Введение
Процесс очистки воды
Форвардный осмос (FO) – это осмотический процесс, который, как и обратный осмос (RO), использует полупроницаемую мембрану для разделения воды от растворенных веществ. Движущей силой этого разделения является градиент осмотического давления, в результате чего "вытягивающий" раствор высокой концентрации (по отношению к раствору подачи) используется для создания чистого потока воды через мембрану в вытягивающий раствор, тем самым эффективно отделяя воду подачи от ее растворенных веществ. В отличие от этого, процесс обратного осмоса использует гидравлическое давление в качестве движущей силы для разделения, которое служит для противодействия градиенту осмотического давления, который в противном случае способствовал бы потоку воды из проницаемого материала в раствор подачи. Следовательно, для обратного осмоса требуется значительно больше энергии по сравнению с форвардным осмосом. Простейшее уравнение, описывающее взаимосвязь между осмотическим и гидравлическим давлением и потоком воды (растворителя), выглядит следующим образом:
где – поток воды, A – гидравлическая проницаемость мембраны, Δπ – разность осмотических давлений по обе стороны мембраны, а ΔP – разность гидростатического давления (отрицательные значения указывают на обратный осмотический поток). Моделирование этих взаимосвязей на практике сложнее, чем показывает это уравнение, поскольку поток зависит от характеристик мембраны, раствора подачи и вытягивающего раствора, а также от гидродинамики внутри самого процесса. Поток растворенного вещества для каждого отдельного растворенного вещества может быть смоделирован законом Фика:
где – коэффициент проницаемости растворенного вещества, а – трансмембранный дифференциал концентрации растворенного вещества. Из этого уравнения ясно, что растворенное вещество будет диффундировать из области высокой концентрации в область низкой концентрации, если растворенные вещества могут диффундировать через мембрану. Это хорошо известно в обратном осмосе, где растворенные вещества из воды подачи диффундируют в продукт, однако в случае форвардного осмоса ситуация может быть гораздо сложнее. В процессах FO может происходить диффузия растворенного вещества в обоих направлениях в зависимости от состава вытягивающего раствора, типа используемой мембраны и характеристик воды подачи. Обратный поток растворенного вещества выполняет две функции: растворенные вещества из вытягивающего раствора могут диффундировать в раствор подачи, а растворенные вещества из раствора подачи могут диффундировать в вытягивающий раствор. Очевидно, что эти явления имеют последствия с точки зрения выбора вытягивающего раствора для конкретного процесса FO. Например, потеря вытягивающего раствора может повлиять на раствор подачи, возможно, из-за экологических проблем или загрязнения потока подачи, например, в осмотических мембранных биореакторах. Дополнительное отличие между процессами обратного осмоса (RO) и форвардного осмоса (FO) заключается в том, что вода, полученная в результате процесса RO, в большинстве случаев является пресной водой, готовой к использованию. В FO требуется дополнительный процесс для отделения пресной воды от разбавленного вытягивающего раствора. Типы используемых процессов включают обратный осмос, экстракцию растворителем, магнитное и термолитическое разделение. В зависимости от концентрации растворенных веществ в воде подачи (которая определяет необходимую концентрацию растворенных веществ в вытягивающем растворе) и предполагаемого использования продукта процесса FO, добавление этапа разделения может не потребоваться. Мембранное разделение в процессе FO фактически приводит к "обмену" между растворенными веществами раствора подачи и вытягивающего раствора. Процесс форвардного осмоса также известен как осмос или, в случае ряда компаний, которые разработали свою собственную терминологию, как "инженерный осмос" и "манипулированный осмос".
Напитки для экстренных ситуаций
Один из примеров такого применения можно найти в "гидратационных мешках", в которых используется раствор для вытяжки, предназначенный для отделения воды от разбавленных сред. Это позволяет, например, употреблять воду из поверхностных источников (ручьев, прудов, луж и т.д.), которые могут содержать патогены или токсины, легко отторгаемые FO-мембраной. При достаточном времени контакта такая вода проникает через мембрану мешка в раствор для вытяжки, оставляя нежелательные компоненты исходной среды позади. Затем разбавленный раствор для вытяжки можно употреблять непосредственно внутрь. Обычно в качестве раствора для вытяжки используются сахара, такие как глюкоза или фруктоза, которые обеспечивают дополнительное питание пользователю FO-устройства. Особый интерес представляет то, что такие мешки можно легко использовать для рециркуляции мочи, значительно увеличивая шансы на выживание туриста или солдата в засушливых условиях. В принципе, этот процесс также может применяться к сильно концентрированным соленым источникам воды, таким как морская вода, поскольку одним из первых предполагаемых применений FO с употребляемыми растворами для вытяжки было обеспечение выживания в спасательных плотах в море.
Обезсольчение
Из разбавленного раствора вытягивающего/осмотического агента можно получить опресненную воду, используя второй процесс. Этот процесс может включать мембранное разделение, термический метод, физическое разделение или их комбинацию. Данный процесс характеризуется изначально низкой склонностью к обрастанию благодаря первому этапу прямого осмоса, в отличие от традиционных установок опреснения обратным осмосом, где обрастание часто представляет собой проблему. Компания Modern Water внедрила установки опреснения на основе прямого осмоса в Гибралтаре и Омане. В марте 2010 года журнал National Geographic назвал прямой осмос одной из трех технологий, способных снизить энергозатраты на опреснение.
Башня испарительного охлаждения вода для заправки
Еще одно применение, где используется только стадия прямого осмоса, – это восполнение потерь воды в системах испарительного охлаждения. В этом случае охлаждающая вода выступает в роли аккумулирующего раствора, а вода, теряемая на испарение, просто восполняется водой, полученной методом прямого осмоса из подходящего источника, такого как морская вода, солоноватая вода, очищенные сточные воды или промышленные сточные воды. Таким образом, по сравнению с другими процессами опреснения, которые могут использоваться для восполнения потерь воды, энергопотребление значительно ниже, и дополнительным преимуществом является низкая склонность к обрастанию, характерная для прямого осмоса.
Обработка сливных отходов на свалке
Если желаемым продуктом является пресная вода, не содержащая веществ, образующих осмотическое давление, требуется второй этап разделения. Первый этап разделения FO, основанный на градиенте осмотического давления, не требует значительных затрат энергии (только перемешивание или перекачивание растворов без создания давления). Однако второй этап разделения, как правило, требует энергозатрат. Один из методов, используемых для второго этапа разделения, – применение RO. Этот подход, например, использовался при очистке фильтрата полигонов твердых бытовых отходов. Мембранное разделение FO используется для извлечения воды из фильтрата в солевой (NaCl) раствор. Затем разбавленный раствор проходит через процесс RO для получения пресной воды и концентрированного солевого раствора, пригодного для повторного использования. Преимущество этого метода заключается не в экономии энергии, а в том, что процесс FO более устойчив к загрязнению фильтратом, чем процесс RO, используемый самостоятельно. Аналогичный гибрид FO/RO применялся для концентрирования пищевых продуктов, таких как фруктовый сок.
Концентрация соляной воды
Концентрация рассола с использованием обратного осмоса может быть достигнута за счет применения высокое осмотическое давление, создаваемое регенеративной вытягивающей жидкостью. Один из таких процессов – технология обратного осмоса на основе аммиака и диоксида углерода (NH3/CO2), разработанная в Йельском университете Робом МакГиннисом, который впоследствии основал компанию Oasys Water для коммерциализации этой технологии. Благодаря тому, что аммиак и диоксид углерода легко диссоциируют в газообразное состояние при нагревании, вытягивающие вещества могут эффективно восстанавливаться и повторно использоваться в замкнутой системе, обеспечивая разделение посредством преобразования между тепловой энергией и осмотическим давлением. Первоначально технология концентрирования рассола NH3/CO2 FO была продемонстрирована в нефтегазовой отрасли для очистки попутной воды в бассейне Пермия (Техас), а в настоящее время применяется на электростанциях и промышленных предприятиях в Китае.
"Омягчение" / предварительная обработка кормовой воды для термического опреснения
Одно из неиспользованных применений – «смягчение» или предварительная обработка питательной воды для многоступенчатых испарительных установок (MSF) или многоэффектных дистилляционных установок (MED) путем осмотического разбавления циркулирующего рассола охлаждающей водой. Это снижает концентрацию отложений, образующих карбонат кальция и сульфат кальция, по сравнению с обычным процессом, что позволяет увеличить температуру верхнего рассола (ТВР), производительность и отношение полученной производительности к затраченной (КОП). Дарвиш и др. показали, что ТВР можно повысить с 110 °C до 135 °C, сохраняя при этом тот же индекс образования отложений для сульфата кальция.
Переработка пищевых продуктов
Хотя осмотическая обработка пищевых продуктов (например, консервированных фруктов и мяса) широко распространена в пищевой промышленности, применение прямой осмотической дистилляции (FO) для концентрирования напитков и жидких пищевых продуктов изучалось только в лабораторных масштабах. FO обладает рядом преимуществ как процесс концентрирования напитков и жидких пищевых продуктов, включая работу при низких температурах и давлении, что способствует сохранению высоких сенсорных (например, вкуса, аромата, цвета) и питательных (например, витаминов) свойств, высокой степени удержания целевых компонентов и потенциально меньшему загрязнению мембран по сравнению с мембранными процессами, работающими под давлением.
Осмотическая мощность
В 1954 году Пэтл предположил, что смешение реки с морем представляет собой неиспользованный источник энергии, обусловленный потерянным осмотическим давлением. Однако практический метод использования этого явления с помощью селективно проницаемых мембран был предложен только в середине 1970-х годов Лоэбом и независимо от него Джеллинеком. Лоэб назвал этот процесс обратным осмосом под давлением (PRO), и одна из простейших схем его реализации представлена на соседней странице. Возможные области применения включают использование разницы осмотического давления между слабосоленой рекой, впадающей в море, или рассолом и морской водой. Мировой теоретический потенциал осмотической энергии оценивается в 1650 ТВтч в год. В последнее время значительные исследовательские и опытно-конструкторские работы были проведены и профинансированы компанией Statkraft, государственной энергетической компанией Норвегии. В Норвегии был построен прототип установки, вырабатывающий мощность от 2 до 4 кВт; подробности см. в описании прототипа осмотической электростанции Statkraft в Хуруме. Рассматривалась возможность строительства гораздо более крупной электростанции мощностью 1–2 МВт в Сунндалсёре, расположенной в 400 км к северу от Осло, но впоследствии от этой идеи отказались. Японская организация по развитию новых энергетических и промышленных технологий (NEDO) финансирует исследования в области осмотической энергии.
Преимущества
Переходящий осмос (FO) обладает множеством преимуществ при очистке промышленных сточных вод, содержащих разнообразные загрязнители, а также соленых вод. Когда концентрация извлекаемых веществ в исходных стоках умеренная или низкая, FO-мембраны демонстрируют высокую эффективность и позволяют адаптировать мембрану к требуемому качеству целевого продукта. Системы FO также весьма полезны в сочетании с другими методами очистки, компенсируя их недостатки. Это особенно актуально в процессах, где необходимо извлечение определенного продукта для снижения затрат или повышения эффективности, например, в производстве биогаза.
Недостатки
Основным недостатком процессов FO является высокий коэффициент обрастания, которому они подвержены. Это происходит при обработке сильно концентрированного регенерата, что приводит к засорению мембраны и потере ею функциональности. В результате процесс необходимо останавливать и проводить очистку мембраны. В других видах мембранной обработки эта проблема возникает реже, поскольку там используется искусственное давление, которое способствует прохождению потока через мембрану, снижая эффект обрастания. Кроме того, существует проблема с недостаточно развитой технологией мембран. Это сказывается на процессах FO, так как используемые мембраны дороги и недостаточно эффективны или оптимальны для выполнения требуемой функции. Поэтому во многих случаях вместо мембран применяются более дешевые и простые системы.
Промышленный рынок и будущее
В настоящее время в промышленности используется ограниченное количество процессов с FO-мембранами (и мембранных технологий в целом), поскольку это сложные и дорогостоящие процессы, требующие значительных затрат на очистку и часто работающие только в определенных условиях, которые не всегда могут быть обеспечены в промышленных масштабах. Поэтому в будущем основное внимание в области мембранных технологий будет уделено повышению гибкости и пригодности для широкого промышленного применения. Это будет достигнуто за счет инвестиций в исследования и постепенного внедрения разработок на рынок, что позволит снизить производственные затраты с увеличением объемов производства мембран. При сохранении текущих тенденций развития можно ожидать, что в ближайшие несколько лет мембраны получат широкое распространение во многих промышленных процессах (не только в водоподготовке) и появятся новые области применения процессов FO.
Исследования
Область современных исследований в области обратного осмоса включает прямое удаление веществ-притягивателей, в данном случае с использованием магнитного поля. Небольшие (наноразмерные) магнитные частицы суспендируются в растворе, создавая осмотическое давление, достаточное для отделения воды от слабоконцентрированного исходного раствора. После того, как раствор-притягиватель, содержащий эти частицы, разбавлен потоком воды, проходящим через мембрану, их можно отделить от этого раствора с помощью магнита (либо приложив его к гидратационному мешку, либо разместив вокруг трубы в непрерывном процессе).