10 СЕКРЕТОВ БЫТОВОГО ОБРАТНОГО ОСМОСА

Тезис о том, что из всех способов доочистки питьевой воды, доступных рядовому гражданину, наиболее эффективен и надежен метод обратного осмоса, является популярным, но не очевидным. С одной стороны, известно, что «сердце» обратноосмотического фильтра – полупроницаемая мембрана – является барьером, гарантирующим глубокое удаление всех растворенных примесей, а значит – высокое качество очищенной воды. С другой стороны, глубоко деминерализованная вода редко встречается в живой природе и опыт ее применения в качестве питьевой ограничен последними десятилетиями. Это приводит к возникновению естественных опасений у пользователей, которые подогреваются отсутствием однозначной информации и общепринятой позиции у разных специалистов. Кроме того, благодаря активному развитию рынка бытового обратного осмоса у потребителей и специалистов по водоподготовке возникает большое количество вопросов, касающихся принципов работы, установки и правильной эксплуатации соответствующих устройств. В данной публикации предлагаются ответы на наиболее частые вопросы, задаваемые слушателями на семинарах Академии водоподготовки WaterNet.

1. Что такое «обратный осмос» и как с его помощью чистить воду?

В основе обратного осмоса лежит широко распространённое в природе явление осмоса, известное из курса средней школы. Осмос можно наблюдать, если рассмотреть систему из двух камер с раствором какой-либо соли и чистой водой, разделенных полупроницаемой мембраной, пропускающей молекулы воды, но непроницаемой для растворенных в воде примесей (рис. 1).

Рис. 1. Иллюстрация принципа обратного осмоса

В такой системе молекулы воды будут перемещаться через мембрану из камеры с чистой водой в солевой раствор, разбавляя его и вызывая в камере с последним повышение уровня жидкости. Явление осмоса наблюдается даже в том случае, когда вода и раствор находятся под одинаковым внешним давлением. Разница в высоте уровней воды и солевого раствора обусловлена силой, под действием которой молекулы воды проникают через мембрану. Эта сила непосредственно связана с осмотическим давлением, зависящим от концентрации растворенных в воде примесей. Если приложить к солевому раствору давление, равное его осмотическому давлению, система придет в равновесное состояние, и процесс осмоса прекратится.

Если же в рассмотренной системе к раствору соли приложить давление, превышающее осмотическое давление этого раствора, движение молекул воды в системе будет направлено из камеры солевого раствора в камеру чистой воды. Иными словами, за счет приложенного давления будет происходить «выдавливание» чистой воды из раствора соли. Именно это явление лежит в основе очистки воды методом обратного осмоса.

В обратноосмотических системах используются тонкопленочные композитные мембраны, состоящие из барьерного и вспомогательных слоев (рис. 2).

Рис. 2. Строение тонкопленочной композитной мембраны

За процесс обратноосмотического разделения отвечает барьерный слой, состоящий из полимерного материала (чаще всего на основе ароматического полиамида), проницаемого для молекул воды, но не для растворенных солей и других примесей. Исключение составляют растворенные в воде газы – кислород, углекислый газ и другие, которые свободно проникают через мембрану. Размер условных пор обратноосмотической мембраны оценивается на уровне 0,0001 мкм, что обеспечивает задержание мембраной не менее 99% примесей.

Под воздействием давления часть воды проходит через мембрану, очищаясь от примесей и образуя поток так называемого пермеата. Задержанные примеси с оставшейся частью воды образуют поток концентрата. Пермеат, являющийся очищенной водой, подается потребителю, концентрат же сбрасывается в канализацию.

Величина отношения количества пермеата к количеству исходной воды называется выход пермеата или «recovery», и чем она выше, тем лучше. Однако, задача повышения выхода пермеата является далеко не простой и требует учета большого количества факторов – от состава исходной воды до габаритов установки. Поиск и обеспечение оптимальных условий повышения «recovery» лежит в основе всей мембранной науки и связанных с ней технологий.

2. Какие существуют системы обратного осмоса и чем они отличаются?

Долгое время практически единственной областью применения технологии обратного осмоса оставалась промышленная водоподготовка, где существовала потребность в получении значительных количеств качественно очищенной воды с минимальными затратами энергии, реагентов и, что немаловажно, с максимально полным использованием исходной воды в качестве сырья.

Промышленные системы обратного осмоса в большинстве случаев построены на основе схем с использованием рецикла концентрата – возврата части концентрата на вход установки и смешения его с исходной водой. Преимуществом таких схем является высокий выход пермеата – 50%–75%, а в некоторых случаях и до 90%. Однако, такое эффективное использование воды возможно обеспечить только за счет применения мощного насосного оборудования, позволяющего достигать высоких рабочих давлений в десятки атмосфер, соответствующей трубной обвязки и арматуры, а также контрольно-измерительных приборов и автоматики. Кроме того, промышленная технология обратноосмотической очистки воды включает многостадийную предподготовку с использованием различных реагентов, а также обязательные процедуры отмывки мембран.

Очевидно, что бытовое применение обратного осмоса исключает использование столь сложных операций и оборудования. Поэтому при создании бытовых обратноосмотических систем, предназначенных для очистки небольших количеств питьевой воды, от высоких значений выхода пермеата пришлось отказаться в угоду компактности, простоте конструкции и эксплуатации, надежности, бесшумности и, не в последнюю очередь, низкой стоимости. По этой причине для бытовых систем обратного осмоса значение выхода по пермеату невелико и, как правило, находится на уровне до 10%.

3. Из чего состоит бытовой обратный осмос?

Доочистка воды с помощью бытовой системы обратного осмоса, независимо от конструкции системы, предполагает следующие этапы:

1. трехступенчатая предварительная очистка;

2. обратноосмотическое разделение на мембранном элементе;

3. сбор очищенной воды в накопительном баке;

4. пост-обработка или финишная очистка воды.

Рассмотрим кратко строение и принцип работы бытовой системы обратного осмоса. Фильтр подключается к водопроводу подачи холодной воды с помощью входной муфты 4 и крана подачи воды 5 (рис. 3).

Рис. 3. Схема подключения системы обратного осмоса в базовой комплектации:

1. Модуль фильтрации; 2. Бак; 3. Кран для очищенной воды; 4. Входная муфта; 5. Кран подачи воды; 6. Шаровой кран бака; 7. Цветные трубки; 8. Дренажный хомут; 9. Ключ для корпусов префильтров; 10.1. Полипропиленовый картридж механической очистки (5 мкм); 10.2. Картридж с активированным углем; 10.3. Блок-карбон; 10.4. Пост-фильтр; 10.5. Мембранный элемент; 11. Тройник; 12. Авторегулятор потока

Красная трубка соединяет кран подачи воды и префильтр 10.1 модуля фильтрации. Входящая вода сначала проходит три ступени предварительной очистки в префильтрах 10.1, 10.2, 10.3. После прохождения предварительной очистки вода поступает на обратноосмотическую мембрану 10.5, которая находится в специальном корпусе. Корпус мембраны имеет вход, который через авторегулятор соединяется с префильтром 10.3, и два выхода: один для пермеата, а второй – для концентрата.

После мембраны поток воды разделяется на две части – концентрат сбрасывается в канализацию, а пермеат поступает в накопительный бак 2 и хранится там. Бак соединяется с выходом мембраны через авторегулятор и обратный клапан, встроенный в переходной фитинг, который вкручивается в выход корпуса мембраны. После авторегулятора устанавливается тройник, через который бак подключается к модулю фильтрации с помощью желтой трубки. На верхнем патрубке бака установлен шаровой кран 6.

После наполнения бака авторегулятор перекрывает подачу воды из префильтров на мембрану, и процесс очистки прекращается. После открытия крана для очищенной воды 3, давление воды в накопительном баке падает, авторегулятор автоматически открывает подачу воды из префильтров на мембрану, и бак снова наполняется. Концентрат подается в канализацию через выход корпуса мембраны, соединенный трубкой черного цвета с дренажным хомутом 8, который устанавливается на канализационной трубе.

Из накопительного бака очищенная вода через тройник 11 проходит на последний этап очистки – постфильтр 10.4. Пост-фильтр с помощью трубки синего цвета соединяется с краном очищенной воды 3, который устанавливается непосредственно на мойке или кухонной столешнице.

4. Для чего нужна предподготовка воды и как она происходит?

Качество предварительной очистки воды перед подачей ее на мембрану обратного осмоса имеет большое значение, поскольку именно от него зависит срок службы мембранного элемента. Необходимо помнить, что бытовая система обратного осмоса предназначена для доочистки водопроводной воды, предварительно очищенной на централизованных станциях, или воды, прошедшей очистку на локальных установках подготовки воды. Бытовые системы обратного осмоса не предназначены для прямой очистки воды из скважины или колодца, так как в большинстве случаев такая вода содержит значительные количества различных примесей – железо и марганец, соли жесткости, природные органические вещества и другие.

Все эти примеси эффективно удаляются обратным осмосом, но очень быстро выводят из строя наиболее дорогостоящий элемент системы – обратноосмотическую мембрану (рис. 4). Поэтому очистка неподготовленной воды с помощью бытового обратного осмоса является прежде всего нецелесообразной с экономической точки зрения.

Рис. 4. Загрязнение мембраны бытового осмоса вследствие очистки воды ненадлежащего качества

На этапе предподготовки в бытовых системах используются, в основном, три картриджных фильтра (префильтры) (рис. 5):

1. Полипропиленовый картридж механической фильтрации с рейтингом фильтрации 5–10 микрон, предназначенный для удаления всевозможных механических примесей, встречающихся в водопроводной воде – песчинок, частиц ржавчины и окалины и прочих частиц. Удаление таких примесей продлевает срок службы последующих картриджей и системы в целом. Срок службы картриджа механической фильтрации зависит от мутности очищаемой воды и составляет в среднем 3–6 месяцев. Несвоевременная замена картриджа, забившегося накопленными механическими примесями, может привести к снижению давления воды на входе в мембранный элемент и вследствие этого к снижению производительности системы.

Рис. 5. Типы картриджей фильтрации: 

а) полипропиленовый картридж механической фильтрации; б) картридж с гранулированным активированным углем; в) картридж типа «карбон-блок»

2. Картридж с гранулированным активированным углем для удаления из водопроводной воды природных органических веществ и активного хлора, негативно влияющих на обратноосмотическую мембрану. В качестве наполнителя картриджа в данном случае может использоваться как кокосовый, так и битуминозный активированный уголь. Первый относится к микропористым углям и эффективно удаляет из воды примеси активного хлора и хлорорганических соединений, второй является мезопористым и очень эффективен для удаления природных органических соединений, содержащихся в поверхностных водах и получаемой из них водопроводной воде. Срок службы картриджа с гранулированным активированным углем также составляет в среднем 3–6 месяцев. Реальный ресурс этого картриджа зависит от таких показателей качества очищаемой воды, как окисляемость и цветность. Несвоевременная замена картриджа на этой стадии может привести к забиванию мембранного элемента, развитию на поверхности мембраны микроорганизмов из-за проскока питательной природной органики через истощенный слой активированного угля. В свою очередь, это сократит срок службы мембранного элемента и может ухудшить качество очистки воды.

3. На третьей стадии могут применяться различные картриджи, в зависимости от типа системы обратного осмоса. В случае недорогих систем на этой стадии используется полипропиленовый картридж с рейтингом фильтрации 1 или 5 микрон для удаления частичек угля, которые могут вымываться из предыдущего картриджа, а также возможных остаточных механических загрязнений. В системах более высокого класса устанавливается картридж с использованием брикетированного активированного угля (карбон-блок), обеспечивающий не только механическую фильтрацию, но и дополнительную очистку от хлора и хлорорганики. Срок службы картриджа третьей стадии префильтрации составляет 3–6 месяцев. Таким образом, все три картриджа заменяются одновременно, что упрощает пользование бытовой системой обратного осмоса.

5. Мембранные элементы для бытового обратного осмоса

Мембранный элемент – это устройство, включающее обратноосмотическую мембрану и компоненты, обеспечивающие её эффективное использование.

В бытовых системах обратного осмоса используют рулонные мембранные элементы (рис. 6) типоразмера 1812, что соответствует диаметру элементу 1,75 дюйма (44,5 мм) и длине 11,74 дюйма (298 мм).

Рис. 6. Строение мембранного элемента бытовой системы обратного осмоса

При работе системы обратного осмоса вода подается в мембранодержатель и поступает на вход мембранного элемента с торца (рис. 6). Вода движется по каналам внутри мембранного элемента. Давление воды заставляет молекулы воды двигаться сквозь мембрану, образовывая поток пермеата с другой стороны мембраны. Каналы для движения воды образованы так называемым спейсером концентрата, представляющим собой сетку из полимерного материала. Аналогичный спейсер, но более тонкий и с меньшим размером ячейки используется для создания каналов для движения пермеата внутри мембранных конвертов. Для отвода пермеата из мембранного элемента мембранные конверты открытым (незаклеенным) концом крепятся к перфорированной водосборной трубке, в которую отводится пермеат из пермеатных каналов.

Существенной проблемой, возникающей при обратноосмотическом разделении, является накопление задержанных примесей в тонком слое концентрата возле поверхности мембраны. Вследствие этого явления, известного как концентрационная поляризация, значительно ухудшаются как качество очистки, так и производительность мембранного элемента, а также уменьшается срок службы. Для сведения к минимуму негативных последствий концентрационной поляризации в мембранном элементе служит спейсер концентрата, обеспечивающий турбулизацию потока и за счет этого качественное перемешивание концентрата во всем его объеме.

После мембранного элемента пермеат поступает в накопительный бак. Концентрат сбрасывается в канализацию через ограничитель потока. Ограничитель потока представляет собой специальное устройство, обеспечивающее постоянный расход концентрата и тем самым поддерживающее постоянное необходимое давление воды в мембранодержателе.

6. Какими бывают мембранные элементы?

Мембранный элемент является основной частью бытовой системы обратного осмоса, непосредственно обеспечивающей удаление примесей из воды, поэтому к его качеству и эффективности его работы предъявляются особо строгие требования.

Важнейшими характеристиками мембранного элемента для бытового осмоса являются:

• качество мембранного полотна;
• качество склейки мембранных листов в конвертах;
• количество и длина мембранных конвертов, используемых для изготовления элемента;
• точность исполнения операция при изготовлении элемента – размещения и закрепления конвертов.

Качество мембранного полотна непосредственно определяет как эффективность удаления примесей, так и производительность мембранного элемента. Например, наличие на поверхности мембранного полотна заплаток, используемых для устранения производственных дефектов полотна, может привести к пропусканию исходной воды в пермеатную трубку.

Другой распространённой проблемой качества полотна является его хлорирование производителем. Как упоминалось выше, активный хлор негативно влияет на свойства мембраны, но это влияние неоднозначно. При действии хлора на ароматический полиамид барьерного слоя наблюдается повышение производительности мембранного элемента и улучшение качества очистки воды. Однако этот эффект проявляется в течение небольшого периода времени в начале эксплуатации, а затем быстро сменяется еще большим ростом производительности и резким ухудшением качества очистки воды. Таким образом, хлорирование мембранного полотна для недобросовестного производителя является простым способом ненадолго улучшить показатели работы своей продукции, резко сократив при этом срок ее службы.

Часто необходимость хлорирования полотна для обеспечения приемлемой работы мембранных элементов хотя бы в начале эксплуатации связана с подходом производителя к склеиванию полотна в мембранные конверты. Некоторыми компаниями практикуется ручное нанесение клея. Неприятным следствием ручной склейки полотна является тот факт, что клей покрывает значительную площадь полотна, тем самым исключая эту площадь из процесса очистки воды. Также при этом возникают неоднородности склейки полотна по всей длине конверта, что чревато возможным нарушением целостности элемента. Таким образом, на практике мембранные элементы с ручным выполнением клеевых соединений являются ненадежными и имеют заниженную производительность.

Значительно более эффективным вариантом является склеивание полотна в конверты на автоматической роботизированной линии, как это делает компания Dow Chemical. Нанесение клея с помощью автоматического оборудования позволяет создать, во-первых, однородную линию склейки, обеспечивающую максимальную прочность соединения и снижающую вероятность протечек к минимуму, а вовторых – задействовать под склейку минимальную долю площади мембранного полотна, тем самым обеспечивая максимальную производительность мембранного элемента.

Количество и длина мембранных конвертов, используемых для изготовления элемента, непосредственно влияют на производительность мембранного элемента и срок его службы. При создании любого мембранного элемента для обеспечения одной и той же площади мембраны возможно использовать небольшое количество длинных мембранных конвертов или же большое количество коротких конвертов.

Использование длинных конвертов упрощает операцию крепления конвертов в пермеатной трубке. Недостатком же такого подхода является снижение производительности элемента за счет роста противодавления пермеата в каналах длинных конвертов и повышенная загрязняемость такого элемента.

Мембранные элементы Dow Filmtec (табл. 1), в которых используются короткие мембранные конверты, лишены этих недостатков. С другой стороны, использование большего количества мембранных конвертов в элементах Dow связано с их автоматическим производством, при котором возможно прецизионное размещение конвертов на пермеатной трубке с равным шагом. Это значительно повышает надежность элементов по сравнению с изделиями других производителей, в которых мембранные конверты размещены неоднородно и испытывают различные нагрузки при эксплуатации, что может привести к возникновению протечек.

Табл. 1. Бытовые мембранные элементы Dow Filmtec TW30-1812 разной производительности

Следует сказать, что различные бытовые мембранные элементы имеют одинаковый стандартный типоразмер 1812, но при этом отличаются производительностью. Различная производительность обусловлена разной площадью мембранного полотна. Рассмотреть существующие варианты мембранных элементов удобно на примере линейки Dow Filmtec TW30-1812.

7. Зачем нужен накопительный бак?