Обратный осмос. Промышленное применение

Обратный осмос

Актуальность глубокого обессоливания воды в промышленности на сегодняшний день крайне высока. Помимо использования «сверхчистой» воды в некоторых специфических производственных процессах, существует еще и необходимость использования обессоленной воды в теплотехническом оборудовании.

Высокое солесодержание приводит к обрастанию технологического (в частности, теплотехнического и нефтепромышленного) оборудования кристаллическими отложениями. Образование отложений в технологическом оборудовании резко снижает его эффективность и повышает затраты энергии на его функционирование, а также ускоряет выход из строя.

Существует множество методов получения обессоленной воды, но на сегодняшний день наиболее технологичным и экономически выгодным является обратный осмос. Рассматривая процесс обессоливания на установке обратного осмоса, можно выделить три степени глубины обессоливания: обратный осмос, двухступенчатый обратный осмос, двухступенчатый обратный осмос с последующим выпариванием концентрата.

Обратный осмос представляет собой процесс обратный природному процессу осмоса, при котором наблюдается миграция растворителя через полупроницаемую мембрану в область высоких концентраций, в конечном счете для установления концентрационного баланса между растворами. В результате такого процесса возникает, т.н. осмотическое давление. В 1953 году было установлено, что при увеличении давления до значений превышающих осмотическое давление в части раствора с большей концентрацией, процесс запускается в обратную сторону, что, в свою очередь, позволяет получить чистый растворитель по одну сторону полупроницаемой мембраны, и насыщенный раствор по другую.

В процессе развития технологии обратного осмоса и ее промышленного применения были разработаны новые материалы обратноосмотических мембран, способные сохранять работоспособность в широких диапазонах физикохимических критериев, а также обеспечивать высокую степень очистки при длительном сроке службы, что во многом обеспечивается переходом от тупиковой фильтрации (фильтр является перегородкой на пути жидкости) к тангенциальной (фильтруемая жидкость скользит по поверхности фильтра, образуя турбулентные зоны, снижающие скорость роста кристаллов солей на поверхности, просачиваясь через мембрану по всей её площади).
Обессоливание воды при помощи установки обратного осмоса в одну ступень дает возможность удалить до 99.5% от содержащихся в воде ионов. Эффективность обусловлена общим солесодержанием воды (TDS), температурными режимами, селективностью используемой мембраны. Но, как правило, на практике при фильтрации в одну ступень получается удалить не более 98.5-99.0% ионов.

Для более глубокой очистки используется двухступенчатая установка обратного осмоса, представляющая собой два последовательно соединенных блока обратноосмотических мембран. Фильтрат после первой ступени, так называемый пермеат, поступает на второй блок мембран, где повторно проходит процесс фильтрации, а концентрат со второй ступени поступает на подпитку первой ступени, тем самым, участвуя в безотходном цикле фильтрации. Результатом является удаление до 99.9% содержащихся в воде ионов.

Основной проблемой, возникающей при использовании обратноосмотического оборудования на производствах, является необходимость сброса (утилизации) концентрата, который, в свою очередь, представляет концентрированный солевой раствор, и может превышать ПДК требуемые к стокам. В таком случае предлагается использование установок выпаривания. Метод выпаривания (с последующей конденсацией пара) является наиболее старым методом получения обессоленной воды. Дистиллированная вода, полученная из сильносоленого солевого раствора (концентрата), едва ли может быть сопоставима по «чистоте» с обратноосмотическим пермеатом. Для достижения большей степени очистки конденсат подается на вход в установку первой ступени, тем самым разбавляя подпиточную воду, и снижая нагрузку на мембранные элементы. В описанной технологической цепи конечными продуктами являются глубокообессоленная вода (удельная электропроводность зачастую менее 0.5 µSm) и твердая смесь солей, которую возможно вывезти / захоронить / использовать в других технологических процессах.

Одним из неоспоримых преимуществ установок обратного осмоса является высокая степень автоматизации и полная диспетчеризация. Оборудование способно работать в полностью автономном режиме, без присутствия оператора, а установки с продвинутой системой автоматизации способны анализировать показания с датчиков и прогнозировать грядущие события: необходимость промывки мембран или их замены, самостоятельно корректировать рабочие параметры для обеспечения заданной производительности и качества пермеата в случаях, если меняются входные характеристики, и даже подсчитывать экономическую эффективность получаемого пермеата.