Что такое селективность мембраны обратного осмоса

Обратный осмос считается самым перспективным методом промышленной водоподготовки и получения чистой питьевой воды. Фильтр с полупроницаемой мембраной задерживает до 99,9 % ионов растворенных минеральных солей, органические соединения, бактерии, вирусы.  Для протекания обратноосмотического процесса к раствору (загрязненной воде) прикладывается давление 8 - 50 атмосфер. Базовые преимущества метода состоят в том, что происходит разделение на чистый растворитель (пермеат) и концентрат, а также регенерация фильтра не требуют применения реагентов.

Как работает мембрана обратного осмоса

Обратный осмос часто сравнивают с фильтрацией через мелкое сито. На самом деле мембрана не имеет перфорации, а процесс разделения раствора основан на совершенно других физических процессах.

Обратноосмотическая мембрана представляет собой тонкую пленку из полимерного материала, способного присоединять молекулы воды. Этот процесс называется гидратацией. В то же время, ионы солей не вступают в реакцию с полимером и остаются в растворе. Под действием приложенного к раствору давления происходит диффузия молекул, входящих в состав гидрата. Через фильтр проникает только вода, а примеси остаются "по ту сторону" мембраны.

Разделение на чистый растворитель (воду) и концентрат сопровождается ростом осмотического давления. Процесс фильтрации будет протекать до тех пор, пока система не придет в равновесное состояние. При достижении определенной концентрации раствора внешнее (приложенное) и осмотическое давление сравняются, и диффузия прекратится. Чтобы этого не произошло, концентрированный раствор периодически сбрасывается в дренаж.

Что такое селективность мембраны обратного осмоса

Селективность обратного осмоса, или задерживающая способность мембраны, является важнейшим показателем работы фильтрующего элемента. Она представляет собой коэффициент задерживания примесей и выражается в процентах. Расчет селективности мембран происходит в несколько этапов. Математическое выражение селективности выглядит как отношение концентрации примесей в растворе к концентрации примесей в фильтрате. Формула селективности мембран представлена ниже:

,

где С0 и Сф - концентрация растворенного вещества в исходной и очищенной воде соответственно.

Задерживающая способность мембраны - величина непостоянная. Определение селективности мембраны зависит от нескольких факторов, в числе которых:

• концентрация раствора;
• материал мембранного полотна;
• природа растворенных веществ;
• рабочее давление;
• гидродинамические условия работы.

Для оценки эффективности промышленных фильтров обратного осмоса применяют и другие, более стабильные характеристики: коэффициент фильтрования и коэффициент отражения.

Однако для бытового потребителя важнее понимать, насколько чистую и пригодную для питья воду он получит в итоге. Поэтому проницаемость и селективность мембран остаются основными параметрами, определяющими функциональность фильтра.

Классификация мембраны по селективности

Мембраны обратного осмоса разрабатывались для опреснения воды, поэтому их селективность оценивают по раствору поваренной соли. Задерживающая способность по другим веществам может значительно отличаться.

В зависимости от солесодержания в исходной воде и требований к составу очищенной используются фильтры с разным рабочим давлением и селективностью:

1. Ультра-низконапорные мембраны. Их используют для очистки воды с солесодержанием до 2000 мг/л. Селективность элементов достигает 98% по хлориду натрия.
2. Высоконапорные мембраны. Подходят для очистки воды с количеством примесей до 50000 мг/л и удаляют до 99,8 % NaCl.

Для сравнения: селективность по мочевине у низконапорных мембран составляет 60 %, а у высоконапорных - 85%.

В бытовых системах часто используют нанофильтрационные фильтрующие элементы с селективностью от 60 % по хлориду натрия и 98 % по сульфату магния. Проницаемость селективного слоя у таких мембран значительно ниже, чем у обратноосмотических. Нанофильтрация хорошо задерживает двухвалентные ионы (читай: солей жесткости) и пропускает одновалентные, на 99 % снижает цветность и удаляет до 92 % общего органического углерода.

Почему одни вещества удаляются лучше других

Обратноосмотический фильтр не удаляет 100 % примесей. Часть из них проникает в пермеат (очищенную воду). Крупные органические молекулы задерживаются почти полностью, но некоторые ионы все же могут преодолевать барьер. Ряд веществ имеет сходные с водой химические характеристики, то есть образует с материалом мембраны соединения, подобные гидратам. Пример - борная кислота (H3BO3) и ее соли (бораты).

Некоторые летучие соединения отличаются высокой диффузионной способностью: хлороформ и формалин проходят в пермеат, и для их удаления обычно используются сорбционные предфильтры.

Не стоит недооценивать и нарушения сплошности полотна: даже самый стабильный процесс изготовления пленки не гарантирует полного отсутствия точечных дефектов в структуре полимера.

В итоге, что такое селективность обратноосмотических мембран

Селективность бытовых фильтров обратного осмоса обеспечивает качество воды на уровне бутилированной, а по некоторым показателям и превосходит ее. Мембранные элементы задерживают большинство вредных примесей природного и техногенного происхождения. В комплексной водоподготовке обратноосмотический фильтр заменяет несколько ступеней реагентной и сорбционной фильтрации, значительно упрощает проектирование, монтаж и обслуживание систем.