При опреснении обратным осмосом возникает основная противодействующая сила – осмотическое давление, которое прямо пропорционально разности концентраций растворенных солей в обрабатываемой воде и в фильтрате. Преодоление осмотического давления требует больших затрат энергии при опреснении морской воды, так как рабочее давление здесь превышает 50 атм, а выход пресной воды ограничивается 45-50%, чтобы не допустить излишнего концентрирования солей в мембранном аппарате и, следовательно, необходимости дальнейшего повышения давления. Использование прямого осмоса, который вовсе не требует разницы давлений для осуществления процесса, представляется весьма интересным для обработки высокоминерализованных вод.
Технология обессоливания воды прямым осмосом состоит из двух этапов. На первом этапе осуществляется сам процесс прямого осмоса, при котором вода из обрабатываемого раствора (морская, сточная, оборотная вода) проникает через полупроницаемую мембрану в раствор, который имеет гораздо большее осмотическое давление (более высокую концентрацию растворенных веществ), чем обрабатываемая вода. Этот раствор называют осмотическим агентом или, если дословно переводить с английского, – раствором инерта. Чем больше разность концентраций растворенных веществ (или разность осмотических давлений), тем эффективнее идет процесс прямого осмоса.
Для этого процесса не требуется приложения какой-либо внешней движущей силы. Кроме того, при разбавлении более концентрированного раствора проникающей через мембрану водой возможно извлечь механическую энергию, на чем основан принцип работы осмотической электростанции.
Второй этап – самый сложный. Необходимо отделить от осмотического агента пресную воду и вернуть раствор осмотического агента обратно в процесс в первозданном виде (не снижая его концентрации). Для отделения воды от раствора осмотического агента используют термические, мембранные (ультрафильтрация, нанофильтрация, обратный осмос) и физические (магнитные поля) методы, а также их комбинации.
Рецептура раствора осмотического агента и технология его отделения от воды – это львиная доля успеха технологии прямого осмоса. Ведь, с одной стороны, раствор осмотического агента должен иметь очень большое осмотическое давление, а значит и высокую концентрацию растворенных веществ. С другой стороны, эти вещества должны легко отделяться от воды, и это разделение должно быть проще и энергетически выгоднее, чем разделение исходной воды каким-либо способом, иначе вся технология не имеет смысла. Более того, это разделение должно быть еще и высокоселективным – ведь в отделенной пресной воде не должно быть заметного количества осмотического агента. Вдобавок ко всему, осмотический агент должен продолжительное время сохранять свои свойства, не быть токсичным, не наносить вред мембране прямого осмоса, не проникать в обрабатываемую воду по другую сторону мембраны и иметь разумную стоимость.
Все вышеперечисленное существенно усложняет задачи по разработке эффективного осмотического агента и способа его регенерации, а также сдерживает быстрое развитие технологии прямого осмоса.
Сложности со стадией регенерации осмотического агента привели к созданию ряда технологических схем на основе прямого осмоса, где в качестве концентрированного раствора используется морская вода или концентрированные стоки, например, продувочные воды, а в качестве источника пресной воды – городские сточные воды или воды поверхностных источников. Некоторые примеры приведены ниже на рисунках.
Перспективно использовать в качестве источника пресной воды очищенные городские сточные воды, а в качестве раствора осмотического агента – морскую воду. Сточные воды концентрируются для интенсификации последующей их очистки, а разбавленная морская вода обессоливается обратным осмосом.
Технология прямого осмоса определенно сложнее, чем традиционное обратноосмотическое обессоливание, но ряд преимуществ делает ее конкурентоспособной. Предполагается, что после совершенствования мембран и процесса регенерации осмотического агента возможно будет достичь наименьших энергетических затрат на опреснение воды по сравнению с другими популярными методами – обратным осмосом и термической дистилляцией. К преимуществам прямого осмоса относится возможность концентрировать растворы с высоким солесодержанием, которые не подвластны обратному осмосу.
Сравнивая технологию прямого осмоса с обратным, можно отметить ряд положительных моментов. Отсутствие разности гидростатического давления на мембране уменьшает ее загрязнение плотными осадками взвешенных частиц, что позволяет упростить предочистку. При использовании на стадии регенерации обратного осмоса, последний будет работать на чистой воде, содержащей в основном только осмотический агент. Это позволяет значительно снизить остроту многих типичных проблем, характерных для обратного осмоса и использовать его более эффективно. И в этом же случае обратноосмотическая мембрана будет дополнительным барьером на пути тех примесей, которые проникнут через мембраны прямого осмоса, повышая степень очистки воды.
В следующих постах мы рассмотрим основные составляющие процесса: мембраны прямого осмоса и мембранные аппараты, осмотические агенты и способы их регенерации, а также проблемы, которые возникают при работе установок прямого осмоса.