При обработке воды методом прямого осмоса первостепенное значение имеет раствор осмотического агента – его свойства и способы регенерации. Он должен обладать очень высоким осмотическим давлением, способностью выдерживать многократные циклы разбавления, регенерации и концентрирования без потери своих свойств, не быть токсичным и не проникать в исходную и очищенную воду, а главное – при этом быть относительно дешевым, и сам процесс регенерации должен быть простым и энергетически выгодным. Неудивительно, что при таких высоких требованиях исследования и разработки в этой области активно ведутся и пока еще далеки от выдачи законченного коммерческого продукта.
Самые простые осмотические агенты – это хорошо растворимые в воде минеральные соли, например, хлориды, нитраты, соли аммония, некоторые сульфаты и фосфаты. Но в то же время минеральные соли имеют много недостатков: получение концентрированного раствора минеральной соли с помощью обратного осмоса требует высоких давлений, при этом одновалентные ионы проходят через мембрану и труднее концентрируются. Многие соли также могут вызывать отложения на обратноосмотических мембранах, особенно если некоторая часть солей проникнет в раствор осмотического агента из исходной воды. Кроме того, большинство распространенных солей содержится в морской воде и поэтому их применение в качестве осмотического агента не имеет смысла. Регенерация таких осмотических агентов осуществляется либо обратным осмосом, либо мембранной дистилляцией.
В комбинированных схемах в качестве минерального осмотического агента могут выступать продувочные воды систем охлаждения или дистилляционных установок или же морская вода и концентраты обратного осмоса. В литературе также рассматривается использование концентрированных растворов калийных или нитратных удобрений в качестве осмотических агентов для тех случаев, когда прямой осмос используется как метод концентрирования сточных вод.
Раствор удобрений разбавляется водой, прошедшей через мембрану прямого осмоса, и его можно использовать в сельском хозяйстве.
Помимо минеральных солей, высокое осмотическое давление могут создавать растворы органических солей и полимеров, растворенные газы и суспензии наночастиц. Классический осмотический агент – это смесь аммиака и углекислого газа. В водном растворе эти газы находятся в виде бикарбонат-ионов и ионов аммония, а регенерация производится путем нагревания смеси и выделения газообразного аммиака и углекислого газа, оставляющих после себя очищенную воду. Однако для получения питьевой воды применение такой смеси нежелательно, так как ионы аммония частично остаются в очищенной воде и их надо дополнительно удалять из нее.
Наиболее перспективный класс осмотических агентов на сегодня – это растворы органических веществ. Они отсутствуют в обрабатываемой воде и создают высокий градиент осмотического давления на мембране прямого осмоса. В их число входит сахароза, фруктоза, глюкоза, полиакрилаты, полиэтиленгликоль, этанол, альбумин, ацетат натрия или кальция и т.д. Высокомолекулярные соединения можно отделить от воды с помощью ультрафильтрации или нанофильтрации, однако и здесь мы сталкиваемся с необходимостью применять огромные давления, так как высокая осмотическая сила осмотического агента играет обратную роль, затрудняя его концентрирование.
Необходимость создать альтернативный метод регенерации привела к разработке осмотических агентов на основе термочувствительных полимеров. Такие соединения (например, PNIPAM-полимеры и цвиттерионные полимеры) способны при небольшом нагреве (до 20-100°С) переходить из формы водорастворимой спирали в гидрофобную глобулу, что позволяет их относительно легко отделить от воды. Невысокая температура нагрева делает этот метод экономичным, а также дает возможность использовать доступные источники низкопотенциальной тепловой энергии. Известно также и о разработке термочувствительных полимеров, которые находятся в растворенной форме при повышенной температуре, а из раствора выпадают и переходят при его охлаждении.
Неионогенные полимерные осмотические агенты обладают одним существенным недостатком – низким потоком воды через мембрану прямого осмоса. Существуют разработки осмотических агентов на основе органических соединений, диссоциирующих в воде на ионы и относящихся к группе ионных жидкостей. Потенциально они должны создавать высокое осмотическое давление и обеспечивать больший поток через мембрану.
Наиболее перспективной разновидностью ионных жидкостей является группа глубоких эвтектических растворителей, которые представляют смесь нескольких компонентов (кислот и оснований). Они отличаются простым синтезом, нетоксичностью и главное – способностью к биологическому разложению, что важно при их утилизации. Интересной разработкой в этом направлении является создание «умных» гидрогелей, изменяющих свое состояние в зависимости от выбранного воздействия – света, тепла, величины рН, напряженности магнитного поля.
Поиск простого и дешевого метода отделения осмотического агента от воды привел к созданию еще одного перспективного варианта – использования суспензии.
Важное направление в области осмотических агентов – это использование наночастиц размером 15-20 нм, которые можно отделять простой сепарацией на низконапорной ультрафильтрации или комбинированными методами. Суспензии таких наночастиц способны создавать очень высокое осмотическое давление – до 70 атм, что вполне достаточно для большинства применений. К числу таких частиц относятся углеродные квантовые точки с размерами 10-20 нм и нанотрубки. В этой области наиболее обширные разработки ведутся с осмотическим агентами на основе магнитных наночастиц.
Такие частицы синтезируют из оксидов железа и покрывают пленкой на основе различных полимерных соединений. Эта пленка стабилизирует коллоидные частицы, защищает оксидное ядро и за счет частичной ионизации полимерных групп увеличивает осмотическое давление. Отделение магнитных наночастиц производится с помощью магнитных полей, окончательная очистка пресной воды от частиц осуществляется на низконапорных мембранах. Для улучшения отделения наиболее мелких частиц им придают дополнительные свойства, позволяющие им временно агрегировать под воздействием тепла, света или обратимых химических реакций.
Подводя итог, можно отметить, что идеального осмотического агента пока не создано, это подтверждается и тем фактом, что растворы на основе простых минеральных солей, несмотря на ряд описанных выше недостатков и их энергетическую невыгодность, остаются наиболее популярными в применении. Это объясняется их ключевыми достоинствами: высоким осмотическим давлением, низкой вязкостью и высоким коэффициентом диффузии, что суммарно позволяет получить довольно высокий поток через мембрану прямого осмоса.
