Осмос и обратный осмос

Осмос — самопроизвольный переход воды через полупроницаемую перегородку из менее концентрированного раствора в более концентрированный. Перегородка пропускает молекулы воды, но задерживает растворённые соли, и вода стремится выровнять концентрацию по обе стороны. Обратный осмос — тот же процесс, запущенный в противоположную сторону: если к солёному раствору приложить давление выше осмотического, вода пойдёт через мембрану из солёной части в пресную, а соли останутся. Ниже простыми словами — откуда берётся осмос, что такое осмотическое давление, как появилась обратноосмотическая мембрана, чем два процесса отличаются и почему именно этот метод стал основным способом обессоливания воды.

Что такое осмос простыми словами

Представьте сосуд, разделённый плёнкой. Слева пресная вода, справа солёная. Плёнка пропускает только молекулы воды, соль через неё не проходит. Вода начнёт перетекать вправо — туда, где солей больше, — и будет перетекать, пока уровень справа не поднимется настолько, что его давление остановит поток. Это и есть осмос: движение растворителя через полупроницаемую перегородку в сторону более концентрированного раствора.

С осмосом каждый сталкивался в быту, даже не называя его. Огурец в рассоле сморщивается: вода уходит из клеток наружу, в более солёную среду. Изюм в воде разбухает по обратной причине. Корни растений втягивают воду из почвы, эритроциты в чистой воде набухают и лопаются, а в солевом растворе сжимаются — поэтому физиологический раствор для капельниц делают с концентрацией 0,9 %, равной концентрации солей в крови. Явление впервые описал французский физик Жан-Антуан Нолле в 1748 году, наблюдая, как вода проникает через бычий пузырь в сосуд со спиртом.

Осмотическое давление

Давление, которое нужно приложить к концентрированному раствору, чтобы остановить поток воды через мембрану, называется осмотическим. Оно тем больше, чем больше растворено солей. В 1887 году Якоб Вант-Гофф показал, что для разбавленных растворов оно подчиняется той же зависимости, что и давление газа: π = iCRT, где C — молярная концентрация, T — температура, R — газовая постоянная, i — число частиц, на которые распадается молекула при растворении.

Практическое правило для природной воды: каждые 1 000 мг/л растворённых солей дают около 0,7 бар осмотического давления. Это число определяет, какое давление потребуется, чтобы развернуть процесс.

Что такое обратный осмос

Если к солёной стороне приложить давление больше осмотического, поток воды развернётся: молекулы воды пойдут через мембрану из солёного раствора в пресный, а растворённые соли останутся по ту сторону. Отсюда и название процесса. На практике используют давление с запасом: оно должно не только преодолеть осмотическое, но и продавить воду через плотный слой мембраны с нужной скоростью.

• Водопроводная вода — 3–6 бар, этого хватает для бытовых мембран под мойкой;
• солоноватая скважинная вода — 10–16 бар, типичный диапазон промышленных установок;
• морская вода — 55–80 бар, потому что одно только осмотическое давление составляет около 27 бар.

Технологию сделала возможной мембрана. Долгое время известные полупроницаемые плёнки пропускали воду слишком медленно. В 1959–1960 годах Сидни Лёб и Шриниваса Сурираджан в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе получили асимметричную мембрану из ацетата целлюлозы: тонкий плотный селективный слой на пористой подложке. Она давала в разы больший поток при той же селективности, и уже в 1960-х появились первые опреснительные установки. Сегодня основной материал — тонкоплёночный композит с селективным слоем из полиамида: он работает при более низком давлении и задерживает соли лучше ацетатцеллюлозных мембран, но боится свободного хлора.

Осмос и обратный осмос: в чём разница

Коротко: осмос — природное явление, его обращение — инженерный процесс, который использует ту же мембрану, но заставляет воду двигаться против естественного направления.

Как устроена мембрана и что она задерживает

Мембрана обратного осмоса не похожа на сито с дырками. Её селективный слой толщиной 0,1–0,2 мкм плотный: молекулы воды проходят через него, растворяясь и диффундируя в полимере, а гидратированные ионы солей — почти нет. Условный размер пор оценивают менее 0,001 мкм, в сотни раз меньше, чем у мембран ультрафильтрации. Чтобы уместить большую площадь в компактном корпусе, полотно сворачивают в рулон вместе с сетками-турбулизаторами; подробно о типоразмерах 4040 и 8040 и их подборе — на странице мембраны для обратного осмоса.

• Задерживает на 95–99,5 %: растворённые соли, жёсткость, нитраты, сульфаты, фториды, тяжёлые металлы, органические молекулы крупнее 150–200 Да, бактерии и вирусы.
• Частично пропускает: бор, мелкие органические молекулы, часть кремниевой кислоты.
• Не задерживает: растворённые газы — углекислоту, сероводород, растворённый хлор; поэтому после мембран вода становится слегка кислой, а хлор перед мембраной снимают угольной загрузкой.

Поток делится на два: пермеат — очищенная вода, прошедшая мембрану, — и концентрат, который уносит задержанные соли в дренаж. Доля пермеата в бытовых фильтрах обычно 20–35 %, в промышленных установках 50–75 %: у них несколько мембран последовательно и рециркуляция концентрата.

Где применяют обессоливание мембранами

• Питьевая вода — от фильтров под мойку до станций водоснабжения посёлков на солоноватых скважинах.
• Котельные и энергетика — обессоливание подпиточной воды паровых котлов, чтобы не образовывалась накипь и не уходило топливо на продувки.
• Пищевая промышленность — вода для напитков, пива, хлеба, кондитерских и молочных производств со стабильным составом.
• Фармацевтика, электроника, лаборатории — первая ступень получения очищенной и сверхчистой воды перед электродеионизацией.
• Опреснение — морской и шахтной воды; об этом отдельно в разделе об опреснении морской воды.

Какой метод выбрать для конкретной задачи — мембраны, ионный обмен или электродеионизацию — разобрано в статье обессоливание воды: методы и оборудование. Чем мембрана обратного осмоса отличается от мембраны ультрафильтрации и зачем их ставят вместе — в материале ультрафильтрация и обратный осмос.

Частые вопросы

Что такое осмос простыми словами?
Это перетекание воды через плёнку, которая пропускает воду, но не пропускает соли. Вода сама идёт туда, где солей больше, пока концентрации не выровняются или пока встречное давление не остановит поток.

Почему обратный осмос называется обратным?
Потому что вода движется против естественного направления: не в солёный раствор, а из него. Для этого к солёной стороне прикладывают давление больше осмотического.

Чем осмос отличается от диффузии?
Диффузия — взаимное перемешивание веществ без перегородки: соль расходится по воде, вода — по соли. При осмосе перегородка пропускает только воду, поэтому движется лишь она, и возникает осмотическое давление.

Вода после обратного осмоса — это дистиллированная вода?
Нет. По солесодержанию они близки, но получены разными способами: дистилляция испаряет воду и конденсирует пар, мембрана отделяет воду от солей мембраной без нагрева. Подробно — в статье обратный осмос и дистилляция.

Можно ли пить воду после обратного осмоса?
Да, она безопасна по составу, но почти не содержит солей. Для питьевого водоснабжения её обычно дополнительно минерализуют: ориентир физиологической полноценности для питьевой воды — общая минерализация 100–1 000 мг/л и содержание кальция и магния в нормированных пределах.

Какое давление нужно для обратного осмоса?
Больше осмотического с запасом: для водопроводной воды 3–6 бар, для солоноватой скважинной 10–16 бар, для морской 55–80 бар.

Оборудование

ПВК производит в Москве промышленные системы обратного осмоса «АКВАЛАЙН OS» и установки промышленного обратного осмоса для котельных, пищевых производств и водоснабжения, а также подбирает антискалант и предварительную очистку под анализ воды. Расчёт — по телефону 8 800 250-96-87 или через страницу контакты.