Метод обратного осмоса возник в 1953 г., когда Рейдом и Бретоном (США) были открыты полупроницаемые свойства ацетилцеллюлозных мембран. Технология производства полупроницаемых мембран была усовершенствована Маникяном (США), разработавшим способ промышленного изготовления мембран из раствора ацетилцеллюлозы в ацетоне и формамиде. В дальнейшем были изготовлены мембраны, которые можно длительное время хранить в сухом виде, а также мембраны в виде полых волокон и составные (композитные) мембраны. Качество мембран постепенно совершенствуется, ассортимент расширяется.

Обратный осмос – один из наиболее перспективных методов обработки воды, преимущества которого заключены в малых энергозатратах, простоте конструкций аппаратов и установок, малых их габаритах и простоте эксплуатации; применяется для обессоливания вод с солесодержанием до 40 г/л, причем границы его использования постоянно расширяются.

Сущность метода "обратный осмос"

Если растворитель и раствор разделить полупроницаемой перегородкой, пропускающей только молекулы растворителя, то растворитель начнет переходить через перегородку в раствор до тех пор, пока концентрации растворов по обе стороны мембраны не выравниваются. Процесс самопроизвольного перетекания веществ через полупроницаемую мембрану, разделяющую два раствора различной концентрации (частный случай – чистый растворитель и раствор), называется осмосом (от греч.: osmos – толчок, давление). Если над раствором создать противодавление, скорость перехода растворителя через мембрану уменьшится. При установлении равновесия отвечающее ему давление может служить количественной характеристикой явления обратного осмоса. Оно называется осмотическим давлением и равно тому давлению, которое нужно приложить к раствору, чтобы привести его в равновесие с чистым растворителем, отделенным от него полупроницаемой перегородкой. Применительно к системам водоподготовки, где растворителем является вода, процесс обратного осмоса можно представить следующим образом: если со стороны протекающей через аппарат природной воды с некоторым содержанием примесей приложить давление, превышающее осмотическое, то вода будет просачиваться через мембрану и скапливаться по другую ее сторону, а примеси – оставаться с исходной водой, их концентрация будет увеличиваться. Некоторые гипотезы, предложенные для объяснения процесса обратного осмоса.

Процесс "обратного осмоса" 

Размеры молекул воды меньше молекул и ионов всех веществ, находящихся в воде, – растворенных, коллоидов, неионогенных. Диаметр пор мембраны должен быть меньше суммы удвоенной толщины пограничного слоя на мембране и диаметра задерживаемого иона. В противном случае гидратированный ион может пройти через пору, при этом гидратная оболочка иона и пограничный слой воды будут частично обмениваться молекулами Н2О. Здесь проявятся еще и необычные свойства тонких слоев (капилляров), в которых вода изменяет и плотность, и другие физические свойства.

При рассмотрении сущности обратного осмоса, вероятно, нет смысла говорить о порах как аналогах неких туннелей в мембране. Скорее всего, ионы и молекулы воды проходят через пустоты в молекулярной структуре материала мембраны. Энергетическая гипотеза «Протискивание» молекул примесей через мембраны обусловлено энергией гидратации частиц примесей. Процесс этот тем легче, чем меньше энергия гидратации.

Лучше всех задерживаются (труднее проходят или вовсе не проходят через поры) многовалентные ионы. Могут пройти, кроме молекул Н2О, гидратированные ионы Cl-, F-, Na+, K+, чьи размеры сопоставимы с размерами молекул Н2О. Радиус молекулы Н2О – 1,36 Å. Капиллярно-фильтрационная (сорбционная)гипотеза Предполагается, что слой воды перед мембраной, имеющий толщину нескольких десятков молекул, и вода внутри пор имеют пониженную растворяющую способность по сравнению с исходной водой, и поэтому ионы примесей не проходят через поры, так как растворитель (капиллярная и пленчатая вода) их плохо растворяет. Каждая из гипотез сводится к действию определенного фактора, считающегося в данной гипотезе основным. Конечно, нужно рассматривать весь комплекс факторов, зависящий от условий процесса.

Есть и другие предположения с разной степенью обоснованности. На практике мембраны обычно не обладают идеальной полупроницаемостью и наблюдается некоторый переход через мембрану растворенного вещества. В этом случае движущая сила ΔР определяется выражением: ΔР = Р – (π1 – π2) = Р – Δπ где Р – избыточное (рабочее) давление над исходным раствором; π1 – осмотическое давление раствора; π2 – осмотическое давление фильтрата, прошедшего через мембрану. Осмотические давления растворов могут достигать десятков МПа. Рабочее давление в обратноосмотических установках должно быть значительно больше, поскольку их производительность определяется движущей силой процесса – разностью между рабочим и осмотическим давлением. Так, при осмотическом давлении 2,45 МПа для морской воды, содержащей 3,5% солей, рабочее давление в опреснительных установках рекомендуется поддерживать на уровне 6,85–7,85 МПа.

Системы обратного осмоса способны задерживать бактерии, соли, сахара, протеины, частицы, красители и другие загрязняющие вещества, молекулярная масса которых больше 150-250 далтонов. Разделение ионов обратным осмосом происходит с участием заряженных частиц. Это значит, что растворенные ионы, которые несут заряд, равный заряду солей, более вероятно будут отброшены мембраной, чем те, которые не заряжены, например органика. Чем больше заряд частицы и ее размер, тем выше вероятность того, что она будет отброшена мембраной.
Секреты обратноосмотических мембран 

Идеальной системы обратного осмоса для дома не существует. Некоторые разработки лучше остальных, но ни одна из них не является панацеей от всех бед. Большинство производителей и дилеров рекомендуют подбирать систему в зависимости от показателей исходной воды и от требований, выдвигаемых покупателем к качеству получаемой воды. Но бывает, что и этого не достаточно, ведь установка системы обратного осмоса не такая простая как водопроводная система. Иногда это работает, иногда нет. 

Основные действующие компоненты системы:
- обратноосмотическая мембрана
- ограничитель течения
- седиментный предварительный фильтр
- предварительный и постфильтр из активированного угля
- накопительный бак
- помпа 

Даже самая простая система не может использоваться без первых трех компонентов, в то время как последние три служат для удовлетворения специфических нужд покупателя. Правильный подбор и использование каждого компонента являются необходимыми для обеспечения правильной и бесперебойной работы системы. 

Обратноосмотическая мембрана 

По сути, обратноосмотическая мембрана - это сердце и душа системы обратного осмоса. Разработка системы начинается с подбора мембраны, а другие компоненты выбираются исходя из свойств мембраны. 

Существует три типа обратноосмотических мембран, каждая из которых имеет свои преимущества и недостатки (смотрите раздел "Типы мембран"). 
Смесь триацетата целлюлозы с ацетатом целлюлозы (CTA)
Тонкослойная полупроницаемая мембрана(TLCR)
Модифицированный полисульфон (SPSF) 

Вода, прошедшая через мембраны CTA, имеет самую низкую себестоимость. Низкая производительность ограничивает использование мембран CTA там, где необходима высокая производительность, однако их стойкость к окислению позволяет им самоочищаться от производных хлора, находящихся в воде. Это делает мембраны CTA наиболее подходящими для типичных нужд водоподготовки. К тому же, пропущенный в накопительный бак хлор позволяет позволяет снизить уровень бактерий. 

Мембраны TLC сочетают в себе высокую производительность, высокий уровень отталкивания частиц и широкий приемлемый для работы уровень рН, что делает их идеально подходящими для применения во многих областях. В случаях высокого уровня потребления воды, при низких температурах и давлении воды, высокой концентрации нитратов или при высоком уровне рН (более 9,0) рекомендовано применять именно мембраны ТСL. 

Однако, в связи с мембранами TLC, нарастает беспокойство по поводу полного очищения воды от хлора, что может привести к развитию в накопительных баках огромнейшего количества бактерий. В отношении себестоимости получаемой воды, применение мембран ТСL все еще остается наиболее дорогостоящим. 

Конечно мембраны SPSF сейчас намного проще приобрести, чем в прошлые года, однако они не идут ни в какое сравнение с производительностью и стоимостью мембран CTA. так же существует определенное опасение относительно способности мембран SPSF очищать неумягченную предварительно воду. Но мембраны SPSF просто незаменимы для очищения умягченной воды с высоким уровнем рН, либо при чрезвычайно высоких концентрациях нитратов. Мембраны же СТА и TCL хороши для применения в других случаях. 

Ограничители течения 

После мембран ограничитель течения наиболее важный компонент системы. Он контролирует регенерацию системы. ( т.е количество очищенной воды в сравнении с водой, сброшенной в канализацию). Ограничитель течения должен быть разработан таким образом, чтобы он контролировал перекрестное течение вокруг рабочей поверхности мембраны, с тем, чтобы она оставалась чистой. Если ограничитель течения маленький, скорость пересеченного течения будет незначительной, что приведет к засорению мембраны, обусловленному осаждением химических веществ, накоплением пестицидов либо и тем, и другим. Поскольку чистая вода отделяется от входящего потока, концентрация загрязняющих веществ увеличивается пропорционально длине мембраны. Если скорость перекрестного течения слишком низкая, загрязняющие вещества не будут вымываться с поверхности мембраны. 

Если вы хотите получить от системы большую производительность, то просто установка мембраны с большей производительностью может не быть эффективной. Вначале Вы получите повышенную производительность, однако мембрана будет очень сильно засоряться из-за слишком большого объема воды, проходящего через нее, и из-за недостаточной ее длины, что не позволит перекрестному потоку очистить поверхность мембраны. 

Однако, из-за температуры входящего потока, давления и общего содержания растворенных веществ (TDS), которые влияют на объем воды, пропущенной через мембрану, одна и та же система может быть приспособлена к к различным требованиям ко входящему потоку в разных местах. Обычная система рассчитана на температуру 77°F (25°C), давление 4.2 бара и на TDS 500 ppm, а размеры ограничителя течения отвечают этим условиям работы. 

Если температура и давление Вашей воды ниже указанных, или уровень TDS выше, Вы можете использовать мембрану с повышенной производительностью, ничего больше при этом не изменяя. Либо Вы можете установить ограничитель меньшего объема и не смывать деньги в канализацию. Рисунки 1 и 2 на 38 странице показывают связь между температурой и давлением воды, проходящей через мембрану. 

Наиболее важная вещь, которую следует сделать, когда Вы меняете ограничитель течения или используете мембрану с производительностью отличной от стандартной, это подсчитать время регенерации. Регенерация = [входящий поток ё (концентрация + входящий поток"> x 100%. Производители мембран утверждают, что регенерация должна составлять 15 и меньше для максимального срока службы мембраны. Большинство домашних систем обратного осмоса рассчитаны на 25% и больше. Вы будете правы, если останетесь между этими двумя цифрами и ваша предварительная подготовка воды будет хорошей. 

Седиментная фильтрация 

Несмотря на скорость Вашего перекрестного потока и регенерацию, Ваша мембрана все равно засорится, если из входящего потока не были удалены механические частички. Чтобы удалить их будет достаточно 5-ти микронного седиментного картриджа, однако, при повышенном содержании солей это не выход. Поскольку большинство солей по размеру меньше 5 микрон, такой картридж их пропустит, они собьются в кучу и засорят мембрану. 

Если мембрана засоряется, в первую очередь следует винить предварительный фильтр, а не мембрану. При высоких концентрациях солей в воде рекомендуется устанавливать фильтр с маленьким микражом. 

Независимо от содержания солей, дополнительные расходы на качественный 5-ти микронный фильтр будут оправданы эффективной защитой мембраны. 

Угольные фильтры 

Если Вы используете мембрану TLC, Вам необходимо использовать угольный предварительный фильтр для удаления окислителей, даже если воды нехлорированая. В добавок к хлору, другие химикаты - включая бром, йод и различные соединения железа - приведут к скачкообразному увеличению прохождения солей через мембрану TLC (рисунок 3). Кроме того, всегда используйте предварительный угольный фильтр и угольный постфильтр. Снова напомним Вам, что стоимость угольного фильтра намного меньше стоимости мембраны, поэтому его стоит использовать.
Во многих системах угольный фильтр устанавливается прямо перед краном. Такие фильтры удаляют неприятный вкус хлора (в системах с CTA и SPSF), а также задерживают все еще могущие присутствовать вредные органические вещества. Большие молекулы органических веществ засоряют поверхность угольного фильтра, давая возможность более мелким, но очень часто более вредным, молекулам проникнуть во внутрь. Обратноосмотическая мембрана отталкивает большие молекулы органических веществ и других загрязнителей, давая возможность угольному постфильтру задерживать оставшиеся маленькие молекулы органики. 

Накопительные баки 

Часто недооценивают важность накопительного бака, но его просто необходимо включать в систему обратного осмоса. Бак должен быть достаточно большим, но, если он слишком велик, при его заполнении создается обратное давление, которое снижает эффективность работы системы. Начинает производиться вода худшего качества, в канализацию же ее сливается намного больше, чем положено. Исходя из этого, не следует устанавливать слишком большой накопительный бак без предварительной консультации с Вашим региональным представителем. 

При подборе бака важна возможность легкой и простой его дезинфекции, особенно для систем с мембраной TLC. В баке могут развиться бактерии, поэтому так важна возможность легкой и простой дезинфекции. Там, где существует возможность бактериального загрязнения, рекомендуют устанавливать фильтры типа FHCTF, в которых вода не застаивается. 

Помпы 

Помпы можно использовать для увеличения производительности системы. Однако, когда Вы устанавливает в систему помпу, Вам следует больше внимания уделять процессу регенерации.
Если Вы имеете дело с очень низкой температурой или давлением, Вы можете установить помпу без негативного влияния на систему. если вы хотите увеличить производительность стандартной системы, Вам следует соответственно заменить ограничитель течения. Также помпы могут быть использованы для для увеличения давления на мембрану, что может улучшить качество воды.