Обратный осмос

Как технология, обратный осмос появился довольно давно, почти пятьдесят лет назад, но только недавно стоимость производства и новые материалы сделали уникальную систему фильтрации относительно доступной для получения в первую очередь чистой питьевой воды. Система осмотического фильтрования или избирательного разделения жидкостей практически стала основным методом удаления солей и твердых фракций, без нагрева, замораживания и кипячения исходной смеси.

Что такое обратный осмос

За необычным, на первый взгляд, названием лежит достаточно сложный механизм разделения жидких сред, обладающих разным осмотическим давлением. Чаще всего обратный осмос используют для разделения водных растворов веществ с небольшой молекулярной массой.

Чтобы не вдаваться в физические и химические тонкости процесса, можно лишь отметить наиболее важные моменты обратного осмоса:

• Чаще всего обратный осмос используют для разделения водных растворов веществ с небольшой молекулярной массой;
• Разделение двух сред выполняется в двухкамерном фильтре с мембраной с односторонней проницаемостью;
• Система обратного осмоса работает под избыточным давлением, без нагрева, использования специальных растворителей, поглощающих элементов и электрического тока.

Процесс фильтрации на основе обратного осмоса внешне ничем не отличается от обычного пропускания жидкости через мембранное полотно. В одну из полостей, называемую начальной или проточной камерой, подаётся исходный водный раствор. Жидкость, прошедшую сквозь мембранное полотно, собирают во вторичной полости. Все примеси и неотфильтрованный остаток отводятся для утилизации.

Можно встретить достаточно большое количество описаний механизма обратного осмоса на уровне молекулярного взаимодействия, но чаще всего это частные случаи для конкретных вариантов мембранного полотна. Процессы разделения при протекании обратного осмоса изучены лишь в небольшой степени. Поэтому, несмотря на многочисленные заверения производителей фильтров, получить высокое качество воды удаётся только на нескольких видах полимерных осмотических мембран.

Как же работает обратный осмос

Разделение происходит за счёт перераспределения концентраций ионов и молекул между двумя полостями. При этом более крупные молекулы растворенных веществ и примесей частиц остаются в растворе и не забивают поры, поэтому мембрана сохраняет способность к фильтрации и разделению жидкостей достаточно длительное время. При этом производительность мембранного полотна практически не снижается.

Это свойство осмотического фильтра и сбивает с толку многих технологов. Если бы полотно просто отфильтровывало ионы и частички примесей, как обычный матерчатый или бумажный фильтр, то ресурс обратного осмос – фильтра размером со стакан составил бы несколько сот литров воды, как это происходит с угольными и цеолитовыми фильтровальными элементами.

Мембрана осмотического фильтра изготавливается по многослойной схеме, в таком полотне есть входная и чистая поверхность. Два слоя из разных материалов разделены прочной армирующей сеткой. Входная поверхность подвергается обработке, в результате которой образуется большое количество длинных и очень тонких пор. Чистая поверхность тоже наделена порами точно запрограммированного размера, что позволяет удерживать очищенную воду от обратной диффузии во входную камеру осмос фильтра.

Самое простое объяснение работы обратного осмоса выглядит так:

• Входная поверхность изготовлена из материала, способного притягивать из раствора и удерживать на поверхности молекулы воды. Ионы соли или любого другого растворенного вещества практически не могут подойти и просочиться через микрокапилляры;
• Избыточное давление в камере постоянно выдавливает молекулы воды в чистую полость осмос – фильтра, а загрязнения и ионы соли выдавливаются в обратном направлении, в начальную полость.

Таким образом, все примеси выдавливаются ионами воды на определенное удаление от мембраны, благодаря чему осмотические фильтры способны работать и не загрязняться намного дольше, и с более высоким качеством фильтрации.

Принцип действия обратного осмоса можно сравнить с ситом, заполненным мельчайшим сухим песком с небольшим количеством более крупных зернышек глины и камня. Под действием вибрации песок легко проходит сквозь мелкую сетку, тогда как примеси поднимаются на поверхность и остаются внутри сита.

К сведению! Мембраны обратного осмоса после заполнения водным раствором нельзя нагревать или высушивать, это неминуемо приводит к выходу из строя фильтровального элемента.

Понятно, что часть загрязнений и ионов примесей все же прорывается к капиллярам и забивает их. Качество очистки и производительность снижается, поэтому производители устанавливают на фильтр для воды с обратным осмосом рекомендованный безопасный ресурс по количеству пропущенной воды.

Системы обратного осмоса в практическом применении

Появление технологии на основе полимеров обратного осмоса позволило решить очень непростую задачу разделения водных растворов с получением чистой воды с наименьшими затратами энергии. Процесс очистки грубыми фильтрами не позволяет задержать растворенные соли, дистилляция воды, особенно солёной морской, с большим количеством жестких карбонатных солей, требует огромного количества тепловой и электрической энергии.

Возможности обратного осмоса наглядно иллюстрируют затраты тепловой энергии на получение одного куба питьевой воды из морской рапы:

• Теоретическая потребность энергии на разделение воды и примесей составляет 2,7 МДж/м3;
• Очистка воды обратным осмосом — требуется всего 13,3 МДж/м3;
• Для вымораживания примесей в низкотемпературных камерах потребуется 27 МДж/м3;
• Экстрагирование солей растворителем требует 72 МДж/м3;
• Разделение смесей до химически чистой воды электродиализом предусматривает затраты на уровне 122 МДж/м3;
• Дистилляция перегретой воды мгновенным взрывным вскипанием – 215 МДж/м3.

Затраты на очистку с помощью фильтра мембранами обратного осмоса почти в 15 раз меньше, чем при использовании традиционных методов. В зависимости от используемых материалов и предварительной подготовки, количества растворенных солей, вода обратного осмоса после прохождения фильтра может иметь небольшое количество примесей.

В технике эту особенность мембран обратного осмоса называют селективностью. Чем дороже мембрана, тем выше ее селективность. Например, отечественные мембранные полотна обратного осмоса марки МГА80 выдают 80% очистки, МГА90 и МГА100 обеспечивают уровень осмос очистки на 95% и 98% соответственно. Американские «Истмен Кодак» RO97, RO94 позволяют очищать воду на 96-98%. Японские мембраны обратного осмоса DRS-97, DRS-96 выдают почти 99% очистки при втрое большей производительности и на 20% меньшем давлении воды.

Как правило, производители бытовых фильтров не ставят задачи добиться исключительно высоких показателей селективности, полная очистка важна для систем обратного осмоса, выдающих очищенную воду для медицины, фармацевтической промышленности, тонкой химии и паровых турбин. Для бытовых целей достаточно селективности осмотических мембран на уровне 96%, так как идеально очищенная вода сильно теряет во вкусовых качествах.

Отличие дорогих фильтров с обратным осмосом от дешевых моделей

Эффективность осмос — очистки воды превосходит большинство существующих технологий, что, соответственно, создает мощную рекламу для водяных фильтров. Поэтому системы с обратным осмосом стали самыми востребованными марками очистителей для воды.

На сегодня известно несколько десятков запатентованных типов мембран обратного осмоса, но почти все они рассчитаны на работу в условиях высокого давления воды, обычно это 40-100 ат. Производительность одного квадратного метра такого полотна составляет 300 т очищенной воды в сутки. Стоит такой фильтр несколько десятков тысяч долларов. Понятно, что для бытовых моделей подобные условия работы недостижимы.

В брендовых моделях фильтров, с расходом 3-5 л/мин, используются составные мембраны обратного осмоса. Их изготавливают из вторичного материала, значительно более тонкого, без армирования и защитных перепускных вставок, выравнивающих давление внутри полотна.

Дешевые модели с обратным осмосом зачастую комплектуются ацетатными мембранами, прошедшими специальную термическую обработку. Они также могут задерживать большую часть загрязнений, но быстро выходят из строя из-за сильного набухания фильтрующего материала.

Фильтр с обратным осмосом

Понятно, что, даже имея на руках фильтровальную мембрану обратного осмоса, очистить в домашних условиях воду из водопровода будет довольно сложно. В обычных условиях картридж обратного осмоса даже не пропустит через полотно воду, налитую самоналивом. Для фильтрации потребуется избыточное давление и целый ряд вспомогательных устройств.

Типовая конструкция фильтра обратного осмоса

В качестве примера обычного бытового фильтра можно использовать схему установки обратный осмос аквафор. Высокоуровневые фильтры промышленного изготовления выпускаются в виде нескольких блоков, сюда входят:

• Аккумулятор или бак давления фильтрования;
• Волоконный или насыпной грязевой фильтрующий бокс;
• Угольный блок;
• Мембранные картриджи обратного осмоса;
• Солевой фильтр.

Система обратного осмоса, обычно в виде нескольких стандартных блоков. Полимерная мембрана с сепаратором в виде полотна свернута рулоном и установлена в цилиндрическом пластиковом или металлическом корпусе.

Аккумулятор позволяет выровнять рабочее давление на системе обратного осмоса. Тонкое полимерное полотно оказывается достаточно чувствительным к перепадам давления воды, сильные гидроудары, как правило, приводят к разрыву полотна и выходу из строя. Работает бак в переменном режиме. Пока кран на выходе закрыт, бак наполняется водой из водопровода. Как только кран на мойке открывается, четырехпозиционный клапан отсекает внешнюю магистраль и выдавливает запасенную воду в систему обратного осмоса.

Грязефильтрующий блок останавливает 99% песка, ржавчины и мусора, попадающего в фильтрующий контур из водопровода. Угольная вставка дает возможность отделить хлор, хлорноватистые и железистые соединения, воздух, органические вещества, словом, все, что представляет угрозу для чувствительной осмотической пленки.

Фильтр обратного осмоса со «свежим» фильтрующим элементом превосходно очищает воду, по утверждению специалистов, некоторые модели способны удалять из потока даже микроводоросли и бактерии. Но у качественно отфильтрованной воды есть один существенный недостаток: ее вкус далек от того, что можно назвать ключевой водицей. На вкус вода, прошедшая такую очистку, напоминает техническую, с металлическим привкусом. Из очищенной на 99,9% воды не готовят чай, кофе, горячие блюда, ею нельзя поливать растения, и не желательно пить в сыром виде, так как, по утверждениям медиков, очищенная до предела вода вымывает кальций из организма.

Чтобы избавиться от ненужного эффекта, производители комплектуют фильтровальные установки специальным устройством — минерализатором, благодаря которому вода насыщается солями натрия и кальция и приобретает приятный вкус. Ресурс минерализатора ограничен, поэтому в конструкции фильтра используют два вывода – прямой, без минеральной добавки, и питьевой, с насыщением воды солями и минералами.

Обратный осмос своими руками

Покупка и установка системы водоочистки на основе обратного осмоса всегда связана с чувствительными финансовыми расходами. Чем совершеннее система, тем дороже обойдется фильтровальная установка. Кроме того, фильтровальное полотно можно отнести к высокотехнологичным изделиям. Полимерную мембрану невозможно сделать кустарным способом, что называется, «на коленке», но никто и не ставит подобных целей, так как самодельная пленка может быть небезопасной для здоровья, поскольку речь идет об очистке питьевой воды.

Модернизируем трехстоечный водяной фильтр

Если внимательно приглядеться к устройству типичного фильтра на обратном осмосе, то можно сделать простой вывод, примерно ¾ деталей и узлов – это обычные пластиковые детали, которые используются практически в любых водяных фильтровальных системах. Самая дорогая и ответственная часть фильтра представляет собой пластиковую колбу с небольшим картриджем внутри. То есть, покупая новый фильтр, будущий владелец на 90% приобретает пластиковую арматуру, и только на 10% — саму фильтровальную мембрану.

Если в доме уже имеется водяной фильтр, например, трехблочный фильтр проточного типа, то вполне возможно построить своими руками упрощенный вариант фильтровального устройства.

Для переоборудования имеющегося фильтровального блока в более совершенный аппарат потребуется всего три детали:

• Картридж обратного осмоса с сепаратором и посадочной крышкой;
• Корпус фильтра под установку картриджа;
• Комплект пластиковых уголков для подключения дополнительного фильтра к старому трехбоксовому корпусу.

На новом корпусе имеется один штуцер под вход воды, как правило, в верхней части, и два вывода под очищенную воду и сток. Штуцер чистой воды располагается в центре донной части корпуса, стоковый вывод оказывается сдвинутым к стенке. Неочищенная вода заполняет полость, прилежащую к стенкам, проходит через трубчатую мембрану и выдавливается через центральную часть, через патрубок с обратным клапаном, по трубе к потребителю.

В данной схеме нет аккумуляторного бака и допфильтров, их заменяет старый трехблочный фильтр. В его задачу входит предварительная очистка воды из водопровода до того момента, как поток попадет в корпус с картриджем обратного осмоса.

Заключение

Самодельный фильтр обратного осмоса работает не хуже промышленного варианта. Так как в системе нет компенсирующего бака, обращаться с фильтрующим блоком нужно будет аккуратно, регулярно чистить трехкамерный блок от ржавчины и грязи. Существенным преимуществом самодельной системы фильтрования является тот факт, что переоборудование обойдется примерно в половину цены нового полного комплекта, при этом ресурс мембраны уменьшается всего лишь на 5-7%.