полногоочищения питьевой воды от хлора, что может привести к развитию в накопительныхбаках огромнейшего количества бактерий. В отношении себестоимости получаемойпитьевой воды, приемнение мембран ТСL в системах обратного осмоса все ещеостается наиболее дорогостоящим.
Конечно, мембраныобратного осмоса SPSF сейчас намного проще приобрести, чем в прошлыегода, однако они не идут ни в какое сравнение с производительностью истоимостью обратноосмотических мембран CTA. Так же существует определенноеопасение относительно способности мембран обратного осмоса SPSF очищатьнеумягченную воду. Но осмотические мембраны SPSF просто незаменимы для очищенияумягченной воды с высоким уровнем рН, либо при черезвычайно высокихконцентрациях нитратов. Мембраны же СТА и TCL хороши для применения в другихслучаях водоподготовки.
Естественно, чтостоимость подобной системы обратного осмоса для домашнего использования неможет быть совсем низкой — если розничная цена опускается ниже 1400 гривен, то,скорее всего, это китайский товар, изготовленный из низкокачественныхкомплектующих. Качественный фильтр, например одна из самых распространенных нарынке система TGI-525, стоит около 400у.е. Это недешево, однако и срок службы системы очень велик. Конечно, примернораз в год вам придется сменить картриджи, на что уйдет еще порядка 20 у.е, араз в два года еще и мембрану (40-50 у.е). Но и производительность установкивысока — бытовая система способна давать от 130 до 600 л воды в сутки. Врезультате, при расчете на двухлетний период, литр воды, полученный путемобратного осмоса, обходится в 0,005 грн/литр, в то время как средняя стоимостьлитра воды в бутылках равна около 1 грн/литр.
/>
Устройство мембран
Видыосмотических мембран и их цены
В настоящее времябольшинство фирм-производителей мембранных элементов пришли к единому стандартумембран. Это, как правило, рулонные мембранные элементы, главным достоинствомкоторых является большая площадь разделения при небольших размерах.
Наиболее распространеныдва размера мембран. Первый имеет маркировку 4040, в которой первая цифра обозначаетокругленный диаметр мембраны в дюймах — 4 дюйма или 99 мм. Вторая цифра вмаркировке – это округленная длина элемента в дюймах – 40 дюймов или 1016 мм.
Второй наиболеераспространенный размер мембран имеет маркировку 8040, что означает диаметр 8 дюймовили 201 мм, и длину 40 дюймов или 1016 мм.
На российском рынкешироко представлены мембранные элементы 5-6 фирм – мировых лидеров в этойобласти. Выбор производителя мембран, которыми комплектуется водоочистнаяустановка, как правило, основан на личных предпочтенияхпредприятия-изготовителя установок. Но, как говорилось выше, абсолютноебольшинство мембран на российском рынке — импортного производства. Доляотечественных мембранных элементов, к сожалению, очень невелика.
Важно то, чтомембранные элементы различных производителей взаимозаменяемы. Потому, не всегданеобходимо для замены приобретать мембраны именно той фирмы, которая указана впаспорте на оборудование. Главным в данном случае является понимание задач,решаемых конкретной установкой и знание состава исходной воды. Важны так жеприсоединительные размеры мембраны, потому что, несмотря на, казалось бы,одинаковый размер, в зависимости от производителя, возможны незначительныеразличия по длине фильтрующего полотна, диаметру фильтратоотводящей трубки ипр.
Характеристикимембранных элементов – селективность и производительность, заявленные впаспортах на мембраны, получены при испытании элементов в конкретных условиях,которые не всегда выполнимы в реальной жизни. Например, стандартные мембраны обратногоосмоса испытываются при минерализации исходной воды 500 мг/л, авысокоселективные обратноосмотические мембраны при минерализации 2000 мг/л. Вреальных условиях, особенно для установок с рециклом, т. е. возвратом частисбрасываемой в дренаж воды (концентрата) на вход мембраны, минерализацияисходной воды может быть выше. Это не может не отразиться на производительностимембранного элемента, с ростом минерализации исходной воды, при прочих равныхусловиях, производительность мембраны по фильтрату снижается.
Очень важно то, чтозаявленная производительность мембран соответствует температуре исходной воды250С, что так же на практике редко выполнимо. Не следует забывать, чтопроизводительность мембраны понижается примерно на 3 % при падении температурыисходной воды на каждый градус Цельсия.
Идеальной системыобратного осмоса для дома не существует. Некоторые разработки лучше остальных,но ни одна из них не является панацеей от всех бед. Большинство производителейи дилеров рекомендуют подбирать фильтры обратного осмоса в зависимости отпоказателей исходной воды и от требований, выдвигаемых покупателем к качествупитьевой воды. Но бывает, что и этого не достаточно, ведь установка системыобратного осмоса не такая простая, как проточные фильтры воды. Иногда этоработает, иногда нет. Бытовые фильтры обратного осмоса — основные компонентыОбщий дизайн фильтров обратного осмоса весьма консервативен, с учетом развеусловий, для работы в которых они предназначаются. В целом, чем дороже системаобратного осмоса, тем больше «что если…» рассмотрено и тем большемодификаций заложено в установку очистки воды. Как бы то ни было, учитываниевсех возможных проблем с качеством питьевой воды сделает систему обратногоосмоса неоправданно дорогой. «Проблемы с питьевой водой» будутвсегда. Поскольку всегда есть кто-то, кому нужно гораздо больше, чем заложено вбытовой системе обратного осмоса, дилер по своему усмотрению можетмодифицировать ее.
В настоящее времявыпускается большое количество осмотических мембран в различных ценовыхкатегориях.
Крупнейшие в мирепроизводители мембран –
· General Electric (GE),
· Dow Chemical,
· Hydranautics
· Toray Industries.
Фирма Filmteс
/>Производит мембраны нескольких видов.Является одной из самых крупных производителей мембран. Является фирмой США
Гарантируемая очисткаводы по показателям загрязнений некоторых элементов представленна данной фирмойв следующем виде:
· Алюминий 88 — 99%
· Кадмий 98- 99%
· Аммиак 86-92%
· Марганец 96-98%
· Асбест 99,99%
· Медь 95- 99%
· Хром 96- 98%
· Свинец 96-98%
· Цианиды 92-98%
· Серебро 86- 98%
· Цинк 94-97%
· Пестициды 99- 100%
· Стронций 87- 90%
· Бактерии 99,99%
· Железо 98- 90%
· Цисты 99,99%
· Радий 80,00%
· Бензин 99,00%
Выпускаемаяпродукция.Модель Краткая характеристика Средняя цена Обратноосмотическая мембрана — RO Membrane 100 GPD
Мембрана производства компании Filmteс, изготовленная по индивидуальному заказу компании BlueFilters. Предназначена дляиспользования в промышленных системах обратного осмоса RO-400, RO-600.
Тонкоплёночная, полупроницаемая, полиамидная мембрана обратноосмотического типа, производит отделение чистой воды, от растворённых в ней веществ,
на молекулярном уровне. Поры мембраны имеют размер порядка 10-10микрон (0,0001мкм), пропускают молекулы воды, и часть полезных микроэлементов.
При этом задерживают: вирусы (0,2мкм), бактерии (0,5мкм), тяжелые металлы, пестициды, гербициды, нитраты, хлор, свинец, мышьяк, вплоть до радионуклидов и канцерогенов.
Производительность мембраны: (1 GPD = галлонов в день, 1 галлон = 3,785 л.)
Срок эксплуатации: 1-3 лет
Важно знать:
срок эксплуатации зависит от количества растворенных химических и механических примесей, а также от своевременной замены картриджей предочистки. 1104 UAH Обратноосмотическая мембрана 75 GPD 804 UAH Осмотическая мембрана Filmtec Standart 50GPD 708 UAH
Мембрана для системы обратного осмоса — RO Membrane 75GPD в корпусе
/>Осмотическая мембрана New Line 75GPD
Это высококачественная мембрана, помещённая в специальный запаянный пластиковый корпус. Используется в системах обратного осмоса серии New Line.
Тонкоплёночная, полупроницаемая, полиамидная мембрана обратноосмотического типа, производит отделение чистой воды, от растворённых в ней веществ, на молекулярном уровне. Поры мембраны имеют размер порядка 10-10микрон (0,0001мкм), пропускают молекулы воды, и часть полезных микроэлементов. 838 UAH
Обратноосмотическая мембрана TLC75F
/> Мембрана задерживает 96-99-proc- органических и неорганических загрязнений, тяжелых металлов и радиактивных веществ, растворенных в воде, величиной до 0,01 микрона Полупроницаемая осмотическая мембрана состоит из нескольких слоев, намотанных на на перфорированный стержень, находящийся внутри мемебраны. Загрязненная вода вталкивается под давлением на поверхность мембраны, где частицы воды проникают через микроскопические поры мемебраны. Загрязнения выделяются и отбрасываются. Идеально очищенная вода проходит через отверстия к центральному стерженю и под воздействем давления вытекает из мембраны. Входит в базовую комплектацию обратного осмоса FRO8JGM 737
Мембрана (TFC) FILMTEC TW30-1812-50
/>
Полиамидная тонкопленочная композитная (TFC) мембрана
Производительность: 225-395 л/день при давлении 4-7 бар и темп. 25°C
Устойчивое солеудаление: 98%
Минимальное солеудаление: 96%.
Максимальная подача воды: 7,6 л/мин
Максимальное рабочее давление: 21 бар
Максимальная рабочая температура: 45°C
Максимальный коллоидный индекс: 5
Диапазон рН (продолжительная работа): 2-11*
Диапазон рН (промывка до 30 мин.): 1-13
Максимальная концентрация свободного хлора:
Размер: 295х55 мм 355грн
Мембрана (TFC) FILMTEC TW30-1812-75
/>
Полиамидная тонкопленочная композитная (TFC) мембрана
Производительность: 285-605 л/день при давлении 4-7 бар и темп. 25°C
Устойчивое солеудаление: 98%
Минимальное солеудаление: 96%.
Максимальная подача воды: 7,6 л/мин
Максимальное рабочее давление: 21 бар
Максимальная рабочая температура: 45°C
Максимальный коллоидный индекс: 5
Диапазон рН (продолжительная работа): 2-11*
Диапазон рН (промывка до 30 мин.): 1-13
Максимальная концентрация свободного хлора:
Размер: 295х55 мм 390 Мембрана (TFC) FILMTEC TW30-1812-100
Полиамидная тонкопленочная композитная (TFC) мембрана
Производительность: 455-795 л/день при давлении 4-7 бар и темп. 25°C
Устойчивое солеудаление: 98%
Минимальное солеудаление: 96%.
Максимальная подача воды: 7,6 л/мин
Максимальное рабочее давление: 21 бар
Максимальная рабочая температура: 45°C
Максимальный коллоидный индекс: 5
Диапазон рН (продолжительная работа): 2-11*
Диапазон рН (промывка до 30 мин.): 1-13
Максимальная концентрация свободного хлора:
Размер: 295х55 мм 410
Фирма Bluefilters
Фирма производитмембраны со следующими характеристиками: Производительность (GPD*) Мощность (м3/сутки) Скорость фильтрации (л/ч) Уровень снижения солесодержания Cl- (%) AC-OM-50 50 0,19 5,7 96 AC-OM-75 75 0,28 7,9 96 AC-OM-100 100 0,38 11,8 96 AC-OM-150 150 0,57 23,8 96
Скорость потока иснижение солесодержания будут верны верны при следующих условиях:
— TDS = 250 ppm(умягченная вода)
— температура — 25ºC
— давление воды — 60psi (4 Bar)
— диапазонвосстановления воды — 15%
— скорость фильтрацииможет колебаться в пределах +/- 20 % среди разных мембран того же типа.
Условия работымембраны:
Max. давление воды — 300 psi (21 Bar)
Max. скорость потока-7,6 л/мин (2,0 GPM)
Mинимальная скоростьпотока концентрата – в 4 раза больше скорости фильтрата (очищенная вода)
Уровень pH — 2-1
Источники:
1. Сайт www.bluefilters.ua
2. Сайтwww.albis.com.ua
3. Сайтwww.vodolei.co.ua
4. Сайт o-tech.com.ua
5. Сайт emarket.ua
6. Сайт andeg.com.ua
7. Сайт www.geizer.dp.ua
8. Сайтwww.germes.ua
9. Сайтwww.purosmart.com.ua