✖


Jump to content

Обратный осмос

Страница полузащищена

Опреснение воды
Методы

Обратный осмос ( RO ) — это процесс очистки воды , в котором используется полупроницаемая мембрана для отделения молекул воды от других веществ. RO оказывает давление для преодоления осмотического давления , которое способствует равномерному распределению. RO может удалять растворенные или взвешенные химические вещества , а также биологические вещества (в основном бактерии ) и используется в промышленных процессах и производстве питьевой воды . RO удерживает растворенное вещество на стороне мембраны, находящейся под давлением, а очищенный растворитель переходит на другую сторону. Относительные размеры различных молекул определяют, что проходит. «Селективные» мембраны отклоняют крупные молекулы, принимая при этом более мелкие молекулы (такие как молекулы растворителя, например, воды). [ 1 ]

RO наиболее широко известен своим использованием для очистки питьевой воды от морской воды , удаления соли и других сточных материалов из молекул воды. [ 2 ]

По состоянию на 2013 год крупнейшая в мире опреснительная установка обратного осмоса находилась в Сореке, Израиль , производительностью 624 тысячи кубических метров в день (165 миллионов галлонов США в день). [ 3 ]

История

Процесс осмоса через полупроницаемые мембраны впервые наблюдал в 1748 году Жан-Антуан Нолле . В течение следующих 200 лет осмос был всего лишь лабораторным явлением. В 1950 году Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе (UCLA) впервые исследовал осмотическое опреснение . Исследователи из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и Университета Флориды опресняли морскую воду в середине 1950-х годов, но поток был слишком низким, чтобы быть коммерчески жизнеспособным. [ 4 ] Сидни Леб из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и Шриниваса Сурираджан [ 5 ] в Национальном исследовательском совете Канады в Оттаве нашли методы изготовления асимметричных мембран, характеризующихся эффективно тонким «кожным» слоем, поддерживаемым поверх высокопористой и гораздо более толстой области подложки. Джон Кадотт из корпорации Filmtec обнаружил, что мембраны с особенно высоким потоком и низким пропусканием соли могут быть изготовлены путем межфазной полимеризации и м -фенилендиамина тримезоилхлорида. Патент Кадота на этот процесс [ 6 ] являлся предметом судебного разбирательства и срок его действия истек. Почти все коммерческие мембраны обратного осмоса сейчас изготавливаются этим методом. около 16 000 опреснительных К 2019 году по всему миру работало установок, производящих около 95 миллионов кубических метров воды в день (25 миллиардов галлонов США в день). Около половины этих мощностей приходилось на регион Ближнего Востока и Северной Африки. [ 7 ]

Производственная линия RO, завод обратного осмоса North Cape Coral

В 1977 году Кейп-Корал , штат Флорида, стал первым муниципалитетом США, который использовал RO в больших масштабах, с начальной рабочей мощностью 11,35 миллиона литров (3 миллиона галлонов США) в день. К 1985 году быстрый рост привел к тому, что в городе появилась крупнейшая в мире установка обратного осмоса низкого давления, производящая 56,8 миллиона литров (15 миллионов галлонов США) в день (MGD). [ 8 ]

Осмос

При (прямом) осмосе растворитель перемещается из области с низкой концентрацией растворенного вещества (высокий водный потенциал ) через мембрану в область с высокой концентрацией растворенного вещества (низкий водный потенциал). Движущей силой движения растворителя является уменьшение свободной энергии Гиббса системы, при которой уменьшается разница в концентрации растворителя между сторонами мембраны. Это называется осмотическим давлением. Оно уменьшается по мере перехода растворителя в более концентрированный раствор. Таким образом, применение внешнего давления для изменения естественного потока чистого растворителя является обратным осмосом. Этот процесс аналогичен другим применениям мембранных технологий.

RO отличается от фильтрации тем, что механизм потока жидкости обратный: растворитель пересекает мембрану, оставляя растворенное вещество позади. Преобладающим механизмом удаления при мембранной фильтрации является фильтрация или исключение размера, когда поры составляют 0,01 микрометра или больше, поэтому теоретически процесс может достичь идеальной эффективности независимо от таких параметров, как давление и концентрация раствора. растворителя Вместо этого RO включает диффузию через мембрану, которая либо непористая, либо использует нанофильтрацию с размером пор 0,001 микрометра. Преобладающий механизм удаления обусловлен различиями в растворимости или диффузии , и процесс зависит от давления , концентрации растворенного вещества и других условий. [ 9 ]

Для обратного осмоса требуется давление от 2 до 17 бар (30–250 фунтов на квадратный дюйм ) для пресной и солоноватой воды и от 40 до 82 бар (600–1200 фунтов на квадратный дюйм) для морской воды. Морская вода имеет давление около 27 бар (390 фунтов на квадратный дюйм). [ 10 ] естественное осмотическое давление , которое необходимо преодолеть.

Размеры пор мембран варьируются от 0,1 до 5000 нм. Фильтрация частиц удаляет частицы размером 1 мкм и более. Микрофильтрация удаляет частицы размером 50 нм и более. Ультрафильтрация удаляет частицы размером примерно 3 нм или больше. Нанофильтрация удаляет частицы размером 1 нм и более. RO относится к последней категории мембранной фильтрации, гиперфильтрации, и удаляет частицы размером более 0,1 нм. [ 11 ]

Применение пресной воды

Столешница RO-система

Очистка питьевой воды

Во всем мире бытовые питьевой воды системы очистки , включая стадию обратного осмоса, обычно используются для улучшения качества воды для питья и приготовления пищи.

Такие системы обычно включают в себя следующие этапы:

В некоторых системах угольный предварительный фильтр заменяется мембраной из триацетата целлюлозы (ЦТА). СТА — это мембрана из бумажного побочного продукта, прикрепленная к синтетическому слою, который обеспечивает контакт с хлором в воде. Для этого требуется небольшое количество хлора в источнике воды, чтобы предотвратить образование на нем бактерий. Типичный процент брака мембран СТА составляет 85–95%.

Мембрана из триацетата целлюлозы гниет, если ее не защитить хлорированной водой , а тонкопленочная композитная мембрана разрушается в присутствии хлора. Мембрана из тонкопленочного композита (TFC) изготовлена ​​из синтетического материала и требует удаления хлора до того, как вода попадет в мембрану. Для защиты мембранных элементов TFC от повреждения хлором угольные фильтры в качестве предварительной очистки используются . Мембраны TFC имеют более высокий уровень отторжения (95–98%) и более длительный срок службы, чем мембраны CTA.

Портативные очистители воды обратного осмоса продаются для личной воды. Для эффективной работы вода, подаваемая в эти устройства, должна находиться под давлением (обычно 280 кПа (40 фунтов на квадратный дюйм) или выше). [ 12 ] Эти процессоры можно использовать в районах, где не хватает чистой воды.

Производство минеральной воды в США использует RO. В Европе такая обработка природной минеральной воды (согласно европейской директиве) [ 13 ] не допускается. На практике часть живых бактерий проходит через RO через дефекты мембраны или полностью обходит мембрану через неплотности уплотнений.

Для бытовой очистки, где нет необходимости удалять растворенные минералы (умягчать воду), альтернативой RO является фильтр с активированным углем с микрофильтрационной мембраной.

RO на солнечной энергии

Установка опреснения на солнечной энергии производит питьевую воду из соленой воды , используя фотоэлектрическую систему для подачи энергии. Солнечная энергия хорошо подходит для очистки воды в условиях отсутствия сетевого электричества и может снизить эксплуатационные расходы и выбросы парниковых газов . Например, разработанная опреснительная установка на солнечной энергии прошла испытания на Австралии Северной территории . [ 14 ]

Прерывистый характер солнечного света затрудняет прогнозирование выходной мощности без возможности накопления энергии. Однако батареи или системы хранения тепловой энергии могут обеспечивать электроэнергию, когда солнце этого не делает. [ 15 ]

Военный

Более крупные установки для очистки воды обратным осмосом (ROWPU) существуют для использования в военных целях. Они были приняты на вооружение вооруженными силами США и Канадскими вооруженными силами . Некоторые модели представляют собой контейнеры , некоторые — прицепы, а некоторые сами являются транспортными средствами. [ нужна ссылка ]

Вода обрабатывается полимером для инициирования коагуляции . Далее его пропускают через мультимедиа-фильтр, где он подвергается первичной очистке, удаляя мутность . Затем он прокачивается через картриджный фильтр, который обычно представляет собой спирально-навитый хлопок. Этот процесс удаляет любые частицы размером более 5 мкм и почти полностью устраняет мутность.

Очищенная вода затем подается через поршневой насос высокого давления в ряд сосудов обратного осмоса. в сырой воде 90,00–99,98% общего количества растворенных твердых веществ удаляется, и военные стандарты требуют, чтобы результат имел не более 1000–1500 частей на миллион по показателю электропроводности . Затем его дезинфицируют хлором . [ нужна ссылка ]

Очистка воды и сточных вод

Дождевая вода, очищенная методом обратного осмоса, собранная из ливневых стоков, используется для орошения ландшафтов и промышленного охлаждения в Лос-Анджелесе и других городах.

В промышленности RO удаляет минералы из котловой воды на электростанциях . [ 16 ] Вода подвергается дистилляции многократной , чтобы гарантировать, что она не оставляет отложений на оборудовании и не вызывает коррозии.

RO используется для очистки сточных вод и солоноватой грунтовой воды . Сточные воды в больших объемах (более 500 м3) 3 /день) сначала очищается на водоочистной станции , а затем сточные воды проходят через RO. Этот гибридный процесс значительно снижает стоимость лечения и продлевает срок службы мембраны.

RO можно использовать для производства деионизированной воды . [ 17 ]

В 2002 году Сингапур объявил, что процесс под названием NEWater станет важной частью его планов по водоснабжению. RO будет использоваться для очистки сточных вод перед их сбросом в резервуары.

Пищевая промышленность

Обратный осмос — более экономичный способ концентрирования жидкостей (например, фруктовых соков), чем традиционная термическая обработка. Концентрирование апельсинового и томатного сока имеет преимущества, включая более низкие эксплуатационные расходы и возможность избежать термической обработки, что делает его пригодным для термочувствительных веществ, таких как белки и ферменты .

RO используется в молочной промышленности для производства порошков сывороточного белка и концентрата молока. обработкой сыворотку (жидкость , оставшуюся после производства сыра) концентрируют с помощью обратного осмоса от 6% до 10–20% сухих веществ Перед ультрафильтрационной . Ретентат затем можно использовать для приготовления порошков сыворотки, включая изолят сывороточного белка . Кроме того, пермеат, содержащий лактозу , концентрируется с помощью обратного осмоса от 5% твердых веществ до 18% общего содержания твердых веществ, чтобы снизить затраты на кристаллизацию и сушку.

Хотя когда-то в винодельческой промышленности RO избегали, сейчас он широко распространен. , Франция, использовалось около 60 машин обратного осмоса. По оценкам, в 2002 году в Бордо Среди известных пользователей многие элитные фирмы, такие как Château Léoville-Las Cases .

Производство кленового сиропа

В 1946 году некоторые производители кленового сиропа начали использовать RO для удаления воды из сока перед кипячением сока до сиропа . RO позволяет удалить около 75–90% воды, снижая потребление энергии и воздействие на сироп высоких температур.

Слабоалкогольное пиво

Основная статья: Слабоалкогольное пиво

Когда пиво обычной концентрации подвергается обратному осмосу, вода и спирт проходят через мембрану легче, чем другие компоненты, оставляя «пивной концентрат». Затем концентрат разбавляют пресной водой, чтобы восстановить исходную интенсивность нелетучих компонентов. [ 18 ]

Производство водорода

Для мелкомасштабного производства водорода иногда используется RO для предотвращения образования минеральных отложений на поверхности электродов .

Аквариумы

Многие владельцы рифовых аквариумов используют системы обратного осмоса для получения морской воды, благоприятной для рыб. Обычная водопроводная вода может содержать чрезмерное количество хлора , хлораминов , меди , нитратов , нитритов , фосфатов , силикатов или других химикатов, губительных для морских организмов. Загрязнения, такие как азот и фосфаты, могут привести к нежелательному росту водорослей. Эффективное сочетание обратного осмоса и деионизации популярно среди владельцев рифовых аквариумов и предпочтительнее других процессов очистки воды из-за низкой стоимости владения и эксплуатационных расходов. Если в воде обнаружены хлор и хлорамины , перед RO необходима угольная фильтрация, поскольку обычные бытовые мембраны не справляются с этими соединениями.

Пресноводные аквариумисты также используют RO для дублирования мягкой воды, встречающейся во многих тропических водах. Хотя многие тропические рыбы могут выжить в очищенной водопроводной воде, размножение может оказаться невозможным. Многие магазины, занимающиеся водными видами спорта, продают для этой цели контейнеры с водой обратного осмоса.

Мойка окон

Все более популярным методом мытья окон становится система «столб с подачей воды». Вместо мытья окон обычным моющим средством их моют очищенной водой, обычно содержащей менее 10 частей на миллион растворенных твердых веществ, используя щетку на конце шеста, поднимаемого с уровня земли. RO обычно используется для очистки воды.

Очистка фильтрата свалок

Обработка RO ограничена, что приводит к низкой степени извлечения при высоких концентрациях (измеряемых по электропроводности ) и загрязнению мембраны. Применимость обратного осмоса ограничена проводимостью, органикой и отложениями неорганических элементов, таких как CaSO 4 , Si, Fe и Ba. Для удаления отложений с низким содержанием органических веществ можно использовать две разные технологии: спирально-навитую мембрану и (при высоком отложении органических отложений, высокой проводимости и более высоком давлении (до 90 бар)) можно использовать модули дисковых трубок с мембранами обратного осмоса. Модули дисковых труб были переработаны для очистки фильтрата свалок , который обычно загрязнен органическими материалами. Из-за перекрестного потока в него устанавливается бустерный насос, который рециркулирует поток через мембрану от 1,5 до 3 раз, прежде чем он будет выпущен в виде концентрата. Высокая скорость защищает мембрану от накипи и позволяет очищать мембрану.

Потребляемая мощность для системы модулей дисковых трубок

Модуль дисковой трубки и модуль спиральной намотки
Модуль дисковой трубки с мембраной обратного осмоса и спирально-навитый модуль с мембраной обратного осмоса
Потребление энергии на м 3 выщелачивать
название модуля 1-ступенчатый до 75 бар 2-ступенчатый до 75 бар 3-ступенчатый до 120 бар
модуль дисковой трубки 6,1–8,1 кВтч/м 3 8,1–9,8 кВтч/м 3 11,2–14,3 кВтч/м 3

Опреснение

Районы с ограниченным количеством поверхностных или грунтовых вод могут выбрать опреснение . RO становится все более распространенным методом из-за его относительно низкого энергопотребления. [ 19 ]

Потребление энергии составляет около 3 кВтч/м. 3 (11 000 Дж/л) с разработкой более эффективных устройств рекуперации энергии и улучшенных мембранных материалов. По данным Международной ассоциации опреснения , в 2011 году RO использовался на 66% установленных опреснительных мощностей (0,0445 из 0,0674 км2). 3 /день) и почти все новые растения. [ 20 ] На других заводах используются методы термической дистилляции: многокорпусная дистилляция и многоступенчатая мгновенная дистилляция .

Опреснение морской воды методом обратного осмоса (SWRO) требует около 3 кВтч/м. 3 , что намного выше, чем требуется для других форм водоснабжения, включая очистку сточных вод методом обратного осмоса, от 0,1 до 1 кВтч/м. 3 . До 50% поступающей морской воды может быть восстановлено в виде пресной воды, хотя более низкие скорости восстановления могут снизить загрязнение мембран и потребление энергии.

Обратный осмос солоноватой воды (BWRO) — это опреснение воды с меньшим содержанием соли, чем морской воды, обычно из устьев рек или соленых скважин. Этот процесс по существу аналогичен SWRO, но требует более низкого давления и меньшего количества энергии. [ 1 ] До 80% подаваемой питательной воды может быть восстановлено в виде пресной воды, в зависимости от солености исходной воды.

Опреснительная установка Ашкелон в Израиле является крупнейшей в мире. [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ]

Типичная однопроходная система SWRO состоит из:

  • Впуск
  • Предварительная обработка
  • Насос высокого давления (если не совмещен с рекуперацией энергии)
  • Мембранная сборка
  • Рекуперация энергии (если используется)
  • Реминерализация и корректировка pH
  • Дезинфекция
  • Панель сигнализации/управления

Предварительная обработка

Предварительная обработка важна при работе с нанофильтрационными мембранами из-за их спирально-навитой конструкции. Материал разработан таким образом, чтобы обеспечить односторонний поток. Конструкция не позволяет обратным пульсациям воды или перемешиванию воздуха очищать его поверхность и удалять скопившиеся твердые частицы. Поскольку материал невозможно удалить с поверхности мембраны, он подвержен загрязнению (потере производственной мощности). Поэтому предварительная обработка необходима для любой системы обратного осмоса или нанофильтрации. Предварительная обработка состоит из четырех основных компонентов:

  • Отсеивание твердых частиц: твердые частицы необходимо удалять, а воду очищать, чтобы предотвратить загрязнение мембраны частицами или биологическим ростом, а также снизить риск повреждения компонентов высокого давления.
  • фильтры с нитчатой ​​намоткой Картриджная фильтрация. Полипропиленовые обычно используются для удаления частиц диаметром 1–5 мкм .
  • Дозирование : окисляющие биоциды , такие как хлор, добавляются для уничтожения бактерий, после чего следует дозирование бисульфита для дезактивации хлора, который может разрушить тонкопленочную композитную мембрану. Ингибиторы биообрастания не убивают бактерии, но не позволяют им размножаться слизью на поверхности мембраны и стенках растений.
  • перед фильтрацией Регулировка pH : если pH, жесткость и щелочность питательной воды приводят к образованию накипи при концентрации в потоке отходов, дозируется кислота для поддержания карбонатов в их растворимой угольной кислоты . форме
COСО3 2− + Н 3 О + = HCO3 − + Н 2 О
HCOHCO3 − + Н 3 О + = Н 2 СО 3 + Н 2 О
  • Угольная кислота не может соединяться с кальцием с образованием накипи карбоната кальция . Тенденцию к отложению карбоната кальция оценивают с помощью индекса насыщения Ланжелье . Добавление слишком большого количества серной кислоты для контроля карбонатных отложений может привести к образованию накипи сульфата кальция , сульфата бария или сульфата стронция на мембране.
  • Антискаланты для предварительной фильтрации: ингибиторы накипи (также известные как антискаланты) предотвращают образование большего количества накипи, чем кислота, которая может предотвратить образование только карбоната кальция и фосфата кальция . Помимо ингибирования карбонатных и фосфатных отложений, антискаланты ингибируют сульфатные и фторидные отложения, а также диспергируют коллоиды и оксиды металлов. Несмотря на заявления о том, что антискаланты могут ингибировать образование диоксида кремния , нет конкретных доказательств того, что полимеризация диоксида кремния ингибируется антискалантами. Антискаланты могут контролировать кислоторастворимые накипи в дозировке, необходимой для борьбы с такими же накипями с использованием серной кислоты. [ 24 ]
  • Некоторые небольшие опреснительные установки используют «пляжные колодцы». Обычно их бурят на берегу моря. Эти водозаборные сооружения относительно просты в строительстве, а собираемая ими морская вода предварительно очищается посредством медленной фильтрации через подземные образования песка/морского дна. Сырая морская вода, собранная с использованием пляжных колодцев, часто имеет лучшее качество с точки зрения содержания твердых частиц, ила, масла, жира, органических загрязнений и микроорганизмов по сравнению с открытыми водозаборами морской воды. Береговые водозаборы также могут давать родниковую воду с более низкой соленостью.

Насос высокого давления

высокого давления Насос проталкивает воду через мембрану. Типичное давление для солоноватой воды составляет от 1,6 до 2,6 МПа (от 225 до 376 фунтов на квадратный дюйм). В случае морской воды они варьируются от 5,5 до 8 МПа (от 800 до 1180 фунтов на квадратный дюйм). Это требует значительных затрат энергии. При использовании рекуперации энергии часть работы насоса высокого давления выполняется устройством рекуперации энергии, что снижает энергозатраты.

Мембранная сборка

Слои мембраны
Разрез 16-дюймовой трубки обратного осмоса

Мембранный узел состоит из сосуда под давлением с мембраной, которая позволяет проталкивать к нему питательную воду. Мембрана должна быть достаточно прочной, чтобы выдерживать давление. Мембраны обратного осмоса изготавливаются в различных конфигурациях. Двумя наиболее распространенными являются спирально-навитые и полые волокна .

Через него проходит только часть воды, закачанной на мембрану. Оставшийся «концентрат» проходит по солевой стороне мембраны и смывает соль и другие остатки. Процент опресненной воды представляет собой «коэффициент восстановления». Это зависит от солености и параметров конструкции системы: обычно 20% для небольших систем с морской водой, 40–50% для более крупных систем с морской водой и 80–85% для солоноватой воды. Поток концентрата обычно на 3 бара/50 фунтов на квадратный дюйм меньше давления подачи и, таким образом, сохраняет большую часть входной энергии.

Чистота опресненной воды зависит от минерализации питательной воды, выбора мембраны и коэффициента восстановления. Для достижения более высокой чистоты можно добавить второй проход, что обычно требует еще одного цикла откачки. Чистота, выраженная как общее количество растворенных твердых веществ, обычно варьируется от 100 до 400 частей на миллион (ppm или мг/литр) исходной морской воды. Уровень 500 ppm обычно является верхним пределом для питьевой воды, тогда как Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США классифицирует минеральную воду как воду, содержащую не менее 250 ppm.

Рекуперация энергии

Схема системы опреснения воды обратного осмоса с использованием теплообменника давления .
1 : Приток морской воды,
2 : Расход пресной воды (40%),
3 : Поток концентрата (60%),
4 : Расход морской воды (60%),
5 : Концентрат (слив),
A : Расход насоса (40%),
Б : Циркуляционный насос,
C : Установка осмоса с мембраной,
D : Датчик давления
Схема системы опреснения RO с использованием насоса рекуперации энергии.
1 : Приток морской воды (100%, 1 бар),
2 : Расход морской воды (100%, 50 бар),
3 : Расход концентрата (60%, 48 бар),
4 : Расход пресной воды (40%, 1 бар),
5 : Концентрат для слива (60%, 1 бар),
A : Насос восстановления давления ,
B : Установка осмоса с мембраной.

Рекуперация энергии может снизить потребление энергии на 50% и более. Большая часть входной энергии может быть извлечена из потока концентрата, а повышение эффективности устройств рекуперации энергии значительно снижает потребности в энергии. Используемые устройства в порядке изобретения:

  • Турбина или колесо Пелтона : водяная турбина, приводимая в движение потоком концентрата, соединенная с приводным валом насоса, обеспечивает часть входной мощности. Аксиально-поршневые двигатели объемного действия использовались вместо турбин в небольших системах.
  • Турбокомпрессор: водяная турбина, приводимая в движение потоком концентрата, напрямую соединенная с центробежным насосом , который повышает выходное давление, снижая необходимое давление от насоса и, следовательно, потребляемую им энергию. [ 25 ] По принципу конструкции аналогичен турбокомпрессорам автомобильных двигателей .
  • Обменник давления : использование потока концентрата под давлением посредством прямого контакта или поршня для повышения давления части потока мембранного питания до давления, близкого к давлению потока концентрата. [ 26 ] Затем подкачивающий насос повышает это давление обычно на 3 бара / 50 фунтов на квадратный дюйм до давления подачи мембраны. Это уменьшает поток, необходимый от насоса высокого давления, на величину, равную расходу концентрата, обычно на 60%, и, следовательно, его энергозатраты. Они широко используются в крупных низкоэнергетических системах. Они способны потреблять 3 кВтч/м. 3 или меньшее потребление энергии.
  • рекуперации энергии Насос : поршневой насос возвратно-поступательного действия . Поток концентрата под давлением подается на одну сторону каждого поршня, помогая направлять поток питания мембраны с противоположной стороны. Это самые простые в применении устройства рекуперации энергии, сочетающие в себе насос высокого давления и рекуперацию энергии в одном саморегулирующемся блоке. Они широко используются в небольших низкоэнергетических системах. Они способны потреблять 3 кВтч/м. 3 или меньшее потребление энергии.
  • Периодический режим: системы RO, работающие с фиксированным объемом жидкости (термодинамически закрытая система ), не страдают от потерь энергии в потоке рассола, поскольку энергия для создания давления практически несжимаемой жидкости (воды) незначительна. Такие системы потенциально могут достичь эффективности по второму закону 60%. [ 1 ] [ 27 ] [ 28 ]

Реминерализация и корректировка pH

Опресненная вода стабилизируется для защиты последующих трубопроводов и хранилищ, обычно путем добавления извести или каустической соды для предотвращения коррозии покрытых бетоном поверхностей. Известковый материал используется для регулирования pH в диапазоне от 6,8 до 8,1 в соответствии со спецификациями питьевой воды, в первую очередь для эффективной дезинфекции и борьбы с коррозией. Реминерализация может потребоваться для замены минералов, удаленных из воды при опреснении, хотя этот процесс оказался дорогостоящим и неудобным для удовлетворения потребности людей и растений в минералах, содержащихся в типичной пресной воде. Например, вода из национального водоканала Израиля обычно содержит уровень растворенного магния от 20 до 25 мг/литр, в то время как вода с завода в Ашкелоне не содержит магния. Вода из Ашкелона вызывала симптомы дефицита магния у сельскохозяйственных культур, включая томаты, базилик и цветы, и их приходилось устранять путем внесения удобрений. Израильские стандарты питьевой воды требуют минимального уровня кальция 20 мг/литр. В процессе опреснения воды в Аскелоне используется серная кислота для растворения кальцита (известняка), в результате чего концентрация кальция составляет от 40 до 46 мг/литр, что ниже, чем от 45 до 60 мг/литр, обнаруженных в типичной израильской пресной воде.

Дезинфекция

Дезинфекция после обработки обеспечивает вторичную защиту от повреждения мембран и последующих проблем. Дезинфекция с помощью ультрафиолетовых (УФ) ламп (иногда называемых бактерицидными или бактерицидными) может использоваться для стерилизации патогенов, которые уклоняются от процесса обратного осмоса. Хлорирование или хлораминирование (хлор и аммиак) защищает от болезнетворных микроорганизмов, которые могли поселиться в распределительной системе ниже по течению. [ 29 ]

Недостатки

Крупномасштабные промышленные/муниципальные системы обычно восстанавливают от 75% до 80% питательной воды или до 90%, поскольку они могут создавать необходимое более высокое давление.

Сточные воды

Бытовые установки обратного осмоса используют много воды, поскольку у них низкое противодавление. Бытовые водоочистители RO обычно производят один литр полезной воды и 3-25 литров сточных вод . [ 30 ] Остаток сливается, как правило, в канализацию. Поскольку сточные воды содержат отброшенные загрязняющие вещества, восстановление этой воды непрактично для бытовых систем. Сточные воды обычно сбрасываются в канализацию домов. Установка обратного осмоса, поставляющая 20 литров (5,3 галлона США) очищенной воды в день, также сбрасывает от 50 до 80 литров (от 13 до 21 галлона США). Индии Это привело к тому, что Национальный зеленый трибунал предложил запретить системы очистки воды обратного осмоса в районах, где общее содержание растворенных твердых веществ (TDS) в воде составляет менее 500 мг/литр. [ нужна ссылка ] В Дели широкомасштабное использование бытовых устройств обратного осмоса увеличило общий спрос на воду на и без того засушливой национальной столичной территории Индии . [ 31 ]

Здоровье

RO удаляет как вредные загрязнения, так и полезные минералы. Некоторые исследования сообщают о некоторой связи между долгосрочными последствиями для здоровья и потреблением воды с низким содержанием кальция и магния , хотя эти исследования имеют низкое качество. [ 32 ]

Соображения относительно потоков отходов

В зависимости от желаемого продукта поток растворителя или растворенного вещества обратного осмоса будет отходом. При концентрировании пищевых продуктов поток концентрированных растворенных веществ является продуктом, а поток растворителя — отходами. При очистке воды поток растворителя представляет собой очищенную воду, а поток растворенных веществ представляет собой концентрированные отходы. [ 33 ] Поток растворителей от пищевой промышленности можно использовать в качестве оборотной воды , но вариантов утилизации концентрированного потока растворенных отходов может быть меньше. Суда могут использовать морские сбросы , а прибрежные опреснительные установки обычно используют морские водосбросы . Для установок обратного осмоса, не имеющих выхода к морю, могут потребоваться пруды-испарители или нагнетательные колодцы, чтобы избежать загрязнения грунтовых вод или поверхностного стока . [ 34 ]

Исследовать

Улучшение существующих мембран

Современные мембраны обратного осмоса, тонкопленочные композитные (TFC) полиамидные мембраны, изучаются с целью найти способы улучшения их проницаемости. Благодаря новым методам визуализации исследователи смогли создать 3D-модели мембран и изучить, как вода течет через них. Они обнаружили, что мембраны TFC с участками с низким потоком значительно снижают водопроницаемость. [ 35 ] Обеспечивая однородность мембран и позволяя воде течь непрерывно и без замедления, проницаемость мембран можно улучшить на 30–40%. [ 36 ]

Электродиализ

Исследования изучали интеграцию обратного осмоса с электродиализом для улучшения извлечения ценных деионизированных продуктов или уменьшения объемов концентрата.

Низкое давление и высокая степень извлечения (LPHR)

Другой подход - многоступенчатый RO низкого давления с высокой степенью извлечения (LPHR). Он производит концентрированный рассол и пресную воду, многократно пропуская продукцию через относительно пористую мембрану при относительно низком давлении. Каждый цикл удаляет дополнительные примеси. Как только продукт становится относительно чистым, его пропускают через обычную мембрану обратного осмоса при обычном давлении для завершения этапа фильтрации. Было обнаружено, что LPHR экономически целесообразен: извлечение более 70% при OPD от 58 до 65 бар и оставление не более 350 ppm TDS из исходной морской воды с TDS 35 000 ppm.

Углеродные нанотрубки (УНТ)

Углеродные нанотрубки потенциально призваны решить типичный компромисс между проницаемостью и селективностью мембран обратного осмоса. УНТ обладают многими идеальными характеристиками, включая: механическую прочность, сродство к электрону, а также гибкость во время модификации. Реструктурируя углеродные нанотрубки и покрывая или пропитывая их другими химическими соединениями, ученые могут изготовить эти мембраны, обладающие всеми наиболее желательными характеристиками. С мембранами из УНТ мы надеемся найти сочетание высокой водопроницаемости и одновременно уменьшить количество нейтральных растворенных веществ, выводимых из воды. Это поможет снизить затраты энергии и стоимость реминерализации после очистки через мембрану. [ 37 ]

Графен

Графеновые мембраны призваны использовать преимущества своей тонкости для повышения эффективности. Графен представляет собой особый слой атомов углерода, поэтому он примерно в 1000 раз тоньше существующих мембран. Графеновые мембраны имеют толщину около 100 нм, тогда как толщина современных мембран составляет около 100 мкм. Многие исследователи были обеспокоены долговечностью графена и тем, сможет ли он выдержать давление обратного осмоса. Новое исследование показывает, что в зависимости от подложки (поддерживающего слоя, который не фильтрует, а только обеспечивает структурную поддержку) графеновые мембраны могут выдерживать давление 57 МПа, что примерно в 10 раз превышает типичное давление для морской воды обратного осмоса. [ 38 ]

Пакетный RO может предложить повышенную энергоэффективность , более долговечное оборудование и более высокие пределы солености.

Традиционный подход утверждал, что молекулы пересекают мембрану индивидуально. Исследовательская группа разработала теорию «трения раствора», утверждающую, что молекулы объединяются в группы через временные поры. Определение характеристик этого процесса может способствовать развитию мембран. Принятая теория состоит в том, что отдельные молекулы воды диффундируют через мембрану, что называется моделью «диффузии раствора». [ 39 ]

См. также

Ссылки

  1. ^ Перейти обратно: а б с Варсингер, Дэвид М.; Тау, Эмили В.; Наяр, Кишор Г.; Масваде, Лэйт А.; Линхард В., Джон Х. (2016). «Энергоэффективность периодического и полупериодического (CCRO) опреснения воды обратным осмосом» . Исследования воды . 106 : 272–282. Бибкод : 2016WatRe.106..272W . дои : 10.1016/j.watres.2016.09.029 . hdl : 1721.1/105441 . ПМИД   27728821 .
  2. ^ Панагопулос, Аргирис; Хараламбус, Кэтрин-Джоанна; Лоизиду, Мария (25 ноября 2019 г.). «Методы утилизации и технологии очистки опреснительных рассолов. Обзор». Наука об общей окружающей среде . 693 : 133545. Бибкод : 2019ScTEn.69333545P . doi : 10.1016/j.scitotenv.2019.07.351 . ISSN   0048-9697 . ПМИД   31374511 . S2CID   199387639 .
  3. ^ Ван, Брайан (19 февраля 2015 г.). «Следующее большое будущее: Израиль расширяет масштабы опреснения воды обратным осмосом, чтобы сократить расходы за счет четверти трубопровода» . nextbigfuture.com.
  4. ^ Глатер, Дж. (1998). «Ранняя история разработки мембран обратного осмоса». Опреснение . 117 (1–3): 297–309. Бибкод : 1998Desal.117..297G . дои : 10.1016/S0011-9164(98)00122-2 .
  5. ^ Вайнтрауб, Боб (декабрь 2001 г.). «Сидни Леб, соавтор практического обратного осмоса» . Бюллетень Израильского химического общества (8): 8–9.
  6. ^ Кадотт, Джон Э. (1981) «Межфазно-синтезированная мембрана обратного осмоса» патент США 4,277,344
  7. ^ Джонс, Эдвард; и др. (20 марта 2019 г.). «Состояние опреснения и производства рассола: глобальный взгляд». Наука об общей окружающей среде . 657 : 1343–1356. Бибкод : 2019ScTEn.657.1343J . doi : 10.1016/j.scitotenv.2018.12.076 . ПМИД   30677901 . S2CID   59250859 .
  8. ^ Ежегодный отчет потребителей о качестве водопроводной воды за 2012 год. Архивировано 4 марта 2016 года в Wayback Machine . Город Кейп Корал
  9. ^ Криттенден, Джон; Трасселл, Родос; Хэнд, Дэвид; Хоу, Керри и Чобаноглус, Джордж (2005). Принципы и проектирование очистки воды , 2-е изд. Джон Уайли и сыновья. Нью-Джерси. ISBN   0-471-11018-3
  10. ^ Лахиш, Ури. «Оптимизация эффективности опреснения морской воды обратным осмосом» . гума наука.
  11. ^ « Очистка загрязненной воды обратным осмосом » ISSN 2250-2459, Сертифицированный журнал ISO 9001: 2008, том 3, выпуск 12, декабрь 2013 г.
  12. ^ Кнорр, Эрик Фойгт, Генри Йегер, Дитрих (2012). Обеспечение безопасного водоснабжения: сравнение применимых технологий (онлайн-авторское издание). Оксфорд : Академическая пресса . п. 33. ISBN  978-0124058866 . {{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  13. ^ Директива Совета от 15 июля 1980 г. о сближении законов государств-членов, касающихся разработки и сбыта природных минеральных вод . eur-lex.europa.eu
  14. ^ «Отмеченная наградами опреснительная установка на солнечной энергии призвана решить проблемы с водой в Центральной Австралии» . Университет Вуллонгонга. 4 ноября 2005 г. Проверено 19 июля 2017 г.
  15. ^ Низкотемпературное опреснение с использованием солнечных коллекторов, дополненных накоплением тепловой энергии.
  16. ^ Шах, Вишал, изд. (2008). Новые экологические технологии . Дордрехт : Springer Science . п. 108. ИСБН  978-1402087868 .
  17. ^ Грабовский, Андрей (2010). Электромембранные процессы опреснения для получения воды с низкой электропроводностью . Берлин: Логос-Верл. ISBN  978-3832527143 .
  18. ^ Льюис, Майкл Дж; Янг, Том В. (6 декабря 2012 г.). Пивоварение (2-е изд.). Нью-Йорк: Клювер. п. 110. ИСБН  978-1-4615-0729-1 .
  19. ^ Варсингер, Дэвид М.; Мистри, Каран Х.; Наяр, Кишор Г.; Чунг, Хён Вон; Линхард В., Джон Х. (2015). «Генерация энтропии при опреснении за счет отходящего тепла с переменной температурой» . Энтропия . 17 (11): 7530–7566. Бибкод : 2015Entrp..17.7530W . дои : 10.3390/e17117530 .
  20. ^ Международной ассоциации опреснения , 2012–13 гг. Ежегодник
  21. ^ Израиль занимает 5-е место в списке 10 лучших чистых технологий в Израиле. 21c A Focus Beyond. Архивировано 16 октября 2010 г. на Wayback Machine. Проверено 21 декабря 2009 г.
  22. ^ Завод по опреснению морской воды, установка обратного осмоса (SWRO) . Water-technology.net
  23. ^ Советгуишон, Б (2007). «Ашкелонский опреснительный завод — успешный вызов». Опреснение . 203 (1–3): 75–81. Бибкод : 2007Дезал.203...75С . дои : 10.1016/j.desal.2006.03.525 .
  24. ^ Малки, М. (2008). «Оптимизация затрат на ингибирование отложений на опреснительных установках обратного осмоса» . Международный ежеквартальный журнал по опреснению и повторному использованию воды . 17 (4): 28–29.
  25. ^ Ю, И-Сян; Дженн, Дейл (8 ноября 2018 г.). «Численное моделирование и динамический анализ волновой системы обратного осмоса» . Журнал морской науки и техники . 6 (4). MDPI AG: 132. doi : 10.3390/jmse6040132 . ISSN   2077-1312 .
  26. ^ Стовер, Ричард Л. (2007). «Обратный осмос морской воды с изобарными устройствами рекуперации энергии». Опреснение . 203 (1–3). Эльзевир Б.В.: 168–175. Бибкод : 2007Desal.203..168S . дои : 10.1016/j.desal.2006.03.528 . ISSN   0011-9164 .
  27. ^ Кордова, Сандра; Дас, Абхиманью; Леон, Хорхе; Гарсия, Хосе М; Варсингер, Дэвид М. (2021). «Конфигурация обратного осмоса двойного действия периодического действия для лучшей в своем классе эффективности и сокращения времени простоя». Опреснение . 506 . Elsevier BV: 114959. Бибкод : 2021Desal.50614959C . дои : 10.1016/j.desal.2021.114959 . ISSN   0011-9164 . S2CID   233553757 .
  28. ^ Вэй, Квантум Дж.; Такер, Карсон И.; Ву, Присцилла Дж.; Верно, Али М.; Тау, Эмили В.; Линхард, Джон Х. (2020). «Влияние удержания соли на истинное потребление энергии при обратном осмосе: эксперименты и проверка модели». Опреснение . 479 . Elsevier BV: 114177. Бибкод : 2020Desal.47914177W . дои : 10.1016/j.desal.2019.114177 . hdl : 1721.1/124221 . ISSN   0011-9164 . S2CID   213654912 .
  29. ^ Секар, Чандру. «Портативная автономная система очистки воды IEEE R10 HTA» . ИИЭЭ . Проверено 4 марта 2015 г.
  30. ^ «Узнайте плюсы и минусы систем фильтрации воды с обратным осмосом» . Форбс . 26 апреля 2022 г. Проверено 8 октября 2023 г.
  31. ^ Сингх, Говинд (2017). «Последствия домашнего использования устройств обратного осмоса для сценария городского водоснабжения Дели» . Журнал инноваций для инклюзивного развития . 2 (1): 24–29. Архивировано из оригинала 17 мая 2017 года . Проверено 15 апреля 2017 г.
  32. ^ Козисек, Франтишек. «Риски для здоровья при употреблении деминерализованной воды» (PDF) . Чехия : Национальный институт общественного здравоохранения . Архивировано из оригинала (PDF) 7 февраля 2022 года.
  33. ^ Вебер, Уолтер Дж. (1972). Физико-химические процессы контроля качества воды . Нью-Йорк: Джон Уайли и сыновья. п. 320. ИСБН  9780471924357 . OCLC   1086963937 .
  34. ^ Хаммер, Марк Дж. (1975). Технология воды и сточных вод . Нью-Йорк: Джон Уайли и сыновья. п. 266. ИСБН  9780471347262 .
  35. ^ Калп, Тайлер Э.; Хара, Бисваджит; Брики, Кейтлин П.; Гайтнер, Майкл; Зимудзи, Таванда Дж.; Уилбур, Джеффри Д.; Джонс, Стивен Д.; Рой, Абхишек; Пол, Моу; Ганапатисубраманиан, Баскар; Зидни, Эндрю Л.; Кумар, Маниш; Гомес, Энрике Д. (январь 2021 г.). «Наномасштабный контроль внутренней неоднородности усиливает транспорт воды в опреснительных мембранах» . Наука . 371 (6524): 72–75. Бибкод : 2021Sci...371...72C . дои : 10.1126/science.abb8518 . ISSN   0036-8075 . ПМИД   33384374 . S2CID   229935140 .
  36. ^ «Прорыв в опреснении может привести к удешевлению фильтрации воды» . ScienceDaily . Проверено 26 мая 2023 г.
  37. ^ Али, Шарафат; Рехман, Сайед Азиз Ур; Луан, Хун-Янь; Фарид, Мухаммад Усман; Хуан, Хайоу (1 января 2019 г.). «Проблемы и возможности функциональных углеродных нанотрубок для мембранной очистки и опреснения воды» . Наука об общей окружающей среде . 646 : 1126–1139. Бибкод : 2019ScTEn.646.1126A doi : 10.1016/j.scitotenv.2018.07.348 . ISSN   0048-9697 . ПМИД   30235599 . S2CID   52311560 .
  38. ^ Коэн-Тануги, Дэвид; Гроссман, Джеффри К. (12 ноября 2014 г.). «Механическая прочность нанопористого графена как опреснительной мембраны» . Нано-буквы . 14 (11): 6171–6178. Бибкод : 2014NanoL..14.6171C . дои : 10.1021/nl502399y . ISSN   1530-6984 . ПМИД   25357231 .
  39. ^ Леви, Макс Г. «До сих пор все ошибались насчет обратного осмоса» . Проводной . ISSN   1059-1028 . Проверено 20 мая 2023 г.

Источники

  • Меткалф; Эдди (1972). Канализационная инженерия . Нью-Йорк: Книжная компания McGraw-Hill. ISBN  978-0-070-49539-5 .
Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Reverse_osmosis&oldid=1232456019#Military_use:_the_reverse_osmosis_water_purification_unit"
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 486c78b3239556df2c682d2b525a8049__1720028220
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/48/49/486c78b3239556df2c682d2b525a8049.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Reverse osmosis - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)