0 Заявка на заказ комплектующих Подобрать оборудование

Установки обратного осмоса ДЕЛЬТА-ВПУ-ОО

Обратный осмос

Компания ООО «ГК МФМК» поставляет готовые решения для очистки воды и водоподготовки с использованием мембранных технологий, включая обратный осмос и нанофильтрацию. Наша компания стремится использовать в своих решениях наиболее передовые технологии и ведущие мировые разработки в области мембран и мембранных технологий и предлагает весь спектр работ от разработки технологии и проектирования и заканчивая полным циклом изготовления и пуско-наладочных работ. Установки обратного осмоса предлагаются как готовые решения и как часть больших комплексов водоподготовки и очистки сточных вод и позволяют получать воду, соответствующую различным отраслевым стандартам от пищевой промышленности до атомной энергетики, фармацевтики и микроэлектроники. Сегодня мембранные процессы используются широко, и сфера их применения постоянно расширяется.

Общим для всех мембранных процессов является то, что разделение в них осуществляется с помощью мембран.

Мембрану можно рассмотреть, как селективно-проницаемый барьер между двумя гомогенными фазами. Перенос через мембрану имеет место при наложении движущей силы, действующей на компоненты. В большинстве мембранных процессов движущей силой является разность давлений или концентраций (активностей), а также потенциалов по обе стороны мембраны.

Существует много мембранных процессов, базирующихся на различных принципах разделения или механизмах и применимых для разделения объектов разных размеров – от частиц до молекул. Несмотря на эти различия, все мембранные процессы имеют нечто общее, а именно мембрану.

Точное определение мембраны дать трудно, наиболее общим определением может быть следующим: мембрана – это селективный барьер между двумя фазами. Наиболее конкретным является следующее определение: мембрана – это фаза или группа фаз, которые разделяют две различные фазы, отличающиеся физически и/или химически от фаз мембраны; при этом мембрана обладает свойствами, позволяющими ей под действием приложенного силового поля управлять процессами массопереноса между разделяемыми фазами.

Мембранные процессы, протекающие под действием давления, называются баромембранными. Баромембранные это наиболее широко использующиеся в данный момент мембранные процессы и дальше мы будем рассматривать исключительно их.

Давайте рассмотрим, как работает обратный осмос.

Принцип работы обратного осмоса

Явление осмоса («прямого» осмоса) возникает, когда чистая вода течет из разбавленного солевого раствора или чистой воды через полупроницаемую мембрану («полупроницаемая» значит, что мембрана проницаема для некоторых веществ/химических соединений и не проницаема для других, в нашем случае мембрана проницаема для молекул воды и почти не проницаема для ионов солей) в более концентрированный солевой раствор. Система в результате «прямого» осмоса старается достичь равновесия, при этом единственный возможный путь достижения равновесия — это переход воды из отсека чистой воды в отделение с солесодержащим раствором, то есть концентрация ионов соли по разные стороны мембраны уравнивается через некоторое время, также увеличивается уровень воды со стороны концентрированного раствора. Равновесие наступает при определённом давлении, называемом осмотическим.

Теперь представим, что мы приложили некоторое давление выше осмотического к отсеку где, находится солевой раствор, при давлении выше осмотического через мембрану пойдёт поток воды (вода проницаема через мембрану, а ионы солей нет) из солевого отсека в отсек с чистой водой, тем самым мы сможем очистить воду от солей, это явление и называется «обратный осмос».

Таким образом, обратный осмос – это процесс фильтрации растворов под давлением, превышающим осмотическое, через мембраны, пропускающие растворитель и задерживающие молекулы, и ионы растворенных веществ.

Разделение методом обратного осмоса осуществляется без фазовых превращений, и энергия в процессе расходуется, в основном, на создание давления исходной жидкости (практически несжимаемой среды) и ее продавливании через мембрану.

Процесс обратного осмоса следует отличать от процесса фильтрования. На очистку фильтрованием направляют жидкость, представляющую собой гетерогенную (двухфазную) систему с различной степенью дисперсности взвешенных частиц. Обратным осмосом очищают, как правило, гомогенные (однородные) системы – истинные растворы. Это обстоятельство обуславливает различия в типе фильтрующих материалов и в величинах давлений, под действием которых идут процессы. При фильтровании должны задерживаться взвешенные частицы размером не менее 100 – 200 А. Обратноосмотическая мембрана должна быть настолько плотной, чтобы служить барьером для веществ, находящихся в растворах в виде молекул и ионов, что вызывает значительные гидравлические сопротивления при продавливании через мембраны чистого растворителя. Кроме того, при обратноосмотическом разделении растворов возникает еще одна дополнительная противодействующая процессу сила – разность осмотических давлений, величина которой весьма значительна при высокой концентрации растворенных веществ.

Другим существенным различием этих процессов является то, что при фильтровании задерживаемое вещество остается либо на поверхности, либо в объеме фильтрующего материала, который при загрязнении меняют или очищают обратной промывкой. При обратном же осмосе не должно происходить загрязнения мембраны, т.е. задерживаемые вещества должны отводится от мембраны и не сорбироваться ни на ее поверхности, ни в ее объеме. Загрязнение мембран является вторичным процессом, отрицательно влияющим на обратноосмотическое разделение растворов.

Если задерживаемое вещество не отводить от мембраны, то при идеальной ее полупроницаемости процесс фильтрования прекратиться. Действительно, увеличение концентрации растворенных веществ сопровождается повышением осмотического давления, и при достижении последним величины, равной приложенному гидростатическому давлению, движущая сила процесса будет равна нулю, а следовательно, скорость фильтрования растворителя также обратиться в ноль. При неидеальной полупроницаемости накопление растворенного вещества у мембраны приводит к увеличению скорости его проникания через мембрану до значений, равных скорости подвода вещества к мембране. В этом случае процесс фильтрования не прекратится, но эффект станет равным нулю. В виду предпочтительного переноса воды через полупроницаемую мембрану у ее поверхности увеличивается концентрация растворенных веществ по сравнению с их содержанием в растворе в данном сечении напорной камеры. При этом устанавливается такая величина градиента концентрации, которая обеспечивает динамическое равновесие между подводом веществ к мембране и удалением их вследствие конвективной и молекулярной диффузии. Явление возникновения градиента концентраций растворенных веществ перпендикулярно поверхности мембраны получило название концентрационной поляризации.

Наряду с описанным явлением в аппаратах наблюдается также возникновение градиента концентраций, направленного вдоль поверхности мембран. Это связано с тем, что при движении вдоль мембраны часть воды фильтруется через нее и концентрация растворенных веществ в растворе увеличивается. Это явление называется концентрированием растворов.

Таким образом, в обратноосмотических аппаратах устанавливаются поперечный (концентрационная поляризация) и продольный (концентрирование) градиенты концентраций растворенных веществ. Оба эти явления обязательно сопутствуют обратноосмотическому разделению растворов.

Обратный Осмос способен извлекать до 99% и более растворенных солей (ионов), частиц, коллоидов, органических веществ, бактерий и пирогенов из питательной воды (хотя перед системой обратного осмоса должна быть тщательная предподготовка не допускающая попадания взвешенных веществ, мутности, бактериального загрязнения). Фактически любой компонент состава исходной воды с молекулярной массой более 200 (кроме некоторых органических соединений) будет с эффективностью близкой к 100% удаляться из исходной воды. Обратный осмос лучше удаляет поливалентные ионы, чем одновалентные, например, селективность мембраны по кальцию будет несколько выше чем по иону натрия, кроме того, обратный осмос не удаляет газы из воды, такие как CO2, потому что они не ионизированы в растворе и имеют очень низкий молекулярный вес, из-за попадания углекислого газа в пермеат, рН фильтрата для большинства природных вод несколько ниже, чем рН исходной воды.

Метод обратного осмоса является методом опреснения и обессоливания воды и широко используется в энергетике, в медицинской, пищевой, химической промышленности, а также для улучшения качества технической и питьевой воды. Исключительный интерес представляет применение обратного осмоса для очистки промышленных и бытовых стоков.

 В каждом отдельном случае выбор мембраны определяется характером сточных вод. В настоящее время у нас в стране и за рубежом разработаны и выпускаются высокопроизводительные и высокоселективные мембраны, стойкие в широком диапазоне рН. К достоинствам метода обратного осмоса следует отнести:

  • возврат в производство до 95 % очищенной воды;

  • степень очистки воды от минеральных солей и солей тяжелых металлов достигает 97-99,5%;

  • относительно небольшие габариты установки, что, не требует больших производственных площадей;

  • простота аппаратурного оформления;

  • не требуется дополнительных реагентов для проведения процесса.

Проводимые в последние годы в нашей стране и за рубежом промышленные испытания методов мембранного разделения для обработки сточных вод показали, что по достигаемой глубине очистки обратный осмос занимает одно из первых мест и является наиболее перспективным для создания водооборотных циклов.

По данным зарубежных ученых по сопоставлению стоимости опреснения воды дистилляцией и обратным осмосом, стоимость воды в последнем случае на 10-40 % ниже, расход электроэнергии в 4 раза меньше. Существенным преимуществом обессоливания методом обратного осмоса по сравнению с дистилляцией являются более низкие затраты электроэнергии, меньшая коррозия оборудования и исключение теплового загрязнения окружающей среды.

Основные недостатки обратного осмоса и нанофильтрации:

  • требует предварительной подготовки воды для очистки от механических примесей, мутности, коллоидных частиц, соединений способных образовывать на поверхности мембраны трудноудаляемые осадки;

  • образуется определённое количество концентрата (от 60 до 90% в зависимости от поставленных задач и свойств очищаемой среды (например, солесодержание от которого напрямую зависит осмотическое давление)), которое требует приемлемых способов утилизации (от банального слива в канализационную систему до сложных технологических приёмов вроде выпарки).

Нанофильтрация занимает промежуточное положение между ультрафильтрацией и обратным осмосом и характеризуется малой задерживающей способностью (селективностью) по солям с одновалентными анионами и органическими соединениями с молекулярной массой менее 150 D и высокой - по солям с двух- и поливалентными анионами и органическими соединениями с молекулярной массой более 30 D. Широкое применение  нанофильтрация находит  в питьевом водоснабжении для умягчения и частичного обессоливания жестких и  солоноватых вод.

В процессе эксплуатации поверхность мембраны загрязняется различными соединениями, что приводит к падению производительности мембраны (при постоянном давлении), ухудшается качество фильтрата и наблюдается рост перепада давления в системе.  Источники загрязнения мембраны можно разделить на четыре основные категории: осадкообразование малорастворимых солей, взвешенные и коллоидные соединения, бактериальное загрязнение, причём возможно развитие колоний микроорганизмов непосредственно на поверхности мембраны и загрязнение органическими соединениями наиболее опасными из которых являются нефтепродукты, масла, жиры и т.п. Отдельно стоит сказать о недопустимости попадания на поверхность мембраны сильных окислителей, таких как активный хлор и озон, их содержание регулируется на уровне менее 0.1 мг/л, а предпочтительно полное отсутствие окислителей на входе в систему обратного осмоса.

Всё это определяет строгие требования к предподготовке перед процессом обратного осмоса и довольно жёстко регламентирует качество воды на входе в обратный осмос (например, мутность на входе в систему обратного осмоса должна быть не более 1.5 NTU, а SDI15 индекс менее 5). Кроме тщательной предподготовки обязательной процедурой является проведение периодических химических моек с целью удаления загрязняющих компонентов с поверхности мембраны.

Основные термины и определения мембранного разделения:

Ключевые термины, используемые в процессе обратного осмоса / нанофильтрации, определяются следующим образом:

·         Пермеат (Permeate – англ.) – очищенная вода, фильтрат, производимая мембранной системой.

·         Ретентат, концентрат (Concentrate, Reject – англ.) – поток воды, сбрасываемый в дренаж или подвергаемый дальнейшей обработке с целью утилизации. Концентрат содержит большую часть растворённых компонентов.

·         Подача исходной воды (Feed flow – англ.) – поток исходной воды подаваемой на разделение, в простейшем случае сумма потоков пермеата и концентрата.

·         Восстановление (Recovery – англ., иногда используется термин – конверсия) – процент (%) питательной воды мембранной системы, которая выходит из системы как пермеат, то есть очищенная вода.

R = [поток пермеата]/[поток исходной воды].

В процессе расчёта «восстановление» это, та характеристика которая задаётся в качестве исходного значения и оптимизируется таким образом, чтобы достичь максимального потока пермеата, при этом не допуская условий образования отложения малорастворимых солей на поверхности мембраны (для природной воды наиболее часто, это карбонат кальция, сульфат кальция, фторид кальция, реже соединения стронция и бария, гидроксиды железа и марганца и т.п.).

·         Селективность – процент удаляемых из потока исходной воды солей. Определяется как:
S = 1-([концентрация соли в фильтрате]/[концентрация соли в исходной воде])

Часто для определения селективности используют электропроводность пермеата и исходной воды.

·         Удельная производительность (flux – англ.) – производительность мембраны по пермеату, приведённая к единице площади мембраны, обычно измеряется в литрах на квадратный метр поверхности мембраны в час (л/м2·ч).

Типично установка обратного осмоса состоит из следующих элементов:

Механическая фильтрация ФБ. Необходимая стадия предочистки перед обратным осмосом и нанофильтрацией – фильтрация исходной воды на фильтрах барьерных с рейтингом фильтрации 10 и 1 мкм расположенных последовательно (возможно использование одной ступени фильтрации, максимальный рейтинг фильтрации перед обратным осмосом, как правило 5 мкм). Цель данного этапа полностью исключить попадание взвешенных веществ, частиц, обуславливающих мутность исходной воды и крупных коллоидных частиц в обратноосмотические мембранные элементы. Фильтрующие элементы, использованные в барьерных фильтрах, как правило, могут быть как объёмного, так и поверхностного фильтрования (мешочные фильтры) и определяются прежде всего производительностью системы. Обязателен контроль перепада давления на фильтрах барьерных по разности показаний соответствующих манометров для их своевременной замены.

Узел дозировки ингибитора осадкообразования. Непосредственно перед насосом высокого давления насосом-дозатором НД из расходной емкости происходит дозировка ингибитора осадкообразования для минимизации осаждения малорастворимых соединений кальция, железа, силикатов и прочих соединений, способных давать на поверхности мембраны отложения. На данный момент на рынке присутствуют большое количество производителей ингибиторов осадкообразования (антискалянтов), эффективно предотвращающих осадкообразование многих типов солей на поверхности мембраны. Дозировка ингибитора может отсутствовать в случае ионообменного умягчения исходной воды.

Непосредственно узел мембранного разделения. В процессе мембранного разделения осуществляется очистка и обессоливание исходной воды от растворенных примесей, в частности солей жёсткости.

Насос высокого давления подает воду на аппараты мембранные, где происходит разделение потока исходной воды на два: фильтрат и концентрат. При использовании насоса высокого давления исходная питательная вода непрерывно подаётся в мембранную систему с давлением, превышающим осмотическое. В аппаратах мембранных, исходная вода будет разделена на фильтрат (пермеат) с низким содержанием солей, и концентрированный раствор, называемый концентратом. На линии концентрата установлен клапан регулирования потока (дроссельный клапан), с помощью которого можно регулировать давление в системе и собственно расход концентрата.

Концентрат сбрасывается в дренаж, а фильтрат поступает далее – на обеззараживание и/или в накопительную ёмкость.

Технологический процесс мембранного разделения требует очистки мембран от осевших на них загрязнений о чём говорилось выше. Для этого необходима периодическая химическая мойка мембранных элементов. Для мойки в установке предусмотрен промывочный контур, включающий ёмкость для приготовления моющих растворов и фильтр мешочный с рейтингом фильтрации 100 мкм, для систем большой производительности предусматривается отдельный насос химической мойки.  Для приготовления растворов химической мойки используется фильтрат обратноосмотической установки. Химическая мойка обратноосмотической установки производится посредством полной остановки модуля, продолжительность химической мойки и дезинфекции типично составляет примерно 6-8 часов, однако в случае тяжёлых загрязнений продолжительность может быть увеличена.

Модуль мембранный (обратноосмотический или нанофильтрационный) представляет собой конструкцию, в которой на раме, жестко закрепленной к горизонтальной поверхности, установлены мембранные аппараты, обвязанные трубопроводами по определённой схеме и допускающие подачу на них избыточного давления. Давление создаётся насосом высокого давления. Модуль снабжен ротаметрами или другим типом расходомеров для контроля расходов, датчиками электропроводности и при необходимости датчиками рН, показания которых выводятся на панель оператора шкафа управления, манометрами и датчиками давления для измерения давления.

В большинстве случаев узел мембранного разделения включает в себя следующие основные части:

  • рама из нержавеющей стали;

  • аппараты мембранные на соответствующее давление мембранного разделения, могут быть подобраны на разное количество мембранных элементов от 1 до 8;

  • мембранные элементы, типы и марки варьируются в зависимости от поставленной задачи, состава исходной воды и производительности системы;

  • центробежный насос высокого давления, реже используются другие типы насосов, например, плунжерный – предназначен для создания рабочего давления в аппаратах мембранных;

  • приборов КИП и А, для контроля процесса применяются манометры и датчики давления, электропроводности и рН;

  • трубопроводы и запорно-регулирующая арматура;

  • установка имеет пробоотборники для отбора проб исходной воды и фильтрата, реже концентрата.

Материал основных узлов и деталей для мембранных систем общепромышленного назначения: рама, линия подачи исходной воды после насоса высокого давления и концентрата - нержавеющая сталь AISI 304, фильтратная линия и остальные трубопроводы – как правило из ПВХ.

Наша компания производит широкий ассортимент мембранных установок (диапазон производительностей 1 модуля от 0,1 до 100 м3/час) для процессов обратного осмоса и нанофильтрации индивидуально под каждого клиента, что позволяет рассчитать и предложить оптимальную установку, учитывающую все особенности поставленной заказчиком задачи и получить оптимальный результат.


Обратный осмос_блар_SM.jpg