Сердцем любого мембранного процесса является мембрана. В индустрии обратного осмоса проделана большая работа на пути совершенствования технологии изготовления мембран, направленная на снижение их стоимости, увеличение проницаемости, повышение устойчивости к загрязнениям и придание им нужных свойств. Однако просто взять и использовать обратноосмотическую мембрану для прямого осмоса будет не самой лучшей идеей: она, конечно, будет работать, но для эффективного осуществления процесса нужны специальные мембраны.
Разговор о мембранах следует начать с более пристального изучения того, что происходит при осуществлении процесса прямого осмоса на самой мембране и внутри нее. Как мы уже знаем, движущей силой процесса служит градиент (разность) концентраций между исходной водой и раствором осмотического агента. Чистая вода стремится разбавить концентрированный раствор осмотического агента и проникает через мембрану, увлекая за собой компоненты, которые в ней растворены или взвешены. Мембрана должна хорошо пропускать молекулы воды и задерживать все остальное.
С другой стороны, разница в концентрации солей или иных компонентов также заставляет их двигаться в направлении, где их содержится меньше. Особенно это касается осмотического агента, который стремится проникнуть через мембрану и попасть в исходную воду. Соли, которые есть в исходной воде, и отсутствуют в растворе осмотического агента, в свою очередь стремятся двигаться через мембрану в его сторону.
Оба этих потока крайне нежелательны: проникновение осмотического агента в обрабатываемую воды не только снижает фактическую разность осмотических давлений, а, следовательно, и поток через мембрану, но и приводит к потере осмотического агента и усложняет утилизацию концентрата из-за загрязнения агентом. Проникновение солей в осмотический агент отрицательно влияет на процесс его регенерации и ухудшает качество получаемой опресненной воды. Мембрана с высокоселективным тонким слоем (аналогичная типичной обратноосмотической мембране) должна бы быть надежным барьером на пути всех описанных выше компонентов, но поскольку высокие концентрации тех или иных примесей содержатся в растворах по обе стороны от мембраны, то здесь все оказывается не все так «просто», как в обратном осмосе.
Чтобы понять, что происходит на мембране, надо рассмотреть профили концентраций растворенных веществ, которые формируются при прямом осмосе. Как известно, современные мембраны состоят минимум из двух слоев: толстого поддерживающего с крупными порами и тонкого селективного с мелкими порами. Мембрану можно расположить двумя способами: селективным слоем к исходной воде (с концентрацией солей Сисх) или селективным слоем к раствору осмотического агента (с концентрацией Саг).
И та и другая ориентация имеет свои профили концентраций растворенных веществ и, следовательно, свои плюсы и минусы. В цикле, посвященном обратному осмосу, мы посвятили целую статью концентрационной поляризации – главной беде этого метода обессоливания. В прямом осмосе концентрационных поляризаций (КП) уже две – внутренняя и наружная. Отсюда напрашивается вывод – проблем становится в два раза больше!
Наружная концентрационная поляризация, как и в обратном осмосе, наблюдается с внешней стороны мембраны, причем и их тоже две:
- со стороны осмотического агента КП вызвана тем, что поток воды, проникающий через мембрану, разбавляет осмотический агент у ее поверхности;
- со стороны исходной воды, также, как и в обратном осмосе, КП вызвана тем, что задержанные соли не успевают вернуться в объем воды.
В прямом осмосе основную проблему вызывает внутренняя концентрационная поляризация, которая наблюдается в поддерживающем слое. Как видно на рисунке, она значительнее выражена, и что гораздо хуже – на нее не влияет стандартный прием борьбы с внешней концентрационной поляризацией – активное перемешивание жидкости в примембранном слое. Возникает она из-за того, что крупнопористый слой почти не задерживает растворенные вещества, и они довольно легко проникают через него вместе с потоком воды к обратной стороне тонкого селективного слоя. Вместе с тем, обратная диффузия этих веществ в объем раствора, движущей силой которой является разность концентраций, уже затруднена за счет долгого и извилистого пути, образуемого пористым материалом мембраны.
Как видно из рисунка, фактический перепад концентраций на селективном слое (ΔСм) существенно меньше их разности в исходных растворах (ΔС). А именно разность концентраций на плотном селективном слое влияет на величину потока воды через мембрану прямого осмоса, т.е. на ее производительность, а значит, и на эффективность и экономичность всей установки.
Исследования показывают, что при ориентации мембраны активным слоем к раствору осмотического агента наблюдается более высокая производительность. Это преимущество будет значительнее при увеличении молекулярного веса осмотического агента и вязкости его раствора.
Еще одним решением этой проблемы является разработка мембран с двумя активными слоями – по одному с каждой стороны мембраны. Увы, это решение не лишено недостатка: два плотных селективных слоя – это в два раза большее гидравлическое сопротивление мембраны. Как компромисс, для некоторых осмотических агентов возможно использовать второй слой с более крупными порами – нанофильтрационными или даже ультрафильтрационными.