К числу достоинств обратного осмоса можно отнести его универсальность по отношению к удалению большинства примесей природных и сточных вод, широкий спектр областей применения, высокое качество воды на выходе, относительную простоту технологии, легкость транспортировки и монтажа мембранных установок, быструю готовность к запуску и производству очищенной воды. Очевидно, что у обратноосмотической технологии есть и недостатки, причем весьма существенные, иначе бы сегодня везде, во всех схемах водоподготовки и доочистки сточных вод, были бы только мембраны, мембраны, мембраны…
Впрочем, для некоторых применений обратный осмос оказывается наилучшим решением и практически не имеет альтернативы. Например, для глубокой доочистки городских сточных вод, или для обессоливания морской воды в условиях отсутствия дешевых источников тепловой энергии, или для комплексного удаления ряда загрязнений из подземных вод в питьевом водоснабжении.
Главную проблему процесса обратного осмоса и источник всех бед эксплуатации мембранных установок можно описать двумя словами: «концентрационная поляризация».
При обратном осмосе большая часть растворенных веществ (ионов солей) задерживается мембраной и далее с частью потока исходной воды уносятся из мембранного аппарата, а молекулы воды вместе с небольшим количеством растворенных веществ проникают через мембрану. Поток воды, проходящий через мембрану, приносит растворенные соли к ее поверхности, где их концентрация постепенно возрастает. Повышение концентрации ионов солей у поверхности мембраны вызывает их диффузию обратно в объем раствора, за счет чего их концентрация не растет до запредельных величин. В системе устанавливается равновесие, и вблизи поверхности мембраны образуется пограничный слой, в котором значение концентрации соли увеличивается по мере приближения к мембране.
Этот эффект называется концентрационной поляризацией и является одной из основных причин, вызывающей выпадение (кристаллизацию) малорастворимых солей на поверхности мембраны. Если концентрация соли превысит предел ее растворимости, то она начнет выпадать в осадок в объеме раствора и на ближайших поверхностях. Такими солями, имеющими невысокий предел растворимости, являются, в первую очередь, карбонат кальция, затем сульфат кальция, также, в зависимости от состава обрабатываемой воды, в осадок могут выпасть карбонат магния, сульфат бария и некоторые другие соли.
В дополнение к эффекту концентрационной поляризации концентрация солей растет по мере прохождения воды по мембранному аппарату (аппаратам). Рост концентрации определяется соотношением расходов фильтрата и концентрата: чем больше доля фильтрата, тем меньший объем воды направляется на сброс в концентрат и тем больше концентрация солей в нем. Обычно соли в обратноосмотической установке концентрируются в 4-5 раз, но в целях уменьшения объема сбрасываемой воды в современных системах кратность концентрирования может достигать 10-20 и более. Если на входе в мембранную установку концентрационная поляризация не так уж страшна, то по мере роста концентрации солей в исходном потоке она становится по настоящему большой проблемой.
Как же противодействовать явлению концентрационной поляризации? Поскольку коэффициент диффузии соли обратно в основной объем раствора невозможно увеличить, а поток фильтрата через мембрану уменьшать нецелесообразно, то остается только механическим способом разрушать приграничный слой за счет увеличения скорости течения раствора вдоль мембраны, турбулизации потока обрабатываемой воды или за счет быстрого перемещения самой мембраны.
Первое (увеличение скорости потока) можно осуществить нескольким путями:
– за счет изменения формы и размеров модуля, например, изменяя длину модуля и уменьшая его сечение. Здесь пространство для маневра весьма ограничено;
– уменьшая сечение самого напорного канала над мембраной, где движется вода. В рулонных мембранных элементах высота канала составляет менее миллиметра (в среднем 0,5-1,0 мм). Проблема состоит в том, что чем меньше высота канала, тем более чувствителен мембранный элемент к загрязнению любыми видами нерастворенных примесей;
– за счет рециркуляции потока обрабатываемой воды с помощью дополнительных насосов – применяется на практике, но увеличивает расход электроэнергии;
– за счет правильной организации потоков воды в наборе мембранных аппаратов. Такой подход является стандартным при конструировании мембранных установок, состоящих из нескольких мембранных аппаратов, и называется соединение «елочкой». Мембранные элементы соединяются последовательно по исходной воде, которая проходит друг за другом 3-5 ступенеймембранных аппаратов, в каждом из которых может быть от 1 до 7 мембранных элементов. Количество мембранных аппаратов на каждой ступени разное – сначала их много, потом их количество уменьшается. За счет этого транзитный расход воды через каждый мембранный аппарат примерно одинаковый и довольно высокий. Минусом этого решения является большие гидравлические потери по длине всей этой сборки. Впрочем, если мы хотим поддерживать высокую скорость потока воды над мембраной, нам придется мириться со значительными гидравлическими потерями.
Второй способ по сути имеет то же действие – это «разрушение» пограничного слоя с помощью создания турбулентного потока вблизи поверхности мембраны. Но достигается это не увеличением скорости потока, а использованием «турбулизаторов» – сетчатых вставок в напорный канал. Собственно, все сетки, которые давно используются в рулонных мембранных элементах, и есть турбулизаторные. В этом направлении продолжаются разработки, и фирмы-производители вносят небольшие усовершенствования в их конструкции, но кардинально проблему это не решает.
Более того, как показывают некоторые исследования, сама турбулизаторная сетка служит источником локального усиления концентрационной поляризации: в местах прилегания узлов сетки к поверхности мембраны возникают застойные зоны, где проток жидкости ограничен. В этих зонах перенасыщение раствора достигается быстрее, и они являются источником мелких кристаллов солей, которые затем выносятся и распространяются по всему мембранному элементу, стимулируя образование слоя кристаллического осадка.
Наконец, для разрушения приграничного слоя можно с высокой скоростью перемещать саму мембрану. Перемещение мембраны относительно обрабатываемого раствора может осуществляться следующими техническими способами:
– вращением мембран, выполненных в виде дисков, в мембранных аппаратах особой конструкции;
– интенсивной вибрацией «обычного» рулонного аппарата на вибростенде;
– ультразвуковым воздействием, направленным внутрь мембранного аппарата.
Последний способ представляется малоэффективным, а вотпервые два используются на практике, но в ограниченных масштабах – обычно для тех применений обратного осмоса или ультрафильтрации, когда приходится обрабатывать очень «тяжелую» воду и других доступных решений по снижению загрязнения мембран не найти. Недостатком этих способов является значительное усложнение конструкции мембранной установки, а, следовательно, существенное повышение ее стоимости. Кроме того, такие решения не подходят для создания установок большой производительности (крупные предприятия и ТЭС, централизованное питьевое водоснабжение).
Есть еще один способ уменьшить концентрационную поляризацию – это позволить солям частично проходить через мембрану, так мы уменьшим их накопление у ее поверхности. Странный способ? Мы же теряем основное преимущество обратного осмоса – высокую задерживающую способность! Тем не менее, в тех случаях, когда нам не нужна высокая селективность и мы не ставим задачу полного обессоливания воды, можно использовать нанофильтрационные мембраны. И вот для них как раз работает этот способ и скорость образования отложений кристаллических осадков в них будет гораздо ниже, чем при обратном осмосе.