СТАТЬИ

ОБРАТНЫЙ ОСМОС. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА ПРИМЕНЕНИЯ.
(автор: Ген.директор компании "МИРОВЫЕ ВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ" - С.В.Черкасов)

С версией статьи 2009 г. можно ознакомиться по этой ссылке

1. ЧТО ТАКОЕ «ОСМОС И ОБРАТНЫЙ ОСМОС»?
2. ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ И РАЗВИТИЯ ЯВЛЕНИЯ ОСМОСА
3. МОДЕЛИ ПЕРЕНОСА ВОДЫ И СОЛЕЙ ЧЕРЕЗ ОО-МЕМБРАНУ
4. ОБРАТНООСМОТИЧЕСКИЕ МЕМБРАНЫ
4.1. Требования к ОО-мембранам
4.2. Классификация ОО-мембран
4.3. Основные параметры обратноосмотических мембран
5. КОНЦЕНТРАЦИОННАЯ ПОЛЯРИЗАЦИЯ
6. ОБРАТНООСМОТИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ
6.1. Обратноосмотические элементы из полых волокон.
6.2. Спирально-навитые обратноосмотические элементы.
7. ОБРАТНООСМОТИЧЕСКИЕ МОДУЛИ
8. УСТАНОВКИ ОБРАТНОГО ОСМОСА
8.1. Состав установки обратного осмоса
9. ЭКСПЛУАТАЦИЯ УСТАНОВОК ОБРАТНОГО ОСМОСА
9.1. Общие сведения
9.2. Анализ исходных данных
9.3. Предварительная обработка воды
9.4. Понятие технического обслуживания ОО-установки
9.5. Влияние различных факторов на работу ОО-установки
9.5.1. Влияние различных Влияние давления исходной воды
9.5.2. Влияние температуры исходной воды
9.5.3. Влияние общего солесодержания исходной воды
9.5.4. Влияние степени извлечения пермеата (Recovery)
9.5.5. Влияние рН исходной воды
9.6. Журнал регистрации данных
10. ЗАГРЯЗНЕНИЯ ОБРАТНООСМОТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ И МЕМБРАН
10.1. Общие сведения
10.2. Осадки взвешенных и коллоидных частиц
10.3. Осадки микроорганизмов – образование биопленки
10.4. Осадки труднорастворимых соединений
10.4.1. Отложения на ОО-мембранах карбоната кальция
10.4.2. Отложения на ОО-мембранах сульфатов щелочноземельных металлов
10.4.3. Кремниевые отложения на ОО-мембранах
10.4.4. Осадки железа и марганца на ОО-мембранах
11. ХИМИЧЕСКАЯ ПРОМЫВКА УСТАНОВОК ОБРАТНОГО ОСМОСА
11.1. Когда проводить очистку ОО-установки?
11.2. Основные проблемы в обратном осмосе
11.2.1. Отложения солей
11.2.2. Загрязнение ОО-мембран
11.3. Реагенты для промывки установки обратного осмоса
11.4. Установка химической промывки обратноосмотических мембран
11.5. Процедура промывки установки обратного осмоса.

1. ЧТО ТАКОЕ «ОСМОС И ОБРАТНЫЙ ОСМОС»?

     Явление осмоса лежит в основе процесса обмена веществ любого из живых организмов: в каждую живую клетку поступают питательные вещества, а обратно выводятся метаболиты. Все эти процессы осуществляется через так называемые полупроницаемые мембраны, которые способны пропускать молекулы одних веществ и препятствовать прохождению через них молекул других веществ.
     Сущность явления осмоса заключается в том, что если по разные стороны полупроницаемой мембраны, способной пропускать только молекулы воды, находятся водные растворы солей с разной концентрацией, молекулы воды будут перемещаться через мембрану из слабо концентрированного раствора в более концентрированный. При этом если оба раствора находятся под внешним, одинаковым давлении (например, атмосферном), то из-за явления осмоса, т.е. в результате процесса проникновения воды через мембрану, наблюдается повышение уровня жидкости в более концентрированном растворе. Эта разница в высоте уровней двух растворов разной концентрации пропорциональна силе, под действием которой вода проходит через мембрану. Эта сила называется «осмотическим давлением».
     Если же на раствор с большей концентрацией начать воздействовать внешним давлением, которое будет превышать осмотическое, то молекулы воды начнут двигаться через полупроницаемую мембрану в обратном направлении, то есть из более концентрированного раствора в менее концентрированный. Этот процесс называется «обратным осмосом». Если же приложить внешнее давление равное бесконечности, то, чисто теоретически, можно «передавить почти всю воду» из более концентрированного раствора, и, таким образом, разделить исходный раствор на «чистую и грязную воду».
     С точки зрения технологических процессов очистки воды обратный осмос относится к мембранным массообменным процессам с поперечным током,  в котором поток исходной воды разделяется на два потока – «чистую» воду – пермеат и «грязную» воду – концентрат. При этом отношение количества полученного пермеата (очищенной воды) и количества исходной воды, выраженное в процентах (англ. recovery of a reverse osmosis), называют: степенью извлечения пермеата (очищенной воды) или выходом пермеата (очищенной воды).

2. ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ И РАЗВИТИЯ ЯВЛЕНИЯ ОСМОСА

     Из сказанного выше понятно, почему у истоков науки о мембранах стоят не физики и химики, а ботаники и физиологи. Человек не изобрел полупроницаемые мембраны, он взял готовую идею у живой природы. Ведь основные исследования, проводившихся в конце XVIII – начале XIX вв., были направлены только на описание и понимание механизма процессов, происходящих в живых организмах, и лишь в начале XX века стали появляться робкие попытки моделирования свойств биологических мембран из искусственных материалов.
     Честь открытия явления осмоса приписывают французскому аббату Жану-Антуану Ноле, который  в 1748 впервые заметил и описал это явление. С этим открытием историки связывают некий казус: однажды аббат Ноле слил недопитое им вино в свиной мочевой пузырь и погрузил  его в бочку с водой. Наутро вынув пузырь из бочки, он обратил внимание, что пузырь раздулся. Попробовав вино, аббат понял, что оно стало разбавленным. Аббат сделал вывод, что вино стало разбавленным из-за того, что вода проникла в него через стенку мочевого пузыря под действием некой силы, которая возникла из-за разницы содержания воды в бочке и в вине. При этом аббат заметил, что через стенку пузыря проникла только вода. Эту однонаправленную силу аббат назвал осмотическим давлением, а сам процесс – осмосом (от греческого ὄσμος, что в переводе означает толчок, давление).      Так аббат Ноле впервые в мире сумел описать явление осмоса и основные свойства полупроницаемой мембраны, и об осмосе  забыли. И только спустя столетие другим французом – ботаником и естествоиспытателем Анри Дютроше было продолжено более глубокое исследование этого явления, который в свою очередь описал законами осмоса процессы поглощения воды и растворенных в ней веществ растениями.
     В середине XIX осмотическую проницаемость клеточных мембран века также изучали физиолог Моль и ботаник Негели. А с конца XIX в. к ним присоединились физ-химики, одним из которых был немецкий ученый Адольф Фик, который в 1855 году исследуя перенос через искусственные мембраны из нитроцеллюлозы, сформулировал феноменологические законы диффузии, названные в последствии его именем. Грэм впервые в 1854 году ввел понятие об «осмотической силе».
     Фундаментальные исследования осмотической проницаемости клеточных мембран, сделанные в 1860-1875 годах голландским ботаником и генетиком Хуго де Фризом, одним из ученых, вторично открывших законы Менделя, совместно с результатами работам  В.Пфеффера (1877) составили важную часть доказательств, на основе которых Я.Х.Вант-Гофф построил свою теорию химического равновесия в разбавленных растворах (1886), а  шведский ученый Аррениус – теорию электролитической диссоциации. В 1888 году немецкий физико-химик Нернст вывел уравнение для диффузионного потенциала, а в 1911 году Доннаном были сформулированы законы мембранного равновесия.
     На этом пути развития биологии и исследования мембран расходятся: изучение клеточных, биологических мембран и мембран естественного происхождения остается за биологией, а химики и физики, исследующие мембраны, смещают свои интересы в сторону создания мембран различной природы и изучения их свойств, а также описания процессов массопереноса через них. Так в конце XIX начале XX в.в. были открыты мембранные методы разделения: электродиализ (Майгрот и Сабатье); разделение газов (Грэм), ультрафильтрация (Бехгольд). А  в начале 30-х годов появились первые упоминания об обратноосмотической задержке электролитов мембранами при фильтрации растворов (Эршлер, Мак-Бен).
     К концу 20-х годов XX в. был накоплен и обобщен значительный материал по получению и применению селективно-проницаемых мембран. 30-е годы характеризуются исследованиями в этой области Элфорда, Ферри, Манегольда, Грабара, 40–50-е — совершенствованием методов формования мембран для ультрафильтрации и получением ионообменных мембран.
     В конце 50-х – начале 60-х годов ХХ века в результате работ, выполненных вначале Рейдом, а затем Лоэбом и Суранджаном, была разработана конструкция спирального ОО-модуля на основе анизотропной полупроницаемой мембраны, которая способна выдерживать колоссальное давление и  обладающая высокой пропускной способностью при минимальных размерах. При участии Лоэба в 1967 году в местечке Йотвата была построена опреснительная установка мощностью 150 м³ в сутки, производившая чистую питьевую воду из подземного озера с соленостью, десятикратно превышавшей морскую. Эти ученые показали техническую возможность использования таких мембран для опреснения морских и солоноватых вод, а также разделения жидких смесей, что дало толчок к дальнейшему изучению мембранных процессов разделения и производству мембран с заданными свойствами. Об этом мы еще поговорим в разделе, посвященном ОО-мембранам.

3. Модели переноса воды и солей через ОО-мембрану

     Хотя технология обратного осмоса стала достаточно распространенным методом очистки воды, механизм транспортировки соли и воды через мембрану остается постоянным объектом для дискуссий. В свое время было предложено несколько моделей транспорта воды и солей через ОО-мембрану, общие положения которых будут кратко рассмотрены ниже.
     Наиболее простая и легкая для понимания модель ОО-процесса – модель «сита» или модель молекулярно-ситового разделения. Эта модель предполагает, что соль и вода разделяются на мембране за счет разницы в физических размерах между молекулами воды, соли и размера пор мембраны. Большинство обывателей предпочитают именно эту концепцию механизма очистки воды обратным осмосом. Однако следует заметить, что в системах, где солью в основном является хлорид натрия (поваренная соль) размеры молекул соли (т.е. иона натрия и хлорид иона) и воды практически одинаковы. Стало быть, этот факт позволяет исключить модель «ситового» механизма разделения воды.
     Другой моделью механизма переноса является модель диффузионного переноса (до сих пор разделяемая некоторыми исследователями), в соответствии с которой и вода, и растворенные вещества проникают через мембрану за счет диффузии. По этой концепции вода закрепляется на поверхности мембраны за счет водородных связей, и эта пленка препятствует попаданию солей в поры мембраны. Вода же диффундирует с одной стороны мембраны на другую, образуя там такой же барьерный слой. При этом подразумевается, что скорость диффузионного переноса воды больше, чем растворенных веществ.
     Наконец третьей концепцией транспортировки ионов через ОО-мембрану является капиллярно – фильтрационная модель селективной проницаемости. Согласно этой модели на поверхности и внутри пор гидрофильной мембраны, помещенной в водный раствор, образуется слой связанной воды. Вода может связываться с материалом мембраны, например, путем образования водородных связей с гидроксильными или карбоксильными группами поверхностного слоя мембраны. Связанная вода, обладая сеткой направленных водородных межмолекулярных связей, полностью заполняет поры обратноосмотических мембран и по своим свойствам существенно отличается от воды в свободном состоянии. Для молекул и ионов растворенных веществ эта вода представляет особую фазу, в которую они проникают с некоторым коэффициентом распределения, который может быть значительно меньше единицы.
     Степень проникновения ионов в слой связанной воды зависит от гидрофильности мембраны и гидратирующей способности ионов.

4. ОБРАТНООСМОТИЧЕСКИЕ МЕМБРАНЫ

     Мы уже упоминали о том, что основы получения искусственных пленочных мембран были заложены Фиком в середине XIX века, а в начале XX века Бехгольд изучал закономерности формования мембран с заданными свойствами. В 1927 году немецкая фирма «Сарториус» получила первые образцы искусственных мембран. После Второй мировой войны американцы, используя немецкие наработки, наладили произ­водство ацетатцеллюлозных и нитроцеллюлозных мембран. Эффект задержки электролитов этими мембранами при фильтрации через них растворов, впервые описан Эршлером и Мак-Беном, а через 20 лет подробно исследован Шмидом и Шварцем, что по времени совпало с первыми исследованиями обратного осмоса на ацетатцеллюлозных мембранах (Рейд, Бретон). Тогда же были впервые сформулированы теоретические основы этого явления.
     Однако результаты этих работ не представляли интереса для технологии из-за очень низкой производительности мембран, которая была обусловлена их относительно большой толщиной (> 100 мкм). Практическую значимость процесс обратного осмоса приобрел лишь после того, как были разработаны ассиметричные мембраны. История разработки мембран для обратного осмоса подробно описана Суранджаном в 70-х годах прошлого века в его работах, посвященных обратному осмосу: «Reverseosmosis» и «Reverse osmosis and synthetic membranes».

4.1 Требования к ОО-мембранам

     Итак, надежная работа установки обратного осмоса требует от обратноосмотических мембран учета двух основных факторов – проницаемости воды и задержки соли. Но, кроме того, ОО-мембрана должна обладать необходимой прочностью для работы при высоких давлениях, химической стойкостью и устойчивостью к микробиологическому загрязнению.
     В отличие от микрофильтрации и ультрафильтрации примеси задерживаемые в процессе обратного осмоса имеют размеры на уровне молекул, ассоциатов, ионов, кислотных остатков, которые благодаря своим столь малым размерам свободно проходят через любые ультрафильтрационные мембраны. Поэтому для процессов обратного осмоса используют более плотные мембраны, обладающие гораздо большим гидродинамическим сопротивлением. Мембраны для обратного осмоса могут рассматриваться, как промежуточные между типом мембран с открытыми порами (микрофильтрационными и ультрафильтрационными) и плотными непористыми мембранами (газоразделительными).
     В противополож­ность ультрафильтрации и микрофильтрации выбор материала мембраны для обратного осмоса прямо влияет на эффективность разделения. Другими словами, материал, из которого изготавливается мембрана, должен иметь высокое сродство к растворителю (главным образом к воде) и низкое сродство к растворенному компоненту. Под понятием «сродство» имеется ввиду – высокая проницаемость растворителя через мембрану и низкая проницаемость растворенных соединений. Именно поэтому, мембраны, использующиеся в процессах обратного осмоса, называют полупроницаемыми.  Сказанное подчеркивает, что процесс выбора материала мембраны для обратного осмо­са становится чрезвычайно важным, поскольку свойства материал-растворитель определяют характеристические свойства (селективность) мембраны. Здесь отчетливо проявляется разница между мембранами для обратного осмоса и микрофильтрационными или ультрафильтрационными мембранами, поскольку эффективность очистки послед­них определяется в основном размерами пор мембраны, а выбор материала мембраны зависит в основном от его устойчивости к химическим реагентам или устойчивостью к фильтруемой среде.

4.2 Классификация ОО-мембран

     Как таковой единой универсальной системы классификации ОО-мембран не существует, поэтому различные авторы и фирмы-производители предлагают разные системы классификации. Условно ОО-мембраны подразделяют:

• по своему назначению – на мембраны для обессоливания (т. е. задержки растворенных в воде электролитов и ПАВ), на мембраны для опреснения морской воды и на мембраны для разделения органических жидкостей и др.;
• по своей геометрической форме – на мембраны в виде пленок (листов) и на мембраны в виде полых волокон;
• по способу получения – на мембраны, полученные:
• путем формования из растворов и расплавов полимеров;
• путем образования полиэлектролитных комплексов в растворе или на подложке;
• путем нанесения или напыления активной матрицы на подложку;
• путем химической прививки активных групп к инертной матрице;
• путем травления и последующего вымывания растворенных компонентов;
• путем осаждения на подложке продуктов гидролиза солей многовалентных металлов, суспензий алюмосиликатов, растворов полиэлектролитов и др.;
• по морфологии или структуре мембраны – на пористые и непористые, симметричные и ассиметричные; с жестким каркасом и без него, изотропные,  анизотропные, композитные (композиционные) и импрегнированные и пр.;
• по величине и знаку заряда – на сильно- и слабо- заряженные, катионитовые (с отрицательным) и анионитовые (с положительным фиксированным зарядом).

     Подробное описание основных типов мембран можно найти в нашей публикации, посвященной мембранам или в специальной литературе. Здесь мы остановимся только на тех характеристиках мембран, которые, так или иначе, влияют на процесс обратного осмоса.
     Величина потока, проходящего через обратноосмотическую мембрану, является столь же важной характеристикой, как и ее селективность по отношению к различным типам рас­творенного вещества. Если выбор материала для мембраны основы­вается на характеристических разделительных свойствах материал-растворитель, то величину потока, проходящего через приготовленную из этого материала мембрану, можно повышать/снижать за счет уменьшения/увеличения толщины мембраны. При этом зависимость величины потока, проходящего через мембрану, от ее толщины, можно рассматривать как приблизительно обрат­но пропорциональную толщине мембраны.
     По этой причине большинство мем­бран обратного осмоса выполняются как асимметричные: с плотным верхним слоем (толщиной до 1 мкм) и пористой нижележащей под­ложкой (толщиной 50-150 мкм). Сопротивление транспорту в таких мембранах определяется в основном плотным верхним слоем.
     Важным классом асимметричных мембран для обратного осмоса получаемых методом инверсии фаз, являются эфиры целлюлозы, частности, диацетат целлюлозы и триацетат целлюлозы. Эти материалы чрезвычайно подходят для обессоливания, поскольку они высокопроницаемы для воды в сочетании с весьма низкой проницаемостью для солей. Однако, если характеристические свойства мембран, приготовленных из этих материалов, достаточно хороши, их стабильность по отношению к химическим реагентам, температуре и бактериям очень низка. Во избежание гидролиза полимера такие мембраны, как правило, лучше  использовать в узком интервале условий: при рН 5-7 и температуре ниже 30^оС.
     Среди других материалов, которые часто использовались для обратного осмоса, выделяются ароматические полиамиды. Эти ма­териалы также обладают высокой селективностью по отношению к солям, но поток воды через них немного ниже. Полиамиды могут использоваться в более широком интервале рН, приблизительно 5-9. Главным недостатком полиамидов (или полимеров с амидной группой вообще) является их чувствительность к свободному хлору (Cl), который вызывает разрушение амидной группы. При этом пленки из таких материалов имеют достаточно большую толщину до 150 мкм. Столь толстые пленки мембран приводят к резкому снижению скорости массопереноса. Однако этот эффект компенсируется чрезвычайно высокой поверхностью мембраны в расчете на единицу объема: удельная поверхность достигает 30000 м²/м³.
     Третий класс применяемых мембранных материалов включает по либензимидазолы, полибензимидазолоны, полиамидогидразиды и полиимиды. Однако эти материалы являются весьма специфичными и используются при производстве мембран с определенными свойствами. Различа­ют два типа мембран с асимметричной структурой:

• интегральные или асимметричные мембраны
• композиционные мембраны.

     В асимметричных мембранах, как верхний слой, так и подлож­ка состоят из одного и того же материала. Такие мембраны полу­чают по методу инверсии фаз. В связи с этим важно, чтобы полимерный материал, из которого получают мембрану, был бы растворим в каком-либо растворителе или смеси растворителей. Так как большинство полимеров растворимы в одном или нескольких растворителях, можно изготавливать асимметричные мембраны почти из любого материала. Однако это, конечно, не означает, что все такие мембраны окажутся пригодными для обратного осмоса.
     В композиционных мембранах верхний рабочий слой и расположенная под ним подложка состоят из разных полимерных материалов, что позволяет оптимизировать каждый слой по отдельности. Первой стадией получения композиционной мембра­ны является приготовление пористой подложки. Важными характе­ристиками подложки являются ее поверхностная пористость и рас­пределение пор по размерам. В качестве подложки часто использу­ют ультрафильтрационные мембраны.
     В настоящее время на рынке имеются мембраны двух основных типов, изготавливаемые из ацетилцеллюлозы (смесь моно-, ди- и триацетата) и из ароматических полиамидов. Краткие физико-химические характеристики указанных мембран приведены в Таблице 4.1.

Сравнительные характеристики ОО-мембран                                        Таблица 4.1.

Физико-химические характеристики	Мембраны из ароматического полиамида	Мембраны из ацетилцеллюлозы
Давление, МПа нормальное рабочее максимальное (обратное пермеату)	2,8 0,35	3,0 – 4,2 -
Максимальная температура, °С рабочая хранения	35 40	30 30
Допустимое значение pH	4 – 11	4,5 – 6,5
Подверженность гидролизу	Не подвержена	Очень чувствительна
Степень воздействия бактерий	Не подвержена	Очень чувствительна
Содержание свободного хлора, мг/л максимально допустимое при pH<0,8 непрерывная доза при pH<8	0,1 0,25	0,5 – 1 0,5 – 1
Степень воздействия других окислителей	Очень чувствительна	Средне чувствительна
Срок службы, лет	3 – 5	2 – 3
Солепроницаемость, %	5 – 10	5 – 10

4.3 Основные параметры обратноосмотических мембран

     Основными параметрами обратноосмотических мембран являются:

• Удельная производительность мембраны - количество очищенной воды, проходящей в единицу времени через единицу площади мембраны. Иными словами это количество пермеата может произвести 1 кв. м. поверхности мембраны за сутки или за час. Обозначение: G, J. Единицы измерения: м³/м²*день, м³/м²*час (метрическая система);  галлон/кв.фут*день (GFD), галлон/кв.фут*час (GFH) (англо-америкаская система).
• Селективность определяется как процент растворенного вещества, задержанного мембраной. В обратном осмосе это описывается в терминах отражения NaCl в определенных рабочих условиях (давление, температура, pH, степень отбора концентрата, солесодержание).
• Солепроницаемость – это процентное отношение количества солей, не задержанных мембраной и «проникших» в процессе обратного осмоса в пермеат, к количеству солей в исходной воде.
• Солезадержание – это процентное отношение количества, растворенных солей, задержанных мембраной к количеству солей в исходной воде. По сути дела – это 100% минус солепроницаемость (%). Для однокомпонентного раствора солезадержание равно селективности.
• Степень отбора пермеата (выход пермеата) выражается в процентах и определяется отношением объема очищенной воды к объему входящей воды. Иногда используется величина степени отбора концентрата – отношение объема концентрата к объему входящей воды.

     Рассмотрим последовательно эти характеристики, а также факторы мембранного процесса влияющие на них.
Удельную производительность мембраны по очищенной воде (поток пермеата) J_w можно определить из следующего выражения:

где, ΔP – перепад давления на мембране; А – коэффициент проницаемости воды (м³/м²∙ч∙бар) для данной мембраны, величина которого зависит от коэффициентов растворимости и диффузии воды через мембрану; Δπ– перепад осмотического давления на мембране.
     Таким образом, поток очищенной воды через ОО-мембраны J_w в первую очередь зависит от разницы приложенного давления и осмотического давления на мембране. При этом осмотическое давление напрямую зависит от общего солесодержания исходной воды:

где       π - осмотическое давление; R – универсальная газовая постоянная; Т – температура; с – концентрация.
     Принято считать, что на каждые 100 мг/л твердых веществ, растворенных в воде, приходится приблизительно 0,07 бар (1 psi) осмотического давления.
Поскольку солесодержание пермеата достаточно низкое, а его давление чуть больше атмосферного, то осмотическим давлением со стороны пермеата обычно пренебрегают.
     Удельная пропускная способность мембраны, по проходящей через мембрану соли (растворенных твердых веществ) – удельная солепроницаемость мембраныJs описывается выражением:

где, Δcs – разность концентраций определенного растворенного вещества по обе стороны мембраны (Δcs = cf – cp); В – коэффициент проницаемости для определенного растворенного вещества для данной мембраны, величина которого зависит от коэффициентов растворимости и диффузии этого растворенного вещества через мембрану.
     Очевидно, что в первую очередь поток проходящего через мембрану определенного растворенного вещества напрямую зависит от его концентрации на каждой стороне мембраны и практически не зависит от разности давлений на мембране.
     Селективность мембраны по отношению к данному растворенному компоненту определяется как процент растворенного вещества, задержанного мембраной (солезадержанием), и описывается выражением:

     Очевидно, что в данном выражении только значение перепада давления на мембране является величиной переменной. Таким образом, можно утверждать, что селективность мембраны увеличивается при повышении давления, что связано с уменьшением концентрации определенного растворенного компонента в пермеате.
Рисунок 4.1 иллюстрирует зависимость удельной производительность мембраны (а) и солезадержания (б) от приложенного давления для низконапорной полиамидной мембраны при температуре 25^оС и пропускании через нее водного раствора хлорида натрия с концентрацией 5000 мг/л.
     Как видно из графика 4.1 а, до тех пор, пока приложенное давление не превысит осмотическое 0,7 МПа (100 psi) никакого потока очищенной воды через мембрану не наблюдается, после чего значение удельной производительности мембраны (поток пермеата через мембрану) начинает линейно возрастать, что коррелируется уравнением 1.
     Солезадержание при низком давлении невысокое, а при его повышении быстро возрастает пока не достигнет асимптоты при значении давления 10,5 МПа (150 psi). Скорее всего, это связано с тем, что при почти постоянном значении удельной проницаемости полиамидной мембраны по хлориду натрия при повышении давления происходит быстрый рост удельной производительности по пермеату. А это приводит к разбавлению пермеата или к увеличению селективности.
     Следует отметить, что зависимости, приведенные на рисунке 4.1, были получены при испытании мембраны в идеальных условиях, т.е. в условиях, когда отсутствовали краевые эффекты и неплотности в системе. На практике всегда нужно учитывать дефекты, возникающие при изготовлении мембран и сборке мембранных модулей и влияющие на попадание исходной воды в пермеат.
     Коэффициент проницаемости воды А – величина не постоянная и зависит не только от перечисленных выше величин, но и от температуры.


     Температурную зависимость производительности мембранного модуля можно оценить, используя следующее выражение:

где Q₂₅ – производительность при температуре 25^оС; Q_t – производительность при температуре T, ^оС; е – основание натурального логарифма (е = 2,71828)

где       U – характеристическая постоянная ОО-мембраны (например, для ацетилцеллюлозы равна 2723).

На рисунке 4.2 приведена зависимость отношения Q₂₅/ Q_t от температуры для ОО-мембраны из ацетилцеллюлозы.
     Обычно производительность ОО-мембран при постоянно приложенном давлении увеличивается приблизительно на 3% при росте температуры на один градус. Солепроницаемость мембран также растет прямо пропорционально росту температуры, а вот соотношение между потоками соли и воды, проникающими через мембрану, остаются, по существу, постоянными при различных температурах. Поэтому считается, что селективность мембраны практически не зависит от температуры.

     Селективность ОО-мембран по хлориду натрия отличается от селективности по другим неорганическим и органическим растворенным веществам, поэтому производители ОО-мембран должны предоставлять информацию о селективности мембран по отдельным ионам или веществам.
В Таблице 4.2 приведены данные по селективности для типичной композитной ОО-мембраны.

            Таблица 4.2.

Ион	Содержание в исходной воде, мг/л	Содержание в пермеате, мг/л	Селективность, %
Кальций	61	0,2	99,6
Натрий	150	3,0	98,0
Калий	12	0,3	97,4
Гидрокарбонат	19	0,7	96,2
Сульфат	189	0,4	99,8
Хлорид	162	2,9	98,2
Нитрат	97	3,5	96,4
Общее солесодержание (TDS)	693	11,0	98,4

     Из таблицы видно, что селективность задержания двухвалентных ионов, таких как кальций или сульфат выше, чем одновалентных ионов, таких как натрия и хлорид.
     Все испытания, описанные выше, и соответственно данные предоставляемые изготовителями ОО-мембран, проводят при низкой степени извлечения пермеата (с низким выходом пермеата), чтобы свести к минимуму эффекты от концентрационной поляризации. Параметры, при которых проводились испытания ОО-мембран, должны быть в обязательном порядке указаны производителями в паспорте на ОО-мембрану.
     Сравнительные условия для тестирования низконапорных ОО-мембран серии 4040 для различных производителей ОО-мембран представлены в Таблице 4.3 (в качестве примера).

Таблица 4.3.

Параметр испытания	Фирма-изготовитель
	Hydranautics	FILMTEC	TORAY	Lewabrane
Концентрация NaCl, мг/л	1500	2000	2000	2000
Значение рН	6,5 – 7,0	7,0	7,0	7,0
Температура, оС	25	25	25	25
Степень извлечения пермеата, %	15	15	15	15
Рабочее давление, МПа (psi)	1,05 (150)*	1,55 (225)	1,55 (225)*	1,55 (225)

* - паспортное рабочее давление ОО-мембраны.

5. КОНЦЕНТРАЦИОННАЯ ПОЛЯРИЗАЦИЯ

     Мы уже говорили о том, что обратный осмос относится к мембранным массообменным процессам с поперечным током. Поэтому, как и в любом гидродинамическом процессе, жидкость, прилегающая к поверхности мембраны, перемещается медленнее, чем ее основной поток. В то время как основной поток может быть турбулентным, приповерхностный слой жидкости у мембраны остается ламинарным. Этот слой называется пограничным слоем. При прохождении воды через мембрану (т.е. в момент разделения потока исходной воды на пермеат и концентрат) практически все ионы солей остаются в пограничном слое вблизи поверхности мембраны. Этот эффект был назван концентрационной поляризацией и характеризуется коэффициентом концентрационной поляризации:

где, С_м – концентрация соли в основном потоке; С_в – концентрация соли в пограничном слое.
     Таким образом, в пограничном слое концентрация солей становится выше, чем в основном потоке. За счет возникающего при этом градиента концентраций  ионы солей начинают диффундировать обратно в основной поток.
     Эффект концентрационной поляризации, при которой увеличивается концентрация солей на поверхности ОО-мембраны, приводит к увеличению осмотического давления на ней, что снижает удельную производительность мембраны по пермеату. Оценить это снижение можно по следующему уравнению:

     В Таблице 5.1 приведены данные о влиянии эффекта концентрационной поляризации на удельную производительность и селективность ОО-мембраны при различном солесодержании исходной воды - TDS (2000, 5000 и 35000 мг/л) и начальных значениях: удельной производительности 34 л/м²∙ч (20 GFD) и перепаде давления 2,8 МПа (400 psi) при исходной селективности (в отсутствие эффекта концентрационной поляризации) – 99%, т.е. β = 1.

Таблица 5.1.

     Концентрационная поляризация не может быть устранена полностью, но эффект от нее может быть сведен к минимуму за счет уменьшения толщины пограничного слоя. Это достигается путем увеличения скорости потока по всей поверхности мембраны или путем установки различных конструкционных элементов на пути следования потока воды, которые будут турбулизировать это поток (так называемые турбулизаторы или турбулентные вставки).
     Для преодоления возникновения эффекта концентрационной поляризации при эксплуатации систем необходимо всегда следовать рекомендациям производителей ОО-мембранных элементов по минимальному протоку и максимальной степени извлечения пермеата (выхода пермеата), особенно когда речь идет об обессоливании вод с высоким солесодержанием или опреснении морской воды. Большинство производителей ОО-мембран предоставляют программное обеспечение для расчета обратноосмотических установок с целью сведения минимального воздействия концентрационной поляризации и обеспечения максимальной степени извлечения пермеата (выхода пермеата).
     Снижение потока фильтрата может быть вызвано несколькими причинами — концентрационной поляризацией, адсорбцией, образованием слоя геля и забиванием пор. Все эти факторы создают дополнительное сопротивление транспорту через мембрану. Вклад этих эффектов в общее сопротивление транспорту через мембрану в основном определяется типом мембранного процесса и свойствами фильтруемой среды, подающейся на мембрану. На рис.5.1 схематически изображены все типы дополнительных сопротивлений, возникающих на мембране.
     В идеальном случае на скорости потока фильтрата должно сказываться толь­ко мембранное сопротивление R_m.Однако если мембрана пропускает преимуще­ственно какой-то из компонентов, а в некоторых случаях полностью удерживает растворенные вещества, это приводит к накоплению мо­лекул, не способных проникать через мембрану, вблизи ее поверхно­сти. Таким образом, вблизи мембраны возникает высококонцентрированный слой растворенных веществ, препятствующий массопереносу. Такое сопротивление называют сопротивлением концентрационной поляризации R_cp.
     Поляризационные явления наблюдаются во всех мембранных процессах и сопровождают все процессы разделения. Со временем концентрация накапливающихся у поверхности мембраны растворенных веществ может стать очень высокой и вызывать образование слоя геля. Этот гелеподобный слой (даже очень тонкий) создает огромное  дополнительное сопротивление потоку исходной жидкости (R_g), порой приводящее к полному прекращению процесса разделения.Такое явление весьма характерно для высокомолекулярных органических веществ (например,  длярастворов белков). Особенностью возникновения гелеподобных отложений на поверхности мембраны можно считать процесс выпадения в осадок на поверхности мембран некоторых малорастворимых солей в результате их концентрирования у поверхности мембраны. С такими явлениями чаще всего сталкиваются при обратноосмотической фильтрации солоноватых вод из глубоких артезианских скважин (отложения малорастворимых солей кальция, магния (например, карбонатов или сульфатов)).
     В случае пористых мембран некоторые компоненты могут проникать внутрь мембраны и блокировать поры. Это дополнительное сопротивление называют сопротивлением блокированных пор R_р. И, наконец, к возникновению сопротивления может приводить адсорбционная способность материала мембраны, R_a. Адсорбция может происходить как на поверхности мембраны, так и на стенках пор. Как правило, вклад этого фактора в общее сопротивление невелик (исключением являются процессы разделения высокомолекулярных веществ, имеющих ассиметричное строение и наведенный дипольный момент).
Снижение скорости фильтрации отрицательно сказывается на технико-экономических показателях, как каждой мембранной операции, так и работы установки в целом. Поэтому необходи­мо предпринимать определенные меры для устранения причин, приводящих к этому явлению. Об этом речь пойдет ниже.

6. ОБРАТНООСМОТИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ

      Из обратноосмотических мембран формируются обратноосмотические элементы (ОО-элементы). По типу применяемой мембраны ОО-элементы различаются на половолоконные и спирально-навитые.

6.1. Обратноосмотические элементы из полых волокон.
     Первые промышленные ОО-элементы с асимметричной мембраной на основе полых волокон из ароматического полиамида с внутренним диаметром 42 мкм и наружным 85 мкм, на рабочую поверхность которых наносился слой ассиметричной мембраны толщиной 0,1-1 мкм были разработаны фирмой DuPont (Франция). Стандартный ОО-элемент диаметром 10 дюймов содержал около 4,4 миллионов таких волокон. Они укладывались в модуль в виде трубной решетки и их торцы герметизировались эпоксидной смолой.
Полые волокна с ассиметричной мембраной могут быть соединены в толстостенный пористый цилиндр, прочность которого зависит от соотношения наружного и внутреннего диаметров. Волокна размещаются в виде параллельных пучков. Зазор между волокнами можно зафиксировать с помощью спиральной нити, навиваемой на волокна. Разделяемый раствор движется вдоль наружной поверхности волокон. Под давлением часть жидкости проходит через стенки волокон, пермеат перемещается вдоль канала волокна. При условии, что это соотношение остается постоянным по мере того, как оба диаметра увеличиваются, механическая прочность цилиндра будет постоянна, вопреки снижению толщины стенок, что увеличивает расход воды, проходящей через стенку. Благодаря этому имеется возможность создать мембрану с максимальной площадью поверхности на единицу объема, которая в то же время способна противостоять высоким давлениям без механического усиления. Рекордная удельная поверхность мембран – 20000 м²/м³ была достигнута уже упомянутой фирмой DuPont в установках с мембранами в виде полых волокон U-образной формы.
     В этой конструкции (см. Рис.6.1) несколько сотен тысяч волокон, сложенных в виде буквы U (поз.4), монтируют внутри напорного резервуара из стекловолокна. Для чего, нарезанные в размер по длине, полые волокна собирают в пучок и сгибают пополам на 180 градусов в виде «петель» таким образом, чтобы «выходы» и «входы» трубок находились с одной стороны пучка.  Затем концы трубок заливают специальным полимерным клеем. После застывания клея часть его срезают, чтобы вскрылись входы в трубки. Затем эту конструкцию помещают в корпус, направляющий поток воды, и фильтр-элемент готов!
     Высокая удельная поверхность модуля была достигнута за счет использования очень малых диаметров волокон (обычно полые волокна имеют наружный диаметр 45 – 200 мкм и толщину стенки 10 – 50 мкм).  Очищаемая вода (см. Рис.6.1, поз.1) под давлением распределяется радиально внутри модуля с помощью пористого или перфорированного коллектора (поз.6), проходящего по всей длине модуля. На наружной поверхности волокон исходная вода под давлением разделяется на концентрат (грязную воду) и очищенную воду (пермеат), который проходит  через стенки волокон (поз.4) и скапливается в центральном канале (волокна), откуда она поступает на выход из волокон. Затем пермеат собирается пористым диском (поз.9) и выводится из модуля (поз.2). Свободные концы волокон закреплены в непроницаемой пластине из эпоксидной смолы (поз.5). Концентрат собирается в пространстве между наружными поверхностями волокон, проходит через пористую пластину (поз.7) и выводится через отверстие (поз.3), расположенного входной торцевой пластине модуля (поз.8), там же, где вход исходной воды. 
     Рис.6.1. Принципиальная конструкция ОО-элемента из полых волокон.
Цифрами обозначены: 1 – вход исходной  воды; 2 – выход очищенной воды (пермеат); 3 – выход кон­центрата; 4 – полые волокна из ОО-мембраны; 5 – замок  из эпоксидной смолы; 6 –распределительная  труба; 7 – пористый диск; 8 – входная торцовая пластина; 9 – выходная торцовая пластина; 10 – О-образная прокладка; 11– упорная  шайба.

     Вообще производство и совершенствование ОО-элементов на основе половолоконных мембран неразрывно связано с фирмой DuPont.
     В 1974 году фирма DuPont разработала и внедрила первые половолоконные ОО-элементы серии Permasep. Это были 4-х дюймовые элементы с производительностью 5,7 м³/сутки (1500 GPD) и селективностью 98,5% (при условиях испытаний: раствор – 30000 мг/л NaCl, давление – 5,5 МПа (800 psi), выход пермеата – 30%, температура – 25^оС).
     В период с 1974 по 1997 год фирма DuPont  постоянно совершенствует конструкцию и производительность своих половолоконных ОО-элементов. Так в 1992 году были внедрены двухпроходные модули (модель 6880T), имеющие производительность 60,5 м³/сутки (16000 GPD) и селективностью 99,55% (при условиях испытаний: раствор – 35000 мг/л NaCl, давление – 6,9 МПа (1000 psi), выход пермеата – 35%, температура – 25^оС).
     А незадолго до прекращения выпуска половолоконных ОО-элементов была представлена модель SW-H-8540, выполненная в виде единого блока, имеющего 8 ½ дюйма и длиной 40 дюймов, с производительностью 30,3 м³/сутки (8000 GPD) и селективностью 99,6% (при условиях испытаний: раствор – 35000 мг/л NaCl, давление – 6,9 МПа (1000 psi), выход пермеата – 35%, температура – 25^оС).
     Для опреснения морской воды за один проход в период с 1983 по 1997 года фирмой DuPont были разработаны половолоконные ОО-элементы серии Permasep SWRO, имеющие следующие характеристики:

• выход пермеата 30 – 50%;
• рабочее давление 6,9 – 8,3 МПа (1000 – 1200 psi);
• качество пермеата < 500 мг/л при исходной морской воде с солесодержанием с 36000 – 45000 мг/л и температурой 17 – 38^оС;
• удельное потребление электроэнергии 3,7 – 8,2 кВт*ч/м³.

     Первоначально (в 70-х годах ХХ века) половолоконные ОО-элементы имели некоторые преимущества перед ОО-элементами спирального типа за счет простоты конструкции и более высокого рабочего давления (до 8,3 МПа (1200 psi)), что позволяло достичь более высокого выхода пермеата (до 60% при исходной солесодержании 38000 мг/л и температуре 25^оС).
     Однако, ряд трудноустранимых недостатков в работе половолоконных мембран стал той отправной точкой, которая позволила провести постепенное  вытеснение с рынка ОО-элементов на их основе. Так, например, было выяснено, что для получения определенной удельной производительности к спирально-навитому модулю необходимо приложить давление на 50% меньше, чем к половолоконному.
     Высокая удельная поверхность мембран, в конечном счете, обусловлена малыми поперечными размерами каналов, по которым движется концентрат и в особенности пермеат. Это приводит к большой потере напора в этих каналах. Поэтому скорость течения вдоль этих каналов ограничена. В результате в аппаратах с полыми волокнами сильно выражены трудности, связанные с концентрационной поляризацией, что вынуждает проводить предподготовку особенно тщательно, например индекс SDI должен быть менее 3 (для спирально-навитых модулей допускается до 5).
     Кроме того осадки на мембранах при их загрязнении и обрастании солями жесткости было трудно удалить из-за низких скоростей поперечного потока и относительно ограниченном рабочем диапазоне значений рН (4 – 11).
     И вот в конце 80-х начале 90-х голов прошлого века половолоконные ОО-элементы фирмы DuPont начали терять свои позиции на рынке, уступая спирально-навитым, технология производства которых начала стремительно развиваться из-за жесткой конкуренции таких фирм как: Filmtec / Dow, Rohm & Haas / Hydranautics, Toray, Fluid Systems / Koch, TriSep и Osmonics / General Electrics  и др. Это все привело к снижению цен на спирально-навитые модули, и для компании DuPont производство половолоконных ОО-элементов становится не привлекательным с экономической точки зрения. DuPont сворачивает их производство.
     Однако производство половолоконных ОО-элементов в мире не исчезло полностью. Несколько фирм продолжают выпускать такие модули.

6.2. Спирально-навитые обратноосмотические элементы.
Спирально-навитые обратноосмотические элементы (другое их название рулонные обратноосмотические элементы) нашли наиболее широкое применение.
     В этой конструкции (см. Рис.6.2) на центральную трубу (поз.7), по которой отводится фильтрат, навивается «сэндвич», состоящий из двух ОО-мембран (поз.4), сеток-турбулизаторов (поз.5) и прокладки для сбора пермеата (поз.6). Ключевым этапом изготовления спиральных рулонных мембранных модулей является послойная укладка мембран и прокладок вокруг перфорированной трубки отвода пермеата, прокатка и герметизация этой спиральной конструкции. Сжимающая нагрузка, возникающая во время прокатки, вызывает уплотнение спирали, и, как следствие, сжатие прокладки исходной воды и смежных с ней слоев. После прокатки на полученный цилиндр наносится внешнее покрытие из армированного стекловолокна (поз.8) и устанавливаются антителескопические крышки (поз.9).
Вода, подлежащая деминерализации (поз.1), протекает параллельно центральной трубе через щель, образованную сеткой-турбулизатором (поз.5) между двумя активными поверхностями мембран (поз.4) и продавливается через мембраны. Фильтрат (пермеат) собирается внутри пористого материала (поз.6) и по нему движется к центральной трубе (поз.7). Концентрат (поз.2) отводится через перфорацию в крышке (поз.9).
     Конечно, обратноосмотическая мембрана является центральным технологическим элементом всей конструкции, однако, нельзя не принимать во внимание и другие конструктивные элементы, которые могут улучшить процесс массопереноса и повысить энергоэффективность процесса обратного осмоса.

     Рис.6.2: Принципиальная конструкция спирально-навитого ОО-элемента.
Цифрами обозначены:
1 – исходная вода;
2 – выход концентрата;
3 – выход фильтрата (пермеата);
4 – ОО-мембрана; 
5 – прокладка (сетка-турбулизатор);
6 – прокладка для сбора пермеата;
7 – перфорированная труба для сбора пермеата;
8 – внешнее покрытие из стекловолокна;
9 – крышка.

     Несмотря на свою цилиндрическую конфигурацию ОО-элемент рулонного типа по существу является массообменным устройством с поперечным током, т.к. исходная вода проходит через модуль в осевом направлении, а пермеат движется по спирали  в радиальном – в сторону перфорированной трубки для его сбора.
     За последние 20 лет конструкция и характеристики спирально-навитых мембранные элементов были значительно улучшены. Их производительность возросла более чем в два раза, а солепроницаемость снижена почти в три раза. Так, например, фирме FILMTEC удалось увеличить площадь поверхности мембраны в 8-и дюймовом модуле с 28 м² (300 sq.ft) (1980 год) до 41 м²(440 sq.ft), а самое главное то, что пути для дальнейшего увеличения площади поверхности тоже просматриваются. Это можно достигнуть за счет уменьшения толщины прокладок, правда будет возможно до тех, пока будет конструкция модуля останется жесткой. А вот появление на рынке новой серии – 16-и дюймовых мембранных ОО-элементов резко позволяет увеличить площадь поверхности в 4,3 раз до 158 м² (1725 sq.ft).
Кроме того, максимальное рабочее давление спирально-навитых мембранных ОО-элементов возросло с 6,9 МПа (1000 psi) до 8,3 МПа (1200 psi), что позволило увеличить степень отвода пермеата до 60% и более. Это стало возможным путем внесения конструктивных изменений в системы отвода пермеата и концентрата. Не прекращается работа по совершенствованию конструкции соединительных элементов, в том числе торцевых крышек ОО-элемента.
     Последние достижения в области совершенствования конструкции спирально-навитого ОО-элемента способствуют значительной экономии средств, затрачиваемых на изготовление установок обратного осмоса, и делают эту технологию более доступной и широко распространенной в различных частях света.
     С некоторых пор все фирмы-изготовители рулонных мембранных элементов пришли к единой системе конструктивных размеров, которые позволяют при необходимости заменить ОО-элемент, выпускаемый одной фирмой, на другой, аналогичный по размерам и характеристикам. В соответствии с этой системой ОО-элементы для промышленного и полупромышленного применения выпускают с наружными диаметрами 2,5”; 4”; 8” и 16”. Длина модулей варьируется.
     На Рис.6.3 и Таблице 6.1  приведены эскизы и размеры обратноосмотических рулонных элементов с наружными диаметрами 2,5” и 4”.

Таблица 6.1.

Тип ОО-модуля	Наружный диаметр (D), мм (дюймы)	Длина (А), мм (дюймы)	Размеры присоединительного штуцера
			Длина (В), мм	Диаметр (С), мм
2514	61 (2,5)	356 (14)	30	19
2521		533 (21)
2526		660 (26)
2540 (61–1016) *		1016 (40)
4014	99,4 (4,0)	256 (14)	27
4021		533 (21)
4025		635 (25)
4040 (100–1016)*		1016 (40)

* обозначения отечественных элементов

На Рис.6.4 и Таблице 6.2  приведены эскизы и размеры обратноосмотических рулонных элементов с наружными диаметрами 8” и 16”.

 

 

 

 

Таблица 6.2.

Тип ОО-модуля	Наружный диаметр (D), мм (дюймы)	Длина (А), мм (дюймы)	Длина (В), мм	Диаметр (С),мм (дюймы)
8040 (200–1016) *	201(8)	1016 (40)	–	29
1640	401,8 (16)			76,2 (3)

* обозначения отечественных элементов

     В ходе дальнейшего обсуждения мы будем делать акцент на 8-и дюймовую конфигурацию спирально-навитых ОО-элементов, которые наиболее широко используются в ОО-установках, предназначенных для промышленного и муниципального водоснабжения.

7. ОБРАТНООСМОТИЧЕСКИЕ МОДУЛИ
     ОО-элементы собираются в пакеты внутри специальных держателей (обратноосмотических модулей), обеспечивающих как герметизацию торцов ОО-элементов, так и их «работу». Держатели ОО-элементов, или как еще их называют высоконапорные корпуса обратноосмотических мембран, выпускаются под все размеры ОО-элементов 2,5”; 4”; 8” и 16” с различной длиной и в зависимости от количества размещаемых в корпусе мембран могут однопатронными и мультипатронными (по аналогии с фильтродержателями для микрофильтрации). Материалом для изготовления служит армированное стекловолокно или нержавеющая сталь.

 

 

 

 

 

 

 

 

     При работе давление обрабатываемой воды воспринимается только самим корпусом. Конструктивно держатель для ОО-элементов представляет собой полый цилиндр с рядом уплотнительных элементов и торцевыми крышками. Входные/выходные патрубки для подвода/отвода воды размещаются либо на обечайке корпуса, либо на торцевых пластинах.  На рисунке показан разрез торца высоконапорного композитного корпуса для мембран 4” с установленным ОО-элементом и без него.
     В корпусе держателя могут последовательно размещаться от 1-ого до 8-ми ОО-элементов таким образом, что концентрат из каждого предыдущего элемента представляет собой исходную воду для следующего.

     Принципиальная конструкция типичного ОО-модуля высокого давления из композитных материалов, в котором размещены три спирально-навитых ОО-элемента, показана на рисунке 7.1. Исходная вода (поз.1) поступает в ОО-модуль через резьбовое отверстие, расположенное на торцевой входной крышке (поз.8), распределяется внутри корпуса держателя ОО-элементов (поз.4)  и подается на первый ОО-элемент (поз.5). Для центровки ОО-элемента в центральный дренажный канал ОО-элемента вставляется втулка, одновременно служащая заглушкой для потока пермеата. В ОО-элементе исходная вода разделяется по пермеат и концентрат. Первый собирается в центральном дренажном канале (перфорированной трубе), а второй направляется в следующий ОО-элемент. На нем также происходит аналогичное разделение. При этом U-образная прокладка второго ОО-элемента разделяет поток исходной воды (концентрат первого ОО-элемента) от потока концентрата, образующего на втором ОО-элементе. Далее, в третий. Все ОО-элементы по центральной дренажной трубе соединяются между собой втулками, которые снабжены О-образными уплотнительными кольцами, утопленными в паз для предотвращения смещения при монтаже. В образованный таким образом канал собирается весь пермеат, который был получен со всех ОО-элементов. От последнего стоящего в ряду ОО-элемента пермеат отводится точно также через втулку, которая соединяется с торцевой крышкой (поз.2). Концентрат от последнего ОО-элемента также отводится через резьбовое отверстие в торцевой крышке (поз.3).

     Рис.6.2: Принципиальная конструкция спирально-навитого ОО-модуля с тремя ОО-элементами.
     Цифрами обозначены:1 – исходная вода; 2 – выход фильтрата (пермеата);  3 – выход концентрата; 4 – корпус ОО-модуля;5 – спирально-навитые ОО-элементы; 6 – U-образная прокладка ОО-элемента;7 – втулка, соединяющая ОО-элементы для сбора пермеата;
8 – входная торцевая крышка;9 –выходная торцевая крышка.

     В качестве примера на следующей странице приведены габаритные размеры для стандартных высоконапорных композитных корпусов для мембран диаметром 8" для различных рабочих давлений, выпускаемых фирмой «CodeLine»

8. УСТАНОВКИ ОБРАТНОГО ОСМОСА

      Обратный осмос имеет очень широкий спектр использования, который условно можно подразделить на две основные группы:

1. Очистка растворителя. В этом случае продуктом является пермеат
2. Концентрирование растворенного вещества. В этом случае продукт — концентрат.

     Основным направлением использования обратного осмоса является очистка воды,главным образом обессоливание солоноватых вод и особенно морской воды с целью получения питьевой воды. Другой важнойобластью применения обратноосмотических установок является – использование обратного осмоса как стадии предварительного обессоливания воды при производстве ультрачистой воды (деионизованной воды) для полупроводниковой, медицинской и теплоэнергетической отраслей промышленности.
     На стадии концентрирования обратный осмос широко используется в пищевой промышленности (концентрирование фруктовых соков, сахара, кофе) и в молочной промышленности (для концентрирования молока на начальной стадии сыроделия), а также при очистке сточных вод (в гальванике для концентрирования гальваностоков).

8.1. Состав установки обратного осмоса.
            Теперь, давайте остановимся на назначении отдельных составляющих установки обратного осмоса. На Рис.8.1 приведен общий вид ОО-установки. На Рис.8.2 представлена принципиальная технологическая схема типовой одноступенчатой обратноосмотической установки.
     Первой стадией процесса обратного осмоса является тонкая очистка исходной воды от механических примесей. Обычно для этого используются фильтры патронного типа, размещаемые в однопатронных или мультипатроных фильтродержателях в зависимости от производительности ОО-установки. Механизм работы патронных фильтрующих элементов относится к микрофильтрации, а именно к глубинной и/или поверхностной фильтрации, т.е. механические примеси, задерживаемые фильтрующим элементом, накапливаются внутри слоя фильтрующей перегородки.
     Вода, очищенная на патронных фильтрах, подается на насос высокого давления, назначением которого является достижение давления исходной среды расчетного давления для осуществления массообменных процессов, протекающих на полупроницаемых обратноосмотических мембранах. Подбор высоконапорного насоса производится исходя из его рабочей характеристики. При этом рабочая точка насоса должна находится в диапазоне от 0,6 – 0,7 максимальной его производительности.
     При невозможности установить «паритет» между давлением и производительностью насоса (а это бывает чаще всего) между всасывающим и нагнетающим патрубками насоса устанавливается байпассный вентиль, с помощью которого и осуществляется данная операция (по показаниям ротаметра и манометра исходной воды, поступающей на обратноосмотические модули). Регулировка процесса повышения давления исходной воды производится один раз в процессе пуско-наладочных работ. В процессе эксплуатации ОО-установки осуществляется только контроль рабочих параметров исходной воды.
     Из насоса высокого давления поступает на ОО-модули, в которых размещены обратноосмотические элементы, на ОО-мембранах которых собственно и происходит разделение исходной воды на пермеат и концентрат. Концентрат, выходящий из установки обратного осмоса, имеет достаточно высокое давление и его транспортировка к месту сброса или утилизации не вызывает особых трудностей. Давление же пермеата после обратноосмотической установки редко превышает 1 атм. Поэтому, чаще всего его приходиться подавать в накопительную емкость, откуда с помощью повышающего насоса он транспортируется на дальнейшие стадии очистки.
     Несколько отдельных ОО-модулей, размещенных параллельно или последовательно по отношению друг к другу, образуют кас­кад. Задача инженера, проектирующего ОО-установку – собрать модули таким образом, чтобы оптимизировать систему при минимальной себестоимости продукта. Схема потоков в модуле является одним из главных факторов, определяющих степень достигаемого разделения и качественные характеристики работы установки. В принципе в одностадийном или многостадийном процессах обратного осмоса используются две базовые конфигурации потоков: 1) однопроходная система и 2) система с рециркуляцией (см. рис. 8.3 – схемы однопроходной и рециркуляционной систем).

 

      В однопроходной системе сырьевой раствор проходит через един­ственный модуль (одностадийная система) или систему модулей (многостадийна система) только один раз, т. е. здесь рециркуляция отсутствует. Другими словами, объемная скорость по­тока над мембраной уменьшается по мере продвижения от входа в мо­дуль к выходу из него. В многостадийных однопроходных процессах это снижение потока компенсируется определенной сборкой модулей, так называемая коническая каскадная схема («елочка»), как это по­казано на рис. 8.4 а. При такой конфигурации установка может быть спроектирована так, чтобы скорость потока оставалась факти­чески постоянной. Для этой системы характерно то, что общая, длина пути над мембраной и падение давления велики. Фактор уменьшения объема, т.е. отношение начального объема сырья и объема концентрата, определяется главным образом конфигурацией «елочка», а не приложенным давлением.
     Другая конфигурация – это рециркуляционная система, показан­ная на рис.8.4 б. В этом случае сырье компримируется и прока­чивается несколько раз через одну и ту же ступень, состоящую из нескольких модулей. Каждая ступень снабжена рециркуляционным насосом, что позволяет оптимизировать гидродинамические условия. При этом наблюдается лишь небольшое падение давления в каждой ступени, где можно регулировать скорость потока и давление. Си­стема рециркуляции сырья является гораздо более гибкой, чем од­нопроходная системами ей отдают предпочтение в процессах микрофильтрации и ультрафильтрации, когда можно ожидать силь­ной концентрационной поляризации и быстрого отложения осадков на мембранах. В то же время, для более простых задач, например при обессоливании морской воды, использование однопроходной си­стемы оказывается экономически оправданным.

     Все установки обратного осмоса оснащаются системой автоматического управления и контроля, в которую, как правило, входят: контроллер для управления ОО-установкой, кондуктометр, измерители расхода (ротаметры), манометры и датчики давления.

9. ЭКСПЛУАТАЦИЯ УСТАНОВОК ОБРАТНОГО ОСМОСА

9.1. Общие сведения
     В начале этого раздела надо отметить следующие два фактора, существующие при эксплуатации ОО-установки:

• Не существует ни одной ОО-установки, которая бы устойчиво работала без надлежащего выполнения всех регламентированных работ.
• Правильная эксплуатация установки не всегда может предотвратить возникновение застойных зон воды и образование осадков на обратноосмотических мембранах.

     Давайте разберемся с термином «надлежащая или правильная эксплуатация». При работе ОО-установки это понятие включает в себя не только тщательное выполнение операций по поддержанию технологических параметров работы установки обратного осмоса, но и системы предварительной подготовки исходных растворов, и замену фильтрующих элементов, и пр. и пр.

Станция очистки воды с использованием технологии обратного осмоса, как правило, включает в себя отдельные участки, которые показаны на рисунке 9.1.

     Первый участок, исходя из опыта инженерной практики, оснащается оборудованием для предварительной обработки воды, которое предназначено для подготовки воды до требований, соответствующих параметрам, рекомендуемым фирмами-производителями обратноосмотических элементов. После предварительной обработки вода подается на установку обратного осмоса, на обратноосмотические мембранные элементы, размещенные в корпусах высокого давления. Под воздействием давления на поверхности мембраны поток исходной воды разделяется на продукт (пермеат), который проходит через мембрану и на заданное количество отходов (концентрат), которое сбрасывается в дренаж. Пермеат обратного осмоса направляется на участок дальнейшей обработки (участок пост-обработки пермеата), где размещается оборудование для удаления из пермеата диоксида углерода (оборудование для декарбонизации) и/или корректируется химический состав пермеата (дозируются химические вещества), или производиться дальнейшее обессоливание воды до требуемого условиями основного технологического процесса.

9.2. Анализ исходных данных.
     Установка обратного осмоса будет настолько хорошей, насколько конкретизирована задача при ее подборе.
Первый шаг в этом направлении – убедиться, в каком состоянии находится качество исходной воды. К требуемым аналитическим показателям качества исходной воды мы еще вернемся при рассмотрении труднорастворимых соединений. Этот крайне важно. Чем выше производительность проектируемой системы очистки, тем больше будет значение анализа исходной воды. Чаще всего Заказчики установок обратного осмоса просто не готовы платить за полный анализ исходной воды. Другой проблемой является недоступность аналитических центров, где могут выполнить такой анализ.
На этом же этапе нужно как можно больше узнать, об источнике исходной воды. Поскольку при очистке поверхностной воды может возникать больше проблем, чем для артезианской воды, и наоборот. Если же происходит их смешение, это может оказаться «двойной нагрузкой» на систему очистки. Нужно выяснить о сезонных колебаниях и температуры исходной воды, и ее состава.
     Целью всей этой работы является одно – понять: насколько сложен состав исходной воды, и установить последовательность ее правильной предварительной обработки перед установкой обратного осмоса для получения «корректно подготовленной исходной воды».
     На следующем этапе надо разобраться в том, какое количество воды будет потребляться, когда и как она будет расходоваться. Старайтесь избегать ошибок, например, зная, что потребление воды составляет 10000 л в «день», и не учитывая при этом, что «день потребления» составляет 8 часов.
     И, наконец, нужно точно выяснить какой степени очистки нужен пермеат после ОО-установки, и насколько его качество будет соответствует либо области применения (отрасли промышленности), либо для любой последующей обработки, которая позволит обеспечить потребителя водой надлежащего качества с определенным расходом и давлением.
Только после этого можно определить какую конфигурацию нужно выбрать для будущей установки обратного осмоса.

9.3. Предварительная обработка воды.
     Правильный вы­бор метода подготовки исходной воды является первым шагом к сниже­нию процессов осадкообразования на обратноосмотических мембранах. Часто масса времени и усилий тратятся на очистку мембран, тогда как о стадии предварительной обработки исходной воды просто забывают.
     Что означает термин «корректно подготовленная вода»? Хотим обратить Ваше внимание на показатели содержания отдельных ингредиентов в исходной воде, значения которых определяют эксплуатационные характеристики установок обратного осмоса, надежность и долговечность их работы. (см. Таблицу 9.1). Для сравнения в этой же таблице приведены значения этих же веществ согласно требованиям СанПиН 2.1.4.1074.

Сравнительные показатели качества воды                                      Таблица 9.1.

Наименование ингредиента	Единицы измерения	Требования в соответствии с СанПиН	Требования к исходной воде для ОО-установок
Взвешенные вещества (мутность),  не более	мг/л	1,5	0,6
Жесткость общая, не более	мг-экв/л	7,0	20
Общее солесодержание, не более	мг/л	1000	50 000
Цветность, не более	градус	20	3
Значение рН исходной воды, не более		6 – 9	3 – 10
Коллоидный индекс (SDI), не более	мг/л	–	0,4
Железо общее, не более	мг/л	0,3	0,1
Нефтепродукты	мг/л	0,1	отсутствие
Сероводород и сульфиды	мг/л	0,003	отсутствие
Твердые абразивные частицы	мг/л	–	отсутствие
Свободный активный хлор не более	мг/л	0,3	0,1
Окисляемость перманганатная, не более	мгО2/л	5,0	2,0

Различия в требованиях, предъявляемых для исходной воды согласно СанПиН и для ОО-установок, касаются практических всех показателей качества воды, т.е. взвешенных веществ и цветности воды, нефтепродуктов, ПАВ, окисляемости, коллоидов (железа, кремниевой кислоты). Поэтому процессам предварительной подготовки исходной воды перед тем, как подать воду на обратноосмотическую установку следует уделить большое внимание.
В зависимости от степени загрязненности исходной воды методы ее предварительной обработки перед установками обратного осмоса могут включать в себя: тепловую обработку, регулирование рН,  пропорциональное дозирование комплексообразующих агентов, биоцидов (окислителей), коагулянтов с помощью насосов-дозаторов, аэрацию, обезжелезивание, адсорбцию на активированном угле, механическая очистка и осветление воды, умягчение (Na-катионирование), предвари­тельные микрофильтрацию или ультрафильтрацию, обеззараживание воды с помощью установок ультрафиолетовая стерилизации.
     Все эти методы очистки достаточно широко были освещены нами в статье, посвященной получению деионизованной воды.
     Чаще всего основной проблемой, с которой сталкиваются при эксплуатации установки обратного осмоса, является биообрастание обратноосмотических мембран. При этом предварительная обработка исходной воды может оказывать незначительное влияние на этот процесс. Например, размещение блока ультрафиолетовой стерилизации в голове процесса предварительной обработки может незначительно повлиять на загрязнение ОО-установки. Почему? Надо учитывать то, что УФ-стерилизация убивает или дезактивирует до 99,9% бактерий, находящихся исходной воде, но все же их некоторое количество («живых» и «мертвых») проникает дальше, и в том числе в обратный осмос. «Живые» бактерии могут использовать разлагающиеся «мертвые» бактерии в качестве пищи для своего роста.
     Второй пример – под химическим воздействием хлора, озона или других окислителей разрушаются жизненно важные молекулы бактерий, убивая бактерии или делая их неспособными к размножению. Кроме того, эти окисляющие соединения расщепляют относительно большие органические молекулы, находящиеся в питательной воде, которые бактерии не могут использовать в своем питании, превращая их в более мелкие, легко усваиваемые ими молекулы. Обрастание после процессов хлорирования/дехлорирования или после озонирования/деозонирования может быть очень высоким.
     Дозирование химических реагентов  в процессе предварительной подготовки воды становится неотъемлемым процессом для ОО-систем. Резервуары подачи таких химикатов, как антискалант (ингибитор осадкообразования), коагулянт, хлор или восстановитель (например, бисульфит или метабисульфит натрия) могут самостоятельно стать источниками загрязнения. Чтобы предотвратить это тщательно изучайте все рекомендации поставщиков ОО-системы или изготовителей химических реагентов, чтобы определить соответствующие условия для выбора условий эксплуатации резервуаров. Часто наиболее оптимальными подходами к решению данной проблемы являются: использование постоянных поставщиков, полная замена запасов реагента и полная очистка резервуаров.
     И, наконец, особое внимание следует сосредоточить на содержании в исходной воде активного хлора. Дело в том, что активный хлор весьма отрицательно воздействует на обратноосмотические мембраны и вызывает их деструкцию (разрушение). Поэтому, если в процессе предварительной очистки воды используются хлорсодержащие агенты, следует обязательно вводить стадию адсорбционной очистки воды на активном угле или дехлорирование путем дозирования бисульфита натрия. Адсорбция при этом поможет снизить такой показатель, как окисляемость воды, отвечающий за общее содержание органических соединений в исходной воде. Однако процесс адсорбции нужно применять только в том случае, когда есть полная уверенность в микробиологической безопасности исходной воды.
     После всех стадий предварительной подготовки исходной воды непосредственно перед установкой обратного осмоса вода должна обязательно пройти стадию тонкой очистки – микрофильтрации на картриджном фильтре.  Это либо однопатронный (для установок обратного осмоса малой производительности), либо мультипатронный фильтродержатель (или несколько включенных в параллель), состоящий из корпуса с основанием, в котором находятся посадочное (-ые) гнездо (-а) под фильтрующие элементов, и крышки. В качестве фильтрующих элементов обычно используют фильтрующие элементы глубинного типа, изготавливаемые из вспененного и термоскрепленного полипропилена, с условным размером пор 5 мкм. Основным технологическим параметром работы картриджного фильтра, который нуждается в постоянном контроле, является перепад давления на фильтре. Однако нужно помнить еще о том, что фильтры глубинного типа имеют тенденцию «сбрасывать» накопившиеся в фильтрующем слое механические и коллоидные примеси при их «переизбытке» на фильтрующей перегородке или при резких гидравлических ударах.
Для того чтобы как можно больше обезопасить установку обратного осмоса от микробиологического загрязнения последней стадией, как правило, является установка УФ-стерилизации с дозой облучения не менее 25-28 мДж/см.
     Перед первоначальным пуском ОО-установки, т.е. прежде чем исходная вода будет подана на нее, оборудование предварительной обработки воды должно быть выведено на рабочий режим, а все подающие коммуникации тщательно промыты. Можно предусмотреть проведение химической стерилизации финишного блока установки предфильтрации, т.е. картриджного фильтра и УФ-стерилизатора вместе с установкой обратного осмоса. После чего проводится, как минимум, двукратная проверка на отсутствие в исходной предварительно подготовленной воде взвешенных веществ, железа, марганца и проверяется допустимый уровень солей жесткости.
     Фильтры обезжелезивания и умягчения воды должны проверяться на эффективность очистки воды от солей жесткости и/или «проскок» железа. Важно проверять не только очищенную (умягченную) воду, но и исходную. Эту проверку нужно вести постоянно, а не от случая к случаю. «Проскок» солей жесткости или железа после фильтров обезжелезивания и умягчения может привести к необратимому загрязнению ОО-мембран. Нужно учитывать, что лучшее время для тестирования фильтров обезжелезивания и умягчения воды – непосредственно перед их регенерацией. Тестирование фильтров сразу после их полной регенерации будет неинформативным. Если используются хлорирование и адсорбционные фильтры, фильтрат необходимо периодически проверять на наличие активного и общего хлора.
     Из неправильно промытых или неверно собранных насыпных фильтров, а также из картриджей с активированным углем могут быть «вынесены» взвешенные частицы в большом количестве, что приведет к преждевременному выходу из строя 5-микронного картриджного фильтра.
     Предварительная обработка должна обеспечивать качество очистки с наихудшим вариантом состава воды. Будьте готовы к тому, чтобы провести незначительные корректировки ее режима работы из-за сезонных колебаний состава исходной воды.
     Необходимо проинструктировать обслуживающий персонал о важности правильной эксплуатации системы предварительной очистки, а также убедится, что обслуживающий персонал понял, что должен предпринимать в любой ситуации при работе системы предварительной обработки и каким образом регулярно проверять качество ее работы.

9.4. Понятие технического обслуживания ОО-установки
     При правильно спроектированной и обслуживаемой системе предварительной очистки воды особых проблем при эксплуатации установок обратного осмоса не возникает. Но даже, если в этих условиях ОО-установка работает в автоматическом режиме, нужно контролировать ее рабочие параметры, используя средства измерения, входящие в ее состав:

• по показаниям манометров: давление до и после картриджного фильтра; давление исходной воды на входе в высоконапорный насос и выходе из него при подаче на первый ОО-модуль; давление концентрата перед его регулировочным вентилем;
• по показаниям расходомеров: поток получаемого пермеата и поток сбрасываемого концентрата;
• по показаниям кондуктометров:удельную электропроводность (солесодержание) пермеата и исходной воды;
• по показаниям термометров или пирометра: температуру исходной воды, пермеата, а также корпуса электродвигателя высоконапорного насоса.

     Первым обязательным шагом в начале эксплуатации вновь смонтированной ОО-установки является фиксация всех первоначальных настроек и показаний первичных средств измерения в стартовый лист. Это послужит некой отправной точкой для успешной эксплуатации системы обратного осмоса при влиянии на ее работу различных внешних факторов, и позволит выработать соответствующую реакцию на эти «внешние раздражители». Именно такое взаимодействие даст нам возможность и правильно выявить, и быстро исправить проблемы, которые могут возникнуть.
     Техническое обслуживание ОО-установки – это нечто больше, чем ремонт и замена отдельных деталей, блоков узлов. Скорей это означает – комплекс мер по уменьшению частоты проводимых ремонтов или замене отдельных деталей, блоков узлов. Это означает принятие мер по уменьшению или предотвращению возникновения проблем при работе ОО-установки и осознание того, что проблема  возникает до того, как она явно трансформируется в неисправность.
     Понимание и выполнение планового технического обслуживания ОО-установок может предотвратить большинство проблем до их возникновения. В этом важную роль также играют: как обеспечение эксплуатации ОО-установки в соответствии с проектными показателями, так и регулярная проверка и техническое обслуживание оборудования предварительной очистки исходной воды (в том числе анализ самой исходной воды). А при достаточно высокой производительности системы очистки воды следует вести специальные журналы, где регистрируются данные о режимах работы ОО-установки. Сочетание всего этого и есть техническое обслуживание.
     Для того, чтобы понять насколько важно проводить техническое обслуживание ОО-установки дадут собственные ответы на следующие вопросы:

• У вас когда-нибудь были проблемы с ОО-установками?
• У вас когда-нибудь возникала одна и та же проблема с ОО-установкой неоднократно?
• Кто-нибудь спрашивал о производительности ОО-установки до того, как возникла проблема?
• У кого-нибудь была документация, иллюстрирующая результаты работы ОО-установки за прошедшее время?

9.5. Влияние различных факторов на работу ОО-установки
     Чаще всего владельца ОО-установки беспокоит ее производительность по очищенной воде и качество очищенной воды.
     Как мы уже утверждали в гл.4 настоящей публикации, степень насыщения пермеата ингредиентами, присутствующими в исходной воде, зависит от типа используемого мембранного обратноосмотического элемента, а также от материала самой мембраны. Обычно после достаточно корректно подготовленной воды степень обессоливания воды на одноступенчатой ОО-установке составляет 95 – 98%, то есть для исходной воды по СанПиН (1000 мг/л) удельная электрическая проводимость пермеата будет находится в пределах от 20 до 50 мкСим/см. Изменить это значение при эксплуатации невозможно, поэтому при выборе конфигурации ОО-установки и марки ОО-мембран нужно уделить этому особенное внимание.
     В Таблице 9.2 приведены некоторые примеры общих проблем, которые могут возникнуть при эксплуатации ОО-установки.

Проблема	Причина	Возможности устранения
Повышенное солесодержание пермеата	1. Ухудшение качества воды	1. Уменьшить долю пермеата (увеличение концентрата при постоянном расходе исходной воды)
	2. Низкое давление исходной воды.	2. Повысить давление исходной воды
	3. Мембраны загрязнены	3. Провести химическую очистку мембран
	4. Сломан насос	4. Заменить насос
	5. Испорчены мембраны	5. Заменить мембраны
	6. Загрязнен датчик кондуктометра	6. Очистить и откалибровать датчик
Пониженный расход пермеата	1. Снижение температуры	1. Увеличить температуру и/или давление
	2. Мембраны загрязнены	2. Провести химическую очистку мембран
	3. Испорчены мембраны	3. Заменить мембраны
	4. Низкое давление исходной воды	4. См. далее
Малое давление исходной воды	1. Забиты фильтры предварительной очистки	1. Промыть или заменить фильтры
	2. Низкое давление исходной воды	2. Повысить давление
	3. Испорчен электромагнитный клапан на входе в установку	3. Заменить электромагнитный клапан

            Как мы видим из этой таблицы, помимо основной причины сбоя в работе ОО-установки – образования на поверхности ОО-мембран различного рода отложений (см.п.10 настоящей публикации), причин для возникновения какой-либо проблемы при эксплуатации ОО-установки может быть несколько; точно также как может быть несколько путей решения проблемы. Чтобы разобраться в этом, рассмотрим влияние различных внешних факторов на работу ОО-установки.

Влияние давления исходной воды
     Давление исходной воды, подаваемой на ОО-мембраны, влияет как на удельный поток ОО-пермеата, так и на отвод концентрата от ОО-мембран.
     Как показано на рисунке 9.2, удельный поток ОО-пермеата через ОО-мембрану увеличивается в прямо пропорциональной зависимости от повышения давления исходной воды. Рост давления исходной воды также приводит к повышению солезадержания, но, как показано на рисунке 9.2, эта зависимость нелинейная.
     Поскольку мембраны обратного осмоса являются несовершенными барьерами для растворенных солей в исходной воде, через мембрану всегда проходит некоторое количество солей. С ростом давления исходной воды этот проход солей все больше и больше замедляется, поскольку вода «проталкивается» через мембрану с большей скоростью, чем могут транспортироваться соли.
     Но тем не менее, существует определенный предел для количества солей, которое может быть задержано ОО-мембраной за счет повышения давления исходной воды. Это показывает плато на кривой солезадержания (рис. 9.2): выше определенного давления проход солей через ОО-мембрану практически не увеличивается. Это говорит о том, что часть солей остается связанной с водой, проходящей через ОО-мембрану.
     Кроме того, с ростом давления исходной воды происходит некоторое сжатие (уплотнение) ОО-мембраны. Это также оказывает свое влияние на снижение удельного потока пермеата, проходящего через ОО-мембрану.

9.5.2. Влияние температуры исходной воды
     Показатели ОО-мембран их изготовители обычно приводят для стандартной температуры 25^оС (298^оК). Как показано на рисунке 9.3, производительность ОО-мембран очень чувствительна к изменениям температуры исходной воды. Когда температура воды увеличивается, удельный поток пермеата увеличивается почти линейно, в основном из-за более высокой скорости диффузии воды через ОО-мембрану.
     Зависимость скорости удельного потока пермеата от температуры описывается через поправочный коэффициент температуры – TCF (Temperature Correction Factor) через следующее выражение:
TCF = exp (K·(1/(273 + t) – 1/298))
где, K –характеристическая постоянная для материала ОО-мембраны, t – температура исходной воды в градусах Цельсия.
     Относительное изменение удельной скорости потока пермеата от роста температуры исходной воды для полиамидных ОО-мембран разных производителей показано на рис. 9.4. При этом температура 25^оC (298^оС) в приведенном выше выражении и на графике используется в качестве стандартной, при которой TCF = 1.
     Для инженерных расчетов можно использовать следующую аксиому: на один градус изменения (снижения/повышения) температуры исходной воды изменение (снижение/повышение) удельной скорости потока пермеата составляет около 3% от номинального значения. 

     Поскольку от ОО-установок требуется постоянная производительность, то при изменении температуры исходной воды отклонения производительности от требуемой компенсируются давлением подачи исходного потока воды.
Повышение температуры исходной воды также приводит к меньшему солезадержанию или более высокому солепроникновению. Это также связано с более высокой скоростью диффузии солей через ОО-мембрану.
     Как следует из рис.9.4, производительность мембран при температуре воды 5^оС примерно в два раза ниже, чем при 25^оС. Если производительность ОО-установки необходимо поддерживать на заданном уровне независимо от возможного понижения температуры входной воды, то это может быть критичным. Работа ОО-установки в широком диапазоне температур может потребовать использования большего количества мембранных элементов или более высокого давления исходной воды, что существенно увеличит стоимость установки. В ряде случаев, при наличии дешевого тепла, проще и выгоднее производить кондиционирование исходной воды (например, ее предварительный подогрев).
     С другой стороны, способность ОО-мембран выдерживать повышенные температуры увеличивает область их применения, а также важна во время операций очистки, поскольку она позволяет использовать более жесткие и быстрые процессы очистки.

9.5.3. Влияние общего солесодержания исходной воды
      Осмотическое давление зависит от типа и концентрации солей или органических веществ, содержащихся в исходной воде. По мере увеличения концентрации солей увеличивается и осмотическое давление. Следовательно, давление подачи исходной воды, необходимое для изменения естественного направления осмотического потока, в значительной степени определяется уровнем солесодержания исходной воды.
     Рисунок 9.5 демонстрирует то, что при постоянном давлении подачи исходной воды рост концентрации солей в исходной воде приводит к снижению удельного потока пермеата, проходящего через ОО-мембрану. Т.е. повышение осмотического давления из-за роста концентрации солей должно компенсироваться рабочим давлением исходной воды. На рис.9.5 также показано, что солезадержание ОО-мембраны снижается при повышении концентрации солей в исходной воде, т.е. качество пермеата ухудшается.

9.5.4. Влияние степени извлечения пермеата (Recovery)
     Как показано на рисунке 1, эффект обратного осмоса возникает, когда естественный осмотический поток между разбавленным раствором и концентрированным раствором меняется на обратный под давлением питательной воды. Если процент извлечения ОО-пермеата увеличивается (а давление питающей воды остается постоянным), концентрация солей в исходной воде, оставшейся на ОО-мембране растет, а вместе с ней растет и естественное осмотическое давление. Этот рост будет продолжаться до тех пор, пока оно не сравняется с подаваемым давлением исходной воды.     Максимальный процент степени извлечения пермеата, возможный в любой системе обратного осмоса, обычно зависит не от ограничивающего осмотического давления, а от концентрации солей, присутствующих в исходной воде, и от их склонности к осаждению на поверхности мембраны в виде минеральных отложений.

9.5.5. Влияние рН исходной воды
     Тонкопленочные композитные ОО-мембраны, как правило, стабильны в широком диапазоне pH (см. Рис.9.7), при этом эффективность

 солезадержания практически не зависит от pH исходной воды. Удельный поток очищенной воды (пермеата) также является стабильным.
      Однако такая высокая химическая стабильность ОО-мембран в широком диапазоне pH дает неоспоримые преимущества для более эффективных процедур очистки их поверхности и позволяет использовать более сильные химические реагенты.

9.6. Журнал регистрации данных
     На основании зарегистрированных в специальных журналах данных о режимах работы ОО-установки за прошедшее время и на текущий момент можно спрогнозировать ее «поведение» на ближайшее будущее. Работа не всех ОО-установок требует такой регистрации. Производительность некоторых ОО-установок настолько мала, что ведение этих журналов теряет всякий смысл. Обычно в руководстве по эксплуатации ОО-установки изготовитель рекомендует параметры работы установки, требующие регистрации, а также примерную форму журнала для их фиксации. Как правило, регистрации в журнале подлежат все доступные рабочие параметры, такие как: дата, время, время работы в часах с начала работы, давление до и после картриджного фильтра, поток получаемого пермеата, поток сбрасываемого концентрата, давление и температура исходной воды на входе в высоконапорный насос, давление исходной воды после высоконапорного насоса при подаче на первый ОО-модуль, давление концентрата перед регулировочным вентилем, удельная электропроводность (солесодержание) исходной воды, удельная электропроводность (солесодержание) пермеата и пр.
     Анализ этих данных позволяет оператору заблаговременно обнаружить проблему, т.к. при их фиксировании оператор увидит прогресс параметров или наоборот их регресс, которые укажут тенденцию на тип развивающейся проблемы, что позволит предпринять какие-либо корректирующие действия.
     Например, если с ростом перепада давления уменьшается количество пермеата и ухудшается его качество, это является поводом для проведения химической промывки. В данном случае – необходимость кислотной очистки для удаления отложений солей жесткости. Это всего лишь один пример. Условия загрязнения солями жесткости описаны выше по двум причинам. Во-первых, как понять по изменению параметров работы ОО-установки о возникновении проблемы, и какие меры нужно предпринять для исправления ситуации. Во-вторых – проиллюстрировать то, что загрязнение ОО-мембран солями жесткости указывает на возможный сбой на оборудовании предварительной обработки (в частности фильтров умягчения) или на изменение значения жесткости исходной воды. Поэтапное рассмотрение возможных неполадок в работе оборудования позволяет решить проблему и устранить ее причину.

9.7. Пост-обработка воды после установки обратного осмоса
     Мы уже говорили о том, что давление же пермеата после обратноосмотической установки редко превышает 1 атм (0,1 МПа). Поэтому, чаще всего он подается в накопительную емкость, откуда с помощью повышающего насоса транспортируется на дальнейшие стадии очистки, где доводится до состава, требуемого условиями основного технологического процесса. Например, в качестве таких стадий могут быть:

• Декарбонизация (удаление из пермеата диоксида углерода). 
• Дополнительная микрофильтрационная очистка на каскадных патронных фильтрах.
• Обеззараживание воды с помощью установок ультрафиолетовой стерилизации.
• Корректировка значения рН и химического состава с помощью пропорционального дозирования различных химических веществ, также с помощью насыпных фильтров с корректирующей засыпкой.
• Адсорбционная очистка либо с целью улучшения органолептических свойств, либо для получения воды с низким содержанием общего органического углерода.
• Глубокое обессоливание воды (ОО-пермеата) с помощью установок ионного обмена (Н-катионирования, ОН-анионирования, фильтров смешанного действия) или с помощью установок электродеионизации.

     Технологическая схема пост-обработки ОО-пермеата выбирается, исходя из его состава и требований к очищенной воде.

10. ЗАГРЯЗНЕНИЯ ОБРАТНООСМОТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ И МЕМБРАН

10.1. Общие сведения.
     Что же может осаждаться на мембранах?
     Для того чтобы это понять воспользуемся некоторыми понятиями теории гидратации.

     Из теории известно, что после растворения веществ в воде вокруг их частиц: ионов, молекул, мелких ассоциатов, мицелл (крупных ассоциатов) образуются гидратные оболочки. Т.е. все частицы (за редким исключением), будучи заряженными, имеют тенденцию притягивать и ориентировать находящиеся вокруг них дипольные молекулы воды, т.е.искажать или даже разрушать первоначальную структуру воды. Степень проявления этой тенденции зависит от размера заряда и конфигурации частицы (см. рисунок). При этом вокруг ионов, полярных  молекул и мицелл возникает двухслойная гидратная оболочка, состоящая из плотного слоя из ориентированных молекул воды (слой А) и рыхлого слоя (слой В) из полуориентированных молекул воды.
     Плотный слой гидратной оболочки (слой А), можно считать, состоящим из связанных между собой водородными связями водных кластеров, структура которых специфична в зависимости от природы гидратируемой частицы.Этот слой является достаточно прочным, строго упорядоченным под действием электрического поля, а молекулы воды в этом слое как бы «заморожены». В процессе электролиза он движется вместе с ионом. Толщина слоя определяется плотностью заряда иона (частицы), т.е. отношением величины заряда иона (частицы) к его (ее) диаметру. Спустя некоторое время слой А стали называть слоем первичной гидратации или первичной гидратной оболочкой.
Вторичная  гидратная оболочка (слой В) с ионом связана гораздо менее прочно, это некая зона «таяния», промежуточная между зоной А и зоной С, где сохраняется тетраэдрическая структура чистой воды. Т.е. из зоны В в зону С молекулы воды могут перемещаться и наоборот.
     Среднее время жизни молекул воды в гидратной оболочке зависит от природы частицы, концентрации растворенных веществ и температуры.
     В 1951 году после того как были установлены координационные числа для различных электролитов, появилась возможность вычислить концентрации электролитов, при которых вся имеющаяся в растворе вода включена в состав первых гидратных оболочек. Структурно такой раствор можно схематически представить в виде системы, составленной только из одного слоя гидратированных ионов, соприкасающихся друг с другом своими гидратными оболочками (зонами А). Граничное условие возникновения такой системы (т.е. концентрацию электролита в растворе) было принято называть границей полной гидратации водного раствора (ГПГ). Для разных электролитов эта концентрация находится в интервале от 2,14 до 4,63 моль/л.
     При разбавлении раствора молекулы воды начинают выстраивать вторичную гидратную оболочку (зона В). Та концентрация раствора, при которой вся имеющаяся вода входит в первичную и вторичную гидратные оболочки, была названа границей дальней гидратации водного раствора  (ГДГ).
     Рассмотрим, что происходит при концентрировании раствора (см. рисунок). В разбавленном растворе существуют как ГДГ (слой А + слой В), так и слой С с тетраэдрической структурой чистой воды (состояние I). По мере концентрирования раствора (добавления электролита в раствор) вначале исчерпывается свободная вода из слоя С (состояние II), а затем и слой вторичной гидратации (слой В) вплоть до образования ГПГ (состояние III).
     Процесс обратного осмоса всегда связан с концентрированием растворов, поэтому рассмотрим, как меняются основные характеристики мембраны – удельная производительность (G) и задерживающая способность (R) с ростом концентрации (С1).
     По мере роста концентрации в системе «вода – растворенное вещество – мембрана» происходят следующие изменения:
     1 – вся свободная вода переходит сначала во вторичные гидратные оболочки (ГДГ), а затем – в первичные (ГПГ). Размер гидратированного иона уменьшается;
     2 – осмотическое давление раствора растет пропорционально С1, что снижает движущую силу массопереноса при постоянном  рабочем давлении;
     3 – толщина слоя связанной воды уменьшается из-за конкуренции за воду между ионами и полярными группами материала мембраны в пользу ионов.
     Такое качественное описание приводит к предположению, что и удельная производительность, и задерживающая способность должны снижаться по мере роста концентрации, что и наблюдается в эксперименте (см. рисунок).

     Зависимость задерживающей способности (R) и удельной производительности (G) ацетатцеллюлозной мембраны от концентрации поваренной соли в исходном растворе.

     Из этих графиков отчетливо прослеживается та зависимость, что снижение G и  R начинается, когда в растворе «исчерпывается свободная вода» (достигается значение ГДГ), а в  нуль G и  R приходят в зоне, близкой к значению ГПГ.
     Поскольку через мембрану проходит один компонент, а второй ею задерживается, обязательно происходит изменение соотношения концентраций в объеме исходного раствора. В конце концов, это является целью проведения процесса мембранного разделения, но уж очень неравномерно эти изменения распределены в объеме раствора. Поэтому и возникают, так называемые, поляризационные явления на мембране, т.е. события, происходящие в тонком слое  разделяемой смеси вблизи поверхности мембраны по причине ее полупроницаемости.
     Рассмотрим типичную картину такого распределения по компоненту, который задерживается мембраной.
     Вдоль мембраны движется поток исходного раствора с объемным расходом W и с концентрацией по задерживаемому компоненту Со . Под действием движущей силы (градиент давления) через мембрану проникает поток пермеата G с концентрацией компонента Ср < Со. Из-за того, что отток воды происходит из прилежащего к мембране слоя раствора, в этом слое концентрация компонента растет по мере приближения к поверхности мембраны.
     На рисунке показан стационарный процесс при W = const,  G = const.
     Толщина слоя, в котором становится заметным рост С, составляет  δ, а максимальная концентрация на поверхности мембраны – Сm. Благодаря тому,  что Сm> Со, происходит диффузионный перенос компонента от мембраны в ядро потока  D*dc/dx.

     Такой характер изменения концентрации будет одинаков для любого задерживаемого мембраной компонента – неорганических ионов и солей, водорастворимых органических соединений, в том числе высокомолекулярных, для коллоидных и взвешенных частиц.
     Понятно, что все баромембранные процессы сопровождаются поляризационными явлениями. Отличия будут в том, что разные вещества по-разному ведут себя  при концентрировании: у некоторых может быть превышен предел растворимости, и они будут выпадать в осадок, некоторые образуют пространственные сетки и превращаются в гель, некоторые начинают накапливаться на мембране за счет адсорбции и поверхностных сил. На рисунке условно показаны эти ситуации в виде дополнительных сопротивлений массопереносу через мембрану.

     Различные типы сопротивлений массопереносу через мембрану:
Rp – перекрывание пор; Ra – адсорбция; Rm –  мембрана;
Rg – гелевый слой; Rcp – слой повышенной концентрации растворенных веществ.

     В целом интенсивность формирования и прочность удержания отложений на мембране зависит от пористости мембраны, заряда и степени гидрофильности ее поверхности, концентрации частиц и примесей в исходной воде, их природы и размеров, температуры и значения рН, наличия условий для адсорбции, химического взаимодействия, кристаллообразования и возможности полимеризации веществ на поверхности мембраны, а также прочих факторов.Общей теории процессов образования отложений на мембранах не существует, поэтому в инженерной практике чаще всего пользуются экспериментальными и эксплуатационными методами оценки.
     Все отложения, образующиеся в обратноосмотическом модуле, как правило, делят на три большие группы, которые различают как по своему составу, структуре и размеру частиц осадка, так и по механизму образования отложений:

1. Осадки взвешенных, коллоидных частиц и микроорганизмов.
2. Осадки труднорастворимых соединений.
3. Отложения высокомолекулярных органических веществ.

     Последовательно рассмотрим все эти три группы.

10.2. Осадки взвешенных и коллоидных частиц.
     Итак, к первой группе относят осадки взвешенных и коллоидных частиц, а также микроорганизмов. Т.е. основная масса осадков этой группы состоит из микрочастиц органического и неорганического происхождения, поступающих как из исходной воды, так и образующихся в процессе предварительной обработки исходной воды перед обратным осмосом при ее взаимодействии с технологическими фильтрующими средами, конструктивными элементами установки и с атмосферой.
     Прежде всего, это гетерогенные частицы различной дисперсности: коллоидные и взвешенные неорганические и органические вещества (различная пыль, оксиды и гидрооксиды металлов, песок – нерастворенный SiO₂, глина и глиноземы, ассоциаты органических веществ и высокомолекулярных органических соединений (ВМС) и т.п.), а также микроорганизмы, образующие на поверхности мембраны биопленку.
     Присутствующие в исходной воде взвешенные микрочастицы с размерами от 1 до 25 мкм, могут блокировать (закупоривать) каналы между пакетами мембран, а при высокой скорости движения вдоль поверхности мембраны могут оказать на нее своеобразное абразивное воздействие, т.е. способны механически повредить барьерный слой мембраны. Все это, как правило, приводит к необратимому повреждению мембранного элемента.
     В некоторых случаях загрязнение напорного канала обратноосмотического  элемента может привести к выходу аппарата из строя. Так, например, при загрязнении прокладки-турбулизатора-разделителя спирального мембранного элемента перепад давления с его разных торцов может увеличиваться до тех пор, пока не наступит разрушение элемента из-за телескопического сдвига слоев рулона (спирали) относительно друг друга (так называемый «телескопинг», от англ.telescoping). При этом произойдет «проскок» исходной воды в пермеат, что будет видно по резкому внезапному увеличению производительности установки и росту солесодержания пермеата.
     Микрочастицы более мелких размеров и коллоиды в совокупности с другими отложениями, относящимися, как правило, ко второй группе  (о ней речь пойдет ниже), и микроорганизмами формируют на поверхности мембраны осадок, препятствующий ее нормальной работе.
     На практике количество взвешенных частиц в воде чаще всего связывается с показателем мутности,  аналитический контроль которого производится оптическими и фотометрическими методами (ГОСТ 3351). Однако, что касается, разрешающей способности этих методов измерения, т.е. размеров микрочастиц, присутствующих в анализируемой воде, то при использовании фотометров (турбидиметрический или нефелометрический методы измерения) можно с уверенностью заявить, что их реальная разрешающая способность составляет 1–1,5 мкм, а при визуальном определении мутности (по степени мутности столба высотой 10–12 см в мутномерной пробирке) – более 2–3 мкм.
     Таким образом, при измерении показателя мутности, частицы размером менее 1 мкм, в том числе коллоиды, этими методами не регистрируются. Здесь необходимо отметить, что по результатам многолетних исследований при эксплуатации баромембранных аппаратов наиболее опасными считаются микрочастицы, размеры которых менее 0,45 мкм. Микрочастицы с такими размерами можно «посчитать» с помощью лазерного счетчика микрочастиц, принцип действия которого основан на методе определения размеров микрочастиц по интенсивности малоуглового светорассеяния. Приборы этого класса способны не только распознать размер микрочастицы, но и определить их количество в определенном диапазоне. Правда, данный метод измерения количества микрочастиц может быть только лабораторным, помимо того, что он достаточно трудоемкий и дорогой.
     Для того чтобы упростить процедуру определения количества микрочастиц, поступающих на мембранные установки с исходной водой, в свое время стандартами ASTM был введен коллоидный индекс или индекс плотности осадка – SDI (сокр. от англ. Silt Density Index), которыйпослужил как характеристика степени загрязнения воды механическими и коллоидными примесями и ее пригодности для подачи в мембранные установки. В настоящее время согласно требованиям ASTM D-4189 SDI – индекс является обязательным первичным тестом качества исходной воды, в самом общем виде показывающим вероятность образования осадков коллоидных и взвешенных веществ, способных загрязнить поверхность мембранных элементов.
     Измерение SDI коллоидного индекса является экспресс-тестом, который выполняется ежедневно (или по мере необходимости, например, еженедельно – после набора статических данных, свидетельствующих о стабильности SDI коллоидного индекса исходной воды). Отбор проб воды производится, как правило, после патронных фильтров перед подачей воды на мембранную установку. Тест может быть также использован для контроля эффективности работы осветлителей, напорных механических фильтров, как насыпных, так и патронных (сетчатых, глубинных, поверхностных и т.д), фильтров обезжелезивания и пр. Методика SDI не может быть использована для оценки ресурса мембранных элементов, т.к. нет четких корреляций между составом исходной воды и величиной SDI-индекса.
     Silt Density Index (SDI-индекс) – это индекс плотности взвешенных частиц в единице объема воды - определяет снижение производительности мембран за счет образования на их поверхности загрязнений, состоящих из взвешенных и коллоидных микрочастиц. Методика его определения основана на замере времени фильтрования заданного объема исходной воды (как правило, 500 мл) через калиброванную микрофильтрационную мембрану с размером пор 0,45 мкм при постоянном перепаде давления на фильтре 0,207 МПа (30 psi) и постоянной температуре. Выбор размера пор мембраны – 0,45 мкм обоснован тем, что величина эквивалентного диаметра микрочастиц 0,45 мкм является переходной от растворенного состояния к взвешенному.
     По значениям SDI₁₅ можно судить о сложности требуемой предварительной подготовки воды для мембранных процессов:
     SDI < 5           Предварительная подготовка не требуется
     SDI 5 – 10      Требуется одноступенчатая предварительная подготовка
     SDI > 10         Требуется двухступенчатая предварительная подготовка

Значения SDI–индекса для типичных природных источников воды:

Тип исходной воды	Максимум SDI	Минимум SDI
Артезианская	5	2
Поверхностная	175*)	5

*) – для некоторых открытых водоемов величина SDI–индекса может достигать значения 500.

     По величине допускаемого критического значения SDI-индекса можно судить о классе мембранных элементов (для ведущих фирм-производителей величина SDI-индекса исходной воды (SDI₁₅) допускается: для артезианской воды – до 5; для поверхностной воды – до 18).
     Для снижения величины SDI применяется предварительная подготовка исходной воды. Как правило, для удаления взвешенных веществ и коллоидов используют такие хорошо известные методы, как фильтрование и коагуляция.

10.3. Осадки микроорганизмов – образование биопленки.
     Специалисты, которые занимаются обслуживанием установок обратного осмоса, постоянно сталкиваются с таким явлением, как накопление некой слизи внутри мембранного модуля, т.е. на поверхности ОО-элемента и его держателя. Это то, что лежит на поверхности… Такая же слизь находится и внутри самой ОО-мембраны. Более правильное название этой слизи – биопленка, т.е. колонии микроорганизмов, закрепившиеся и развившиеся на поверхности  мембранного модуля.
     Мы уже рассматривали процесс формирования биопленки в системах водоснабжения в одной из своих публикаций, поэтому здесь следует остановиться на тех особенностях, которые присущи этому процессу, протекающему на ОО-мембранах. Биохимическое воздействие микроорганизмов на ассиметричные полупроницаемые ОО-мембраны считается более опасным, чем химическая деструкция мембран под воздействием окислителей. При определенных условиях биопленки могут разрушить верхний активный слой мембраны до ее поддерживающего слоя, у которого размер пор соизмерим с размерами бактерий. Это особенно опасно при производстве питьевой воды, так как в этом случае возможно попадание патогенных микробов и вирусов из исходной воды в фильтрат (пермеат).
     Процесс закрепления микроорганизмов на поверхности мембраны в основном определяется ее свойствами: материалом, из которого изготовлена мембрана, шероховатостью ее поверхности, гидрофобностью и поверхностным зарядом мембраны.
     Конструкция спиральных ОО-мембранных элементов и условия на поверхности мембраны идеально подходят для закрепления, накопления и роста микроорганизмов. Почему? Во-первых, огромная поверхность мембраны; во-вторых, высота слоя на поверхности раздела вода – мембрана ограничена, а сам слой насыщен  питательными веществами за счет концентрационной поляризации. В-третьих, в узком пространстве каналов на сетках-турбулизаторах, разделяющих листы мембран, скорость воды относительно низкая (около 0,1 м/с), а зоны турбулентности – ограничены. И наконец, некоторыеполимерные материалы, такие например как, ацетилцеллюлоза являются хорошей питательной средой для микроорганизмов. Это создает предпосылки для развития на поверхности мембран колоний микроорганизмов, а продукты их жизнедеятельности могут вызвать структурные изменения в полимере мембраны, особенно в структуре ее тонкого активного слоя, что приведет к ухудшению характеристик процесса обессоливания.
      В разделе 6.2 настоящей публикации мы рассматривали принципиальную конструкцию спирально-навитого обратноосмотического элемента. Кратко напомним: в этой конструкции (см. Рис.6.2) на центральную трубу (поз.7), по которой отводится фильтрат, навивается «сэндвич», состоящий из двух ОО-мембран (поз.4), сеток-турбулизаторов (поз.5) и прокладки для сбора пермеата (поз.6).
     Для создания турбулентности на сетке (поз.5) движение жидкости осуществляется, как правило, вдоль диагонали ромба сетки (см. рисунок), поэтому около каждой поперечной распорки сетки могут образовываться небольшие застойные зоны, где начинается рост биологических обрастаний. При этом основным механизмом транспортировки микроорганизмов к поверхности мембран будут являться гидродинамические силы. А при отсутствии движения воды (например, при простое ОО-установки) транспортировка клеток непосредственно к поверхности мембраны может осуществляться за счет броуновского движения или хемотаксиса. Рост биообрастаний будет продолжаться до тех пор, пока не измениться гидродинамика потока, т.е. не изменятся условия транспортировки и закрепления микроорганизмов (например, наличие гидроударов или изменение состава воды).
     Это первый шаг к формированию биопленки на поверхности мембраны. Далее происходит иммобилизация (закрепление) микроорганизмов на поверхности мембраны за счет электрокинетического или гидрофобного взаимодействия клетки с поверхностными молекулами мембраны. После чего начинается рост клеток и их размножения как за счет растворимых питательных веществ в исходной воде, так и за счет веществ, адсорбированных на поверхности мембраны. Этот рост и размножение клеток сопровождается выделением межклеточного вещества (полисахарида), которое крепит как якорь клетку к поверхности, «цепляет» и закрепляет на субстрат другие клетки и тем самым стимулирует микробную колонизацию поверхности мембраны.
     Ко всему прочему, образовавшаяся биопленка может выступать в качестве «ловушки» для взвешенных частиц (о них речь шла немного раньше), которые, в свою очередь, могут быстро создать плотные отложения на мембране.
     Существует  ряд показателей, изменения которых могут помочь оператору определить то, что вероятной причиной снижения производительности установки обратного осмоса является биообрастание. К ним относятся:

1. увеличение перепада давления на установке;
2. снижение протока воды через мембраны (снижение производительности по пермеату);
3. снижение качества очищенной воды (увеличение удельной проводимости пермеата);
4. наличие слизистых отложений на входных патронных фильтрах.

     Количество родов и видов микроорганизмов, присутствующих на поверхности ОО-мембран может быть весьма разнообразным, и, в целом, зависит от источника водоснабжения, его организации и последующих стадий предварительной обработки перед подачей на ОО-мембрану. Микроорганизмы, присутствующие в поступающей исходной воде, могут включать в себя и бактерии, и грибы, и дрожжи. Так на поверхности мембраны регулярно находят бактерии, относящиеся к родам: коринебактерий (лат. Сorynebacterium), псевдомонад (лат. Pseudomonas), актиномицетов (лат. Actinomyces), флавобактерий (лат. Flavobacterium), аэромоназ (лат. Aeromonas), бактерии рода Arthrobacter и др. Из грибов были обнаружены:пенициллы (лат.Penicillium), му́коры (лат. Mucor),триходермы (лат. Trichoderma),фуза́рии (Fusarium), асперги́ллы (лат. Aspergillus) и пр. А из дрожжей: кандида (лат. Candida); пихия (лат. Pichia), липомицеты (лат. Lipomyces), дрожжи родаAmbrosiozyma и т.д. Наиболее часто в системах водоснабжения преобладает род псевдомонад (лат. Pseudomonas), который относится к «хорошим производителям» полисахаридов – основного компонента слизи.
     Как правило, общее количество бактерий, обнаруженных на поверхности ОО-мембраны, колеблется между 106 и 108 КОЕ/см². Но какой из родов и видов будет присутствовать и превалировать в отложениях на ОО-мембране, заранее сказать невозможно, даже если знать качественный и количественный микробиологический состав исходной воды. Общей практикой признается то, что чем меньше микроорганизмов в воде перед ОО-установкой, тем менее вероятно ее биообрастание. Поэтому обычно для мониторинга широко практикуется определение общего микробного числа (ОМЧ) в исходной воде перед обратным осмосом. А в качестве универсального средства защиты обратного осмоса от биообрастания считается надежная предварительная подготовка исходной воды.
     Оказалось, что лучшим способом ограничения роста микроорганизмов является как эффективное удаление собственно микроорганизмов, так и питательных веществ, которые они используют в процессе своей жизнедеятельности. Поэтому для предварительной обработки исходной воды используют такие процессы, как обеззараживание воды биоцидами, пропорциональное дозирование коагулянтов и флокулянтов, и многостадийная фильтрация: механическая фильтрация, каталитическое обезжелезивание, адсорбционная очистка, микрофильтрация, а при необходимости умягчение. Эти же процессы используют и для удаления из исходной воды взвешенных частиц.
    И наконец, надо отметить, что немаловажную роль в профилактике биообрастания и удаления биопленки при эксплуатации ОО-установки играют процессы периодической химической очистки и дезинфекции ОО-модулей с помощью установок химической промывки. Об этом мы поговорим отдельно…

10.4. Осадки труднорастворимых соединений.
     В этой статье в разделе 5, посвященной концентрационной поляризации, мы уже указывали, что в результате этого явления может образоваться «…осадок на поверхности мембран некоторых малорастворимых солей в результате их концентрирования у поверхности мембраны».
     Какие же труднорастворимые соединения могут выпадать в осадок на поверхности мембраны? Для ответа на этот вопрос обратимся к показателям качества, по которым проходит аттестацию исходная вода, а именно к ионному балансу исходной воды.
     Мы уже не раз указывали на то, что перед проектированием системы обратного осмоса должен быть выполнен полный и точный анализ исходной воды. Помимо общих показателей, таких как: водородный показатель рН, мутность, цветность, содержание взвешенных веществ, окисляемость перманганатная, щелочность, общая жесткость, карбонатная жесткость, солесодержание (минерализация), обсемененность микроорганизмами, содержание активного и связанного хлора и пр., протокол анализа воды должен содержать наименование и концентрацию – следующих компонентов в воде:

Катионы:	мг/л	мг-экв./л	%	Анионы	мг/л	мг-экв./л	%
Кальций Ca2+				Бикарбонаты HCO32–
Магний Mg2+				Карбонаты CO32–
Натрий Na+				Сульфаты SO42–
Калий K+				Хлориды Cl–
Железо Fe2+				Фториды F–
Железо Fe3+				Нитраты NO3–
Марганец Mn2+				Нитриты NO2–
Алюминий Al3+				фосфаты PO43–
Аммоний NH4+				Бораты (по бору) В
Барий Ba2+				Сульфиды S2–
Стронций Sr2+				Кремний по SiO2
Медь Cu2+
Цинк Zn2+
Сумма катионов Ʃ			100%	Сумма анионов Ʃ			100%

     Пределы обнаружения катионов Ba²⁺ и Sr²⁺ должны быть не более 1 мкг/л (1 ppb) и не более 1 мг/л (1 ppm), соответственно.

     При этом суммарное содержание катионов в воде, выраженное в мг-экв./л, должно быть равно суммарному содержанию анионов, выраженное в мг-экв./л. Ионный баланс воды сойдется только при этом условии.
Комбинируя между собой катионы и анионы, присутствующие в исходной воде, и пользуясь подсказкой таблицы 10.4.1, можно легко убедиться в том, что практически в любой воде возможно образование труднорастворимых соединений. Вопрос остается только один – достигнет ли их концентрация предельной, при которой начнется выпадение этих веществ в осадок. Ответ на него «лежит на поверхности» – опыт эксплуатации установок обратного осмоса показывает, что возникают ситуации, когда труднорастворимые соли концентрируются на ОО-мембранах до содержания выше их предела растворимости. Был даже составлен ряд из труднорастворимых солей в порядке уменьшения проблем с их отложениями на поверхности мембран:

CaCO₃ > CaSO₄ > Силикаты > SrCO₃  > BaSO₄ > SrSO₄ > CaF₂ > CaSiO₃ > MgSiO₃ > Ca₃(PO₄)₂ > Fe(ОН)₂

     Попробуем разобраться в этом ряду.

10.4.1. Отложения на ОО-мембранах карбоната кальция

     Как правило, все природные воды содержат гидрокарбонаты и карбонаты, которые в своем большинстве определяют показатель щелочности воды или карбонатную жесткость. Процесс образования карбонатов и гидрокарбонатов заложен в круговороте воды в природе: при выпадении осадков на землю происходит растворение в ней углекислого газа из воздуха и образуется угольная кислота (H₂CO₃), при этом ее концентрация в воде составляет ~ 0,05%:

Н₂О+СО₂  → Н₂СО₃

     В водном растворе угольная кислота диссоциирует в два этапа:

Н₂СО₃ ↔ Н⁺ + НСО₃¯;
НСО3¯ ↔ Н⁺ + СО3₂¯

     По мере прохождения через грунт «кислая вода» (слабый раствор угольной кислоты) вымывает карбонат кальция из земляных пород, в результате чего и образуются гидрокарбонаты. Вода большинства природных источников близка к насыщению карбонатом кальция. В зависимости от pH воды карбонат кальция находится в равновесии с бикарбонатом кальция и растворенным углекислым газом:

CaCO₃ + Н₂О + СО₂ ↔ Са²⁺ + 2НСО₃¯

или упрощенно в ионной форме:

СаСО₃ + Н⁺ ↔ Са²⁺ + НСО₃¯

     Установлено, что если величина pH ниже 8,3, бикарбонатная щелочность (и карбонатная жесткость) будет сбалансирована за счет определенного содержания растворенного в воде углекислого газа. При pH больше чем 8,3 гидрокарбонаты (НСО₃^–) превратятся в карбонаты (CO₃^2–). Т.е. при понижении значения рН равновесие в уравнении может быть смещено в правую сторону, и наоборот.
     Таким образом, при концентрировании исходной воды в примембранном слое, равновесие в приведенном уравнении реакции начинает смещаться влево (удаляется из слоя вода). Кроме того часть свободной углекислоты вместе с водой также переходит через ОО-мембрану в пермеат. При этом значение рН в концентрате возрастает. В результате чего углекислотное равновесие в примембранном слое воды сдвигается – образуется избыток карбонатных ионов, которые вступают во взаимодействие с ионами кальция.
     Из сказанного следует, что во избежание выпадения в осадок карбоната кальция, значение pH в потоке концентрата должно быть ниже, чем значение рН, при котором в потоке концентрата карбонат кальция находится в равновесии с бикарбонатом кальция насыщения – pHs.
     Разность между значением рН концентрата и значением рН насыщения (pH – рНs) называют индексом Ланжелье (LSI - LangelierSaturationIndex), знак которого определяет карбонатную стабильность воды и возможность образования осадка карбоната кальция на ОО-мембране. Для предотвращения образования карбонатных осадков на поверхности мембран LSI-индекс должен быть всегда отрицательным. Т.е. при проектировании установок обратного осмоса для воды с высокой щелочностью необходимо использовать методы предварительной обработки воды, которые помогут снизить индекс Ланжелье, как то подкисление (пропорциональное дозирование раствора кислоты) и умягчение исходной воды или обработка ее ингибиторами осадкообразования – дозирование антисклайлантов. Контроль же за работой обратноосмотической установки может осуществляться по измерению величины рН концентрата.
     Каковы же признаки того, что на поверхности ОО-мембран образуются отложения карбоната кальция?
     Прежде всего это низкая селективность, снижение производительности и/или высокий перепад давления на отдельной мембране при проведении ее тестирования. Правда, это наблюдается практически при любом виде загрязнения ОО-мембран.
     Во-вторых, образование осадка белого цвета на торцах ОО-элементов (в отдельных случаях образование отложений в трубопроводе концентрата и корпусе держателя ОО-мембраны, которая установлена последней в составе ОО-установки). Надо отметить, что белый цвет отложений карбоната кальция бывает достаточно редко. Чаще всего отложения имеют кремовый или желтоватый оттенки. При этом и осадок, и отложения хорошо растворяются в растворе соляной кислоты с выделением пузырьков газа; и, если отложения содержат только карбонат кальция, то образец осадка должен полностью растворится в растворе кислоты, а раствор не изменит свой цвет и останется прозрачным.
 Если же после растворения в растворе будут находиться посторонние частицы или он изменит свой цвет, то помимо карбоната кальция в осадке содержатся и другие примеси.
     В-третьих, увеличение веса сухого ОО-элемента на 30-35% по сравнению с исходным (например, для элемента 8” x 40” вес превышает 20 кг (при исходном весе 15 кг)). Этот признак также характерен для любого вида отложений.

10.4.2. Отложения на ОО-мембранах сульфатов щелочноземельных металлов
     И если скорость осаждения карбоната кальция на ОО-мембранах сильно зависит от рН, и борьба с этим видом осадка, достаточно эффективно может осуществляется подкислением исходной воды, то чрезвычайно малая растворимость сульфатов щелочноземельных металлов (кальция, бария и стронция) и их низкая химическая активность являются основными факторами, ограничивающими пределы концентрировании исходной воды в примембранном слое. Это особенно актуально потому, что один из указанных сульфатов – сульфат кальция – это наиболее вероятный и «наиболее весомый» осадок из всего диапазона растворенных солей в подземных солоноватых и морских водах. Именно он с точки зрения борьбы с осадкообразованием создает наибольшую проблему и является неким «камнем преткновения», вызывающим сомнения и споры ученых всего мира по выбору технологических параметров и условий эксплуатации ОО-установок. Поэтому в мировой практике принято, что при проектировании установок опреснения воды обратным осмосом максимальная степень концентрирования исходной воды в примембранном слое определяется условием «невыпадения в осадок» именно сульфата кальция, т.е. создания в ОО-модуле таких условий, при которых концентрация сульфата кальция в примембранном слое не превысит предел его растворимости. Но даже такие меры, как показывает практика, не являются полной гарантией от осадкообразования по ряду причин, к которым можно отнести и недостаточную точность расчетов по определению пределов растворимости, и расхождения в точностях вычислений и моделирования мембранных процессов по разным методикам и программам, и несовершенство конструкций современных мембранных аппаратов (как признают сами разработчики), где в «зонах застоя» возможно «зарождение зерен осадка».
     В примембранном слое за счет перехода из раствора (из исходной воды) молекул воды в пермеат (очищенную воду) может начаться быстрый рост концентрации сульфата кальция, имеющего низкий предел растворимости ПР_СаSО4 (42 ·10^-6 моль/л), что приводит к образованию большого количества зародышей кристаллов СаSO₄ и в дальнейшем их росту. В тех условиях, которые создаются в приповерхностном мембранном слое, сульфат кальция редко образует большие кристаллы, поскольку скорость образования зародышей очень высокая. Обычно образующиеся на ОО-мембранах кристаллы СаSO₄ имеют игольчатую форму: длину 5-10 мкм и ширину 1-3 мкм. При этом, как показала практика, силы сцепления отложений сульфата кальция с поверхностью полупроницаемой мембраны столь слабы, что отдельные кристаллы свободно перемещаются вдоль поверхности мембраны потоком воды, а монолитные блоки этих отложений легко отслаиваются от поверхности мембраны.
     В первом приближении математическое условие выпадения сульфата кальция в осадок можно записать в виде уравнения:

a_Ca²⁺ + a_SO4^2- ≥ ПР_CaSO4

     Для приближенных расчетов процесса обратноосмотического обессоливания величина 
 принимается равной растворимости чистого гипса в воде. Однако при проведении процессов обессоливании реальных вод растворимость CaSО₄, как правило, зависит от ионного состава воды, поэтому его растворимость в исходной воде и в концентрате может, как увеличиться, так и уменьшиться по сравнению с растворимостью в чистой воде.
     Образовавшиеся на поверхности мембраны кристаллы гипса становятся центрами кристаллизации и вызывают «цепную» реакцию «загипсовывания» мембраны. Все это происходит при постоянном обновлении потока концентрата, и процесс становится необратимым. Очень наглядно этот процесс можно понять, представив процесс кристаллизации пересыщенного раствора хлорида натрия в так называемых «химических» грелках. 
     Признаки того, что на поверхности ОО-мембран образуются отложения сульфата кальция схожи с теми, которые мы указывали выше для карбонатных отложений за исключением того, и осадок, и отложения не растворяются в растворе соляной кислоты. При этом скорость «зарастания ОО-мембран» сульфатными отложениями в разы выше, чем при карбонатных отложениях.
     Говоря о сульфатных отложениях, которые образуются на поверхности обратноосмотических мембран, кроме сульфата кальция, который является одним из наиболее распространенным загрязнителем, просто нельзя упомянуть о других сульфатах группы щелочноземельных металлов: сульфатах бария и стронция. Почему? Да потому, что сульфат кальция (CaSO₄) в сравнении с сульфатами бария (BaSO₄) и стронция (SrSO₄) «хорошо» растворим в воде: сульфат бария почти нерастворим – при 18°С в 100 г воды растворяются лишь 0,22 мг ВаSO₄; растворимость же сульфата стронция выше – 11,3 мг SrSO₄ в 100 мл воды при 0°C.
Конечно, ион кальция (Ca²⁺) присутствует в естественных водных источниках в большем количестве, чем катионы Ba²⁺ и Sr²⁺, и CaSO₄ вызывает чаще загрязнения, чем BaSO₄ и SrSO₄, но, если последние уже выпасли в осадок, то это приводит к образованию отложений малорастворимых веществ, которые могут кристаллизоваться в соединения сложного химического состава, имеющие иное значение произведения растворимости и порождающие уже упомянутую «цепную реакцию» кристаллизации по всему примембранному слою. При этом необходимо учитывать, что при кристаллизации ВаSO₄ «может увлекать» с собой в значительных количествах и другие вещества, находящиеся в растворе, особенно многовалентные ионы, например, сульфаты трехвалентного железа, трехвалентного хрома и алюминия. Чем это явление обусловлено –адсорбцией или оно связано с образованием твердых растворов до настоящего времени не ясно.
     В природе сульфат бария ВаSO₄ широко распространен в виде минералов (тяжелый шпат, барит). Иногда тяжелый шпат встречается в виде отдельных хорошо образованных кристаллов, которые принадлежат к ромбической системе и отличаются большим разнообразием форм (твердость тяжелого шпата 3-3,5, удельный вес 4,48). Однако обычно он образует волокнистые, зернистые или плотные агрегаты. Поэтому на ощупь отложения сульфата бария на ОО-мембране, в трубопроводе концентрата и корпусе держателя ОО-мембраны напоминают мелкую наждачную бумагу.
     Такие «абразивные свойства» кристаллов сульфата бария могут вызвать повреждения ОО-мембраны во время работы установки. Поскольку адгезия кристаллов сульфатов щелочноземельных металлов по отношению к ОО-мембране низкая, то при пуске / остановке ОО-установки, т.е. тогда, когда спейсер ОО-мембраны слегка перемещается, начинается движение кристаллов, что может вызвать необратимые повреждения поверхности ОО-мембраны, что в свою очередь повлечет за собой снижение ее селективности.

10.4.3. Кремниевые отложения на ОО-мембранах
     Отложения на поверхности ОО-мембран соединений кремния формируются по механизму образования осадков коллоидных частиц, о которых мы рассказывали в разделе 10.2, с некоторыми отличиями.
     Как известно, в природной воде кремний присутствует в виде мета- (Н₂SiО₃), opтo- (H₄SiО₄) и поликремниевых кислот. Растворимость кремниевых кислот в воде довольно высока. При 25°С и рН 5 ...7 она составляет 100...120 мг/л (по SiО₂) и снижается до 20 ...25мг/л при 5°С.
     Поскольку кремниевая кислота является слабой кислотой, она находится главным образом в недиссоциированной форме при нейтральном значении рН или ниже него. При насыщении кремниевая кислота может полимеризоваться с образованием нерастворимого коллоидного диоксида кремния или силикагеля, который может оседать на поверхности ОО-мембраны. Скорость образования осадков кремниевых кислот определяется скоростью их полимеризации, которая повышается с ростом концентрации. Поэтому вероятность кремниевых отложений в потоке концентрата и в потоке исходной воды будут существенно различаться из-за увеличения концентрации SiO₂ и изменения величины рН. Это можно оценить на основе анализа исходной воды и рабочих параметров установки обратного осмоса. Поэтому при проектировании процесса обратного осмоса максимально допустимая концентрация SiO₂ в концентрате основывается на растворимости SiO₂ и величины рН. Правда, даже при достижении концентраций кремния (по SiО₂) до 150 мг/л скорость полимеризации очень мала и возможно значительное пересыщение раствора без образования отложений кремния в обратноосмотических аппаратах.
     Температура в диапазоне 5...35°С существенно не влияет на скорость полимеризации и на период коллоидной устойчивости, в течение которого пересыщенные растворы кремниевой кислоты не теряют своей агрегативной устойчивости. При увеличении же общего солесодержания воды скорость полимеризации возрастает, а период коллоидной устойчивости уменьшается.
     Кремниевая кислота обладает выборочным участием в химическом взаимодействии. Так кремниевая кислота может взаимодействовать с катионами железа, находящимися в степени окисления +3, и быть совершенно инертной по отношению к ионам железа со степенью окисления +2.  Как только значение рН начинает превышать нейтральное значение, кремниевая кислота диссоциирует с образованием силикат аниона ([SiO₃^2-]_n), который может реагировать с кальцием, магнием, железом, марганцем или алюминием с образованием нерастворимых силикатов. Например, образующийся при этом силикат кальция CaSiO₃ можно выразить так: СаО× SiO₂.
     В результате такого химического взаимодействия появляются устойчивые коллоидные образования, которые не удаляются ни фильтрованием, ни отстаиванием.  Здесь стоит отметить, что двух- и трехзамещенные силикаты кальция и железа после своего затвердевания (например, при нагревании) превращаются в очень прочный материал.
     Известно, что алюминий является наиболее эффективным осаждающим агентом кремниевой кислоты, а осадки кремния в основном возникают при появлении алюминия и железа. Тогда, когда Al³⁺ и Fe³⁺ присутствуют в предварительно обработанной исходной воде, осаждение кремния наблюдается даже при концентрациях ниже предела насыщения. А поскольку соли Al³⁺ и Fe³⁺ используются для коагуляции в муниципальной и промышленной обработке воды, частые и точные измерения концентрации этих ионов необходимы даже в том случае, когда сама исходная вода не содержит высоких значений концентраций ионов алюминия и железа. Загрязнения силикатами металлов могут возникнуть из-за химических процессов, реакций и осадков (отложений), протекающих непосредственно на поверхности мембраны, а также из-за коллоидных примесей с частицами субмикронных размеров, которые не улавливаются фильтрами, установленными на входе в мембранную систему.
     Существенное влияние на процесс отложения соединений кремния оказывают гидроксиды металлов, частицы которых сорбируют на своей поверхности соединения кремния, обусловливая образование силикатных загрязнений, в значительной степени ухудшающих показатели обратноосмотического обессоливания.

10.4.4. Осадки железа и марганца на ОО-мембранах
     Осадки соединений железа и марганца на поверхности ОО-мембран формируются по механизму образования осадков коллоидных частиц, о которых мы рассказывали в разделе 10.2.
     Железо является распространенным загрязнителем практически для всех источников водоснабжения. В своей статье, посвященной обезжелезиванию воды, мы указывали, что «… удаление железа из воды (обезжелезивание), понижение его концентрации до допустимых норм является одной из самых насущных задач водоподготовки.»
     Содержание железа в разных источниках водоснабжения значительно отличается как по форме соединений железа, так и по его суммарной концентрации. Чаще всего железо присутствует в форме растворимых солей Fe²⁺, которые затем окисляются до нерастворимых солей Fe³⁺. Мелкие частицы этого вещества или коллоидное железо после окисления могут проходить через фильтры предподготовки и проникать в ОО-мембраны.
     Существует несколько теорий, объясняющих процесс образования осадка гидроксида железа на поверхности ОО-мембран. По одним частицы железа, проникшие в обратноосмотический аппарат, закрепляются в местах с низкой турбулентностью – в «застойных зонах». Другие предполагают, что скорость образования осадка соединений железа на мембране не зависит ни от их концентрации, ни от производительности мембран, ни от степени турбулентности потока обрабатываемой воды, а определяющим фактором является природа полупроницаемых мембран, обусловливающая величину адгезии частичек коллоидного железа к поверхности мембран. Третьи, утверждают, что переход двухвалентного железа в трехвалентное может происходить под действием микроорганизмов. Исследования показали, что в аппаратах обратного осмоса были обнаружены железобактерии, способные окислять Fe²⁺ в Fe³⁺. При этом даже фильтрование исходной воды через фильтры с размерами пор 1 мкм не обеспечивает защиту мембран от их загрязнения соединениями железа. На основании этого факта сделано заключение, что ответственными за процесс осаждения железа на поверхности мембран являются железобактерии, в результате жизнедеятельности которых коллоидные частицы гидроксида железа образуются непосредственно у поверхности мембран.
     Признаками того, что на поверхности ОО-мембран образуется осадок гидроксида железа, являются снижение селективности, скорости потока (производительности), рост перепада давления (особенно на первых ОО-элементах) установки обратного осмоса; изменение цвета мембраны.
     Соли марганца менее распространены, чем соли железа, и обладают лучшей растворимостью, чем эквивалентные им соли железа, поэтому удалять их труднее. Чаще всего это делают с помощью фильтров с каталитической загрузкой «GREENSAND», которые регенерируют перманганатом калия. Однако, если дозировка перманганата калия превышена или он не вымыт из фильтра с каталитической загрузкой «GREENSAND», то при высоких концентрациях перманганата калия в фильтрате после указанных фильтров возможно окисление поверхности мембраны, а при низких образование осадка оксида марганца на поверхности мембраны.
     В любом случае контроль за работой систем обезжелезивания и демарганетизации на стадии предварительной очистки воды перед установкой обратного осмоса должен быть надлежащим и постоянным.

11. ХИМИЧЕСКАЯ ПРОМЫВКА УСТАНОВОК ОБРАТНОГО ОСМОСА

11.1. Когда проводить очистку ОО-установки?

     При использовании общепринятого эффективного технического обслуживания установки обратного осмоса, а также ее своевременной и правильной очистки, ОО-мембраны могут обеспечить устойчивый постоянный поток воды требуемого качества в течение длительного срока эксплуатации. Одной из конструктивных особенностей, присущих всем установкам обратного осмоса, о которой обычно забывают при расчете периодичности проведения химических промывок, является то, что в режиме ожидания ОО-мембраны находятся в пермеате, который способен немного растворять отложения или разрыхлять осадки, тем самым способствуя их смыву с ОО-мембран.

     Но рано или поздно любой ОО-установке понадобится химическая промывка.

     Признаками загрязнения ОО-мембран, которые сигнализируют о необходимости их очистки, являются: уменьшение первоначального потока пермеата на 10-15%, снижение первоначального качества пермеата на 10-15% или увеличение первоначального перепада давления на 10-15%, измеренное между подачей и коллектором концентрата. Все эти изменения должны быть приведены к первоначальным условиям эксплуатации: температуре, давлению и химическому составу исходной воды, т.е. их значения должны быть неизменными.

     Очистка ОО-установки также рекомендуется после ее длительного простоя или перед длительным отключением (непосредственно перед консервацией).

     Периодичность проведения химической промывки ОО-установки зависит от состава исходной воды, качества и эффективности ее предварительной обработки, а также от правильной эксплуатации собственно ОО-установки. На практике приемлемой частотой проведения промывки считается – один раз в 3-12 месяцев. Если необходимость промывки возникает более одного раза в месяц, то следует пересмотреть состав оборудования для предварительной обработки исходной воды и/или самой ОО-установки.

     Очень важно своевременно проводить химическую промывку ОО-мембран, т.е. тогда, когда они имеют небольшой слой образовавшихся отложений, а не «коросты» после их сильного загрязнения. Большой слой загрязнений препятствует глубокому проникновению в отложения химических (активных) реагентов, тем самым резко снижается скорость их отторжения от поверхности и снижается эффективность действия моющих растворов.

11.2. Основные проблемы в обратном осмосе

     Срок службы мембранных элементов установки обратного осмоса сокращается за счет образования отложений солей, их загрязнения и воздействия на них химикатов. Срок службы ОО-мембран можно продлить, предотвращая эти процессы.

11.2.1. Отложения солей на ОО-мембранах происходит в результате осаждения некоторых веществ, растворенных в исходной воде из-за их концентрирования в ОО-установке. Наиболее распространенными веществами, образующими твердые отложения, являются карбонат кальция (известняк) и сульфат кальция (гипс).

     Отложение солей уменьшает поток пермеата и увеличивает проводимость пермеата. Кристаллы образующихся солей с остроконечными чешуйками могут соприкасаться с поверхностью ОО-мембраны и «царапать» ее, вызывая необратимые повреждения. Эти образующие отложения по своим свойствам сильно отличаются от гелей полимеризованного диоксида кремния, как правило, также входящего в состав осадков. Они будут эффективно удаляться путем химической промывки пораженных элементов соляной или лимонной кислотой. При этом значение рH очищающего раствора должно быть не ниже минимального значения, разрешенного изготовителем мембраны.

     Отложения диоксида кремния, который осаждается в виде гелей, обычно удаляются с помощью щелочных растворов с максимально высоким значением pH, которое допускается производителем ОО-мембраны. Однако для его почти полного удаления потребуется несколько часов.

     От большей части солей жесткости можно избавиться на стадии предварительной обработки воды путем установки ионообменного Na-катионитового фильтра, обычно называемого фильтром-умягчителем. Кремнийсодержащие осадки встречаются реже, но процесс удаления кремния на стадии предварительной очистки более сложен и, как правило, связан с общим удалением коллоидных частиц из исходной воды с использованием реагентных методов ее обработки.

11.2.2. Загрязнение ОО-мембран происходит, когда взвешенные частицы исходной воды осаждаются на их поверхности. Наиболее распространенными загрязняющими частицами являются бактерии, за которыми следуют частицы, имеющие в своем составе алюминий, железо и кремний.

     Основное влияние загрязнения оказывают на уровень потока пермеата. При этом бактериальное загрязнение обычно не приводит к увеличению удельной электропроводности ОО-пермеата до тех пор, пока не произойдет чрезмерного засорения системы. Другие загрязняющие частицы могут вызывать постепенный рост удельной электропроводности ОО-пермеата. Частицы с острыми гранями могут порезать мембрану и вызвать необратимое повреждение.

     Большинство биологических частиц и частиц кремнезема можно удалить раствором моющего средства с высоким pH. Максимальный pH устанавливается производителем мембраны. Подходящие и неподходящие моющие средства указаны изготовителями мембран. Загрязнения алюминием и железом обычно удаляются моющими растворами для удаления накипи.

11.3. Реагенты для промывки установки обратного осмоса

      Реагенты для очистки ОО-мембран и способы очистки могут меняться в зависимости от состава отложений. Нередко ситуация осложняется тем, что в отложениях может присутствовать более одного загрязнителя. Наиболее частыми загрязнениями являются:

• отложения карбоната кальция
• сульфатные отложения кальция, бария или стронция
• оксиды металлов: железа, марганца, алюминия и др.
• отложения кремния
• коллоидные отложения (неорганические или смешанные неорганические / органические)
• органические вещества природного или искусственного происхождения
• биологические (биослизь, плесень или грибки)

      Выбор подходящего моющего средства (или ряда средств) и надлежащего алгоритма операций очистки определяется рядом факторов. При первоначальной очистке рекомендуется связаться с производителем оборудования (вставить фразу о том, что поставщик оборудования, как правило, знает состав воды и наиболее вероятные отложения), производителем ОО-элементов или поставщиком специальных химикатов для обратного осмоса. После идентификации подозрительного (-ых) загрязнителя (-ей) будут рекомендованы одно или несколько моющих средств. Эти химические вещества могут быть универсальными и доступны от ряда поставщиков или могут быть фирменными от этих компаний. Запатентованные решения могут быть более дорогими, но при этом могут быть более простыми в использовании, поэтому исключить преимущества интеллектуальных знаний, предоставляемых этими компаниями, вы не сможете. Некоторые сервисные компании предлагают незаменимый сервис, который позволяет определить нужные чистящие средства и алгоритм очистки, проверив на своем объекте ОО-элемент вашей системы.

      Нередко для достижения оптимальной очистки в определенной последовательности приходится использовать несколько различных очищающих химикатов. Бывают случаи, когда для очистки от загрязнений сначала используется очистка с низким pH для очистки от минеральных отложений, а затем производится повторная очистка с низким pH. В одни чистящие растворы добавляются моющие средства, помогающие удалить тяжелые биологические и органические отложения, другие содержат хелатообразующие агенты, например, такой как ЭДТА, которые добавляют для ускорения удаления коллоидных, органических и биологических веществ, а также сульфатных отложений. Важно помнить, что неправильный выбор чистящего химического вещества или неверная последовательность введения химического вещества могут усугубить загрязнение.

      В Таблице 11.1 приведены реагенты, которые чаще всего используются при удалении с поверхности ОО-мембран определенных видов загрязнений.

Вид загрязнения	Чистящие химические реагенты
Карбонат кальция	Кислота (например, HCl, лимонная кислота) или реагент с низким pH
Фосфат кальция	Кислота (например, HCl, лимонная кислота) или реагент с низким pH
Сульфаты кальция, магния, стронция (CaSO4, BaSO4, SrSO4)	Удаляется с трудом, иногда применяются следующие реагенты: гексаметафосфат натрия с HCl или этилендиаминтетрауксусная кислота, ЭДТК (EDTA) с NaOH
Полимеризованный кремний	Удаляется с трудом, иногда применяется фторид аммония с кислотой (рН=3)
Оксиды и гидроксиды металлов (например, Fe, Mn, Cu, Ni, Zn)	Кислота (например, HCl, лимонная кислота) или реагент с низким pH, или бисульфит натрия
Коллоидное загрязнение (органическое и/или неорганическое)	Щелочь (например, NaOH) или реагент с высоким pH, часто с детергентом (например, лаурилсульфат натрия) или EDTA
Микробиологическое загрязнение	Удаляется с трудом, иногда применяются следующие реагенты: щелочь (например, NaOH) или реагент с высоким pH, часто с биоцидом или детергентом
Органическое загрязнение (растворенные природные органические вещества (NOM))	Щелочь (например, NaOH) или реагент с высоким pH, часто с детергентом или этилендиаминтетрауксусной кислотой (EDTA)
Катион активные продукты	Химической очисткой удаляются с трудом

      При выборе чистящих химических веществ и их использовании при очистке композитных полиамидных ОО-мембран, которые в настоящее время наиболее широко используются для обессоливания воды, существует ряд правил:

      Во-первых, всегда следуйте рекомендациям изготовителя ОО-мембран по химическому составу промывочных растворов, дозировке, pH, температуре и времени контакта.

      Во-вторых, при выборе химического агента из нескольких используйте агент, обладающий более «щадящими» свойствами по отношению к ОО-мембране;

      В-третьих, проявляйте тщательность при регулировании рН в области низких и высоких значений, чтобы продлить срок службы ОО-мембраны: «щадящий» диапазон рН – 4-10, «жесткий» – 2-12;

      В-четвертых, перед сменой химического агента убедитесь, что агент от предыдущего шага полностью удален из ОО-установки и УХП, а система тщательно промыта. Не смешивайте щелочные и кислотные агенты;

      В-пятых, после щелочной обработки особое внимание уделите промывке ОО-установки с контролем выходных поток по значению рН.

      При обработки исходной воды, неблагополучной в микробиологическом отношении, после химической очистки ОО-мембран дополнительно можно ввести стадию их обработки биоцидом. Биоцид можно вводить или сразу после очистки, или периодически (например, один раз в неделю) или непрерывно во время эксплуатации ОО-установки. Однако нужно быть уверенным, что биоцид совместим с ОО-мембраной и эффективен в подавлении биологической активности, а его остаточные концентрации в пермеате не создают каких-либо рисков для здоровья.

11.4. Установка химической промывки обратноосмотических мембран

     Эффективная очистка мембран обратного осмоса на месте их эксплуатации требует хорошо проработанной конструкции установки химической промывки (УХП). Обычно она жестко не закрепляется на опорном каркасе установки обратного осмоса, а имеет собственную опорную конструкцию (как правило, передвижную) и для подключения соединяется с ОО-установкой через временные шланги. Многоступенчатые установки обратного осмоса рекомендуется очищать по одной ступени за раз, чтобы оптимизировать скорость протока при очистке.

     Исходной водой для приготовления химических растворов и ополаскивания должны служить: пермеат обратного осмоса, деионизованная (или деминерализованная) вода или, по крайней мере, умягченная вода. Компоненты УПХ должны быть устойчивы к химической коррозии.

     Основными компонентами, входящими в состав УХП являются:

• Емкость для приготовления и хранения растворов химических реагентов и служащий одновременно промежуточной емкостью при организации циркуляции моющих растворов по замкнутому контуру: объем этой емкости должен быть как минимум равным объему вытесняемой воды из шлангов, трубопроводов и высоконапорных корпусов ОО-мембран. 

     На практике минимальный требуемый объем принимают:

1. для корпусов диаметром 8" из расчета 23-25 л, умноженное на число ОО-мембран 8040;
2. для корпусов диаметром 4" из расчета 8-10 л, умноженное на число ОО-мембран 4040;
3. трубная обвязка (примерно плюс 20% от полученного объема);
4. кавитационный запас насоса (полученный объем проверяют по характеристикам насоса).

     Конструкция емкости должна обеспечивать ее полное опорожнение, легкий доступ для внесения и перемешивания химических реагентов с водой, патрубки линий подачи на насос контура рециркуляции и возврата с установки обратного осмоса. При этом окончание трубопровода возвратной линии должно быть расположено около дна емкости, чтобы минимизировать пенообразование, при очистке используется поверхностно-активного вещество. Емкость должна быть оснащена надлежащей вентиляцией, и защитным патрубком от перелива.

• Насос контура рециркуляции: рабочая точка насоса должна быть рассчитана таким образом, чтобы обеспечить оптимальную скорость поперечного потока для высоконапорных корпусов ОО-мембран диаметром 8 дюймов – от 115 до 150 л/мин (30-40 gpm), для высоконапорных корпусов ОО-мембран диаметром 4 дюйма – от 30 до 38 л/мин в час (8-10 gpm). Чтобы минимизировать количество пермеата, образующегося во время очистки, и снизить возможность повторного конвективного отложения загрязнителей обратно на поверхность мембраны максимальное давление в высоконапорных корпусах ОО-мембран не должно превышать 0,41 МПа (4,1 бар или 60 psi).

     Конструкция насоса контура рециркуляции должна соответствовать ГОСТ 31839-2012 (EN 809:1998) «Насосы и агрегаты насосные для перекачки жидкостей. Общие требования безопасности». Проточная часть насоса должна быть изготовлена из сталей или полимерных материалов, способных выдерживать длительное воздействие растворов агрессивных сред. Уплотнение вала должно обеспечивать безопасную работу и защиту от утечек продукта, которые могут привести к травмам. Электродвигатель насоса должен обеспечивать работу с жидкостями большей плотности и вязкости, чем плотность и вязкость воды.

• Картриджный фильтр (однопатронный или мультипатронный) с рейтингом фильтрации, как правило, от 5 до 10 микрон, предназначенный для удаления загрязнений, которые были унесены потоком раствора химического реагента из ОО-мембран в процессе их очистки. Конструкция корпуса картриджного фильтра должна быть разборной, обеспечивать его полное опорожнение, легкую очистку и необходимую обработку.

     Зачастую, чтобы сэкономить, изготовители установок обратного осмоса используют те картриджные фильтры, которые установлены на входе в установку обратного осмоса на исходной воде. Однако это неправильный подход. Дело в том, что все патронные фильтры имеют одинаковую конструкцию. Фильтрующие элементы в ей размещены на основании, которое закрывается колоколом (или колбой). Направление фильтрации идет снаружи установленного патрона внутрь его. Поэтому внутренняя поверхность колокола (или колбы) находиться в постоянном контакте с исходной водой и на ней могут откладываться нерастворимые примеси, находящиеся в исходной воде. Эти примеси будут контактировать с химическими растворами, с помощью которых производиться промывка, неизбежно растворяться в них. Из-за чего растворы будут терять свою активность и «насыщаться» ненужными примесями, которые в свою очередь могут попасть на промываемые ОО-мембраны. Поэтому любая установка химической промывки установок обратного осмоса должна быть оснащена собственными картриджными фильтрами, а входной картриджный фильтр установки обратного осмоса должен промываться отдельно по собственной программе.

• Устройство для нагрева или охлаждения раствора в емкости.  Оптимальная температура для очистки составляет от 35 до 45°C. При выборе системы кондиционирования нужно помнить о том, что в процессе работы рециркуляционного насоса вырабатывается тепло и передается во время рециркуляции жидкости.
• Устройство для перемешивания растворов в емкости для того, чтобы:

1. ускорить процесс растворения вносимых реагентов;
2. увеличить скорость и полноту протекания химических реакций или процессов;
3. создать равномерную консистенцию в воде химических реагентов и выносимых из промывных блоков загрязнений при проведении процесса очистки;
4. интенсифицировать процессы нагревания или охлаждения и обеспечить стабильную температуру по объему всей жидкости.

     Чаще всего для этих целей используют механические верхнеприводные мешалки (электрические, пневматические, ручные), а также другие способы перемешивания: барботаж газа или пара, циркуляция жидкости, вибрационное или пульсационное перемешивание.

     Приоритетом изготовителей оборудования для химической промывки считается поддержание циркуляции через насос контура рециркуляции обратно в емкость при медленном введении предварительно растворенного химического реагента, а также выбор такой конструкции емкости, при которой поток жидкости на возврате из промываемого оборудования производил ее интенсивное перемешивание.

• Контрольно-измерительные приборы для регистрации параметров процесса очистки:

1. расхода жидкости (ротаметры);
2. температуры (термометры или пирометры); давления (манометры или датчики давления с контроллерами для визуализации результатов);
3. уровня в резервуаре (визуальные уровнемеры или гидростатические датчики с контроллерами для визуализации результатов)

• Точки отбора проб. На линии нагнетания насоса контура рециркуляции и линиях возврата концентрата и пермеата в УХП должны быть размещены пробоотборные краны, позволяющие проводить отбор проб для измерения водородного показателя pH и удельной электропроводности / общего солесодержания (TDS) и/или установлены соответствующие анализаторы, позволяющие осуществлять контроль за указанными параметрами в непрерывном режиме.

11.5. Процедура промывки установки обратного осмоса.

     В зависимости от степени загрязненности ОО-мембран и типа загрязнения процедура их очистки может занимать от 4 до 8 часов. Ниже приведен ориентировочный перечень основных операций по промывке ОО-мембраны одним из химических реагентов из общей программы.

1. Промыть ОО-мембраны под низким давлением с высоким расходом исходной воды или ОО-пермеата со сбросом в дренаж для удаления концентрата и накопившихся загрязнений.
2. Приготовить рабочий раствор химического реагента согласно рекомендациям изготовителя ОО-мембран и установки обратного осмоса.
3. Подать приготовленный раствор на первый обрабатываемый ОО-модуль и медленно (в течение 40-60 минут) с небольшим расходом произвести вытеснение из него воды, сбрасывая ее в дренаж, а также первые 15-20% загрязненного моющего раствора. После чего перевести УХП в режим рециркуляции с требуемым для данного типоразмера ОО-модуля потоком и возвратом моющего раствора в емкость. Если в процессе очистки отклонение значения рН от целевого в приготовленном растворе будет составляет более 0,5, надо откорректировать раствор.
4. Для более эффективной очистки дополнительно можно использовать последовательные экспозицию («замачивание») и рециркуляцию моющего раствора. Время экспозиции раствора может составлять от 1 до 12 часов в зависимости от степени загрязненности ОО-мембран. При этом нужно строго следовать рекомендациям изготовителя ОО-мембран, обеспечивая при контакте ОО-мембраны с моющим раствором надлежащие значения рН, температуры и времени воздействия того или иного химического реагента на ОО-мембрану.
5. Полностью слить и тщательно промыть емкость УПХ, затем заполнить емкость ОО-пермеатом. Промыть ОО-мембраны под низким давлением с высоким расходом ОО-пермеата со сбросом в дренаж для удаления следов реагента и накопившихся загрязнений. Отмывка ведется по показаниям рН-метра и кондуктометра.Многоступенчатые установки обратного осмоса рекомендуется очищать по одной ступени за раз, чтобы оптимизировать скорость поперечного потока при очистке.
6. После промывки всех ступеней ОО-установки, ввести ее в эксплуатацию.

     При этом следует отслеживать как улучшаются показатели ее работы: в первую очередь качество и количество пермеата, а также перепад давления. Нередко для стабилизации качества ОО-пермеата после проведенной промывки требуется длительное время (от нескольких часов до нескольких суток).

      Если проведенная очистка не дала результатов, на которые вы надеялись, не следует использовать метод проб и ошибок на месте, меняя моющие растворы. Лучше в этом случае обратиться к поставщикам услуг (сервисным компаниям), которые предлагают услуги по определению состава загрязнений, подбирают нужные чистящие средства и алгоритм очистки, проверив на своем объекте ОО-элемент вашей системы.

      Для проведения данной проверки следует удалить один или два элемента из первого и последнего ОО-модуля и отправить их в сервисную компанию.