По ту сторону чистоты: что может и чего не может обратноосмотическая мембрана
Обратноосмотическая вода — во всех смыслах иллюстрация дихотомии H2O / Примеси.
Мы в АКВАФОР привыкли, что мир делится на:
- тех кто считает, что осмотический фильтр чистит все, кроме кармы и совести
- и тех, кто подливает осмотическую воду в чай врагу, считая ее мертвой.
Поговорим о принципе работы мембраны, об отличии осмотической воды от дистиллята и электролита, а также о том, стоит ли искать в ней поры и варить в кислоте.
Сделано военными учеными для подводных лодок?
Позднее к исследованиям подключились естествоиспытатели, ботаники и физиологи, интересовавшиеся природными проявлениями осмоса, в частности, питанием растений и клеток человеческого организма. Отдельную ветку интересантов составили физики и химики, которых беспокоила задача “повторить процесс в промышленных масштабах” для обессоливания пресной воды и опреснения морской.
Принцип работы бытовой обратноосмотической мембраны
Сегодня обратноосмотическая мембрана — это тонкая полимерная пленка, нанесенная на инертную подложку, полностью проницаемую для воды. Важнейшим свойством мембраны является способность набухать — то есть вступать в реакцию с молекулами и связываться с ними. Этот процесс называется гидратацией. Другие растворенные в воде вещества не могут вступать в реакцию с материалом мембраны и когда к набухшей мембране прикладывается давление воды в водопроводе, только молекулы воды начинают просачиваться (выдавливаться) через мембрану.
При переходе воды через мембрану, концентрация растворенных веществ перед мембраной растет, и соответственно растет осмотическое давление.
Если осмотическое давление сравняется с давлением в системе, переход воды через мембрану прекратится. Чтобы этого не произошло, концентрат постоянно сбрасывается в дренаж.
Из чего производят современные мембраны?
В течение последних десятилетий материалы мембраны видоизменялись, из наиболее распространенных отметим:
— Полиацетатные
Целлюлоза. Старое поколение полупроницаемых мембран, которые пропускали до 50% нитратов. Наличие угольной предфильтрации в данном случае не помогает, ведь она также не “видит” нитраты. Целлюлозная основа полиацетатных мембран провоцировала активное размножение бактерий.
— Полиамидные
В последнее десятилетие широкое распространение получил этот тип мембран, а конкретно благодаря устойчивости к биопрорастанию и селективности 92 — 99%. В своих обратноосмотических системах АКВАФОР использует Полиамид 66, который по сути является нейлоном.
Следует различать бытовые тонкопленочные мембраны и мембраны, которые используются для опреснения морской воды. Принцип работы этих мембран один и тот же, однако технически мембрана для опреснения устроена иначе. Чтобы “отжать” H2О из морской воды придется предолеть её более высокое осмотическое давление, тонкопленочная мембрана в таких условиях порвется. Для работы с высокими нагрузками при опреснении, требуется иное техническое исполнение: мембрана делается из других материалов и имеет более плотную подложку (например, керамическую).
Осмос — не сито!
Мнение о том, что мембрана работает за счет наличия в ней “очень маленьких пор” не соответствует действительности. Обратноосмотическая мембрана не имеет пор. Разделение воды на пермеат (очищенную воду) и ретентат (концентрат примесей, уходящий в дренаж) происходит за счет процесса, схожего с передачей электрического тока через металлический полупроводник.
Почему селективность мембраны не всегда 100%?
Сравним фильтрационные способности сорбционных и обратноосмотических фильтров по типам загрязнений: 
Не все примеси подлежат 100% удалению даже обратноосмотической мембраной. Напомним, изначально мембраны создавались для обессоливания воды (в местностях, где питьевая вода заметно соленая, но еще не морская). Поэтому стандартные испытания на удаление солей мембраной проводились по раствору поваренной соли (хлорида натрия). И действительно, осмос может обеспечить удаление соли на 99%. Однако, когда вода очень жесткая, эффективность может снижаться до 93-95%, за счет увеличения “проскока”.
Для бытового осмоса чаще всего используют мембраны с селективностью от 97 до 99%. Их нормируют по хлориду натрия, но это не значит, что так же будет и по другим веществам. У разных загрязнителей ”проскок” может отличаться, это зависит от их природы. Например, некоторые соединения бора проходят через мембрану довольно успешно, другие же соединения, например, большие органические молекулы, наоборот, удаляются практически на 100%.
“Проскок” происходит по трем причинам:
- “Мимикрия”. Если в воде присутствует что-то, по своему химическому поведению похожее на молекулу воды, оно может образовывать связи с материалом мембраны и “проходить за компанию”.
- Диффузия, о ней расскажем подробнее дальше.
- Повреждения или плохое качество мембраны.
Любая мембрана пропускает какое-то количество растворенных веществ, именно поэтому измерения солесодержания (а на самом деле — электропроводности) с помощью TDS-метра показывают результаты очень низкие, но не нулевые. Эффективности TDS-метра, кстати, посвящен предыдущий пост.
Диффузия — параллельный процесс
Одновременно с процессом переноса молекул воды через мембрану, происходит и процесс диффузии растворенных веществ через нее же. Чем больше градиент концентрации, тем больше диффузия. Конечно, результат этого процесса определяется и природой диффундирующих веществ: какие-то из них более «пронырливы», какие-то менее. При прочих равных, большие органические ионы диффундируют хуже маленьких, «шустрых» ионов щелочных металлов.
По сравнению с основным переносом молекул воды через мембрану, количество диффундирующего вещества мало, и в бытовой водоочистке им можно пренебречь. Тем не менее, именно по этой причине селективность мембраны составляет не 100%.
Результат диффузии обычно заметен в первой порции воды после длительной стагнации — простоя фильтра. За это время концентрация солей по обе стороны мембраны успевает выровняться. В «продвинутых» фильтрах есть специальные ухищрения, чтобы бороться с этой проблемой.
Что не чистит даже обратноосмотический фильтр?
Есть вещества, которые легко обманывают мембрану. Среди них — бор/бораты. При нейтральном рH бор находится в растворе в виде молекулы H3BO3 и по некоторым свойствам очень напоминает мембране воду. Это позволяет бору проходить через мембрану за компанию. Если рН изменить на щелочной, то бор будет находиться в растворе в виде заряженного иона — аниона борной кислоты или тетрабората. В виде аниона, бор уже отлично отсекается мембраной.
Для некоторых легколетучих органических соединений характерна высокая диффузионная активность. Например, хлороформ способен проникать через мембрану, однако легко удаляется угольным предфильтром. Мембрана не предназначена для удаления газов, в частности, сероводорода. Жителям мегаполисов переживать не стоит, воду с сероводородом не поставят в водопроводную сеть, а бор токсичен не во всех формах. Борную кислоту, например, закапывают детям в уши.
Факторы “здоровья” мембраны
Причины по которой мембрана выходит из строя:
- Физическое повреждение
- Потеря способности к гидратации из-за воздействия хлорированной воды или других окислителей (озонирование) либо из-за высыхания мембраны. Процесс может стать необратимым, поэтому нельзя допускать высушивание уже поработавшей мембраны. А чтобы предотвратить порчу мембраны из-за хлора, обратноосмотический фильтр обязательно имеет в составе угольные блоки предварительной очистки.
- Осаждение на поверхности нерастворимых солей и механических примесей, присутствующих в воде (плохая/недостаточная предфильтрация)
- Недостаточный поток воды в дренаж или “экономия” дренажной воды.
Лучшее — враг хорошего?
Парадоксально, но способность практически полностью очищать воду от примесей может рассматриваться многими как недостаток. В минусы записывается и сам принцип фильтрации с использованием дренажной воды под эгидой подсаживания на “иглу эксплуатационных расходов”. Мы составили небольшой FAQ по этим и похожим вопросам.
1. “Мертвая” ли вода? (наше любимое)
Что имеют ввиду любители термина “мертвая” вода, нам до конца не ясно. С точки зрения официальной науки нет ни живой, ни мертвой воды. Практически каждая молекула Н2О на планете когда-то побывала и в капле дождя, и в продуктах жизнедеятельности какого-нибудь организма. Нет никаких сказочных свойств воды — существует ее круговорот в природе, а также отличный способ почистить мембраной водный раствор от всего наносного. Сказки предлагаем рассматривать лишь в качестве культурологического ресурса, ведь нашему организму требуется именно H2O, остальное делится на две группы:
- опционально, поскольку поступает с пищей;
- вредно для здоровья в краткосрочной или долгосрочной перспективе.
2. Дорого покупать и дорого содержать?
Пришлось провести серьезный расчет и выяснить, что 300 рублей за кубометр чистой воды — это примерно 30 копеек за литр. Предлагаем сопоставить со стоимостью литра питьевой воды в магазине, ведь её качество в пластике аналогично, если не хуже. В зависимости от пафосности торговой точки, цена литра той же осмотической воды составит от 15 рублей.
3. Почему обратноосмотическая вода — не дистиллят?
Вода для нас это не пища и не способ получения “кирпичей” для строительства организма. Это среда, в которой проходят химические и физические процессы организма. Причем сама она достаточно инертна и в этих процессах почти никогда не участвует. Мы ее не расщепляем на водород и кислород, в теле не проходит процесс электролиза.
Понимая эту роль воды, пить можно и дистиллированную воду, в которой нет “полезных минералов”. Имея сбалансированное питание, вы не получите никаких проблем.
Между водой после обратноосмотической мембраны и дистиллированной водой огромная разница. Обратный осмос не полностью отсекает растворенные соли, при дистилляции же именно соли полностью остаются в перегонном кубе. С другой стороны органические летучие вещества в процессе дистилляции перемещаются с паром в дистиллят, в то время как мембрана их неплохо удаляет. Кроме того, раньше дистилляторы имели резиновые трубки, что добавляло “невкусности” полученной воде.
4. Почему обратноосмотическая вода — не электролит?
Электролит — это любая жидкость проводящая электрический ток. Например, суп или компот. То есть все жидкое, что проводит электрический ток за счет передвижения ионов.
5. Нужна ли мембране промывка?
Промывку мембраны действительно делают. Однако, это относится к промышленным мембранам. Для их промывки, в зависимости от того, какие именно частицы “налипли” на мембрану, используют целый арсенал специальных составов: щелочные, кислотные детергенты, ПАВы и так далее. В случае с промышленными мембранами, об этих частицах известно все и состав подбирается индивидуально.
Смотреть ролики в youtube о том, как мембраны варят в лимонной кислоте немного грустно, ведь на наших глазах люди тратят время зря — мембрана теряет свои свойства от высокой температуры.
Как работает мембрана обратного осмоса?
Обратноосмотические фильтры устроены и просто и сложно одновременно. Человечество знакомо с процессом осмоса — то есть проникновения воды через полупроницаемую мембрану, уже несколько веков. Но упаковать эту особенность в бытовой прибор для извлечения чистой воды из водопроводной удалось в сравнительно недавно: в 60–70-е годы.
По-настоящему доступными обратноосмотические фильтры стали уже в нулевых, став лучшим способом избавления питьевой воды как от природных особенностей (высокой жесткости) так и от результатов индустриальной и сельскохозяйственной активности человека.
Обратноосмотические мембраны производятся из особого класса материалов, имеющих свойство связываться исключительно с молекулами воды и «проводить» их. Иные примеси этот процесс не затрагивает. Если приложить давление со стороны водопровода, вода без примесей начнет продавливаться через мембрану на другую сторону. Поскольку процесс это небыстрый, обратноосмотическому фильтру нужен бак для накапливания чистой воды.
В обратноосмотической мембране нет пор. Процесс перехода молекул воды через мембрану аналогичен тому, как ток передается по металлическому проводнику.
В этом видео мы рассматриваем устройство мембранного фильтрующего блока в поисках секрета, который делает этот способ очистки питьевой воды самым эффективным из всех существующих.
Отличие обратноосмотических и сорбционных фильтров
Сорбционные фильтры (иногда их не совсем корректно называют проточными) и обратноосмотические дают разный результат очистки исходной воды.
АКВАФОР Eco Pro сорбционный фильтр для глубокой фильтрации и защиты от бактерий даже в условиях ржавой или мутной воды.
Сорбционные фильтры менее эффективно удаляют такие примеси как органические соединения, нитраты и нитриты. Без специального умягчающего модуля они бессильны для снижения накипи. Если же добавить ионообменный модуль, смягчить воду получится, хоть и с ограничением по сроку. В зависимости от жесткости, такой модуль нужно восстанавливать (регенерировать) раз в 1–3 месяца с помощью соли.
АКВАФОР Кристалл Н надежный фильтр снижающий накипь и глубоко очищающий водопроводную воду для взрослых и детей.
Таблица сравнения
Обратноосмотическая мембрана не пропускает практически никакие примеси, а значит и все соли жесткости уходят в дренаж.
| Загрязнитель | Сорбционные водоочистители | Обратноосмотические водочистители |
|---|---|---|
| Механические примеси (коллоидное желехо, мутность) | удаляют до 0,5 микрон | удаляют на 100% |
| Ионы тяжелых металлов (свинец, ртуть, медь и т.д.) | удаляют на 95-99% | удаляют 99,9% |
| Органические соединения | удаляют на 95-99% | удаляют на 100% |
| Активный хлор | удаляют на 100% | удаляют на 100% |
| Соли жесткости | удаляют недолго, требуют постоянной регенерации | удаляют на 99%, не требуют регенерации |
| Анионы (нитраты, нитриты) | не удаляют | удаляют на 85-90% |
| Минеральные соли | не удаляют | удаляют на 99% |
| Бактерии | удаляют на 50-90% (удаляют на 100% при наличии микрофильтрации) | удаляют на 100% |
| Вирусы | не удаляют | удаляют на 100% |
О том, что такое селективность мембраны и почему она не всегда составляет 100% мы подробно рассказываем в нашем блоге на Хабре. Важно понять, что процент проникновения примесей через мембрану настолько низок, в сравнении с другими методами очистки воды (включая дистилляцию), что им можно просто пренебречь.
Отличие дистилляции от обратноосмотической очистки
Сравнивать эти два метода очистки воды совершенно некорректно. Дистиллированная вода как раз может оказаться довольно «грязной», так как выпаривание хоть и прекрасно убирает соли, не сможет удалить из воды примеси органических веществ, температура кипения которых ниже 100 °С. Именно поэтому обратный осмос — процесс намного более надежный с точки зрения удаления опасных для здоровья веществ.
Обратный осмос дает «мертвую» воду?
У современной науки нет никаких доказательств существования ни мертвой, ни живой воды, но высокая степень очистки после обратноосмотического фильтра все равно может вызывать у некоторых вопрос: «не вымывает ли такая вода кальций из организма?».
С точки зрения процессов, происходящих в теле, лучше всего подходит самая чистая вода, ведь ее функция — быть средой, в которой проходят реакции, но никак не пищей, из которой мы получаем строительные элементы.
О том, насколько полезны для нас минералы в воде, мы писали отдельный пост. Все жизненно-важные минералы человек получает из пищи, тогда как в воде этих элементов слишком мало и они не находятся в биодоступной форме, а значит — не усваиваются.
Небольшой кусок сыра (100 гр) восполнит дневную норму кальция быстрее и лучше, чем то же количество кальция, которое содержится в 17 литрах московской воды.
Что нужно понимать, выбирая тип фильтрации
Обратноосмотические фильтры создавались, чтобы справляться с жесткостью и соленой питьевой водой. Поэтому, если вас утомила постоянная борьба с накипью и вы не узнаёте любимый сорт чая или кофе, когда они сварены на жесткой воде, выбирайте модель именно в этой категории фильтров.
Из всех вариантов домашней фильтрации, мембранные фильтры максимально эффективны не только в борьбе с накипью, но и в отделении вредных примесей, в частности, нитратов и нитритов, с которыми не справится сорбция. Поэтому даже если известковый налет не беспокоит, но воду для питья и готовки вы регулярно заказываете или покупаете в магазине, обратноосмотический фильтр полностью закроет и эту потребность. Только намного дешевле.
АКВАФОР DWM-101S Морионсовременная обратноосмотическая система с компактным баком. Помогает экономить до 9 тонн воды в год.
АКВАФОРDWM-312S PRO экстра-компактная и доступная обратноосмотическая система без накопительного бака для небольших кухонь.
АКВАФОР ОСМО-Кристалл 50
Классическая обратноосмотическая система для большой семьи с детьми, пожилыми и людьми, склонными к аллергиям.
Особенности и преимущества фильтров обратного осмоса
Когда речь идет о наиболее эффективных фильтрах для воды, в первую очередь называют систему обратного осмоса. Она предусматривает пропускание жидкости под высоким давлением (10-12 атмосфер) через специальную мембрану, которая пропускает даже мельчайшие посторонние частицы.
Благодаря высокому КПД фильтр обратного осмоса удаляет из воды соли жесткости, нитраты, красители, сульфаты, вирусы и бактерии. Заказать систему по приятной цене вы сможете на сайте интернет-магазина FILTER.UA, мы же расскажем об особенностях и преимуществах фильтра.
Принцип работы обратного осмоса
Эта очистительная система работает по одному принципу. Она состоит из множества элементов, которые изготовлены в виде колб с установленными внутри картриджами очистки. Среди составляющих элементов обратного осмоса следует отметить:
- фильтры грубой очистки, которые улавливают механические примеси;
- помпы высокого давления;
- механизмы химической подготовки;
- систему модулей с мембранами для тонкой очистки жидкости;
- датчики;
- блоки управления.
Жидкость, поступающая через водопровод, прокачивается насосами через очищающие мембраны. До этого она проходит грубую фильтрацию, чтобы крупные примеси не повредили пористую структуру мембраны. Далее поток разделяется на две части: с одной стороны в резервуар стекает очищенная вода, с другой стороны — концентрат, который не прошел через картриджи очистки. Для повышения высокой эффективности системы мембраны необходимо регулярно промывать, что позволит удалить осадок с поверхности.
Преимущества фильтров обратного осмоса
Говоря о плюсах такой системы очистки, стоит отметить наличие нескольких блоков очистки, включая:
- механический (грубая очистка);
- угольный (удаляет газообразные примеси);
- мембранный (и есть осмос);
- дополнительный угольный.
Стоит сказать, что вода, которая проходит через систему фильтров, выходит в так называемом нулевом состоянии. Это значит, что из нее удалены не только вредные примеси и бактерии, но и полезные вещества. Насытить жидкость минералами, а также придать ей вкус позволит установка минерализатора. Комбинированное использование оборудования обеспечит не только защиту воды от вирусов и мусора, но и вернет ей все полезные качества.
Нет сомнений, что сегодня обратный осмос является наиболее эффективным оборудованием для очистки жидкости.
Обратный осмос: как это работает?
Обратный осмос — это технология очистки воды, при использовании которой жидкость под давлением проходит через синтетическую мембрану, задерживающую примерно 98% загрязняющих веществ, солей и примесей.
Обратный осмос считается одним из самых эффективных способов подготовки воды. Причем не только в бытовых условиях (для питья) и в промышленности, но и для решения более глобальной задачи — опреснения и очистки воды в регионах, где есть проблемы с питьевой водой. Рассказываем, как работает технология.
Что такое осмос
Осмос — это естественное явление, которое лежит в основе обменных процессов в живой природе. Благодаря ему организмы, например, получают питательные вещества и выводят продукты жизнедеятельности.
Раствор с меньшей концентрацией соли всегда переходит в раствор с более высокой концентрацией. То есть если взять разделенный полупроницаемой мембраной контейнер и одну его часть заполнить пресной водой (растворителем), а вторую — соленой (раствором), пресная вода начнет «перетекать» сквозь мембрану в ту часть, где вода соленая.
Это происходит потому, что в части растворителя возникает осмотическое давление , которое заставляет молекулы перемещаться в раствор, разбавляя его. Таким образом объем раствора увеличивается, создавая гидростатическое давление. В тот момент, когда осмотическое и гидростатическое давление уравновешивают друг друга, процесс осмоса прекращается.
Яркие примеры осмоса — корни деревьев, которые впитывают воду из почвы. Так же работают почки в организме, поглощающие воду из крови.
Обратный осмос
Осмос происходит естественным путем, не требуя затрат энергии. Но если оказать давление на ту часть контейнера, где находится раствор, запустится аналогичный процесс в другую сторону — это и есть обратный осмос .
В процессе обратного осмоса полупроницаемая мембрана будет пропускать молекулы воды, но остановит большую часть солей, органических веществ, бактерий и других примесей. Но для этого нужно оказать давление, которое будет превышать естественное осмотическое давление.
Что такое полупроницаемая мембрана?
Это специальная двухслойная синтетическая мембрана. Она состоит из селективного слоя — самого барьера для примесей, и армирующего слоя, который влияет на прочность мембраны. Они производятся из ацетата целлюлозы, армированного полиамида или тонкопленочных композитов.
Технология обратного осмоса способна удалить из воды 90–98% солей, органических веществ, бактерий и других частиц. Правильно работающая система задерживает примеси с молекулярной массой больше 150. В результате получается вода, которая не требует кипячения и очистки другими способами.
Обратный осмос эффективен при очистке поверхностных и грунтовых вод, а еще соленой воды не только в бытовых, но и в промышленных масштабах. Эту технологию используют в фармацевтической промышленности, при производстве продуктов питания и напитков и во многих других сферах.
Но у систем обратного осмоса все-таки есть недостаток: они пропускают растворенные в воде газы, например водород, кислород или азот. Из-за этого в очищенной таким методом воде может быть немного пониженный уровень pH. Вода с пониженным уровнем pH более агрессивно воздействует на металл, за счет чего увеличивается интенсивность коррозии металлических водопроводных труб. А это, в свою очередь, позволяет попадать в воду частицам свинца, меди и железа.
Если постоянно пить такую воду, металлы могут накапливаться в организме, создавая потенциальные риски для здоровья. Но их удастся избежать, если следить за кислотностью воды и состоянием водопроводных труб.
Картридж Гейзер мембрана 1812 Vontron 75
Обратный осмос в обычной жизни
Домашние системы обратного осмоса — это небольшие устройства , которые работают при давлении до 3 атмосфер. Они производят несколько литров воды в сутки. Это не очень много, но вполне достаточно для квартиры или дома. Воду после обратного осмоса можно пить сразу.
Как правило, мембраны обратного осмоса меняют или чистят 1–4 раза в год, в зависимости от качества поступающей воды. Понять, что время пришло, можно по внешним признакам: снизился напор воды, начались перепады давления.
Очистку мембраны производят с помощью реагентов с повышенным и пониженным pH. Все загрязнения делятся на несколько основных групп загрязнений:
- Коллоидные примеси — частички глины, угольная пыль и прочие примеси, которые прошли через фильтры предварительной очистки;
- Неорганические соли — карбонаты кальция и магния, железо, марганец и другие металлические соединения, создающие плотные отложения в мембране;
- Органические вещества, чаще всего природного происхождения, создают слизь между листами мембраны;
- Биологические обрастания — колонии водорослей и микроорганизмов, которые оседают и размножаются в корпусе мембраны.
Отложения неорганических солей помогут устранить кислые растворы (pH <7), а коллоидные и органические загрязнения устраняют щелочными растворами (pH >7).
Важно: все растворы для очистки обратноосмотических мембран достаточно агрессивны и могут быть опасными для здоровья, поэтому нельзя забывать о технике безопасности, а лучше обратиться в сервис.
Всё, что нужно знать про обратный осмос в одном абзаце
Обратный осмос — это эффективная и проверенная годами технология очистки и опреснения воды. Если правильно установить и вовремя очищать систему, она прослужит несколько лет и не потребует дополнительных трат.