Особенности процесса прямого осмоса вносят свою специфику как в строение и свойства мембран, так и в конструкции мембранных аппаратов. К таким особенностям можно отнести наличие высокой концентрации растворенных веществ с обеих сторон мембраны и необходимость обеспечивать проточный режим как исходной обрабатываемой воды, так и раствора осмотического агента.
Идеальная мембрана для прямого осмоса представляла бы собой высокоселективный слой, очень тонкий и при этом очень прочный. Но таких идеальных мембран пока не существует. Необходимость наличия поддерживающего слоя значительно портит свойства мембраны.
ля изготовления мембран прямого осмоса используют те же материалы, что и для обратноосмотических мембран: полисульфон, полиэтерсульфон, ароматический полиамид, полиамидимид, поливинилхлорид, полиакрилонитрил и другие соединения. Мембраны обычно делают композитными – то есть на крупнопористой подложке отливают тонкий селективный слой с нужными порами. Увеличению производительности и снижению загрязнения способствуют гидрофильные свойства полимерного материала, поэтому для прямого осмоса хорошо подходит триацетат целлюлозы. Для снижения гидравлического сопротивления мембран из триацетата целлюлозы их отливают прямо на специальной сетке из нетканого или тканого полимерного материала, что дает возможность уменьшить их толщину.
Также как в других мембранных методах, мембраны модифицируют различными соединениями для придания им нужных свойств: гидрофильности, проницаемости, химической стабильности и т.д. Интересные результаты получаются при использовании минеральных микросфер, графеновых нанотрубок, нанонитей, наночастиц и углеродных квантовых точек. Поддерживающий слой также подвергается модификации для придания ему нужных свойств.
Уменьшения толщины селективного слоя (что положительно сказывается на его проницаемости) достигают путем послойного формирования мембраны из слоев заданной толщины с постепенно уменьшающимися порами. Это довольно простое на словах решение, однако требующее высокой технологии производства и глубоких научных проработок.
Мембраны для прямого осмоса в виде полых волокон и листов производятся целым рядом компаний как в мелкосерийных, так и в промышленных масштабах. Среди них есть лидеры в области производства мембран для ультрафильтрации и обратного осмоса, а также «новые имена», например: Asahi Kasei, Aquaporin, Berghof Membranes Technology, Fluid Technology Solutions, Hydration Technology Innovations, Koch Membrane Systems, Porifera, SideStroem Water Technologies, Toray, Toyobo.
Половолоконные мембранные аппараты можно использовать в прямом осмосе практически без переделок: классическая конструкция обеспечивает возможность создания проточного режима как с наружной, так и с внутренней стороны волокон. С рулонными аппаратами сложнее: здесь требуется реорганизация потока со стороны фильтрата (которая в прямом осмосе используется теперь для пропуска исходной воды). Для этого внутри мембранного пакета по центру делают дополнительный клеевой шов, не доходящий до края пакета, а центральную трубку разделяют на две изолированные части.
Это не единственная конструкция рулонного элемента для прямого осмоса, но одна из самых простых. К особенностям конструкции рулонных элементов также относится необходимость выдерживать высокое давления внутри мембранного пакета, которое может возникать в некоторых режимах работы установки прямого осмоса.
Естественно, что плоскорамные аппараты с листовыми мембранами также подходят для описываемых целей, однако их отличает большая материалоемкость и сложность конструкции.
Заканчивая рассказ о мембранах, следует упомянуть об их загрязнении – главной проблеме всех баромембранных методов. Одним из достоинств прямого осмоса считается меньшая интенсивность загрязнения мембран и более рыхлая структура отложений некристаллической природы, что упрощает очистку мембран от них. Отложения малорастворимых солей в целом также должны быть меньшей проблемой, так как наружная концентрационная поляризация во многих случаях слабо выражена. Рыхлые осадки образуются из-за отсутствия высокого давления со стороны исходной воды, а общая низкая интенсивность загрязнения связана с относительно низкими потоками воды через мембраны прямого осмоса (по сравнению с другими баромембранными методами). Очевидно, что по мере совершенствования технологии интенсивность загрязнения мембран будет возрастать вместе с увеличением их проницаемости, что будет ставить новые задачи перед исследователями.