1.2. Технологическая характеристика опреснения обратным осмосом

Развитие мембранной технологии выдвинуло в число промышленно используемых типов опреснительных установок, установки обратного осмоса. В количественном отношении они опережают термические и догоняют их по производительности. Общее число их в мире достигло 4890 единиц, а производительность составила 2285 тыс. м³/сут. Среди стран, имеющих наибольшее количество таких агрегатов в США сооружено 31,1% от общего числа, в Саудовской Аравии-18,8 %, Японии- 10,5%. При этом необходимо отметить, что большая их часть (до 65%) перерабатывает сбросные и речные воды.

Большой интерес к технологии опреснения обратным осмосом объясняется тем, что по своим энергозатратам этот способ несколько выигрывает по сравнению с дистилляцией, в предположении получить воду более низкой стоимости. Анализ показывает, что производство воды по такому принципу в последние годы снижается. Так если в 1989г. на этой основе получено 506 тыс. м³/сут воды, то в 1992г. лишь 426 тыс. м³/сут.

Опреснение воды обратным осмосом зависит от исходной концентрации солей, осмотического давления воды и получаемого продукта, давления на мембрану, рекуперации энергии, остаточной энергии сбрасываемой воды.

Процесс обратного осмоса перспективен и при решении ряда технических проблем он может стать конкурентоспособным с термической дистилляцией.

Физическая сущность опреснения обратным осмосом основана на диффузии веществ через полупроницаемую перегородку, разделяющую раствор и чистый растворитель. Такая мембрана пропускает воду и задерживает растворенные в ней соли. Если мембраной разделены растворы различной концентрации, то происходит фильтрация воды через мембрану из менее концентрированного в более концентрированный раствор. Движение воды в обратном направлении к более концентрированному раствору, обеспечивается созданием соответствующего давления. Если в объеме, разделенном мембраной, с одной стороны находится пресная пода, а с другой - морская, то пресная вода начнет через нее проникать до тех пор, пока давление молекул пресной воды с обеих сторон не уравновесится. Полученная разница уровней при равновесии характеризует собой осмотическое давление, которое зависит от разности концентрации солей в опресненной и морской воде по обе стороны мембраны.

Для того чтобы опреснить воду, необходимо создать давление на морскую воду, превышающее осмотическое, и вызвать тем самым обратное фильтрование пресной поды. Такой процесс, как отмечалось ранее, называют обратно-осмотическим. Он протекает без фазовых превращений, что позволяет снизить затраты энергии на разделение до минимальной термодинамической энергии.

На увеличение энергозатрат при опреснении обратным осмосом влияет концентрационная поляризация, так как проход молекулы воды через мембраны вызывает повышение концентрации солей у их поверхности, что приводит к снижению скорости фильтрации и степени опреснения из-за уменьшения гидротации ионов вследствие падения эффективного давления, вызываемого возрастанием осмотического. Происходящая при этом закупорка пор в мембране солями ухудшает работу установки и требует дополнительных расходов энергии для снижения концентрационной поляризации за счет увеличения скорости течения исходной воды и турбулизации потока. Концентрационная поляризация связана с увеличением химического потенциала на поверхности мембраны, что уменьшает движущую силу при фильтровании. При достижении состояния насыщения, выпадение осадка увеличивает гидростатическое давление. Неравномерное распределение осадка по поверхности меняет сепарационную характеристику мембраны.

Общий расход энергии на ведение процесса обратного осмоса зависит от гидравлических потерь в модулях, мощности, потребляемой насосной установкой, прокачивающей воду, от затрат энергии на ее подвод и предварительную подготовку

В сравнении с термической дистилляцией затраты энергии на обратный осмос 195-200 МДж/м³,в то время как у первой - 130-200 МДж/м³.

Наиболее эффективны такие установки при опреснении солоноватых (2-5г/л) вод и сбрасываемых вод с целью экологической защиты акваторий, на которые они сбрасываются.

Это подтверждается тем,что из всех находящихся в эксплуатации - меньшая часть опресняет морскую воду.

Эффективность процесса обратного осмоса определяется взаимодействием мембраны с исходной водой, которое зависит от удельной проницаемости, селективности, коэффициента извлечения, площади мембраны, концентрационной поляризации, перепада давлений и температуры.

По рекомендациям В.П.Дубляга классификацию мембран можно производить по следующим критериям.

1. Метод получения мембран: на основе расплавов полимеров сухого, мокрого, и сухомокрого формирования; полиэлектролитных комплексов;выщелачивания продуктов полимера; порообразования с помощью ядерных частиц осаждения продуктов плазменной поляризации на пористой подложке.

2. Функциональное назначение, определяемое рабочей средой.

3. Структурное назначение и материал: монолитные и пористые мембраны.

Если в поверхностном слое плотность полимера выше плотности в основной массе, то такие мембраны называют асимметричными.

К числу важнейших свойств относят разделяющую способность, удельную производительность, стабильность их во времени, стойкость к кислотам и щелочам.

Разделяющую способность оценивают по коэффициенту селективности или разделения. Важным является коэффициент проницаемости, представляющий собой количество вещества, проходящего через поверхность в единицу времени при единичном перепаде давления.

Стабильность свойств мембраны является важнейшим, так как обеспечивает их надежность при эксплуатации. Стойкость к кислотам и щелочам особенно необходима при опреснении, потому что влечет за собой последующий выход установки из рабочего состояния, что проявилось при использовании ацетатцеллюлозных мембран, мало отвечающих этому требованию. Более надежны мембраны из ароматических полиамидов иполисульфатов.

Изменение структуры полимерных мембран, снижение их селективности и производительности происходит из-за резких колебаний давлений, температур и концентраций и нарушения состояния пор компонентамиопресняемой среды, что в конечномитоге выводит комплектующие их модули из эксплуатации.

Работоспособность полупроницаемых мембран зависит от осадкообразования, вызываемого выпадением солей на поверхностном слое, которое забивает поры, нарушает гидродинамику перемещения потока и массообмен в пограничном слое. Этот процесс приводит к увеличению концентрационной поляризации, возникающей за счет образования у поверхности мембраны растворенных веществ с концентрацией большей чем восновном объеме, а также к уменьшению производительности и удержания солей при опреснении. Это явление отрицательно сказывается на процессе разделения, так как снижает эффективное давление из-за возрастания осмотического, что определяет скорость фильтрования растворителя и селективность мембраны.

Концентрационная поляризация - одна из основных причин эксплуатационных ограничений процесса обратного осмоса из-за негативных явлений, влияющих на внутримембранный процесс. В связи с этим требуется весьма тщательная предварительная обработка морской воды.

Эффективность опреснения определяется общим загрязнением как осадкообразованием так и выпадением дисперсных частиц и коррозией.

Характеристики полупроницаемых мембран зависят от значений рН, так как это вызывает изменение их ионообменной способности. Она влияет на размерколлоидных частиц, из которых получена мембрана, растворяет и коагулирует их. От рН и содержания солей жесткости зависит скорость образования сульфатных и карбонатных отложений.

Для сульфатных отложений их структура рыхлая, а для карбонатных, плотная, покрывающая поверхность мембраны. Жесткость проявляется визменении селективности водопроницаемости мембран, что вызвано изменением размера пор полупроницаемого слоя.

Выполненный анализ позволяет сделать вывод, что установки обратного осмоса требуют обеспечения высокой степени чистоты опресняемой воды и ее предварительной водоподготовки. Высокая начальная концентрация солей в морской воде до настоящего времени является одной из причин меньшего количества установок такого типа, работающих на морской воде. Большая их часть работает как водоподготовительная или водоочистительная.