Обратный осмос

Обратный осмос ( RO ) - это процесс очистки воды, в котором используется частично проницаемая мембрана для отделения ионов , нежелательных молекул и более крупных частиц от питьевой воды. В обратном осмосе приложенное давление используется для преодоления осмотического давления , коллигативного свойства , которое обусловлено разностью химических потенциалов растворителя, термодинамического параметра. Обратный осмос может удалять из воды многие типы растворенных и взвешенных химических веществ, а также биологические (в основном бактерии) и используется как в промышленных процессах, так и при производстве питьевой воды.. В результате растворенное вещество остается на стороне мембраны, находящейся под давлением, а чистый растворитель может перейти на другую сторону. Чтобы быть «селективной», эта мембрана не должна пропускать большие молекулы или ионы через поры (отверстия), но должна позволять более мелким компонентам раствора (таким как молекулы растворителя, то есть вода, H ₂ O) свободно проходить. ^[1]

В процессе обычного осмоса растворитель естественным образом перемещается из области с низкой концентрацией растворенного вещества (высокий водный потенциал ) через мембрану в область с высокой концентрацией растворенного вещества (низкий водный потенциал). Движущей силой движения растворителя является уменьшение свободной энергии Гиббса системы, когда разница в концентрации растворителя с обеих сторон мембраны уменьшается, создавая осмотическое давление из-за того, что растворитель перемещается в более концентрированный раствор. Таким образом, приложение внешнего давления для изменения естественного потока чистого растворителя является обратным осмосом. Этот процесс аналогичен другим применениям мембранной технологии.

Обратный осмос отличается от фильтрации тем, что механизм потока жидкости основан на осмосе через мембрану. Преобладающий механизм удаления при мембранной фильтрации - это натяжение или исключение размера, когда поры составляют 0,01 микрометра или больше, поэтому теоретически процесс может достичь идеальной эффективности независимо от таких параметров, как давление и концентрация раствора. Обратный осмос вместо этого включает диффузию растворителя через непористую мембрану или нанофильтрацию с размером пор 0,001 микрометра. Преобладающий механизм удаления зависит от различий в растворимости или диффузии, а процесс зависит от давления, концентрации растворенного вещества и других условий. ^[2]

Обратный осмос наиболее широко известен тем, что его используют для очистки питьевой воды от морской воды , удаляя соли и другие сточные воды из молекул воды. ^[3]

История

Процесс осмоса через полупроницаемые мембраны впервые наблюдал в 1748 году Жан-Антуан Нолле . В течение следующих 200 лет осмос был лишь явлением, наблюдаемым в лаборатории. В 1950 году Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе впервые исследовал опреснение морской воды с использованием полупроницаемых мембран. Исследователи из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и Университета Флориды успешно добывали пресную воду из морской воды в середине 1950-х годов, но поток был слишком низким, чтобы быть коммерчески жизнеспособным ^[4], пока не было обнаружено открытие в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе. Сидни Лоеб и Шриниваса Сурираджан ^[5]в Национальном исследовательском совете Канады , Оттава, по методам создания асимметричных мембран, характеризующихся эффективно тонким «поверхностным» слоем, поддерживаемым поверх высокопористой и гораздо более толстой области субстрата мембраны. Джон Cadotte, из Filmtec Corporation , обнаружили , что мембраны с особенно высоким и низким потоком соли проходом может быть сделаны путем межфазной полимеризации в м -phenylene диамина и хлорид trimesoyl. Патент Кадотта на этот процесс ^[6]был предметом судебного разбирательства, и с тех пор срок его действия истек. Почти все коммерческие мембраны обратного осмоса в настоящее время изготавливаются этим методом. К 2019 году в мире насчитывалось около 16000 опреснительных установок, производящих около 95 миллионов м3 / день опресненной воды для использования человеком. Около половины этой мощности приходилось на Ближний Восток и Северную Африку. ^[7]

В 1977 году Кейп-Корал , Флорида, стал первым муниципалитетом в Соединенных Штатах, который использовал процесс обратного осмоса в больших масштабах с начальной производственной мощностью 11,35 миллиона литров (3 миллиона галлонов США) в день. К 1985 году из-за быстрого роста населения Кейп-Корал в городе была самая большая в мире установка обратного осмоса низкого давления, способная производить 56,8 миллионов литров (15 миллионов галлонов США) в день (MGD). ^[8]

Формально обратный осмос - это процесс вытеснения растворителя из области с высокой концентрацией растворенного вещества через полупроницаемую мембрану в область с низкой концентрацией растворенного вещества путем приложения давления, превышающего осмотическое давление. Самым крупным и наиболее важным применением обратного осмоса является отделение чистой воды от морской и солоноватой ; морская вода или солоноватая вода находится под давлением на одной поверхности мембраны, вызывая перенос воды с пониженным содержанием соли через мембрану и выход питьевой воды со стороны низкого давления.

Мембраны, используемые для обратного осмоса, имеют плотный слой в полимерной матрице - либо оболочку асимметричной мембраны, либо межфазный полимеризованный слой внутри тонкопленочной композитной мембраны, где происходит разделение. В большинстве случаев конструкция мембраны позволяет пропускать только воду через этот плотный слой, предотвращая прохождение растворенных веществ (таких как ионы соли). Этот процесс требует приложения высокого давления на стороне мембраны с высокой концентрацией, обычно 2–17 бар (30–250 фунтов на квадратный дюйм ) для пресной и солоноватой воды и 40–82 бар (600–1200 фунтов на квадратный дюйм) для морской воды. который имеет естественное осмотическое давление около 27 бар (390 фунтов на кв. дюйм) ^[9], которое необходимо преодолеть. Этот процесс наиболее известен своим использованием при опреснении воды.(удаление соли и других минералов из морской воды для производства пресной воды ), но с начала 1970-х годов он также используется для очистки пресной воды в медицинских, промышленных и бытовых целях.

Аппликации с пресной водой

Очистка питьевой воды

Во всем мире бытовые системы очистки питьевой воды , включая ступень обратного осмоса, обычно используются для улучшения качества воды для питья и приготовления пищи.

Такие системы обычно включают несколько этапов:

• осадочный фильтр для улавливания частиц, в том числе ржавчины и карбоната кальция
• опционально второй фильтр-отстойник с меньшими порами
• активированный уголь фильтр для улавливания органических химических веществ и хлора , которые будут атаковать и ухудшать определенные типы тонкопленочной композитной мембраны
• фильтр обратного осмоса, представляющий собой тонкопленочную композитную мембрану
• опционально, ультрафиолетовая лампа для стерилизации любых микробов, которые могут избежать фильтрации мембраной обратного осмоса.
• опционально, второй угольный фильтр для улавливания тех химикатов, которые не удаляются мембраной обратного осмоса.

В некоторых системах угольный фильтр предварительной очистки не используется, и используется мембрана из триацетата целлюлозы . CTA (триацетат целлюлозы) - это побочная бумажная мембрана, связанная с синтетическим слоем и обеспечивающая контакт с хлором в воде. Для этого требуется небольшое количество хлора в источнике воды, чтобы на нем не образовывались бактерии. Типичный процент отказа для мембран CTA составляет 85–95%.

Мембрана из триацетата целлюлозы склонна к гниению, если она не защищена хлорированной водой, в то время как тонкопленочная композитная мембрана склонна разрушаться под действием хлора. Мембрана из тонкопленочного композитного материала (TFC) изготовлена ​​из синтетического материала и требует удаления хлора до того, как вода попадет в мембрану. Для защиты мембранных элементов TFC от повреждения хлором угольные фильтры используются в качестве предварительной обработки во всех бытовых системах обратного осмоса. Мембраны TFC имеют более высокий процент отторжения 95–98% и более длительный срок службы, чем мембраны CTA.

Портативные водоочистители с обратным осмосом продаются для индивидуальной очистки воды в различных местах. Для эффективной работы вода, подаваемая в эти устройства, должна быть под определенным давлением (280 кПа (40 фунтов на кв. Дюйм) или выше является нормой). ^[10] Портативные водоочистители с обратным осмосом могут использоваться людьми, которые живут в сельской местности без чистой воды, вдали от городских водопроводных труб. Сельские жители сами фильтруют речную или океанскую воду, так как прибор удобен в использовании (для соленой воды могут потребоваться специальные мембраны). Некоторые путешественники, отправляющиеся на длительную прогулку на лодке, на рыбалку или в поход по острову, или в странах, где местное водоснабжение загрязнено или не соответствует стандартам, используют водоочистители с обратным осмосом в сочетании с одним или несколькими ультрафиолетовыми стерилизаторами.

При производстве минеральной воды в бутылках вода проходит через водоочиститель обратного осмоса для удаления загрязняющих веществ и микроорганизмов. Однако в европейских странах такая обработка природной минеральной воды (в соответствии с европейской директивой ^[11] ) не разрешена европейским законодательством. На практике часть живых бактерий может проходить и действительно проходит через мембраны обратного осмоса через незначительные дефекты или полностью обходит мембрану через крошечные утечки в окружающих уплотнениях. Таким образом, полные системы обратного осмоса могут включать дополнительные этапы очистки воды с использованием ультрафиолетового света или озона для предотвращения микробиологического загрязнения.

Размер пор мембраны может варьироваться от 0,1 до 5000 нм в зависимости от типа фильтра. Фильтрация частиц удаляет частицы размером 1 мкм и более. Микрофильтрация удаляет частицы размером 50 нм и более. Ультрафильтрация удаляет частицы размером примерно 3 нм и более. Нанофильтрация удаляет частицы размером 1 нм и более. Обратный осмос относится к последней категории мембранной фильтрации, гиперфильтрации и удаляет частицы размером более 0,1 нм. ^[12]

Децентрализованное использование: обратный осмос на солнечных батареях

Блок солнечных батареях опреснения производит питьевую воду из соленой воды с помощью фотоэлектрической системы , которая преобразует солнечную энергию в требуемую энергию для обратного осмоса. Благодаря широкой доступности солнечного света в разных географических регионах, обратный осмос на солнечных батареях хорошо подходит для очистки питьевой воды в удаленных районах, где отсутствует электросеть. Более того, солнечная энергия преодолевает обычно высокие эксплуатационные расходы, а также выбросы парниковых газов.традиционных систем обратного осмоса, что делает его экологически безопасным решением для пресной воды, совместимым с развивающимися условиями. Так , например, на солнечных батареях блок опреснения предназначен для удаленных населенных пунктов были успешно испытаны в Северной территории в Австралии . ^[13]

Хотя прерывистый характер солнечного света и его переменная интенсивность в течение дня затрудняют прогнозирование эффективности фотоэлектрических систем и затрудняют опреснение в ночное время, существует несколько решений. Например, батареи, которые обеспечивают энергию, необходимую для опреснения в часы без солнечного света, могут использоваться для хранения солнечной энергии в дневное время. Помимо использования обычных батарей, существуют альтернативные методы хранения солнечной энергии. Например, системы хранения тепловой энергии решают эту проблему хранения и обеспечивают постоянную производительность даже в часы без солнечного света и в пасмурные дни, повышая общую эффективность. ^[14]

Военное использование: установка очистки воды обратным осмосом.

Установка очистки воды обратным осмосом (ROWPU) - это портативная автономная установка для очистки воды . Разработанный для использования в военных целях, он может обеспечивать питьевую воду практически из любого источника воды. В вооруженных силах США и Канады используется множество моделей . Некоторые модели являются контейнерными , некоторые - прицепами, а некоторые - самими транспортными средствами. ^{[ необходима цитата ]}

У каждого вида вооруженных сил США есть собственная серия моделей установок очистки воды обратным осмосом, но все они похожи. Вода перекачивается из исходного источника в модуль установки очистки воды обратным осмосом, где она обрабатывается полимером для инициирования коагуляции . Затем он проходит через мультимедийный фильтр, где проходит первичную очистку от мутности. Затем он прокачивается через картриджный фильтр, который обычно представляет собой спирально намотанный хлопок. Этот процесс очищает воду от любых частиц размером более 5 мкм и почти полностью устраняет мутность .

Затем осветленная вода подается поршневым насосом высокого давления в ряд сосудов, где она подвергается обратному осмосу. Получаемая вода не содержит 90,00–99,98% от общего количества растворенных твердых веществ в сырой воде и по военным стандартам должна содержать не более 1000–1500 частей на миллион по показателям электропроводности . Затем его дезинфицируют хлором и хранят для дальнейшего использования. ^{[ необходима цитата ]}

В Корпусе морской пехоты США установка очистки воды обратным осмосом была заменена на облегченную систему очистки воды и тактическую систему очистки воды. ^[15] Легкие системы очистки воды могут транспортироваться Хамви и фильтровать 470 литров (120 галлонов США) в час. Тактические системы очистки воды могут перевозиться на грузовике для замены тактических транспортных средств среднего размера и могут фильтровать от 4500 до 5700 литров (от 1200 до 1500 галлонов США) в час. ^{[ необходима цитата ]}

Очистка воды и сточных вод

Дождевая вода, собранная из ливневых стоков, очищается с помощью водоочистителей с обратным осмосом и используется для орошения ландшафтов и промышленного охлаждения в Лос-Анджелесе и других городах в качестве решения проблемы нехватки воды.

В промышленности обратный осмос удаляет минералы из котловой воды на электростанциях . ^[16] Вода подвергается многократной дистилляции . Он должен быть как можно более чистым, чтобы не оставлять отложений на оборудовании и не вызывать коррозию. Отложения внутри или снаружи труб котла могут привести к снижению производительности котла, снижению его эффективности и, как следствие, к плохой выработке пара и, следовательно, к снижению выработки энергии турбиной.

Он также используется для очистки сточных вод и солоноватых грунтовых вод . Сточные воды в больших объемах (более 500 м ³ / сутки) следует сначала обрабатывать на очистных сооружениях, а затем очищенные сточные воды подвергаются системе обратного осмоса. Стоимость лечения значительно снижается, а срок службы мембран системы обратного осмоса увеличивается.

Процесс обратного осмоса может быть использован для производства деионизированной воды . ^[17]

Процесс обратного осмоса для очистки воды не требует тепловой энергии. Проточные системы обратного осмоса могут регулироваться насосами высокого давления. Восстановление очищенной воды зависит от различных факторов, включая размер мембраны, размер пор мембраны, температуру, рабочее давление и площадь поверхности мембраны.

В 2002 году Сингапур объявил, что процесс под названием NEWater станет важной частью его будущих планов водоснабжения. Он включает использование обратного осмоса для очистки бытовых сточных вод перед сбросом NEWater обратно в резервуары.

Пищевая промышленность

В дополнение к опреснению, обратный осмос является более экономичной операцией для концентрирования пищевых жидкостей (например, фруктовых соков), чем традиционные процессы термообработки. Было проведено исследование концентрации апельсинового и томатного сока. Его преимущества включают более низкие эксплуатационные расходы и возможность избежать процессов термической обработки, что делает его пригодным для термочувствительных веществ, таких как белок и ферменты, присутствующие в большинстве пищевых продуктов.

Обратный осмос широко используется в молочной промышленности для производства порошков сывороточного протеина и для концентрирования молока с целью снижения транспортных расходов. При применении сыворотки сыворотка (жидкость, остающаяся после производства сыра) концентрируется с помощью обратного осмоса от общего содержания твердых веществ 6% до 10–20% общего содержания твердых веществ перед обработкой ультрафильтрацией . Затем ретентат ультрафильтрации можно использовать для приготовления различных порошков сыворотки, включая изолят сывороточного протеина . Кроме того, пермеат для ультрафильтрации, содержащий лактозу , концентрируется путем обратного осмоса с 5% общего количества твердых веществ до 18–22% общего количества твердых веществ для снижения затрат на кристаллизацию и сушку порошка лактозы.

Хотя когда-то в винодельческой промышленности избегали использования этого процесса, теперь он широко известен и используется. Примерно 60 установок обратного осмоса использовались в Бордо , Франция , в 2002 году. Известные пользователи включают многие из растений элитного класса (Kramer), такие как Château Léoville-Las Cases в Бордо.

Производство кленового сиропа

В 1946 году некоторые производители кленового сиропа начали использовать обратный осмос для удаления воды из сока до того, как сок переваривается в сироп . Использование обратного осмоса позволяет удалить из сока около 75–90% воды, что снижает потребление энергии и воздействие высоких температур на сироп. Необходимо контролировать микробное загрязнение и деградацию мембран.

Слабоалкогольное пиво

Когда пиво с нормальной концентрацией алкоголя подвергается обратному осмосу, вода и спирт проходят через мембрану легче, чем другие компоненты, оставляя «пивной концентрат». Затем концентрат разбавляют пресной водой, чтобы восстановить исходную интенсивность нелетучих компонентов. ^[18]

Производство водорода

Для мелкомасштабного производства водорода иногда используется обратный осмос, чтобы предотвратить образование минеральных отложений на поверхности электродов .

Аквариумы

Многие владельцы рифовых аквариумов используют системы обратного осмоса для искусственного смешивания морской воды. Обычная водопроводная вода может содержать чрезмерное количество хлора, хлораминов, меди, нитратов, нитритов, фосфатов, силикатов или многих других химикатов, вредных для чувствительных организмов в среде рифов. Загрязняющие вещества, такие как соединения азота и фосфаты, могут привести к чрезмерному и нежелательному росту водорослей. Эффективная комбинация обратного осмоса и деионизации является наиболее популярной среди владельцев рифовых аквариумов и предпочтительнее других процессов очистки воды из-за низкой стоимости владения и минимальных эксплуатационных расходов. Где хлор и хлорамины обнаружены в воде, перед мембраной необходима угольная фильтрация, поскольку обычная бытовая мембрана, используемая хранителями рифов, не справляется с этими соединениями.

Пресноводные аквариумисты также используют системы обратного осмоса, чтобы дублировать очень мягкую воду во многих тропических водоемах. Хотя многие тропические рыбы могут выжить в правильно очищенной водопроводной воде, разведение может оказаться невозможным. Многие водные магазины продают для этой цели емкости с водой обратного осмоса.

Мытье окон

Все более популярным методом мытья окон становится так называемая система «водяной столб». Вместо того, чтобы мыть окна обычным способом с моющим средством, их моют водой высокой степени очистки, обычно содержащей менее 10 частей на миллион растворенных твердых частиц, с помощью щетки на конце длинной шесты, которую держат с уровня земли. Обратный осмос обычно используется для очистки воды.

Очистка сточных вод на полигонах

Обработка обратным осмосом ограничена, что приводит к низкому извлечению при высокой концентрации (измеренной с помощью электропроводности).) и засорение мембран обратного осмоса. Применимость обратного осмоса ограничена проводимостью, органическими веществами и отложениями неорганических элементов, таких как CaSO4, Si, Fe и Ba. Для низкого уровня органического налета можно использовать две разные технологии: в одной из них используется модуль со спирально-навитой мембраной, а для высокого органического образования накипи, высокой проводимости и высокого давления (до 90 бар) можно использовать дисковые трубчатые модули с мембранами обратного осмоса. Модули дисковых труб были модернизированы для очистки сточных вод на свалках, которые обычно загрязнены большим количеством органических материалов. Из-за перекрестного потока с высокой скоростью в него используется подкачивающий насос, который рециркулирует поток через ту же поверхность мембраны от 1,5 до 3 раз, прежде чем он будет выпущен в виде концентрата. Высокая скорость также хорошо препятствует образованию накипи на мембране и обеспечивает успешную очистку мембраны.

Потребляемая мощность для модульной системы дисковых трубок

Опреснение

Области, в которых отсутствуют или ограничены поверхностные или грунтовые воды, могут быть опреснены . Обратный осмос становится все более распространенным методом опреснения воды из-за относительно низкого энергопотребления. ^[19]

В последние годы потребление энергии упало примерно до 3 кВтч / м ³ благодаря разработке более эффективных устройств рекуперации энергии и улучшенных мембранных материалов. По данным Международной ассоциации опреснения, в 2011 году обратный осмос использовался на 66% установленной мощности опреснения (0,0445 из 0,0674 км3 / день) и почти на всех новых установках. ^{[20] На} других заводах в основном используются методы термической дистилляции: многоэтапная дистилляция и многоступенчатая мгновенная перегонка .

Опреснение морской воды методом обратного осмоса (SWRO), мембранный процесс, коммерчески используется с начала 1970-х годов. Его первое практическое использование было продемонстрировано Сидни Лебом из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе в Коалинге, Калифорния , и Сринивасой Сурираджан из Национального исследовательского совета Канады. Поскольку не требуется нагрева или фазовых переходов, потребности в энергии низкие, около 3 кВтч / м ³ , по сравнению с другими процессами опреснения, но все же намного выше, чем те, которые требуются для других форм водоснабжения, включая очистку сточных вод с помощью обратного осмоса. от 0,1 до 1 кВтч / м ³ . До 50% поступающей морской воды может быть восстановлено в виде пресной воды, хотя более низкий уровень извлечения может снизить загрязнение мембраны и потребление энергии.

Обратный осмос для солоноватой воды относится к опреснению воды с более низким содержанием соли, чем в морской воде, обычно из устьев рек или солевых колодцев. Процесс практически такой же, как и при обратном осмосе морской воды, но требует более низкого давления и, следовательно, меньшего количества энергии. ^[1] До 80% поступающей питательной воды может быть восстановлено в виде пресной воды, в зависимости от солености корма.

Завод по опреснению морской воды методом обратного осмоса в Ашкелоне в Израиле является крупнейшим в мире. ^{[21] [22]} Проект был разработан как строительство-эксплуатация-передача консорциумом трех международных компаний: Veolia воды, IDE Technologies и Elran. ^[23]

Типичная однопроходная система обратного осмоса морской воды состоит из:

• Прием
• Предварительная обработка
• Насос высокого давления (если не совмещен с рекуперацией энергии)
• Мембранная сборка
• Рекуперация энергии (если используется)
• Реминерализация и регулировка pH
• Дезинфекция
• Сигнализация / панель управления

Предварительная обработка

Предварительная обработка важна при работе с мембранами обратного осмоса и нанофильтрации из-за характера их спирально-навитой конструкции. Материал спроектирован таким образом, чтобы пропускать только односторонний поток через систему. Таким образом, конструкция со спиральной намоткой не допускает обратных импульсов с водой или перемешиванием воздуха для очистки поверхности и удаления твердых частиц. Поскольку накопленный материал не может быть удален с поверхностных мембранных систем, они очень подвержены загрязнению (потере производственной мощности). Следовательно, предварительная обработка необходима для любой системы обратного осмоса или нанофильтрации. Предварительная обработка в системах обратного осмоса морской воды состоит из четырех основных компонентов:

• Фильтрация твердых частиц: твердые частицы из воды необходимо удалить, а воду обработать, чтобы предотвратить загрязнение мембран мелкими частицами или биологическим ростом, а также снизить риск повреждения компонентов насоса высокого давления.
• Картриджная фильтрация: Обычно для удаления частиц диаметром 1–5 мкм используются навитые на нити полипропиленовые фильтры  .
• Дозирование: для уничтожения бактерий добавляются окисляющие биоциды, такие как хлор, с последующим дозированием бисульфита для дезактивации хлора, который может разрушить тонкопленочную композитную мембрану. Существуют также ингибиторы биообрастания , которые не убивают бактерии, а просто предотвращают их рост слизи на поверхности мембраны и стенках растений.
• Регулировка pH предварительной фильтрации: если pH, жесткость и щелочность питательной воды приводят к тенденции к образованию накипи, когда они концентрируются в потоке отбракованных отходов, дозируется кислота, чтобы сохранить карбонаты в их растворимой форме угольной кислоты.

CO ₃ ²⁻ + H ₃ O ⁺ = HCO ₃ ^- + H ₂ O

HCO ₃ ^- + H ₃ O ⁺ = H ₂ CO ₃ + H ₂ O

• Угольная кислота не может соединяться с кальцием с образованием накипи карбоната кальция . Склонность карбоната кальция к образованию отложений оценивается с помощью индекса насыщения Ланжелье. Добавление слишком большого количества серной кислоты для борьбы с отложениями карбоната может привести к образованию отложений сульфата кальция, сульфата бария или стронция на мембране обратного осмоса.
• Антискаланты для предварительной фильтрации: ингибиторы образования отложений (также известные как антискаланты) предотвращают образование всех отложений по сравнению с кислотой, которая может предотвращать только образование отложений карбоната кальция и фосфата кальция . Помимо ингибирования карбонатных и фосфатных отложений, антискаланты препятствуют образованию сульфатных и фторидных отложений и диспергируют коллоиды и оксиды металлов. Несмотря на утверждения, что антискаланты могут ингибировать образование диоксида кремния, нет конкретных доказательств того, что полимеризация диоксида кремния может быть ингибирована антискалантами. Антискаланты могут контролировать растворимые в кислоте отложения во фракции дозировки, необходимой для борьбы с такими же отложениями при использовании серной кислоты. ^[24]
• Некоторые мелкие опреснительные установки используют «пляжные колодцы»; их обычно бурят на берегу моря в непосредственной близости от океана. Эти водозаборные сооружения относительно просты в строительстве, и собираемая ими морская вода предварительно обрабатывается путем медленной фильтрации через подземные песчаные породы / образования морского дна в зоне забора исходной воды. Сырая морская вода, собираемая с помощью пляжных колодцев, часто имеет более высокое качество с точки зрения твердых частиц, ила, масел и жиров, естественного органического загрязнения и водных микроорганизмов по сравнению с открытыми водозаборниками морской воды. Иногда из пляжных водозаборов может поступать и исходная вода с более низкой соленостью.

Насос высокого давления

Насос высокого давления обеспечивает давление, необходимое для проталкивания воды через мембрану, даже если мембрана препятствует прохождению через нее соли. Типичное давление для солоноватой воды составляет от 1,6 до 2,6 МПа (от 225 до 376 фунтов на квадратный дюйм). В случае морской воды они колеблются от 5,5 до 8 МПа (от 800 до 1180 фунтов на квадратный дюйм). Это требует большого количества энергии. При использовании рекуперации энергии часть работы насоса высокого давления выполняется устройством рекуперации энергии, что снижает энергозатраты системы.

Мембранная сборка

Мембранный узел состоит из сосуда высокого давления с мембраной, которая позволяет прижимать питательную воду к нему. Мембрана должна быть достаточно прочной, чтобы выдерживать любое приложенное к ней давление. Мембраны обратного осмоса изготавливаются в различных конфигурациях, из которых две наиболее распространенные конфигурации - спиральная намотка и полое волокно.

Только часть солевой питательной воды, закачиваемой в мембранный узел, проходит через мембрану с удаленной солью. Оставшийся поток «концентрата» проходит вдоль солевой стороны мембраны, вымывая концентрированный солевой раствор. Процент произведенной опресненной воды по сравнению с потоком питательной соленой воды известен как «коэффициент извлечения». Это зависит от солености питательной воды и проектных параметров системы: обычно 20% для небольших систем с морской водой, 40–50% для более крупных систем с морской водой и 80–85% для солоноватой воды. Поток концентрата обычно всего лишь на 3 бара / 50 фунт / кв.дюйм ниже давления подачи и, таким образом, по-прежнему несет большую часть входной энергии насоса высокого давления.

Чистота опресненной воды зависит от солености исходной воды, выбора мембраны и коэффициента извлечения. Для достижения более высокой чистоты можно добавить второй проход, который обычно требует повторной откачки. Чистота, выраженная как общее количество растворенных твердых веществ, обычно варьируется от 100 до 400 частей на миллион (частей на миллион или мг / литр) для морской воды. Уровень 500 ppm обычно считается верхним пределом для питьевой воды, в то время как Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США классифицирует минеральную воду как воду, содержащую не менее 250 ppm.

Восстановление энергии

Рекуперация энергии может снизить потребление энергии на 50% и более. Большая часть входящей энергии насоса высокого давления может быть рекуперирована из потока концентрата, а повышение эффективности устройств рекуперации энергии значительно снизило потребность в энергии для опреснения обратным осмосом. Используемые устройства в порядке изобретения:

• Турбина или колесо Пелтона : водяная турбина, приводимая в движение потоком концентрата, соединенная с приводным валом насоса высокого давления для обеспечения части его входной мощности. Аксиально-поршневые двигатели прямого вытеснения также использовались вместо турбин в небольших системах.
• Турбокомпрессор: водяная турбина, приводимая в движение потоком концентрата, напрямую подключенная к центробежному насосу, который повышает выходное давление насоса высокого давления, снижая давление, необходимое для насоса высокого давления, и тем самым его подвод энергии, аналогичный по принципу конструкции турбонагнетателям двигателей автомобилей .
• Теплообменник давления : использование потока концентрата под давлением, в прямом контакте или через поршень, для повышения давления в части потока мембранного питающего материала до давления, близкого к давлению потока концентрата. Затем подкачивающий насос повышает это давление обычно на 3 бара / 50 фунтов на квадратный дюйм до давления подачи мембраны. Это снижает расход, необходимый от насоса высокого давления, на величину, равную расходу концентрата, обычно 60%, и, следовательно, его потребляемой энергии. Они широко используются в более крупных энергосистемах с низким энергопотреблением. Они способны потреблять 3 кВтч / м ³ или меньше.
• Насос для рекуперации энергии: поршневой насос с возвратно-поступательным движением, в котором поток концентрата под давлением подается на одну сторону каждого поршня, чтобы помочь управлять потоком, подаваемым через мембрану с противоположной стороны. Это самые простые в применении устройства рекуперации энергии, сочетающие в себе насос высокого давления и рекуперацию энергии в одном саморегулирующемся устройстве. Они широко используются в небольших энергосистемах с низким энергопотреблением. Они способны потреблять 3 кВтч / м ³ или меньше.
• Пакетный режим: системы обратного осмоса, работающие с фиксированным объемом жидкости (термодинамически закрытая система ), не страдают от потерь энергии в потоке рассола, поскольку энергия для создания давления в практически несжимаемой жидкости (воде) незначительна. Такие системы могут достичь эффективности второго закона в 60%. ^[1]

Реминерализация и регулировка pH

Опресненная вода стабилизируется для защиты последующих трубопроводов и хранилищ, обычно путем добавления извести или каустической соды.для предотвращения коррозии облицованных бетоном поверхностей. Известковый материал используется для регулирования pH от 6,8 до 8,1, чтобы соответствовать требованиям к питьевой воде, в первую очередь для эффективной дезинфекции и контроля коррозии. Реминерализация может потребоваться для замены минералов, удаленных из воды путем опреснения. Хотя этот процесс оказался дорогостоящим и не очень удобным, если он предназначен для удовлетворения потребностей людей и растений в минералах. Тот самый спрос на минералы, который ранее обеспечивали источники пресной воды. Например, вода из национального водовоза Израиля обычно содержит уровень растворенного магния от 20 до 25 мг / л, тогда как вода из завода в Ашкелоне не содержит магния. После того, как фермеры использовали эту воду, у сельскохозяйственных культур, в том числе томатов, базилика и цветов, появились симптомы дефицита магния, которые пришлось устранять путем удобрения.Текущие израильские стандарты питьевой воды устанавливают минимальный уровень кальция в 20 мг / л. При очистке от солей на заводе в Ашкелоне для растворения кальцита (известняка) используется серная кислота, в результате чего концентрация кальция составляет от 40 до 46 мг / литр. Это все еще ниже, чем от 45 до 60 мг / л в типичной израильской пресной воде.

Дезинфекция

Последующая обработка заключается в подготовке воды к распределению после фильтрации. Обратный осмос является эффективным барьером для болезнетворных микроорганизмов, но последующая обработка обеспечивает вторичную защиту от повреждения мембран и последующих проблем. Дезинфекция с помощью ультрафиолетовых (УФ) ламп (иногда называемых бактерицидными или бактерицидными) может использоваться для стерилизации патогенов, которые обходят процесс обратного осмоса. Хлорирование или хлорирование (хлор и аммиак) защищает от патогенов, которые могли проникнуть в распределительную систему ниже по потоку, например, в результате нового строительства, обратной промывки, поврежденных труб и т. Д. ^[25]

Недостатки

Бытовые установки обратного осмоса потребляют много воды, потому что у них низкое противодавление. В результате они восстанавливают от 5 до 15% воды, поступающей в систему. Остальная часть сбрасывается как сточные воды. Поскольку сточные воды уносят с собой отбракованные загрязнители, методы восстановления этой воды не подходят для бытовых систем. Сточные воды обычно подключаются к канализации дома и увеличивают нагрузку на бытовую септическую систему. Установка обратного осмоса, доставляющая 19 литров (5,0 галлонов США) очищенной воды в день, может сбрасывать от 75 до 340 литров (20-90 галлонов США) сточных вод ежедневно. ^[26] Это имеет катастрофические последствия для мегаполисов, таких как Дели.где крупномасштабное использование бытовых устройств обратного осмоса увеличило общую потребность в воде и без того обезвоженной национальной столичной территории Индии. ^[27]

Крупномасштабные промышленные / муниципальные системы обычно восстанавливают от 75% до 80% питательной воды или до 90%, потому что они могут создавать высокое давление, необходимое для фильтрации обратного осмоса с более высокой степенью извлечения. С другой стороны, по мере увеличения объема извлечения сточных вод в коммерческих операциях эффективные скорости удаления загрязняющих веществ имеют тенденцию к снижению, о чем свидетельствуют общие уровни растворенных твердых веществ в воде .

Обратный осмос по своей конструкции удаляет как вредные загрязнения, присутствующие в воде, так и некоторые полезные минералы. Современные исследования по этому вопросу были довольно поверхностными, ссылаясь на отсутствие финансирования и интереса к такому исследованию, поскольку сегодня на очистных сооружениях проводится повторная минерализация для предотвращения коррозии трубопроводов без ущерба для здоровья человека. Однако они связаны с более ранними и более тщательными исследованиями, которые, с одной стороны, демонстрируют некоторую связь между долгосрочными последствиями для здоровья и потреблением воды с низким содержанием кальция и магния, с другой стороны, признают, что ни одно из этих более ранних исследований не соответствует современным стандартам исследований. . ^[28]

Соображения относительно потока отходов

В зависимости от желаемого продукта либо растворитель, либо поток растворенных веществ обратного осмоса будут отходами. Для концентраций пищевых продуктов поток концентрированных растворенных веществ является продуктом, а поток растворителя - отходами. При очистке воды потоком растворителя является очищенная вода, а потоком растворенного вещества - концентрированные отходы. ^[29] Поток отходов растворителя от пищевой промышленности можно использовать в качестве регенерированной воды , но может быть меньше вариантов удаления концентрированного потока растворенных отходов. Суда могут использовать морские сбросы отходов, а прибрежные опреснительные установки обычно используют морские сбросы . Установкам обратного осмоса, не имеющим выхода к морю, могут потребоваться пруды-испарители или нагнетательные скважины.чтобы избежать загрязнения грунтовых вод или поверхностных стоков . ^[30]

Новые разработки

Этот раздел необходимо обновить . Обновите эту статью, чтобы отразить недавние события или новую доступную информацию. ( Март 2021 г. )

Начиная с 1970-х годов, предварительная фильтрация сильно загрязненных вод с помощью другой мембраны с более крупными порами, с меньшими потребностями в гидравлической энергии, оценивалась и иногда использовалась. Однако это означает, что вода проходит через две мембраны и часто подвергается повторному давлению, что требует большего количества энергии для ввода в систему и, таким образом, увеличивает стоимость.

Другая недавняя разработка была сосредоточена на интеграции обратного осмоса с электродиализом для улучшения извлечения ценных деионизированных продуктов или минимизации объема концентрата, требующего выгрузки или утилизации.

В производстве питьевой воды последние разработки включают наноразмерные и графеновые мембраны. ^[31]

Крупнейшая в мире установка обратного опреснения воды была построена в Сореке, Израиль, в 2013 году. Ее производительность составляет 624 000 м ³ в сутки. ^[32] Это также самая дешевая вода, в которой властям будет продаваться вода по цене 0,58 доллара США за м ³ . ^[33]

Смотрите также

использованная литература

Источники

• Меткалф; Эдди (1972). Очистка сточных вод . Нью-Йорк: Книжная компания McGraw-Hill.