Что такое прямой осмос
В основе самых эффективных технологий водоочистки и промышленной водоподготовки лежат мембранные процессы. Разделение смесей при помощи полупроницаемых перегородок позволяет удалять растворенные вещества с различными физико-химическими свойствами и получать пермеаты с заданными свойствами. Один из таких процессов - прямой осмос. Он протекает под действием природных сил и, в отличие от других мембранных процессов, не требует приложения рабочего давления или изменения температуры.
Где применяют фильтры прямого осмоса
Прямой осмос для очистки воды (и другие мембранные процессы) применяется в различных промышленных и бытовых областях:
Водоподготовка. При помощи мембранных технологий получают пресную воду для сельскохозяйственных нужд (орошения). Их применяют в оборотных циклах промышленных предприятий, в системах очистки бытовых сточных вод. Явление прямого осмоса используют в бытовых фильтрах и системах централизованного водоснабжения.
- Химия и нефтехимия. Прямой осмос позволяет получать гелий и водород из смесей газов, а также кислород в воздухоразделительных установках. Он используется для концентрирования растворов. Путем удаления одного из компонентов через мембрану удается сместить равновесие химических реакций. Процесс прямого осмоса используется для разделения углеводородных смесей на высокомолекулярные и низкомолекулярные составляющие.
- Медицина и микробиология. Мембраны используются для выделения из растворов биологически активных веществ, очистки крови, производства вакцин, ферментов и гормональных препаратов.
- Стоит отметить, что комбинирование прямого и обратного осмоса с адсорбцией и другими массообменными процессами значительно повышает эффективность установок разделения смесей и растворов.
Как работает прямой осмос
Представим себе емкость, которая разделена перегородкой, проницаемой для воды, но задерживающей другие вещества. Если одну ее часть заполнить раствором соли, а другую - чистой водой, начнется перенос молекул воды в сторону раствора. Это и есть прямой осмос.
Один из наиболее ярких примеров селективной мембраны - оболочка животной или растительной клетки. Она свободно пропускает воду и задерживает соли. Процесс прямого осмоса можно наблюдать ежедневно на кухне: любой овощ, посыпанный поваренной солью, начинает выделять сок. Концентрированный раствор оказывается снаружи клетки и "вытягивает" из нее воду.
Искусственная мембрана для прямого и обратного осмоса представляет собой композиционную пленку со сложной структурой. В нее входят как минимум два компонента:
- Селективный слой. "Рабочий элемент" большинства современных мембран - полиамид. В отличие от большинства полимеров, отличающихся высокой гидрофобностью, ПА хорошо смачивается водой с образованием гидрата. Это свойство обусловлено наличием амидных групп, имеющих водородные связи между собой. Селективность полиамидных мембран составляет 92 - 99%. Вопреки распространенному заблуждению о том, что мембрана представляет собой сито с мелкими ячейками, полиамидное полотно имеет сплошную структуру и пропускает молекулы воды, входящие в состав гидрата. Этот процесс скорее похож на электрический ток в проводнике, чем на просеивание через сито.
- Основа. Для обеспечения прочностных свойств полиамидное полотно наносится на инертную подложку. Это нужно, чтобы мембрана прямого и обратного осмоса не разрушилась под действием осмотического давления.
Что такое осмотическое давление
Явление прямого осмоса сопровождается переносом массы. Соответственно, в части емкости с более концентрированным раствором столб воды увеличится. Процесс будет протекать до тех пор, пока гидростатическое давление не достигнет некоторого порогового значения, при котором наступит равновесие в системе. Это и есть осмотическое давление. Оно не зависит от природы растворенных веществ, а только от их концентрации и температуры в системе.
Чем прямой осмос отличается от обратного осмоса
Если со стороны с более концентрированным раствором приложить рабочее давление, которое будет превышать осмотическое, то перенос молекул воды пойдет в противоположную сторону - в отделение с чистым раствором. Этот процесс называется обратным осмосом. С ростом концентрации раствора рабочее давление также должно повышаться.
Других принципиальных отличий в процессах прямого и обратного осмоса нет: мембрана должна иметь одни и те же свойства. В зависимости от конкретной марки полимера, используемой для производства полупроницаемой пленки, подбирают оптимальную температуру, при которой будет достигнуто оптимальное сочетание селективности и производительности фильтрующей установки обратного ли прямого осмоса.
Обратноосмотические фильтры считаются наиболее эффективными средствами водоочистки. При помощи их удаляется большинство растворенных солей, вирусы, органика и другие виды загрязнителей. Фильтрация в установках обратного осмоса не требует применения реагентов, регенерации мембран, дает высокий выход пермеата. Более подробно о системах обратного осмоса
