Поскольку все микроорганизмы характеризуются определенными размерами, то, пропуская воду через фильтрующую перегородку, размеры пор которой меньше, чем эти микроорганизмы, мы можем полностью очистить от них воду.
Поэтому фильтрующие элементы, имеющие размер пор менее 1 мкм, можно использовать для удаления бактерий, но не вирусов. Для процессов, когда требуется отсутствие любых микроорганизмов, применяют фильтры с порами размером не более 0,1–0,2 мкм.
Ниже мы остановимся на очистке воды по технологии обратного осмоса.
11.1. Технология обратного осмоса
Осмос как физическое явление был открыт французским физиком Ж. Нолле в 1748 г., именно в опытах с органической мембраной (бычьим пузырем). Мембрана (от лат.:membrana – перепонка – тонкая пленка).
В жизни растительных и животных организмов мембраны играют важнейшую роль. Любая клетка организмов окружена биологической мембраной, имеющей белково-липидную структуру молекулярных размеров (толщина не более 100 Å).
Мембраны организмов проницаемы и способствуют обводнению клеток и межклеточных структур, регулируют в клетках концентрацию разных веществ: солей, сахаров, аминокислот и др.
Метод обратного осмоса появился в 1953 г., когда Рейдом и Бретоном (США) были открыты полупроницаемые свойства ацетилцеллюлозных мембран. В дальнейшем была разработана технология изготовления мембран из раствора ацетилцеллюлозы в ацетоне и формамиде, были изготовлены мембраны, которые можно хранить длительное время в сухом виде, а также мембраны в виде полых волокон и составные мембраны.
Таким образом, более 50-ти лет назад начала развиваться принципиально иная технология очистки воды – мембранная технология. Она основана на пропускании воды под давлением через полупроницаемую мембрану и разделении воды на два потока: фильтрат (очищенная вода) и концентрат (концентрированный раствор примесей). Мембрана является главным элементом системы обратного осмоса.
Установление равновесия между концентрациями растворов по обе стороны мембраны происходит под действием осмотического давления, значение которого может достигать больших значений. Например, для океанской воды с минерализацией 35 г/л это давление равно 2,55 МПа, в организме морских животных – 0,665–0,755 МПа, а у солончаковых растений – 8,0 МПа.
Предложено несколько гипотез, объясняющих некоторые факторы осмоса, но единой теории пока нет.
Отсутствие теории, как и в некоторых других областях водоподготовки, не помешало все более растущему применению явления обратного осмоса для обработки воды.
Современные обратноосмотические мембраны – композитные – состоят из нескольких слоев. Общая толщина 10–150 мкм, причем толщина собственно селективного слоя, который определяет селективность мембраны, – не более 1 мкм. В состав конструкции входит турбулизирующая сетка между мембранами.
Для бытовых систем обратного осмоса срок службы мембранного элемента при правильной эксплуатации и своевременной замене фильтров предварительной очистки – 2–3 года. Мембрана задерживает все бактерии и вирусы, большую часть растворенных солей и органических веществ (в том числе железо и гумусовые соединения, придающие воде цветность, и патогенные вещества), пропуская лишь молекулы воды, небольших органических соединений и легких минеральных солей (RO мембраны задерживают 97–99 % всех растворенных веществ). Такие мембраны используются во многих отраслях промышленности, где есть необходимость в получении воды высокого качества (разлив воды, производство алкогольных и безалкогольных напитков, пищевая промышленность, фармацевтика, электронная промышленность и т. д.).
11.2. Материал мембран и конструкции аппаратов
Мембраны изготавливаются из полимерных материалов: целлюлозы и ее эфиров, полиамидов, полиолефинов, сополимеров акрилонитрила с винилхлоридом, поливинилхлорида. Применяются и керамики, и металлы.
Мембранные аппараты изготавливают четырех типов.
Плоскокамерные: мембранный элемент состоит из двух плоских мембран с расстоянием между ними 1,5–5,0 мм. В этом промежутке расположен пористый дренажный материал.
Трубчатые: аппарат состоит из пористых трубок диаметром 5–20 мм. Материал, который служит мембраной, наносится на поверхность трубки (внутреннюю или наружную).
Рулонные: мембранный элемент имеет вид пакета, три кромки которого герметизированы, а четвертая крепится к перфорированной трубке для отвода пермеата. По окружности трубки таких пакетов несколько, все они вместе с сетками накручиваются на трубку. Разделяемая вода движется в продольном направлении по межмембранным каналам, а пермеат поступает в отводящую трубку.
Волоконные: мембранный элемент имеет вид полого волокна. Аппарат представляет собою цилиндр, заполненный пучком пористых полых волокон с наружным диаметром 80–100 мкм и толщиной стенки 15–30 мкм. Разделяемая вода омывает наружную поверхность волокна, а по его внутреннему каналу выводится пермеат.
Бытовые системы обратного осмоса имеют небольшие размеры и помещаются под кухонной мойкой. Для их работы требуется давление 2,5– бар. Основными блоками бытовой системы обратного осмоса являются: префильтры, защищающие мембрану от растворенных частиц хлора, органических веществ; сам мембранный элемент рулонного типа, накопительный бак для хранения очищенной воды и постфильтр.
11.3. Условия применения мембран
Все мембраны нуждаются в защите от взвешенных примесей, коллоидов и др.
Поэтому перед обратноосмотическими мембранами качество и параметры исходной воды должны соответствовать определенным требованиям по мутности, перманганатной окисляемости, содержанию нефтепродуктов, железа, минерализации и некоторым другим.
Для бытовых мембранных фильтров, где, как правило, в качестве исходной используется водопроводная вода, предочистка перед мембранами упрощается, но в любом случае необходимы патронные фильтры с пористостью 5 мкм.
Необходимо также отметить, что стандартные конструкции фильтров и материалы мембран не предотвращают вторичное бактериальное заражение воды, т. е. бактерии могут развиваться и на самой мембране. Следовательно, особенно для питьевой воды необходимо перед мембранным фильтром и после него предусматривать обеззараживание воды, например, ультрафиолетовым излучением.