Обратный осмос - Reverse osmosis

Обратный осмос (RO) - это процесс очистки воды, в котором используется частично проницаемая мембрана удалять ионы, нежелательные молекулы и более крупные частицы из питьевой воды. В обратном осмосе приложенное давление используется для преодоления осмотическое давление, а коллигативная собственность это движется химический потенциал отличия растворителя, а термодинамический параметр. Обратный осмос может удалить многие типы растворенных и взвешенных веществ. химические вещества а также биологические (в основном бактерии) из воды, и используется как в промышленных процессах, так и в производстве Питьевая вода. В результате растворенное вещество удерживается на стороне давления мембраны, и чистая растворитель разрешено переходить на другую сторону. Чтобы быть «селективной», эта мембрана не должна пропускать большие молекулы или ионы через поры (отверстия), но при этом должны допускаться меньшие компоненты раствора (например, молекулы растворителя, то есть вода, H₂О) проходить свободно.^[1]

В нормальном осмос процесса растворитель естественным образом перемещается из области с низкой концентрацией растворенного вещества (высокой водный потенциал ) через мембрану в область с высокой концентрацией растворенного вещества (низкий водный потенциал). Движущей силой движения растворителя является уменьшение Свободная энергия Гиббса системы, когда разница в концентрации растворителя по обе стороны от мембраны уменьшается, создавая осмотическое давление из-за того, что растворитель переходит в более концентрированный раствор. Таким образом, приложение внешнего давления для изменения естественного потока чистого растворителя является обратным осмосом. 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 основан на различиях в растворимости или диффузии, а процесс зависит от давления, концентрации растворенного вещества и других условий.^[2] Обратный осмос наиболее известен тем, что его используют для очистки питьевой воды от морская вода, удаляя соль и другие сточные воды материалы из молекул воды.^[3]

История

Процесс осмоса через полупроницаемые мембраны впервые наблюдал в 1748 г. Жан-Антуан Нолле. В течение следующих 200 лет осмос был лишь явлением, наблюдаемым в лаборатории. В 1950 г. Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе впервые исследованный опреснение морской воды с помощью полупроницаемых мембран. Исследователи из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и Университет Флориды успешно добывали пресную воду из морской воды в середине 1950-х годов, но поток был слишком низким, чтобы быть коммерчески жизнеспособным^[4] до открытия в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе Сидни Лоеб и Шриниваса Сурираджан^[5] на Национальный исследовательский совет Канады, Оттава, методов изготовления асимметричных мембран, характеризующихся фактически тонким «поверхностным» слоем, поддерживаемым поверх высокопористой и гораздо более толстой области подложки мембраны. Джон Кадотт, из FilmTec Corporation, обнаружили, что мембраны с особенно высоким потоком и низким проходом соли могут быть изготовлены путем межфазная полимеризация из м-фенилендиамин и тримезоилхлорид. Патент Кадотта на этот процесс^[6] был предметом судебного разбирательства и с тех пор истек. Почти все коммерческие мембраны обратного осмоса в настоящее время изготавливаются этим методом. К концу 2001 года во всем мире в эксплуатации или на стадии планирования находилось около 15 200 опреснительных установок.^[2]

Производственная линия обратного осмоса, Коралловая установка обратного осмоса Нордкап

В 1977 г. Мыс Корал, Флорида стала первым муниципалитетом в США, 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 миллиона литров (15 миллионов галлонов США) в день (MGD).^[7]

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 воды и солоноватый воды; 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 мембрана предназначена для пропускания только воды 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 psi ) для пресной и солоноватой воды и 40–82 бар (600–1200 фунтов на квадратный дюйм) для морской воды, которая составляет около 27 бар (390 фунтов на квадратный дюйм).^[8] естественное осмотическое давление, которое необходимо преодолеть. Этот процесс наиболее известен своим использованием в опреснение (удаление соли и других минералов из морская вода производить пресная вода ), но с начала 1970-х годов он также используется для очистки пресной воды в медицинских, промышленных и бытовых целях.

Применение пресной воды

Очистка питьевой воды

Во всем мире, домашнее хозяйство питьевая вода очищение системы, 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, включая ржавчину и карбонат кальция
• опционально второй фильтр-отстойник с меньшими порами
• ан Активированный уголь фильтр для улавливания органических химикатов и хлор, который будет атаковать и ухудшать определенные типы тонкопленочная композитная мембрана
• фильтр обратного осмоса, представляющий собой тонкопленочную композитную мембрану
• необязательно ультрафиолетовый 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.

Последние разработки в области - наноматериалы и мембраны.

В некоторых системах угольный фильтр предварительной очистки отсутствует, а триацетат целлюлозы мембрана используется. 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 предотвратить образование на нем бактерий. 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 воздействием 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 процессоры обратного осмоса продаются для личной очистки воды в различных местах. Для эффективной работы вода, подаваемая в эти устройства, должна быть под определенным давлением (280 кПа (40 фунтов на квадратный дюйм) или выше является нормой).^[9] Портативные водоочистители с обратным осмосом могут использоваться людьми, которые живут в сельской местности без чистой воды, вдали от городских водопроводов. 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 обратного осмоса в сочетании с одним или несколькими ультрафиолетовыми стерилизаторами.

в производство бутилированной минеральной воды, 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^[10]) не допускается 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 в себя дополнительные стадии очистки воды с использованием ультрафиолетового света или озон для предотвращения микробиологического заражения.

Размер пор мембраны может варьироваться от 0,1 до 5000 нм в зависимости от типа фильтра. Фильтрация частиц удаляет частицы 1 мкм или больше. 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.^[11]

Децентрализованное использование: обратный осмос на солнечной энергии

А опреснительная установка на солнечной энергии производит Питьевая вода из соленая вода используя фотоэлектрический система, которая преобразует солнечную энергию в энергию, необходимую для обратного осмоса. Благодаря широкому доступу солнечного света в разных географических регионах, обратный осмос на солнечной энергии хорошо подходит для очистки питьевой воды в удаленных районах, где отсутствует электросеть. Более того, Солнечная энергия преодолевает обычно высокие эксплуатационные расходы на электроэнергию, а такжевыбросы парниковых газов традиционных систем обратного осмоса, что делает его устойчивым решением для пресной воды, совместимым с развивающимися условиями. Например, опреснительная установка на солнечной энергии, предназначенная для удаленных населенных пунктов, успешно прошла испытания в Северная территория из Австралия.^[12]

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, накопитель тепловой энергии системы решают эту проблему хранения и обеспечивают постоянную производительность даже в часы без солнечного света и в пасмурные дни, повышая общую эффективность.^[13]

Военное использование: установка очистки воды обратным осмосом.

Установка очистки воды обратным осмосом (ROWPU) - портативная, автономная очистка воды растение. Разработанный для использования в военных целях, он может обеспечить питьевой вода практически из любого источника воды. Есть много моделей, используемых Вооруженные силы США и Канадские вооруженные силы. Некоторые модели контейнерный, некоторые из них являются трейлерами, а некоторые - самими транспортными средствами.^{[нужна 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 очистки воды обратным осмосом, где она обрабатывается полимер инициировать коагуляция. Затем он пропускается через мультимедийный фильтр, где проходит первичную очистку путем удаления 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 устраняет почти все 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% сырой воды. общее количество растворенных твердых веществ и по военным меркам не более 1000–1500 частей на миллион по мере электрическая проводимость. Затем он дезинфицируется хлор и сохранены для дальнейшего использования.^{[нужна цитата ]}

В рамках Корпус морской пехоты США, установка очистки воды с обратным осмосом заменена на облегченную систему очистки воды и систему тактической очистки воды.^[14] Легкие системы очистки воды можно транспортировать Humvee и фильтр 470 литров (120 галлонов США) в час. Тактические системы очистки воды могут быть перенесены на Замена средней тактической техники грузовик и может фильтровать от 4500 до 5700 литров (от 1200 до 1500 галлонов США) в час.^{[нужна 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 котловая вода в электростанции.^[15] Вода дистиллированный многократно. 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 солоноватоводные грунтовые воды. Сточные воды в больших объемах (более 500 м3).³/ день) следует сначала обрабатывать на очистных сооружениях, а затем очищенные сточные воды подвергаются обратному осмосу. Стоимость обработки значительно снижается, а срок службы мембран системы обратного осмоса увеличивается.

Процесс обратного осмоса может быть использован для производства деионизированная вода.^[16]

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, Сингапур объявил, что процесс под названием NEWater будет 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 подходящим для термочувствительных веществ, таких как белок и ферменты содержится 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, оставшаяся после производства сыра) концентрируется с помощью обратного осмоса от общего содержания твердых веществ 6% до 10–20% твердых веществ перед ультрафильтрация обработка. Затем ретентат ультрафильтрации можно использовать для приготовления различных порошков сыворотки, в том числе изолят сывороточного протеина. Кроме того, пермеат ультрафильтрации, содержащий лактоза, концентрируется с помощью обратного осмоса от общего содержания твердых веществ 5% до 18–22% общего содержания твердых веществ, что снижает затраты 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. Среди известных пользователей есть многие представители элитного класса (Kramer), такие как Château Léoville-Las Cases в Бордо.

Производство кленового сиропа

В 1946 году некоторые кленовый сироп производители начали использовать обратный осмос для удаления воды из сок до того, как сок выкипит до 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.^[17]

Производство водорода

Для малых производство водорода, иногда используется обратный осмос для предотвращения образования минеральных отложений на поверхности электроды.

Аквариумы

Много рифовый аквариум Хранители используют системы обратного осмоса для искусственного смешивания морской воды. Обычная водопроводная вода может содержать избыточный хлор, хлорамины, медь, нитраты, нитриты, фосфаты, силикаты или многие другие химические вещества, вредные для чувствительных организмов в среде рифов. Загрязняющие вещества, такие как соединения азота и фосфаты, могут привести к чрезмерному и нежелательному росту водорослей. Эффективное сочетание обратного осмоса и деионизация является наиболее популярным среди владельцев рифовых аквариумов и предпочтительнее других процессов очистки воды из-за низкой стоимости владения и минимальных эксплуатационных расходов. Где хлор и хлорамины находятся 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 (измерено с помощью электрическая проводимость ) и засорение мембран обратного осмоса. Применимость обратного осмоса ограничена проводимостью, органическими веществами и отложениями неорганических элементов, таких как CaSO4, Si, Fe и Ba. Для низкоорганического образования накипи могут использоваться две разные технологии: в одной из них используется модуль со спирально-навитой мембраной, а для высокого органического образования отложений, высокой проводимости и высокого давления (до 90 бар) можно использовать дисковые трубчатые модули с мембранами обратного осмоса. Модули дисковых труб были переработаны для очистки сточных вод на свалках, которые обычно загрязнены большим количеством органических материалов. Из-за перекрестного потока с высокой скоростью в него входит 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 труб

Модуль дисковых трубок с подушкой из мембраны обратного осмоса и модуль спиральной намотки с мембраной обратного осмоса

Опреснение

Районы, в которых отсутствуют или ограничены поверхностные или грунтовые воды, могут опреснять. Обратный осмос становится все более распространенным методом опреснения из-за относительно низкого энергопотребления.^[18]

В последние годы потребление энергии упало примерно до 3 кВтч / м3.³, с развитием более эффективных восстановление энергии устройства и улучшенные мембранные материалы. 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.^[19] Другие заводы в основном используют методы термической дистилляции: многоступенчатая дистилляция и многоступенчатая вспышка.

Опреснение морской воды обратным осмосом (SWRO), мембранный процесс, коммерчески используется с начала 1970-х годов. Его первое практическое использование было продемонстрировано Сидни Лоеб из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе в Коалинга, Калифорния и Сриниваса Сурираджан из Национального исследовательского совета Канады. Поскольку не требуется нагрева или изменения фаз, потребности в энергии низкие, около 3 кВтч / м³, по сравнению с другими процессами опреснения, но все же намного выше, чем те, которые требуются для других форм водоснабжения, включая очистку сточных вод методом обратного осмоса, на уровне от 0,1 до 1 кВтч / м³. 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 обратный осмос для морской воды, но требует более низкого давления и, следовательно, меньшего количества энергии.^[1] В зависимости от солености корма до 80% поступающей питательной воды может быть восстановлено в виде пресной воды.

В Ашкелон Завод по опреснению морской воды методом обратного осмоса в Израиле является крупнейшим в мире.^[20][21] Проект разрабатывался как сборка-работа-передача консорциумом из трех международных компаний: Veolia воды, IDE Технологии, и Эльран.^[22]

Типичная однопроходная система обратного осмоса морской воды состоит из:

• Прием
• Предварительная обработка
• Насос высокого давления (если не совмещен с рекуперацией энергии)
• Сборка мембраны
• 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 обратного импульса 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 производительности). 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: как правило, полипропиленовые фильтры с проволочной обмоткой используются для удаления 1–5 частиц.мкм диаметр.
• Дозирование: для уничтожения бактерий добавляются окисляющие биоциды, такие как хлор, с последующим дозированием бисульфита для дезактивации хлора, который может разрушить тонкопленочную композитную мембрану. Это также биообрастание ингибиторы, которые не убивают бактерии, а просто предотвращают их размножение слизи на поверхности мембраны и стенках растений.
• Регулировка pH предварительной фильтрации: если pH, жесткость и щелочность в питательной воде приводят к тенденции к образованию накипи, когда они концентрируются в потоке отбракованных отходов, дозируется кислота для сохранения карбонатов в их растворимой форме угольной кислоты.

CO₃²⁻ + H₃О⁺ = HCO₃⁻ + H₂О

HCO₃⁻ + H₃О⁺ = H₂CO₃ + H₂О

• Угольная кислота не может соединяться с кальцием с образованием карбонат кальция шкала. Склонность карбоната кальция к образованию отложений оценивается с помощью индекса насыщения Ланжелье. Добавление слишком большого количества серной кислоты для контроля отложений карбоната может привести к образованию отложений сульфата кальция, сульфата бария или стронция на мембране обратного осмоса.
• Антискаланты для предварительной фильтрации: ингибиторы образования накипи (также известные как антискаланты) предотвращают образование всех отложений по сравнению с кислотой, которая может только предотвратить образование карбоната кальция и фосфат кальция напольные весы. Помимо ингибирования образования карбонатных и фосфатных отложений, антискаланты ингибируют образование отложений сульфатов и фторидов и диспергируют коллоиды и оксиды металлов.Несмотря на утверждения о том, что антискаланты могут ингибировать образование кремнезема, нет конкретных доказательств того, что полимеризация кремнезема 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.^[23]
• В некоторых небольших опреснительных установках используются «пляжные колодцы»; их обычно бурят на берегу моря в непосредственной близости от океана. Эти водозаборные сооружения относительно просты в постройке, и собираемая ими морская вода предварительно обрабатывается посредством 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

Высокое давление насос обеспечивает давление, необходимое для проталкивания воды через мембрану, даже если мембрана препятствует прохождению через нее соли. Типичные давления для солоноватая вода диапазон от 1,6 до 2,6 МПа (от 225 до 376 фунтов на кв. 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.

Сборка мембраны

Слои мембраны

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, причем две наиболее распространенные конфигурации - спиральная намотка и полые волокна.

Только часть физиологической 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 отношению к потоку 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 выражается 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 минеральная вода как вода, содержащая не менее 250 частей на миллион.

Восстановление энергии

Схема системы опреснения обратным осмосом с использованием обменник давления.
1: Приток морской воды,
2: Расход пресной воды (40%),
3: Поток концентрата (60%),
4: Расход морской воды (60%),
5: Концентрат (слить),
A: Расход насоса (40%),
B: Циркуляционный насос,
C: Осмосная установка с мембраной,
D: Обменник давления

Схема системы опреснения обратным осмосом с использованием насоса рекуперации энергии.
1: Приток морской воды (100%, 1 бар),
2: Расход морской воды (100%, 50 бар),
3: Расход концентрата (60%, 48 бар),
4: Расход пресной воды (40%, 1 бар),
5: Концентрат для слива (60%, 1 бар),
A: Насос восстановления давления,
B: Осмосная установка с мембраной

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 же 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 центробежный насос который увеличивает выходное давление насоса высокого давления, уменьшая давление, необходимое для насоса высокого давления, и тем самым его подвод энергии, аналогично принципу конструкции двигателя автомобиля турбокомпрессоры.
• Обменник давления: использование потока концентрата под давлением, в прямом контакте или через поршень, для повышения давления в части питающего потока мембраны 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 низкоэнергетических системах. Они способны производить 3 кВтч / м³ или меньшее потребление энергии.
• Насос для рекуперации энергии: поршневой насос с возвратно-поступательным движением, в котором поток концентрата под давлением подается на одну сторону каждого поршня, чтобы помочь направить поток, подаваемый 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 производить 3 кВтч / м³ или меньшее потребление энергии.
• Пакетный режим: системы обратного осмоса работают с фиксированным объемом жидкости (термодинамически закрытая система ) не страдают от потерь энергии в потоке рассола, так как энергия, необходимая для создания давления в практически несжимаемой жидкости (воде), незначительна. Такие системы имеют потенциал для достижения эффективности второго закона в 60%.^[1]

Реминерализация и регулировка pH

Опресненная вода стабилизируется для защиты трубопроводов ниже по потоку и хранилищ, обычно добавлением извести или каустическая сода для предотвращения коррозии облицованных бетоном поверхностей. Известковый материал используется для регулирования pH от 6,8 до 8,1, чтобы соответствовать требованиям к питьевой воде, прежде всего 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 / литр, тогда как вода из завода в Ашкелоне не содержит магния. После того, как фермеры стали использовать эту воду, у сельскохозяйственных культур, включая помидоры, базилик и цветы, появились симптомы дефицита магния, которые необходимо было устранить с помощью удобрений. Текущие израильские стандарты питьевой воды устанавливают минимальный уровень кальция 20 мг / литр. В процессе постобессоливания 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 ультрафиолетовый (УФ) лампы (иногда называемые бактерицидными или бактерицидными) могут использоваться для стерилизации патогенов, которые обходят процесс обратного осмоса. Хлорирование или же 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.^[24]

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 попадают в канализацию 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.^[25] Это имеет катастрофические последствия для мегаполисов, таких как Дели где масштабное использование бытовых Р.О. устройств увеличили общую потребность в воде и без того обезвоженной национальной столичной территории Индии.^[26]

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 восстановления. С другой стороны, по мере увеличения объема регенерации сточных вод при коммерческих операциях эффективные скорости удаления загрязняющих веществ имеют тенденцию к снижению, о чем свидетельствует полученная вода. общее количество растворенных твердых веществ уровни.

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. ^[27]

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.^[28] Поток отходов растворителя от пищевой промышленности можно использовать в качестве очищенная вода, но вариантов утилизации концентрированного потока растворенных отходов может быть меньше. Суда могут использовать морской сброс и прибрежные опреснительные установки обычно используют морские устья. Установкам обратного осмоса, не имеющим выхода к морю, может потребоваться пруды-испарители или же нагнетательные скважины чтобы избежать загрязнения грунтовые воды или же поверхностный сток.^[29]

Новые разработки

Начиная с 1970-х годов, предварительная фильтрация сильно загрязненных вод с помощью другой мембраны с более крупными порами, с меньшими требованиями к 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 электродиализ для улучшения извлечения ценных деионизированных продуктов или для сведения к минимуму объема концентрата, требующего выгрузки или утилизации.

Последние разработки в области производства питьевой воды включают: наноразмер и графен мембраны.^[30]

Самая большая в мире установка обратного опреснения воды была построена в Сореке, Израиль, в 2013 году. Ее производительность составляет 624 000 м3.³ день.^[31] Он также является самым дешевым и будет продавать воду властям по цене 0,58 доллара США за метр.³.^[32]

Смотрите также

Рекомендации

Источники

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