Что такое обратный осмос?
Осмос – это прохождение воды или других растворителей через полупроницаемую мембрану, которая блокирует прохождение растворенных в воде веществ.
Вы все ещё не понимаете что это? Не переживайте. Большинство из нас также не понимают сначала этого определения, поэтому существует бесчисленное множество объяснений и аналогий, чтобы определить понятие осмоса. Мы рассмотрим несколько из них, но сначала давайте разберём осмос на составляющие, чтобы получить ещё большее представление о нём.
Сначала, мы приготовим раствор. Возьмём стакан с водой и для удобства назовём воду «растворителем». Чтобы сделать наш растворитель немного вкуснее, мы растворим в нем некоторое количество сахара. Сахар — это растворенное вещество. Итак, проследим с самого начала, что мы сейчас сделали. У нас сейчас есть вода (растворитель), в которой мы растворили сахар (растворенное вещество), чтобы сделать подслащённую воду (нашим раствором).
Теперь, когда у нас есть раствор сахара водой, мы возьмём U-образную трубку. Теперь представьте, что прямо в середине трубки проходит тонкая стенка из гортекса — водонепроницаемого дышащего материала, которая делит нашу U-образную трубку на две половины. Стенка из гортекса будет являться нашей «полупроницаемой мембраной». Гортекс представляет собой тонкий пластик, усеянный миллиардом крошечных отверстий (несколько миллиардов пор на квадратный сантиметр), которые позволяют пропускать через себя воду в парообразном состоянии, а в жидком нет.
В первую секцию U-образной трубки, мы нальём наш раствор воды с сахаром. В другую секцию мы нальём чистую воду. Вот здесь то и начинается магия осмоса, уровень жидкости в секции с раствором сахара будет медленно расти, так как растворитель (вода) будет двигаться через стенку из гортекса, чтобы обе секции стали равными в соотношении сахар-вода.
Но почему это происходит? Если говорить простым языком, то это происходит из-за того, что вода хочет найти равновесие. И так как одна секция раствора насыщена сахаром, то чистая вода, с другой стороны перегородки из гортекса начинает перемещаться, чтобы сделать концентрацию уравновешенной или пока не будет достигнуто осмотическое давление (давление, которое возникает, когда молекулы начинают двигаться).
Что же в итоге у нас получилось? Осмос – это когда растворитель низкой концентрации растворенного вещества движется через мембрану, чтобы проникнуть в раствор с высокой концентрацией, тем самым уменьшая её.
Теперь, после того, как я показал, как осмос работает в одном направлении, давайте узнаем, как повернуть его вспять и для чего это нужно.
Таким образом, мы узнали, что в осмосе, раствор с низкой концентрацией будет отфильтровывать свой растворитель в раствор с высокой концентрацией. В обратном осмосе, мы в буквальном смысле обращаем процесс вспять, заставляя наш растворитель отфильтровываться из нашего раствора с высокой концентрацией в раствор с низкой концентрацией. Таким образом, вместо чтобы создавать равный баланс растворителя и растворенного вещества в обоих растворах, мы отделяем растворенное вещество от нашего растворителя.
Но как все-таки происходит обратный осмос? Давайте возьмём для примера минерализованную воду. В обратном осмосе у нас будет раствор минерализованной воды в одной части ёмкости и чистая вода в другой части, разделённые между собой полупроницаемой мембраной. Мы будем создавать давление в части ёмкости с минерализованной водой, которое будем достаточным, чтобы противодействовать естественному осмотическому давлению с той части ёмкости, где находится чистая вода, и затем пропустить минерализованную воду через мембрану. На это потребуется около 49.4-59.2 атмосфер. Но из-за размера молекул соли только молекулы воды смогут пройти на другую сторону мембраны, так как они намного меньше по размеру, чем молекулы соли. Таким образом, у нас будет отфильтровываться чистейшая вода в часть ёмкости, которая занята водой, а соль будет оставаться в той части ёмкости, которая наполнена минерализованным раствором.
Итак, обратный осмос происходит, когда мы прикладываем давление на раствор с высокой концентрацией растворенного вещества, заставляя растворитель проходить через мембрану в раствор с низкой концентрацией, оставляя за собой более высокие концентрации растворенного вещества с одной стороны, и чистого растворителя (воды) с другой. Будет здорово, если вы теперь будете в состоянии определить значение обратного осмоса на какой-нибудь вечеринке с друзьями, а пока давайте рассмотрим другие применения обратного осмоса, чтобы сделать дальнейший разговор более интересным.
Так где же используется обратный осмос? В 1950-х годах учёные начали исследовать опреснение морской воды, и именно обратный осмос был выбран в качестве подходящего варианта. Они обнаружили, что при создании давления в части контейнера с солёной водой производилась пресная вода в другой части, но объем пресной воды, который им удалось получить, был слишком мал и не походил для практического применения. Что же изменилось? А изменился гораздо более продвинутый фильтр, созданный двумя учёными из Калифорнийского университета. Литая мембрана, изготовленная из ячеистого ацетата (полимер, используемый в фотоплёнке) позволила гораздо быстрее пропускать через себя большие объёмы воды и получать очищенную воду в промышленном масштабе. Первый опреснительный завод обратного осмоса начал обслуживать небольшой производственный объект в г. Коалинга, штат Калифорния в 1965 году.
Все это приводит нас к одному из наиболее распространённых видов использования обратного осмоса — опреснению воды, что включает в себя крупные заводы (в мире более ста стран, использующих опреснение воды) или бытовые нужды, например портативный фильтр, который вы можете взять с собой в поход для обеспечения источника чистой питьевой воды.
Опреснительный завод в Бинингапе, Западная Австралия
Обратный осмос является одним из немногих способов, при помощи которого мы можем отделить некоторые минеральные или химические вещества из воды. Некоторые источники воды имеют чрезвычайно высокие уровни естественного фторирования, которые могут привести к флюорозу эмали (пёстрые зубы), либо гораздо к более серьёзному флюорозу скелета (фактический изгиб кости человека или скелета). Обратный осмос может отфильтровать фтор и другие примеси в большом масштабе, в то время как угольный фильтр (один из наиболее часто встречающихся в жилых домах) не в состоянии этого сделать.
Обратный осмос применяется для переработки отходов, как, например, химические вещества, используемые для обработки металлов, создают вредные сточные воды, и обратный осмос может извлечь чистую воду для лучшей утилизации химических отходов. Но самое невероятное, это когда данный процесс очистки воды из сточных вод производит питьевую воду! В народе его прозвали «от туалета до крана» и хотя это заставит вас на минуту задуматься, но это перспективный способ производства питьевой воды для развивающихся стран.
Обратный осмос также используется и в других отраслях промышленности. Всем известный кленовый сироп производится с использованием обратного осмоса для отделения сладкого концентрата из сока сахарного клёна. Молочная промышленность использует фильтрацию обратного осмоса для отделения концентрата сыворотки и молока, а винодельческая промышленность начала использовать обратный осмос, чтобы отфильтровывать нежелательные элементы, такие как некоторые кислоты, гарь или для контроля содержания алкоголя. Обратный осмос используется для создания чистого этанола, свободного от каких-либо примесей.
Ещё одна забавная вещь в обратном осмосе в том, что высокое давление, которое делает процесс обратного осмоса эффективным и производительным, может быть использовано повторно. Насосы высокого давления проталкивают воду через мембрану, а оставшаяся концентрированная вода выбрасывается на очень высокой скорости. Если такой выброс пропустить через турбину или двигатель, то такое давление может быть повторно использовано для насосов, которые изначально проталкивают воду, таким образом, экономя затрачиваемую энергию.
Все эти промышленные “штуки” конечно же, интересны, но как технология обратного осмоса может помочь нам в меньших масштабах как потребителю?
Применение обратного осмоса в меньших масштабах
Сейчас зачастую можно обнаружить в каждом жилом доме фильтр с системой обратного осмоса, который подключён к водоснабжению под раковиной, а вода проходит через три-пять фильтров для необходимой степени очистки. Фильтрованная вода затем хранится в резервуаре (его объем обычно около 10 литров), который располагается также под раковиной и вытекает в совершенно отдельный кран, который устанавливается на вашей раковине. Будьте готовы заплатить в среднем от 6000 – 15000 руб. за подобные системы водоочистки, а установку подобной системы вы сможете провести самостоятельно, потому что это не так уж и сложно. Приобретая фильтр обратного осмоса, узнайте какое давление в вашем водопроводе. Система обратного осмоса будет исправно работать когда в вашем водопроводе не менее 2.8атм. Если давление 2.8атм и выше можете покупать фильтр обратного осмоса без насоса. При низком давлении в водопроводе рекомендуется приобрести фильтр обратного осмоса с насосом (помпой).
Система обратного осмоса в домашних условиях
Схема фильтра обратного осмоса
Установка подобной системы в арендованной квартире или помещении может быть не совсем подходящим решением, потому что не каждому арендодателю это понравится, так как вам придётся сверлить дополнительное отверстие в раковине и сливной трубе для дренажного шлага. Но для таких случаев есть подходящее решение. Существуют системы обратного осмоса, которые ставятся на столешницу и позволяют подключить небольшую систему фильтрации непосредственно с раковиной. Просто прикрепите «питающий» шланг к крану, откройте кран, и вода будет фильтроваться через небольшую систему, которая с лёгкостью можно втиснуть рядом с микроволновой печью. Шланг с очищенной водой может быть помещён в кувшин или любую другую подходящую ёмкость.
Недостатки обратного осмоса
Итак, мы увидели некоторые из способов, с помощью которых мы можем заставить обратный осмос работать на нас. Есть несколько вопросов, которые возникают с использованием обратного осмоса, и мы начнём с проверки того, что происходит в опреснительных системах обратного осмоса промышленного масштаба.
После того как вода отфильтрована, вы получаете чистейшую питьевую воду. Но, с другой стороны, у вас остаётся большое количество соли, с которым надо что-то делать. Что вы будете делать с рассолом, который обычно содержит в два раза больше соли, чем морская вода? Будет ли этой проблемой сбрасывать такой рассол обратно в океан? По данным Австралийского центра исследований воды, солёность должна возвращаться к нормальной вблизи 500-а метров от источника. Однако никто ещё не получал чёткого ответа о том, могут ли металлы и химические вещества, попавшие в рассол, оказывать воздействие на окружающую среду.
Системы обратного осмоса, в общем, не вполне самодостаточны. Вода должна быть предварительно обработана химическими веществами, так, чтобы ничего не смогло закупорить тонкую мембрану. И с самой мембраной не так уж и легко иметь дело, она должна периодически чиститься и в неё могут попасть бактерии. Озабоченность в опреснительных установках вызывает и то, что небольшие рыбы или морские микроорганизмы могут быть втянутыми в систему, но регулировка входных давлений и скоростей, как правило, предотвращают систему от поломок.
Самым большим препятствием системы фильтрации обратного осмоса является её стоимость. Для развивающихся стран, установка систем обратного осмоса является довольно непрактичным и дорогостоящим решением, но такие организации, как ВОЗ и ЮНИСЕФ все-таки рассматривают вопрос о строительстве водоочистительных сооружений с системами обратного осмоса для удаления токсинов и обеспечения населения чистой питьевой водой, что является частью их миссии.
Что касается индивидуального пользования, КПД систем обратного осмоса чрезвычайно мал. Типичная система производит от 5 до 15 процентов очищенной воды, а 85 процентов уходит в дренаж, но что касается здоровья и качественной очистки для личного пользования, то это не вызывает никаких сомнений.
Совсем недавно мне пришлось менять фильтры предварительной очистки в системе обратного осмоса моей квартиры и вот, что я там обнаружил. А ведь все это попадает к нам в организм, если не производить очистку воды. Выводы делайте сами.
Префильтр
Префильтр (вид с торца)
