ЭВОЛЮЦИЯ МЕТОДА ОБРАТНОГО ОСМОСА. КАК ЭТА ТЕХНОЛОГИЯ НАЧАЛА РАЗВИВАТЬСЯ И КАКОЙ ОНА СТАЛА СЕГОДНЯ

Вал Френкель, кандидат технических наук, Ph.D., директор департамента «Мембранные технологии», компания Kennedy/Jenks Consultants, e-mail: valfrenkel@kennedyjenks.com.

Как появилась технология «обратного осмоса»? Чтобы понять историю ее возникновения и развития, давайте начнем с пристального изучения процесса «осмоса». Одно из самых интересных и увлекательных природных явлений – «осмос» – является основой для обратноосмотической технологии – самой быстро развивающейся технологии опреснения и обработки воды сегодня. Природный процесс осмоса «управляет« перемещением молекул воды между растворами с различной концентрацией растворенных солей. Это явление лежит в основе функционирования кожи и других органов человека, а также в основе поддержания водного баланса в любых животных и растительных организмах.

По своей природе процесс обратного осмоса не может быть причислен к таким процессам очистки, как фильтрация. Как и в случае протекания природного процесса осмоса, молекулы вод из раствора с более низкой концентрацией солей в раствор с более высокой их концентрацией. В случае, если такие растворы разделяются полупроницаемой перегородкой (мембраной), и на раствор солей оказывается давление, величина которого превышает осмотическое давление, чистая вода будет вытесняться из области концентрированного раствора через перегородку в область раствора с меньшей концентрацией солей, в то время как соли останутся в концентрированном растворе.

Теоретически соли не должны проходить через мембрану, но на практике «утечка» и «проскок» ионов солей через мембрану происходят в результате диффузии, несмотря на то, что размер мембранных отверстий (пор) намного больше, чем молекулы воды. Многие ионы солей, содержащиеся в воде, могут частично проходить через мембрану.

Процесс обратного осмоса для опреснения и очистки воды привлек внимание многих ученых и инженеров в середине ХХ века, но усилия по разработке коммерческой мембраны ОО не увенчались успехом и были неудачными вплоть до конца 1950-х годов. В 1959 году группа ученых из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA) во главе с профессорами Сидни Лоебом и Шринивасом Сурираджаном продемонстрировали искусственно изготовленную полупроницаемую мембрану, демонстрирующую осмотические свойства. Асимметричная мембрана из ацетата целлюлозы под давлением обеспечивала задержание солей. Это было началом работ по опреснению воды методом обратного осмоса. Помимо опреснения морской воды, создание мембран послужило также началом развития мембранных технологий для разделения различных растворов.

При рассмотрении процесса обратного осмоса различают три потока:

1 – вода, подающаяся на очистку;

2 – пермеат (очищенная вода, прошедшая через мембрану);

3 – концентрат (загрязненный сток или рассол) – поток, в котором остаются все задержанные мембраной соли.

Баланс массы для всей системы можно представить следующим образом:

Qf x Cf = Qc x Cc + Qp x Cp

В этом уравнении:

– Qf = расход исходной воды, подаваемой в аппарат на очистку (галлон в минуту или м3/час);

– Cf = концентрация соли в исходной воде, подаваемой на очистку (мг/л или промилле);

– Qc = расход концентрата (галлон в минуту или м3/час);

– Cc = концентрация соли в концентрате (мг/л);

– Qp = расход очищенной воды, пермеата (галлон в минуту или м3/час);

– Сp = концентрация соли в очищенной воде (мг/л).

Загрязняющие вещества

Процент задержания

Алюминий

96-98

Бактерии

99+

Бор

60-80

Кадмий

93-97

Хлориды

92-95

Медь

96-98

Фториды

92-95

Железо

96-98

Марганец

96-98

Ртуть

94-97

Нитраты

90-95

Фосфаты

95-98

Калий

93-97

Кремний

80-90

Серебро

93-96

Сульфаты

96-98

Цинк

96-98

Аммоний

80-90

Бораты

30-50

Бром

90-95

Кальций

93-98

Хром

85-95

Цианид

85-95

Жесткость Ca/Mg

93-97

Свинец

95-98

Магний

93-98

Никель

96-98

Ортофосфаты

96-98

Полифосфаты

96-98

Радиоактивные вещества

93-97

Силикаты

92-95

Натрий

92-98

Тиосульфаты

96-98

Рисунок 1. – Средние значения селективности (коэффициента задержания мембранами различных веществ)

Самая главная «ячейка» мембранной установки – это мембранный элемент, аппарат, в котором происходит очистка воды. По мере развития технологии обратного осмоса различные производители мембранного оборудования пришли к соглашению выпускать мембранные элементы стандартных типоразмеров для их взимозаменяемости. Диаметры рулонных (спирально намотанных) элементов составляют 2,5, 4 и 8 дюймов (соответственно 50,75, 100 и 200 мм), а длина стандартных промышленных элементов составляет 40 и 60 дюймов (1000 и 1500 мм). Недавно для создания установок большой производительности специалистами некоторых фирм были разработаны более крупные мембранные элементы диаметром 16, 17, 18 дюймов.

В настоящее время пока не сложилось единого мнения относительно стандарта для крупногабаритных элементов большого диаметра, разные производители используют элементы своих типоразмеров. Но со временем по мере накопления опыта их монтажа и эксплуатации ситуация может измениться. Каждая модель элемента имеет определенные характеристики, которые всегда указываются в спецификации (паспорте) элемента. Допускается незначительное отклонение от характеристик, указанных в спецификации мембранного элемента, поскольку каждый элемент после изготовления испытывается в заводских условиях.

В промышленной установке обратного осмоса мембранные элементы помещаются в напорные корпуса (от 1 до 8 элементов в один напорный корпус). Корпуса укладываются на рамы-стеллажи и могут подключаться последовательно или параллельно. Несмотря на то, что система обратного осмоса содержит целый ряд одинаковых мембранных элементов со сходными характеристиками, существующие методы проектирования и эксплуатации установок позволяют создавать установки для решения разных задач.

Рисунок 2. – До конца 50-х годов прошлого века попытки создать эффективную конструкцию мембранного аппарата для массового промышленного изготовления так и не увенчались успехом

Для эффективной работы мембран обратного осмоса требуется предварительная обработка исходной воды от различных веществ, образующих осадки на мембранах. Предварительная обработка (предочистка) состоит в применении различных типов процессов фильтрования и/или осаждения, а также обработки исходной воды различными реагентами. Кроме того, очищенная, прошедшая через мембрану, вода (пермеат) часто требует кондиционирования или стабилизационной обработки, поскольку он вызывает коррозию.

Концентрат установки обратного осмоса, будучи под давлением, обладает значительной энергией, которую можно «рекуперировать», используя для создания рабочего давления исходной воды. Рекуперация энергии сбрасываемого концентрата позволяет сократить общее энергопотребление системы обратного осмоса, несет значительную энергию, которая может быть возвращена обратно в процесс, минимизируя и оптимизируя общую потребность в энергии для процесса ОO. Разрабатываемая система обратного осмоса должна иметь оптимальные величины капитальных и эксплуатационных затрат.

Вслед за разработкой и успешным развитием процесса обратного осмоса последовала разработка мембран низкого давления и развитие процессов микрофильтрации (МФ) и ультрафильтрации (УФ), которые были использованы для создания крупных промышленных систем очистки питьевой воды около 20-ти лет назад. Мембранные технологии стремительно развиваются и вытесняют традиционные «классические» процессы, много лет использующиеся в очистке воды, благодаря технологическим преимуществам и экономической конкурентоспособности.

В результате среди современных широко промышленно освоенных мембранных процессов можно выделить четыре основных процесса, отличающихся по типу используемых мембран. Их можно классифицировать по размеру пор:

1 – микрофильтрация (МФ), с размерами от 0,1 до 0,5 мкм;

2 – ультрафильтрация (УФ), с размерами 0,005-0,05 мкм;

3 – нанофильтрация (НФ) с размерами от 0,0005 до 0,001 мкм;

4 – обратный осмос (ОО), начиная с размера молекулы воды до 10 молекулярных размеров.

По типам применяемых мембран, конструкциям мембранных аппаратов и величине рабочего давления мембранные технологии можно классифицировать следующим образом:

– по конструкции мембранного аппарата: рулонные мембранные аппараты, аппараты с мембранами в виде полого волокна или плоско-рамные мембранные аппараты, использующие листовые мембраны (конструкция фильтр-пресс);

– по типу использованных мембран в зависимости от величины рабочего давления, создающего «движущую силу» процесса: мембраны низкого давления МФ, УФ и высоконапорные мембраны НФ и ОO, работающие под вакуумом (только мембраны низкого давления МФ, УФ).

Опреснение обратным осмосом

Учитывая небольшие запасы на Земле пресной воды, у человечества практически нет другой альтернативы, кроме опреснения воды Мирового океана. В апреле 1961 года президент Джон Кеннеди бросил вызов инженерам и ученым, заявив: «Если бы мы смогли когда-нибудь недорого и конкурентоспособно получать пресную воду из соленой воды, это было бы в долгосрочной перспективе интересно человечеству и затмило бы любые другие научные достижения». В долгосрочной перспективе морская вода является единственным долгосрочным, стабильным и совершенно надежным источником питьевой воды для будущих поколений.

Задолго до того, как были начаты разработки по опреснению воды с применением мембран обратного осмоса, процессы термического опреснения (дистилляции) были уже хорошо известны и широко применялись в промышленных масштабах. Самые старые «немембранные» методы опреснения основаны на испарении воды, конденсировании пара и сборе конденсата. Самыми известными термическими методами опреснения являются многоступенчатые выпарные методы, парокомпрессионные методы, адиабатные дистилляционные методы. Кроме дистилляционных технологий, использующих тепловую энергию для получения пресной воды, для опреснения соленых вод используются методы электродиализа и «реверсивного» электродиализа, использующие электрический ток для удаления катионов и анионов их соленых растворов.

Новейшие промышленные коммерческие технологии опреснения воды основаны на применении мембран. Обратноосмотические технологии для обессоливания и деионизации воды, обратноосмостические технологии опреснения подземных соленых и солоноватых вод, обратноосмотические технологии опреснения морской воды – вот перечень самых распространенных и стремительно растущих технологий опреснения воды, имеющих самое широкое промышленное применение.

Опреснение с применением обратноосмотических мембран на мировых рынках опреснения воды.

Многие бизнес-прогнозы предсказывают, что объем опресненной с помощью обратного осмоса воды будет с каждым годом увеличиваться на 10 % и в конечном итоге станет самым распространенным методом опреснения в течение следующих 10 лет, достигнув примерно 55 миллиардов кубометров воды в год. Опреснение с помощью мембран – обратноосмотическое опреснение морской воды начинает доминировать на рынках опреснения благодаря использованию рекуперации энергии, улучшению показателей работы мембран и снижению затрат на мембранные элементы. В настоящее время количество мембранных опреснительных установок составляет почти 80% от всех существующих в мире опреснительных установок.

Несмотря на то, что число мембранных установок обратного осмоса значительно превышает число термических установок опреснения, производимое ими количество опресненной воды сравнимо с количеством воды, опресненной с помощью дистилляционных установок. Такое отсутствие корреляции между количеством установок и общими количествами опресненной воды можно объяснить спецификой развития опреснительных методов. Термические процессы существуют на рынке уже более пяти десятилетий, и большинство дистилляционных опреснительных установок имеют очень высокую производительность. Можно ожидать, что это соотношение между количеством установок и количеством опресняемой ими воды существенно изменится, поскольку большинство опреснительных систем, проектируемых и строящихся в настоящее время, основаны на использовании мембранных технологий.

Например, в настоящее время крупнейшим действующим мембранным опреснительным заводом «чистой воды» в США является установка «Тампа Бэй», производительностью 25 млн. галлонов в сутки (112000 куб.м/сутки) с перспективой увеличения расхода опресненной воды до 35 млн. галлонов в сутки ( 150000 куб.м/сутки). Установка была введена в эксплуатацию в 2003 году. Новая мембранная опреснительная установка «Карлсбэд» (Калифорния, США) рассчитана на производительность 50 млн. галлонов в сутки (250000 куб.м/сутки).

Гораздо более крупная мембранная опреснительная установка была введена в эксплуатацию в мае 2005 года в Израиле: установка «Ашкелон» производительностью 44 млн. галлонов в сутки (200000 куб.м/сутки), которая в конце 2005 года была увеличена до 88 млн. галлонов в сутки (400000 куб.м/сутки). Кроме того, в настоящее время очень крупные проекты опреснительных мембранных установок разрабатываются в Австралии и Испании.

При проведении технико-экономического сравнения различных технологий опреснения (мембранных и дистилляционных), для крупных установок большой производительности были оценены удельные капитальные и эксплуатационные затраты на производство 1000 галлонов опресненной воды в расчете на 20-30 лет эксплуатации установки, и мембранная технология показала высокий экономический эффект. По мере того, как будет получен положительный опыт эксплуатации крупных мембранных опреснительных установок, будет расти интерес к строительству крупных опреснительных установок обратного осмоса. Основным фактором, препятствующим широкому промышленному применению мембранных опреснительных установок, является высокое потребление энергии, которое зависит от общего солесодержания воды, а также ее температуры и величины выхода фильтрата (отношения расхода опресненной воды к общему количеству обрабатываемой воды).

Успехи в разработке основных компонентов мембранных установок опреснения воды привели к тому, что популярность систем обратного осмоса и рост строящихся опреснительных установок растет, и предпочтение заказчиков отдается мембранным технологиям, а не термическим.

К ним относятся:

– разработка установок для рекуперации энергии различной конструкции с величиной рекуперации энергии потока концентрата более 90 %;

– разработка новых перспективных мембранных материалов, таких как композитные мембраны (ТКМ) с улучшенными показателями;

– полученный опыт проектирования и эксплуатации мембранных опреснительных установок;

– успехи в разработке систем предварительной обработки воды, поступающей в установки обратного осмоса, с использованием таких методов, как ультрафильтрация и микрофильтрация;

– существенное снижение капитальных и эксплуатационных затрат на опреснение воды, достигнутое за последние годы.

Удаление ионов солей и других загрязнений методом обратного осмоса определяется величиной селективности мембран (выраженного в процентах отношения разницы между значениями концентраций солей в исходной воде и опресненной воде к значению концентрации солей в исходной воде). Величина селективности современных мембран по большинству растворенных ионов солей имеет высокое значение и достигает 99,8 %. Селективность мембран определяется для каждого мембранного элемента экспериментальным путем при стандартных условиях. При пуске и эксплуатации крупной мембранной установки величина ее общей селективности может достигать 95 % и выше. Средние номинальные величины селективности современных обратноосмотических мембран по различным ионам представлены на рисунке 1.

Обзор процессов осмоса и обратного осмоса

За последние годы можно выделить три основных достижения в области развития и совершенствования технологии обратного осмоса:

  1. Совершенствование технологических схем с применением метода обратного осмоса и самого процесса обратного осмоса. Разработка новых мембранных материалов, оптимизация энергопотребления, оптимизация затрат на строительство крупных установок, оптимизация капитальных затрат и затрат на мембраны и реагенты.
  2. Открытия в области наноматериалов и наночастиц. Модификация обратноосмотических мембран с использованием наноматериалов и наночастиц, позволяющая создать мембраны, работающие при низких давлениях и требующие низких энергозатрат, а также мембраны, устойчивые к загрязнению взвешенными и коллоидными загрязнениями.
  3. Создание и разработка процесса «прямого осмоса» для опреснения воды, очистки сточных вод и концентрирования растворов. Использование аммиака, углекислого газа или других веществ для создания концентрированного раствора.
  4. Разработка процесса «осмоса с понижением давления». Использование разницы осмотических давлений различных растворов для получения движущей силы процесса очистки, например, при очистке сточных вод, сбрасываемых в море или при очистке речной воды в месте ее впадения в море.

Рисунок 3. – Достижения в области мембранного обратноосмотического опреснения способствовали росту конкурентоспособности этого метода по сравнению с термическими методами дистилляции и широкому распространению мембранных установок во всем мире

Метод обратного осмоса становится одним из главных, ключевых методов опреснения воды. Метод обратного осмоса – самый быстроразвивающийся и совершенствующийся метод опреснения, имеющий широкое промышленное применение во всем мире благодаря возможностям развития и неуклонного снижения капитальных и эксплуатационных затрат по мере проведения новых исследований. Этот метод продемонстрировал экономическую эффективность при очистке и опреснении природных и сточных вод по сравнению с традиционными методами и обеспечил основу для разработки новых процессов и технологий очистки воды, а также для модернизации и реконструкции существующих сооружений.

Метод обратного осмоса обеспечивает высокое качество очистки, требует небольших габаритов для размещения и низких эксплуатационных затрат по сравнению с традиционными «классическими» методами очистки воды.

Источник: Membrane Technology, March 2011, p.4-6.