Обратный осмос

Принцип обратного осмоса основан на явлении осмоса – самопроизвольного перехода растворителя через полупроницаемую мембрану в раствор. Если чистую воду и водный раствор какого-либо вещества поместить в два отсека по обе стороны полупроницаемой мембраны, способной пропускать только молекулы воды, то в такой системе будет наблюдаться следующее. Из-за разности давления (концентрации) молекул воды в разных отсеках осуществляется переход молекул воды в объем с их меньшей концентрацией, то есть в отсек концентрированного раствора. Объем раствора при этом постепенно увеличивается, сам раствор разбавляется и разность давлений Δр уменьшается, тормозя дальнейший перенос молекул воды. Количественно процесс осмоса характеризуется значением осмотического давления р, которое согласно закону Вант-Гоффа прямо пропорционально концентрации растворенного вещества С и абсолютной температуре Т раствора:

,

где i = 1 + α – коэффициент Вант-Гоффа (α – степень диссоциации растворенного вещества);

М – масса 1 моля растворенного вещества;

R – универсальная газовая постоянная.

Чтобы осуществить обработку высокоминерализованной воды обратным осмосом, нужно, создав (в отсеке с раствором) избыточное давление, превышающее осмотическое, заставить молекулы воды диффундировать через полупроницаемую мембрану в направлении, противоположном прямому осмосу, то есть со стороны высокоминерализованной воды в отсек чистой воды (рисунок 1).

Рисунок 1 – а) прямой осмос; б) обратный осмос.

Преимущество обратного осмоса перед дистилляцией связано с отсутствием энергоемких фазовых превращений, однако для достижения длительного срока службы полупроницаемых мембран необходима предварительная глубокая очистка воды от коллоидных и грубодисперсных примесей.

Несмотря на кажущуюся простоту процессов до настоящего времени не сформировался единый взгляд на механизм переноса молекул растворителя через мембраны, но большинство исследователей придерживаются следующей гипотезы. Согласно этой модели в полупроницаемой мембране имеются поры диаметром, достаточным для прохода молекул воды, но недостаточным для прохождения гидратированных ионов и молекул растворенных веществ. Из-за невозможности создания изопоритсых мембран в них имеются более крупные поры, через которые частично могут проникать гидратированные ионы, в результате чего снижается селективность (избирательность) процесса переноса. Изложенное показывает, что эффективность процесса обратного осмоса определяется, главным образом, свойствами мембран, которые должны характеризоваться высокими разделяющей способностью (селективностью) и удельной проницаемостью, быть химически стойкими и механически прочными, иметь низкую стоимость.

В настоящее время для обратноосмотических установок применяют полимерные мембраны из ацетатов целлюлозы, полученные путем частичного испарения растворителя и последующего осаждения полимера. Ацетилцеллюлозные мембраны имеют асимметрическую структуру (рисунок 2), в которой поверхностный слой толщиной 0,25 – 0,5 мкм характеризуется высокой плотностью, а остальная масса толщиной около 150 мкм с размером пор 0,1 – 1 мкм обеспечивает лишь механическую прочность мембран и служит подложкой для поверхностного слоя, выполняя функции селективного барьера.

Рисунок 2 – Структура ацетилцеллюлозной мембраны:

1 – активный слой; 2 – поддерживающий слой.

При опреснении раствор приводится в контакт с плотным активным слоем мембраны. Кроме ацетилцеллюлозных мембран типа МГА промышленностью выпускаются полупроницаемые мембраны типа МГЭ на основе этилцеллюлозы и мембраны типа МГП на основе ароматических полиамидов.

Перечисленные марки мембран обладают различной селективностью и проницаемостью. Мембраны типа МГА находят применение для опреснения водных сред при рН = 5 ÷ 8, в кислых и щелочных средах они подвергаются гидролизу, оказывающему отрицательное воздействие на их характеристики. Мембраны типа МГЭ применяются для растворов с рН = 1 ÷ 14, МГП – для агрессивных сред с рН = 1 ÷ 12 при температуре 150 ⁰С.

Поиск по сайту: