Способы опреснения воды – прямой и обратный осмос

Ресурсы пресной воды на нашей планете ограничены и становятся все более скудными, в то время как спрос постоянно растет чтобы удовлетворить растущее население мира. Опреснение рассматривается как привлекательная и надежная технология получения пресной воды из соленых источников, которые составляют 97,5% от всей уникальной воды планеты.

Что такое осмос

Когда два раствора различных концентраций разделены полупроницаемой мембраной (которая позволяет растворителю проходить через нее и растворенные вещества удерживаются), существует термодинамическая тенденция двух растворов становиться равными по концентрациям. Растворитель из более низкого концентрированного раствора имеет тенденцию двигаться через мембрану к более высокому концентрированному раствору, явление, известное нам как осмос.

Явления осмоса и осмотического давления впервые были замечены французским физиком Жан-Антуан Нолле (1700-1770),  которые позже были описаны нидерландским химиком Якоб Хендрик (Хенри) Вант-Гоффом – первым лауреатом Нобелевской премии по химии.

Осмос – диффузия растворителя через полупроницаемую мембрану разделяющую раствор вещества с различными концентрациями.

Осмотическое давление является самопроизвольным движением молекул (коллигативным свойством) и поэтому не зависит от природы их видов, а зависит от температуры.

прямой осмос

Процесс обратного осмоса

Внешнее давление, необходимое на стороне более высокой концентрации может остановить движение растворителя из более низкого концентрированного раствора.  Когда внешнее давление на более концентрированный раствор превышает осмотическое давление  вода движется через мембрану в направлении более низкого концентрированного раствора – т.е. очищается.

Вода под давлением отделяется от растворенных солей путем протекания через водопроницаемую мембрану. Опреснение обратным осмосом  работает при достаточно высоком гидравлическом давлении, чтобы преодолеть осмотическое давление соленой воды и поэтому требует значительной энергии. Потребляется больше энергии, так как процесс обратного осмоса склонен к образованию накипи на мембранах и проблем загрязнения.

Энергия – это большая проблема для опреснения воды, потому что большинство источников энергии основаны на ископаемом топливе.  Расход энергии непосредственно способствует глобальному потеплению и изменению климата и, следовательно, имеет дальнейшие последствия для проблем дефицита пресной воды.

Процесс прямого осмоса

Прямой осмос  – одна из новых технологий, которая в последнее время вновь приобрела интерес как низкоэнергетический процесс опреснения.  Опреснение методом прямого осмоса представляет способ естественного осмотического процесса через полупроницаемую мембрану между двумя растворами различной осмолярной концентрации. С одной стороны соленая или загрязненная вода, с другой стороны, высококонцентрированный вытяжной раствор, например, углекислый аммоний или сахарный сироп.  Осмотический градиент, создаваемый через мембрану, приводит воду к концентрированному вытяжному, оставляя при этом почти полностью растворенные вещества, которые включают твердые частицы, органические вещества, микроорганизмы, а также растворенные соли с другой стороны. Затем разбавленный вытяжной раствор может быть дополнительно обработан с использованием низкоэнергетической технологии.  Выбор технологии зависит от типов используемых вытяжных растворов. Движущая сила в процессе прямого осмоса зависит от осмотического градиента.  Технология отличается от процесса обратного осмоса где гидравлическое давление является основной движущей силой. Процесс опреснения прямого осмоса имеет ряд преимуществ, таких как более низкое энергопотребление и низкий потенциал загрязнения мембран.

Прямой осмос: когда соленая вода, такая как морская  и высококонцентрированный вытяжной раствор с концентрацией выше, чем соленая вода, разделяются мембраной, вода из соленой части автоматически движется к концентрированному вытяжному раствору из-за градиента осмотического давления.

Процесс прямого осмоса был исследован для нескольких применений, включая опреснение питьевой воды и орошение, очистки сточных вод, для пищевой промышленности, фармацевтики и производства энергии.

Для применения опреснения методом прямого осмоса для питьевой воды необходимо отделение и извлечения растворенных веществ из чистой воды и все еще может потребоваться энергия. Однако недавно было сообщено о нескольких многообещающих кандидатах, которые могут быть разделены с использованием низкоэнергетического способа и включают смесь оксида углерода и аммиака, которая может быть легко восстановлена с использованием низкосортного тепла до 67 градусов С.

Прямой осмос имеет больше перспективного применения для не питьевых целей, где полного восстановления пресной воды  не требуется, например, для орошения с использованием удобрений. Круговорот воды в природе необходим.

Производительность

На производительность процесса прямого осмоса влияет несколько факторов, и эти факторы связаны со свойствами мембраны, свойствами раствора и рабочими параметрами. Как и любые другие мембранные процессы, температура может играть значительную роль в производительности процесса.  Температура оказывает непосредственное влияние на термодинамические свойства.  Влияние температуры на скорость осмоса и диализа значительно так как повышение температуры увеличивает осмотическое давление раствора.  Температура влияет на проницаемость мембраны, осмотическое давление и степень поляризации.

Хотя для повышения температуры требуется энергия это не всегда затратно. Особенно там, где отработанное тепло легко доступно и может быть соответствующим образом использовано для увеличения потока воды и скорости рекуперации, что в конечном итоге обеспечивает экономию затрат до 15% процесса опреснения.