Принцип обратного осмоса для очистки воды

О чем речь? Принцип обратного осмоса заключается в фильтрации воды от вредных примесей, вирусов и бактерий. Метод способен радикально повысить ее качество за счет тонкой фильтрации на молекулярном уровне.

Что учесть? В основе технологии лежит работа полупроницаемой мембраны: под давлением через нее проходят только молекулы воды, а большинство загрязнителей остается по другую сторону барьера. При всей кажущейся простоте принципа система представляет собой продуманную конструкцию.

Что собой представляет обратный осмос

Обратный осмос представляет собой один из самых эффективных способов очистки воды. В основе технологии лежит полупроницаемая мембрана, через которую под действием давления проходят только молекулы воды, тогда как растворенные соли, органические соединения, микроорганизмы и другие загрязнения задерживаются с противоположной стороны.

Для работы системы очистки по принципу обратного осмоса создается давление, превышающее естественное осмотическое. Благодаря этому вода принудительно проходит через мембрану, а исходный поток разделяется на две части: очищенную воду, называемую пермеатом, и концентрат, содержащий основную массу задержанных примесей.

Фото: magnific.com

Основным элементом фильтра обратного осмоса служит обратноосмотическая мембрана. Она свободно пропускает молекулы воды, но задерживает большую часть растворенных солей, тяжелых металлов, микроорганизмов и других примесей. Благодаря такой избирательности обратный осмос считается одним из наиболее эффективных коммерчески доступных методов мембранной очистки воды.

Для фильтрации не требуются химические реагенты или нагрев воды — очистка происходит за счет давления, под действием которого вода проходит через мембрану, а загрязняющие вещества остаются по другую сторону.

Из чего состоит система обратного осмоса

В состав системы, работающей по принципу обратного осмоса, входят несколько узлов для очистки воды, каждый из которых выполняет свою функцию.

• Предварительную подготовку воды обеспечивают картриджи. Они задерживают механические примеси, хлор и другие загрязнения.
• В накопительный бак вода поступает после очистки. Там она хранится до момента использования.
• Насос создает необходимые условия для стабильной работы системы при недостаточном давлении в водопроводе.
• Подача очищенной воды осуществляется через внешний питьевой кран.
• Манометр позволяет контролировать давление и своевременно выявлять возможные отклонения в работе оборудования.
• Ограничитель дренажного потока поддерживает необходимое давление перед мембраной, благодаря чему часть воды проходит очистку, а оставшийся поток с задержанными примесями отводится в канализацию.

Объем накопительного бака может варьироваться в зависимости от его назначения. В бытовых системах чаще всего используют резервуары вместимостью до 12 литров.

Типы систем обратного осмоса

В зависимости от назначения и требуемой производительности системы, использующие в работе принцип действия обратного осмоса, делятся на бытовые и промышленные.

Бытовые

Такие установки обратного осмоса рассчитаны на ежедневное обеспечение семьи питьевой водой. Отличаются компактными размерами и легко размещаются под кухонной мойкой. В среднем их производительность составляет от 150 до 300 литров в сутки, а запас воды хранится в накопительном баке объемом 6-12 литров.

Современные модели, работающие по принципу системы обратного осмоса, ориентированы не только на качество очистки, но и на удобство эксплуатации. Для упрощения обслуживания производители используют быстроразъемные соединения, а при недостаточном давлении в водопроводе системы могут дополняться встроенным насосом. Защиту от протечек обеспечивают автоматические запорные клапаны.

Фото: magnific.com

Промышленные установки

Промышленные системы отличаются прежде всего производительностью и устройством мембранного блока. По этим параметрам их можно разделить на три категории.

• Малопроизводительные. Способны очищать до 5 м³ воды в час. Имеют наиболее простую конструкцию: мембранные элементы размещаются в одном напорном корпусе.
• Системы средней производительности. Рассчитаны на обработку от 5 до 20 м³ воды в час. Для увеличения объема очистки в них используют несколько мембранных корпусов, работающих параллельно.
• Высокопроизводительные. Перерабатывают более 20 м³ воды в час. Применяется многоступенчатая схема фильтрации, при которой поток концентрата направляется на последующие мембранные модули.

Принцип работы обратного осмоса

Система обратного осмоса имеет свой принцип работы. Очистка воды методом обратного осмоса происходит последовательно и включает пять стадий, каждая из которых выполняет свою задачу.

1. Система предварительной фильтрации. На этом этапе механический картридж задерживает песок, ржавчину, ил и другие крупные частицы, а угольный фильтр удаляет остаточный хлор и часть органических загрязнений. Такая подготовка необходима для защиты обратноосмотической мембраны: абразивные частицы засоряют ее поверхность, а хлор разрушает тонкий рабочий слой, сокращая срок службы фильтра.
2. Насос повышения давления. Включается в работу, если давление в водопроводной сети оказывается недостаточным. Он создает условия, необходимые для стабильной работы мембраны, и процесс очистки остается эффективным даже при слабом напоре.
3. Мембрана. После предварительной подготовки вода поступает на обратноосмотическую мембрану обратного осмоса — главный элемент принципа. Под действием давления через нее проходят только молекулы воды. Растворенные соли, соединения тяжелых металлов, нитраты, микроорганизмы и большинство других загрязнений задерживаются мембраной и удаляются вместе с концентратом в дренаж. Именно на этом этапе достигается основная степень очистки воды.
4. Накопительный бак. Производительность обратноосмотической мембраны сравнительно невысока, поэтому в бытовых фильтрах очищенная вода не подается напрямую к крану, а сначала накапливается в специальном резервуаре. Это дает пользователю постоянный доступ к воде и избавляет от ожиданий, пока система завершит очередной цикл фильтрации.
5. Постфильтрация. Перед использованием вода нередко проходит заключительную ступень очистки. Угольный постфильтр устраняет возможные посторонние запахи и улучшает вкусовые свойства. В некоторых системах дополнительно устанавливают минерализатор, который частично восполняет содержание кальция, магния, натрия и калия, утраченных в процессе глубокой фильтрации.

Как устроена мембрана обратного осмоса

В современных системах используют композитные TFC-мембраны (Thin Film Composite), состоящие из нескольких полимерных слоев, свернутых в спираль вокруг центральной трубки, по которой отводится очищенная вода.

Мембрана обратного осмоса включает три функциональных слоя.

1. Активный. Верхний, выполненный из полиамида, отвечает за разделение воды и примесей. Именно здесь происходит основная фильтрация: молекулы воды проходят через полимерную структуру за счет процессов растворения и диффузии, тогда как большинство растворенных солей задерживается.
2. Поддерживающий слой. Микропористый полисульфоновый материал толщиной около 40 мкм. Он служит механической опорой для тонкой полиамидной пленки и при этом практически не препятствует прохождению воды.
3. Подложка. Основанием мембраны является подложка из нетканого полиэфира толщиной примерно 120 мкм, которая придает всей конструкции необходимую жесткость, сохраняет ее форму и поддерживает верхние рабочие слои.

Читайте также!

Методы улучшения качества воды: описание и характеристики

Подробнее

В промышленных системах обратного осмоса чаще всего применяют мембранные элементы спиральной намотки (Spiral Wound). Их конструкция состоит из нескольких листов TFC-мембраны, соединенных между собой в герметичные пакеты. Между ними располагаются сетчатые разделители, которые формируют каналы для движения исходной воды. Вся сборка сворачивается вокруг центральной перфорированной трубки, предназначенной для отвода очищенной воды.

Во время работы поток движется вдоль поверхности мембран по тангенциальной схеме (Tangential Flow). Часть воды проходит через активный слой мембраны, после чего собирается внутри мембранных пакетов и поступает в центральный коллектор в виде пермеата. Оставшийся поток, содержащий основную массу растворенных примесей, продолжает движение вдоль мембраны и выводится из установки в виде концентрата.

Производительность мембранного элемента во многом определяется его рабочей площадью. Например, у мембраны типоразмера 4040 она составляет около 7,9 м², тогда как у модели 8040 достигает примерно 37,2 м².

Принцип работы четырехходового клапана обратного осмоса

Четырехходовой клапан обратного осмоса обеспечивает автоматическое управление подачей воды. Он прекращает поступление воды к мембране после заполнения накопительного бака. Благодаря этому фильтр не продолжает работать впустую, а расход воды и нагрузка на сменные элементы остаются в пределах нормы.  

В корпусе клапана расположены две камеры, разделенные эластичной диафрагмой или поршнем.

• Верхняя соединена с линией очищенной воды, выходящей после мембраны.
• Нижняя — с магистралью подачи воды после блока предварительной фильтрации.

• Пока накопительный бак пуст, давление в линии очищенной воды остается низким. В таком режиме клапан находится в открытом положении, поэтому исходная вода свободно поступает на обратноосмотическую мембрану и процесс фильтрации продолжается.  
• Пока бак наполняется, давление пермеата постепенно увеличивается. Когда оно достигает примерно двух третей от давления подаваемой воды, диафрагма (или поршень, в зависимости от конструкции клапана) изменяет свое положение и перекрывает подачу воды к мембране. После этого система прекращает фильтрацию до тех пор, пока запас очищенной воды не начнет расходоваться.  
• Как только пользователь открывает питьевой кран, давление в линии пермеата снижается. Клапан автоматически возвращается в исходное положение, вновь открывая доступ воды к мембране, после чего фильтрация возобновляется, и накопительный бак постепенно заполняется снова.

Обратите внимание:

• Не следует путать автопереключатель воды для обратного осмоса с обратным клапаном, поскольку принцип их работы отличается. Обратный клапан устанавливается прямо в корпусе мембраны и предотвращает обратное движение очищенной воды после прекращения подачи. Четырехходовой клапан, в свою очередь, управляет поступлением исходной воды к мембране, автоматически включая и отключая процесс фильтрации.
• Для корректной работы системы необходим ограничитель потока. Он создает требуемое гидравлическое сопротивление, благодаря которому в линии пермеата формируется давление, достаточное для срабатывания четырехходового клапана. При отсутствии рестриктора давление не достигает нужного уровня, поэтому автоматическое перекрытие подачи воды не происходит.
• В некоторых установках сегодня применяются клапаны, которыми управляет электронный контроллер. Несмотря на различия в конструкции, принцип работы остается тем же: система прекращает или возобновляет подачу воды в зависимости от давления в накопительном баке либо сигнала системы управления.

Часто задаваемые вопросы о принципе обратного осмоса

Каков принцип работы накопительного бака обратного осмоса?

Внутри бака расположена эластичная мембрана, разделяющая его на две камеры: водяную и воздушную. В пустом состоянии давление воздуха обычно поддерживается в пределах 0,4–0,6 бар. По мере накопления очищенной воды воздушная камера сжимается, а после открытия крана сжатый воздух выталкивает воду в систему. Когда запас начинает уменьшаться, фильтр автоматически возобновляет очистку до полного заполнения резервуара.

Фактическая производительность установки зависит не только от характеристик мембраны, но и от условий эксплуатации. Например, при давлении в водопроводе 4 бар и температуре воды 15 °C бытовая система с мембраной производительностью 75 галлонов в сутки (примерно 284 л/сут) обычно вырабатывает около 180 литров очищенной воды за сутки. При снижении температуры воды каждые 10 °C производительность мембраны уменьшается примерно на 30 %.

Как работает система обратного осмоса с насосом?

Для эффективной работы обратноосмотической мембраны требуется определенное давление. Если в водопроводной сети оно опускается ниже 2,5 бар, производительность системы заметно снижается. В таких случаях фильтр комплектуют насосом повышения давления, который поддерживает стабильный напор и обеспечивает нормальный режим фильтрации.

Читайте также!

Очистка воды от марганца: домашние и профессиональные способы

Подробнее

Помимо помпы, такие системы обычно оснащаются обратноосмотической мембраной, блоком предварительной очистки, накопительным баком, отдельным питьевым краном, датчиками давления и защитными элементами, которые контролируют работу оборудования и предотвращают его повреждение.

Независимо от наличия насоса процесс очистки остается одинаковым и включает несколько последовательных этапов:

• сначала механический фильтр задерживает песок, ржавчину и другие крупные примеси;
• затем угольный картридж удаляет остаточный хлор и часть органических загрязнений;
• после этого вода проходит дополнительную очистку от мелких взвешенных частиц;
• далее на обратноосмотической мембране происходит удаление растворенных солей, тяжелых металлов, бактерий и вирусов;
• на завершающей стадии постфильтр улучшает вкус и запах очищенной воды.

Что задерживает обратноосмотическая мембрана?

Основная задача обратноосмотической мембраны — отделить молекулы воды от большинства растворенных загрязнений. Она эффективно удерживает соли жесткости, нитраты, соединения тяжелых металлов, а также бактерии и вирусы. В зависимости от характеристик мембраны и качества исходной воды эффективность очищения обычно составляет не менее 95 %.

Обратный осмос считается одним из наиболее эффективных способов глубокой очистки воды. Высокая степень фильтрации достигается благодаря совместной работе полупроницаемой мембраны, предварительных фильтров и системы, поддерживающей необходимое давление. Чтобы оборудование сохраняло заявленную производительность, важно регулярно менять картриджи и контролировать состояние мембраны. При необходимости систему можно дополнить минерализатором, который насыщает очищенную воду минеральными веществами.

Источник изображения на шапке: magnific.com

Автор Волчкова Мария Бренд менеджер

Понравилась статья? Поделитесь: