Osmoza inversa - Reverse osmosis

Osmoza inversă ( RO ) este un proces de purificare a apei care folosește o membrană parțial permeabilă pentru a separa ionii , moleculele nedorite și particulele mai mari din apa potabilă. În osmoza inversă, o presiune aplicată este utilizată pentru a depăși presiunea osmotică , o proprietate coligativă care este condusă de diferențele de potențial chimic ale solventului, un parametru termodinamic . Osmoza inversă poate elimina din apă multe tipuri de specii chimice dizolvate și suspendate , precum și biologice (în principal bacterii) și este utilizată atât în ​​procesele industriale, cât și în producția de apă potabilă . Rezultatul este că substanța dizolvată este reținută pe partea presurizată a membranei și solventul pur este lăsat să treacă pe cealaltă parte. Pentru a fi „selectiv“, această membrană nu ar trebui să permită molecule mari sau ioni prin pori (gauri), dar ar trebui să permită componente mai mici ale soluției (cum ar fi moleculele de solvent, de exemplu, apa, H ₂ O) pentru a trece liber.

În procesul normal de osmoză , solventul se deplasează în mod natural dintr-o zonă cu concentrație scăzută de substanță dizolvată ( potențial ridicat de apă ), printr-o membrană, într-o zonă cu concentrație ridicată de substanță dizolvată (potențial scăzut de apă). Forța motrice pentru mișcarea solventului este reducerea energiei libere Gibbs a sistemului atunci când diferența de concentrație a solventului pe ambele părți ale unei membrane este redusă, generând presiune osmotică datorită deplasării solventului în soluția mai concentrată. Aplicarea unei presiuni externe pentru a inversa fluxul natural de solvent pur, prin urmare, este osmoza inversă. Procesul este similar cu alte aplicații tehnologice cu membrană.

Osmoza inversă diferă de filtrare prin faptul că mecanismul fluxului de fluid este prin osmoză peste o membrană. Mecanismul de îndepărtare predominant în filtrarea cu membrană este deformarea sau excluderea dimensiunii, în care porii sunt cu 0,01 micrometri sau mai mari, astfel încât procesul poate obține teoretic o eficiență perfectă, indiferent de parametri precum presiunea și concentrația soluției. Osmoză inversă implică în schimb difuzia solventului pe o membrană care este fie neporoasă, fie folosește nanofiltrarea cu pori de 0,001 micrometri în dimensiune. Mecanismul predominant de îndepărtare provine din diferențele de solubilitate sau difuzivitate, iar procesul depinde de presiune, concentrația solutului și alte condiții.

Osmoza inversă este cel mai frecvent cunoscută pentru utilizarea sa în purificarea apei potabile din apa de mare , eliminând sarea și alte materiale efluente din moleculele de apă.

Istorie

Un proces de osmoză prin membrane semipermeabile a fost observat pentru prima dată în 1748 de Jean-Antoine Nollet . În următorii 200 de ani, osmoza a fost doar un fenomen observat în laborator. În 1950, Universitatea din California din Los Angeles a investigat prima dată desalinizarea apei de mare folosind membrane semipermeabile. Cercetătorii atât de la Universitatea din California din Los Angeles, cât și de la Universitatea din Florida au produs cu succes apă dulce din apă de mare la mijlocul anilor 1950, dar fluxul a fost prea mic pentru a fi viabil din punct de vedere comercial până la descoperirea de la Universitatea din California din Los Angeles de către Sidney Loeb și Srinivasa Sourirajan de la Consiliul Național de Cercetare al Canadei , Ottawa, a tehnicilor de fabricare a membranelor asimetrice caracterizate printr-un strat de „piele” eficient subțire susținut pe o regiune substrată extrem de poroasă și mult mai groasă a membranei. John Cadotte, de la FilmTec Corporation , a descoperit că membranele cu flux deosebit de ridicat și trecerea redusă a sării ar putea fi realizate prin polimerizarea interfacială a m- fenilen diaminei și a clorurii de triimesil. Brevetul lui Cadotte asupra acestui proces a făcut obiectul unui litigiu și a expirat de atunci. Aproape toată membrana comercială de osmoză inversă este acum realizată prin această metodă. Până în 2019, în jurul lumii funcționau aproximativ 16.000 de instalații de desalinizare, producând aproximativ 95 de milioane de metri cubi pe zi (25 miliarde de galoane SUA pe zi) de apă desalinizată pentru uz uman. Aproximativ jumătate din această capacitate se afla în regiunea Orientului Mijlociu și a Africii de Nord.

Tren de producție a osmozei inverse, uzina de osmoză inversă a coralului din Capul Nord

În 1977, Cape Coral , Florida, a devenit prima municipalitate din Statele Unite care a utilizat procesul RO pe scară largă, cu o capacitate inițială de operare de 11,35 milioane litri (3 milioane gal. SUA) pe zi. Până în 1985, datorită creșterii rapide a populației Cape Coral, orașul avea cea mai mare fabrică de osmoză inversă cu presiune scăzută din lume, capabilă să producă 56,8 milioane de litri (15 milioane de galoane SUA) pe zi (MGD).

În mod formal, osmoza inversă este procesul de forțare a unui solvent dintr-o regiune cu concentrație ridicată de substanță dizolvată printr-o membrană semipermeabilă într-o regiune cu concentrație scăzută de dizolvat prin aplicarea unei presiuni care depășește presiunea osmotică. Cea mai mare și cea mai importantă aplicație a osmozei inverse este separarea apei pure de apa de mare și a apelor salmastre ; apa de mare sau apa salmastra este presurizata pe o suprafata a membranei, provocand transportul apei sarate in membrana si aparitia apei potabile potabile din partea de joasa presiune.

Membranele utilizate pentru osmoza inversă au un strat dens în matricea polimerică - fie pielea unei membrane asimetrice, fie un strat polimerizat interfațial într-o membrană compusă cu film subțire - unde are loc separarea. În majoritatea cazurilor, membrana este concepută pentru a permite trecerea numai a apei prin acest strat dens, împiedicând în același timp trecerea substanțelor dizolvate (cum ar fi ionii de sare). Acest proces necesită exercitarea unei presiuni ridicate pe partea cu concentrație ridicată a membranei, de obicei 2-17 bari (30-250 psi ) pentru apa dulce și sărată și 40-82 bari (600-1200 psi) pentru apa de mare, care are în jur de 27 bari (390 psi) presiune osmotică naturală care trebuie depășită. Acest proces este cel mai bine cunoscut pentru utilizarea sa în desalinizare (îndepărtarea sării și a altor minerale din apa de mare pentru a produce apă proaspătă ), dar de la începutul anilor 1970, a fost folosit și pentru purificarea apei proaspete pentru aplicații medicale, industriale și menajere.

Aplicații cu apă dulce

Sistem de osmoză inversă de blat

Purificarea apei potabile

În întreaga lume, sistemele de purificare a apei potabile menajere , inclusiv o etapă de osmoză inversă, sunt utilizate în mod obișnuit pentru îmbunătățirea apei pentru băut și gătit.

Astfel de sisteme includ de obicei un număr de pași:

• un filtru de sedimente pentru a prinde particule, inclusiv rugina și carbonatul de calciu
• opțional, un al doilea filtru de sedimente cu pori mai mici
• un filtru de cărbune activ pentru a prinde substanțele chimice organice și clorul , care va ataca și degrada anumite tipuri de membrane compozite cu film subțire
• un filtru de osmoză inversă, care este o membrană compozită cu film subțire
• opțional, o lampă ultravioletă pentru sterilizarea oricărui microb care poate scăpa de filtrarea prin membrana de osmoză inversă
• opțional, un al doilea filtru de carbon pentru captarea substanțelor chimice care nu sunt îndepărtate de membrana de osmoză inversă

În unele sisteme, prefiltrul de carbon este omis și se folosește o membrană de triacetat de celuloză . CTA (triacetat de celuloză) este o membrană secundară din hârtie legată de un strat sintetic și este făcută pentru a permite contactul cu clorul în apă. Acestea necesită o cantitate mică de clor în sursa de apă pentru a preveni formarea bacteriilor pe ea. Rata de respingere tipică pentru membranele CTA este de 85-95%.

Membrana triacetat de celuloză este predispusă la putrezire, cu excepția cazului în care este protejată de apă clorurată, în timp ce membrana compusă cu film subțire este predispusă la descompunere sub influența clorului. O membrană compusă cu film subțire (TFC) este fabricată din material sintetic și necesită îndepărtarea clorului înainte ca apa să intre în membrană. Pentru a proteja elementele membranei TFC de deteriorarea clorului, filtrele de carbon sunt utilizate ca pretratare în toate sistemele rezidențiale de osmoză inversă. Membranele TFC au o rată de respingere mai mare de 95-98% și o durată de viață mai lungă decât membranele CTA.

Procesoarele portabile de apă cu osmoză inversă sunt vândute pentru purificarea personală a apei în diferite locații. Pentru a funcționa eficient, alimentarea cu apă a acestor unități ar trebui să fie sub o anumită presiune (280 kPa (40 psi) sau mai mare este norma). Procesoarele portabile de apă cu osmoză inversă pot fi utilizate de persoanele care locuiesc în zonele rurale fără apă curată, departe de conductele de apă ale orașului. Oamenii din mediul rural filtrează singuri apa râului sau a oceanului, deoarece dispozitivul este ușor de utilizat (apa salină poate avea nevoie de membrane speciale). Unii călători în plimbări lungi cu barca, pescuitul sau campingul în insulă sau în țările în care alimentarea cu apă locală este poluată sau sub standard, utilizează procesoare de apă cu osmoză inversă, împreună cu unul sau mai multe sterilizatoare ultraviolete.

În producția de apă minerală îmbuteliată , apa trece printr-un procesor de apă cu osmoză inversă pentru a elimina poluanții și microorganismele. În țările europene, însă, o astfel de prelucrare a apei minerale naturale (așa cum este definită de o directivă europeană) nu este permisă de legislația europeană. În practică, o fracțiune din bacteriile vii pot trece prin membranele de osmoză inversă prin imperfecțiuni minore sau pot ocoli membrana în întregime prin scurgeri minuscule în sigiliile din jur. Astfel, sistemele complete de osmoză inversă pot include etape suplimentare de tratare a apei care utilizează lumină ultravioletă sau ozon pentru a preveni contaminarea microbiologică.

Dimensiunile porilor membranelor pot varia de la 0,1 la 5 000 nm, în funcție de tipul de filtru. Filtrarea particulelor elimină particulele de 1 µm sau mai mari. Microfiltrarea elimină particulele de 50 nm sau mai mari. Ultrafiltrarea elimină particulele de aproximativ 3 nm sau mai mari. Nanofiltrarea elimină particulele de 1 nm sau mai mari. Osmoza inversă se află în categoria finală de filtrare a membranei, hiperfiltrare și elimină particulele mai mari de 0,1 nm.

Utilizare descentralizată: osmoză inversă alimentată cu energie solară

O unitate de desalinizare alimentată cu energie solară produce apă potabilă din apă salină prin utilizarea unui sistem fotovoltaic care convertește energia solară în energia necesară pentru osmoza inversă. Datorită disponibilității extinse a luminii solare în diferite zone geografice, osmoza inversă alimentată cu energie solară se pretează bine purificării apei potabile în condiții la distanță, lipsită de o rețea electrică. Mai mult decât atât, energia solară depășește costurile de operare cu energie ridicată, precum și emisiile de seră ale sistemelor convenționale de osmoză inversă, făcându-l o soluție durabilă de apă dulce compatibilă cu contextele în curs de dezvoltare. De exemplu, o unitate de desalinizare alimentată cu energie solară concepută pentru comunități îndepărtate a fost testată cu succes în Teritoriul de Nord al Australiei .

În timp ce natura intermitentă a soarelui și intensitatea sa variabilă pe tot parcursul zilei face dificilă predicția eficienței PV și desalinizarea în timpul nopții, există mai multe soluții. De exemplu, bateriile, care furnizează energia necesară desalinizării în afara orelor de soare, pot fi utilizate pentru a stoca energia solară în timpul zilei. În afară de utilizarea bateriilor convenționale, există metode alternative pentru stocarea energiei solare. De exemplu, sistemele de stocare a energiei termice rezolvă această problemă de stocare și asigură performanțe constante chiar și în afara orelor de soare și a zilelor înnorate, îmbunătățind eficiența generală.

Utilizare militară: unitatea de purificare a apei prin osmoză inversă

O unitate de purificare a apei prin osmoză inversă (ROWPU) este o stație de tratare a apei portabilă, autonomă . Conceput pentru uz militar, poate furniza apă potabilă din aproape orice sursă de apă. Există multe modele utilizate de forțele armate ale Statelor Unite și de forțele canadiene . Unele modele sunt containerizate , altele sunt remorci, iar altele sunt vehicule pentru ele însele.

Fiecare ramură a forțelor armate ale Statelor Unite are propria serie de modele de unități de purificare a apei cu osmoză inversă, dar toate sunt similare. Apa este pompată din sursa sa brută în modulul de unitate de purificare a apei cu osmoză inversă, unde este tratată cu un polimer pentru a iniția coagularea . Apoi, este rulat printr-un filtru multi-media unde este supus unui tratament primar prin eliminarea turbidității. Apoi este pompat printr-un filtru cu cartuș care este de obicei bumbac înfășurat în spirală. Acest proces clarifică apa oricăror particule mai mari de 5 µm și elimină aproape toată turbiditatea .

Apa limpezită este apoi alimentată printr-o pompă cu piston de înaltă presiune într-o serie de vase în care este supusă osmozei inverse. Apa produsă nu conține 90,00–99,98% din totalul solidelor dizolvate ale apei brute și conform standardelor militare, nu ar trebui să aibă mai mult de 1000–1500 părți pe milion prin măsurarea conductivității electrice . Apoi este dezinfectat cu clor și depozitat pentru utilizare ulterioară.

Purificarea apei și a apelor uzate

Apa de ploaie colectată din canalele de ploaie este purificată cu procesoare de apă cu osmoză inversă și utilizată pentru irigarea peisajului și răcirea industrială în Los Angeles și alte orașe, ca soluție la problema penuriei de apă.

În industrie, osmoza inversă elimină mineralele din apa cazanului de la centralele electrice . Apa este distilată de mai multe ori. Trebuie să fie cât mai pur posibil, astfel încât să nu lase depozite pe utilaje sau să provoace coroziune. Depunerile în interiorul sau în afara tuburilor cazanului pot avea ca rezultat o performanță slabă a cazanului, reducând eficiența acestuia și rezultând o producție slabă de abur, deci o producție slabă de energie la turbină.

Este, de asemenea, utilizat pentru curățarea apelor subterane de efluenți și sălcii . Efluentul în volume mai mari (mai mult de 500 m ³ / zi) trebuie tratat mai întâi într-o instalație de tratare a efluenților, iar apoi efluentul limpede este supus unui sistem de osmoză inversă. Costul tratamentului este redus semnificativ și durata de viață a membranei sistemului de osmoză inversă este crescută.

Procesul de osmoză inversă poate fi utilizat pentru producerea apei deionizate .

Procesul de osmoză inversă pentru purificarea apei nu necesită energie termică. Sistemele de osmoză inversă prin curgere pot fi reglate prin pompe de înaltă presiune. Recuperarea apei purificate depinde de diverși factori, inclusiv dimensiunile membranei, dimensiunea porilor membranei, temperatura, presiunea de funcționare și suprafața membranei.

În 2002, Singapore a anunțat că un proces numit NEWater va fi o parte semnificativă a planurilor sale viitoare de apă. Aceasta implică utilizarea osmozei inverse pentru tratarea apelor uzate menajere înainte de a descărca NEWater înapoi în rezervoare.

Industria alimentară

În plus față de desalinizare, osmoza inversă este o operație mai economică pentru concentrarea lichidelor alimentare (cum ar fi sucurile de fructe) decât procesele convenționale de tratament termic. S-au făcut cercetări privind concentrația de suc de portocale și suc de roșii. Avantajele sale includ un cost de funcționare mai mic și capacitatea de a evita procesele de tratament termic, ceea ce îl face potrivit pentru substanțe sensibile la căldură, cum ar fi proteinele și enzimele găsite în majoritatea produselor alimentare.

Osmoza inversă este utilizată pe scară largă în industria produselor lactate pentru producerea de pulberi de proteine ​​din zer și pentru concentrarea laptelui pentru a reduce costurile de transport. În aplicațiile din zer, zerul (lichidul rămas după fabricarea brânzeturilor) este concentrat cu osmoză inversă de la 6% solide totale la 10-20% solide totale înainte de procesarea ultrafiltrării . Retentatul de ultrafiltrare poate fi apoi utilizat pentru a produce diverse pulberi de zer, inclusiv izolat de proteine ​​din zer . În plus, permeatul de ultrafiltrare, care conține lactoză , este concentrat prin osmoză inversă de la 5% solide totale la 18-22% solide totale pentru a reduce costurile de cristalizare și uscare a pulberii de lactoză.

Deși utilizarea procesului a fost odată evitată în industria vinului, acum este înțeleasă și utilizată pe scară largă. Se estimează că 60 de mașini cu osmoză inversă erau utilizate în Bordeaux , Franța , în 2002. Utilizatorii cunoscuți includ multe dintre creșterile clasificate de elită (Kramer), cum ar fi Château Léoville-Las Cases din Bordeaux.

Producția de sirop de arțar

În 1946, unii producători de sirop de arțar au început să utilizeze osmoză inversă pentru a îndepărta apa din sevă înainte ca seva să fie aruncată în sirop . Utilizarea osmoza inversă permite ca aproximativ 75-90% din apă să fie îndepărtată din seva, reducând consumul de energie și expunerea siropului la temperaturi ridicate. Contaminarea microbiană și degradarea membranelor trebuie monitorizate.

Bere cu conținut scăzut de alcool

Când berea la concentrație normală de alcool este supusă osmozei inversate, atât apa cât și alcoolul trec peste membrană mai ușor decât celelalte componente, lăsând un „concentrat de bere”. Concentratul este apoi diluat cu apă proaspătă pentru a restabili componentele nevolatile la intensitatea lor inițială.

Producția de hidrogen

Pentru producția de hidrogen la scară mică , osmoza inversă este uneori utilizată pentru a preveni formarea depozitelor minerale pe suprafața electrozilor .

Acvarii

Mulți deținători de acvarii recifale utilizează sisteme de osmoză inversă pentru amestecul lor artificial de apă de mare. Apa obișnuită de la robinet poate conține exces de clor, cloramine, cupru, nitrați, nitriți, fosfați, silicați sau multe alte substanțe chimice dăunătoare organismelor sensibile dintr-un mediu de recif. Contaminanții precum compușii azotului și fosfații pot duce la creșterea excesivă și nedorită a algelor. O combinație eficientă atât de osmoză inversă, cât și de deionizare este cea mai populară în rândul deținătorilor de acvarii de recif și este preferată mai presus de alte procese de purificare a apei datorită costului redus de proprietate și a costurilor minime de funcționare. Acolo unde clorul și cloraminele se găsesc în apă, filtrarea carbonului este necesară înainte de membrană, deoarece membrana rezidențială obișnuită utilizată de reținerii recifelor nu face față acestor compuși.

Acvaristii de apă dulce folosesc, de asemenea, sisteme de osmoză inversă pentru a dubla apele foarte moi găsite în multe corpuri de apă tropicale. În timp ce mulți pești tropicali pot supraviețui în apa de la robinet tratată corespunzător, reproducerea poate fi imposibilă. Multe magazine acvatice vând recipiente cu apă cu osmoză inversă în acest scop.

Curățarea geamurilor

O metodă din ce în ce mai populară de curățare a geamurilor este așa-numitul sistem „stâlp alimentat cu apă”. În loc să spele geamurile cu detergent în mod convențional, acestea sunt spălate cu apă foarte purificată, conținând de obicei mai puțin de 10 ppm solide dizolvate, folosind o perie la capătul unui stâlp lung care este manevrat de la nivelul solului. Osmoza inversă este frecvent utilizată pentru purificarea apei.

Purificarea levigatului la depozitele de deșeuri

Tratamentul cu osmoză inversă este limitat, rezultând recuperări scăzute la concentrație mare (măsurată cu conductivitate electrică ) și murdărire a membranelor RO. Aplicabilitatea osmozei inverse este limitată de conductivitate, organice și scalarea elementelor anorganice, cum ar fi CaSO4, Si, Fe și Ba. Scalarea organică scăzută poate utiliza două tehnologii diferite, una utilizând modulul cu membrană înfășurată în spirală, iar pentru scalarea organică ridicată, conductivitate ridicată și presiune mai mare (până la 90 de bari) pot fi utilizate module cu tuburi de disc cu membrane cu osmoză inversă. Modulele cu tuburi de disc au fost reproiectate pentru purificarea levigatului, care este de obicei contaminată cu niveluri ridicate de material organic. Datorită fluxului încrucișat cu viteză mare, i se administrează o pompă de rapel de curgere, care recirculează fluxul pe aceeași suprafață a membranei între 1,5 și 3 ori înainte de a fi eliberat ca concentrat. Viteza mare este, de asemenea, bună împotriva scalării membranei și permite curățarea cu succes a membranei.

Consum de energie pentru un sistem de module de tuburi de disc

Modul tub cu disc cu pernă cu membrană RO și modul înfășurat în spirală cu membrană RO

Desalinizare

Zonele care nu au apă de suprafață sau subterană sau au apă limitată pot alege să desalinizeze . Osmoza inversă este o metodă tot mai des întâlnită de desalinizare, datorită consumului său relativ scăzut de energie.

În ultimii ani, consumul de energie a scăzut la aproximativ 3 kWh / m ³ , odată cu dezvoltarea unor dispozitive mai eficiente de recuperare a energiei și materiale îmbunătățite cu membrană. Potrivit Asociației Internaționale a Desalinizării, pentru 2011, osmoza inversă a fost utilizată în 66% din capacitatea instalată de desalinizare (0,0445 din 0,0674 km³ / zi) și în aproape toate instalațiile noi. Alte plante folosesc în principal metode de distilare termică: efect multiplu distilare și bliț mai multe etape .

Desalinizarea cu osmoză inversă a apei de mare (SWRO), un proces cu membrană, a fost utilizată comercial de la începutul anilor 1970. Prima sa utilizare practică a fost demonstrată de Sidney Loeb de la Universitatea California din Los Angeles în Coalinga, California și Srinivasa Sourirajan de la National Research Council, Canada. Deoarece nu sunt necesare încălzire sau modificări de fază, cerințele de energie sunt scăzute, în jur de 3 kWh / m ³ , în comparație cu alte procese de desalinizare, dar sunt încă mult mai mari decât cele necesare pentru alte forme de alimentare cu apă, inclusiv tratamentul cu osmoză inversă a apelor uzate , la 0,1 la 1 kWh / m ³ . Până la 50% din aportul de apă de mare poate fi recuperat ca apă dulce, deși recuperări mai mici pot reduce murdărirea membranei și consumul de energie.

Osmoza inversă a apei salmastre se referă la desalinizarea apei cu un conținut mai mic de sare decât apa de mare, de obicei din estuarele râurilor sau din puțurile saline. Procesul este practic același cu osmoza inversă a apei de mare, dar necesită presiuni mai mici și, prin urmare, mai puțină energie. Până la 80% din aportul de apă de alimentare poate fi recuperat ca apă proaspătă, în funcție de salinitatea furajelor.

Ashkelon apă de mare osmoza inversa uzina de desalinizare în Israel este cea mai mare din lume. Proiectul a fost dezvoltat ca o construcție-operare-transfer de către un consorțiu format din trei companii internaționale: Veolia water, IDE Technologies și Elran.

Sistemul tipic de osmoză inversă a apei de mare cu o singură trecere constă din:

• Admisie
• Pretratarea
• Pompa de înaltă presiune (dacă nu este combinată cu recuperarea energiei)
• Ansamblu membrană
• Recuperarea energiei (dacă este utilizată)
• Remineralizarea și ajustarea pH-ului
• Dezinfectare
• Panou de alarmă / control

Pretratarea

Pretratarea este importantă atunci când se lucrează cu membranele de osmoză inversă și nanofiltrare datorită naturii designului lor înfășurat în spirală. Materialul este proiectat astfel încât să permită fluxul într-un singur sens prin sistem. Ca atare, designul înfășurat în spirală nu permite respingerea cu apă sau agitare a aerului să-și curgă suprafața și să îndepărteze solidele. Deoarece materialul acumulat nu poate fi îndepărtat de pe sistemele de suprafață ale membranei, acestea sunt extrem de susceptibile la murdărire (pierderea capacității de producție). Prin urmare, pretratarea este o necesitate pentru orice sistem de osmoză inversă sau nanofiltrare. Pretratarea în sistemele de osmoză inversă a apei de mare are patru componente majore:

• Screeningul solidelor: Solidele din apă trebuie îndepărtate și tratate apa pentru a preveni murdărirea membranelor prin creșterea particulelor fine sau biologice și pentru a reduce riscul de deteriorare a componentelor pompei de înaltă presiune.
• Filtrarea cartușului: În general, filtrele din polipropilenă înfășurate cu șnur sunt utilizate pentru a îndepărta particulele cu diametrul de 1-5  µm .
• Dozare: se adaugă biocide oxidante, cum ar fi clorul, pentru a distruge bacteriile, urmate de doza de bisulfit pentru a dezactiva clorul, care poate distruge o membrană compozită cu film subțire. Există, de asemenea , inhibitori de bioincrustare , care nu ucid bacteriile, ci pur și simplu le împiedică să crească nămol pe suprafața membranei și pereții plantelor.
• Reglarea pH-ului de prefiltrare: Dacă pH-ul, duritatea și alcalinitatea din apa de alimentare au ca rezultat o tendință de scalare atunci când sunt concentrate în fluxul de respingere, acidul este dozat pentru a menține carbonații în forma lor solubilă de acid carbonic.

CO ₃ ²⁻ + H ₃ O ⁺ = HCO ₃ ^- + H ₂ O

HCO ₃ ^- + H ₃ O ⁺ = H ₂ CO ₃ + H ₂ O

• Acidul carbonic nu se poate combina cu calciu pentru a forma solzi de carbonat de calciu . Tendința de scalare a carbonatului de calciu este estimată utilizând indicele de saturație Langelier. Adăugarea unui exces de acid sulfuric pentru a controla solziile de carbonat poate duce la formarea de sulfat de calciu, sulfat de bariu sau sulfat de stronțiu pe membrana de osmoză inversă.
• Antiscalanți de prefiltrare: inhibitorii de solzi (cunoscuți și sub denumirea de antiscalanți) previn formarea tuturor solzilor în comparație cu acidul, care poate preveni numai formarea de solzi de carbonat de calciu și fosfat de calciu . Pe lângă inhibarea solzilor de carbonat și fosfat, antiscalanții inhibă solzii de sulfat și fluor și dispersează coloizi și oxizi metalici. În ciuda afirmațiilor că antiscalanții pot inhiba formarea de silice, nu există dovezi concrete care să demonstreze că polimerizarea silice poate fi inhibată de antiscalanți. Antiscalanții pot controla solzii solubili în acid la o fracțiune din doza necesară pentru a controla aceeași scală folosind acid sulfuric.
• Unele unități de desalinizare la scară mică folosesc „puțuri de plajă”; sunt de obicei forate pe malul mării în imediata apropiere a oceanului. Aceste instalații de admisie sunt relativ ușor de construit, iar apa de mare pe care o colectează este pretratată prin filtrare lentă prin formațiunile de nisip / fundul mării subterane din zona de extracție a apei sursă. Apa de mare brută colectată folosind puțurile de plajă este adesea de o calitate mai bună în ceea ce privește solidele, nămolul, uleiul și grăsimile, contaminarea organică naturală și microorganismele acvatice, în comparație cu aporturile deschise de apă de mare. Uneori, aporturile de plajă pot produce, de asemenea, apă sursă cu salinitate mai mică.

Pompa de înaltă presiune

Pompa de înaltă presiune furnizează presiunea necesară pentru a împinge apa prin membrană, chiar dacă membrana respinge trecerea sării prin ea. Presiunile tipice pentru apa sărată variază de la 1,6 la 2,6 MPa (225 la 376 psi). În cazul apei de mare, acestea variază de la 5,5 la 8 MPa (800 la 1.180 psi). Acest lucru necesită o cantitate mare de energie. Acolo unde se folosește recuperarea energiei, o parte a activității pompei de înaltă presiune este realizată de dispozitivul de recuperare a energiei, reducând aportul de energie al sistemului.

Ansamblu membrană

Straturile unei membrane

Ansamblul de membrană constă dintr-un vas sub presiune cu o membrană care permite apei de alimentare să fie presată împotriva acestuia. Membrana trebuie să fie suficient de puternică pentru a rezista la orice presiune aplicată asupra acesteia. Membranele cu osmoză inversă sunt realizate într-o varietate de configurații, cele mai frecvente două configurații fiind înfășurate în spirală și fibre goale.

Doar o parte din apa de alimentare cu soluție salină pompată în ansamblul membranei trece prin membrană cu sarea îndepărtată. Fluxul „concentrat” rămas trece de-a lungul pării saline a membranei pentru a îndepărta soluția concentrată de sare. Procentul de apă desalinizată produsă comparativ cu fluxul de alimentare cu apă salină este cunoscut sub numele de „raport de recuperare”. Acest lucru variază în funcție de salinitatea apei de alimentare și de parametrii de proiectare a sistemului: de obicei 20% pentru sistemele mici de apă de mare, 40% - 50% pentru sistemele de apă de mare mai mari și 80% - 85% pentru apa sărată. Debitul de concentrat este de obicei cu doar 3 bar / 50 psi mai mic decât presiunea de alimentare și, astfel, transportă încă o mare parte din energia de intrare a pompei de înaltă presiune.

Puritatea apei desalinizate este o funcție a salinității apei de alimentare, a selecției membranei și a raportului de recuperare. Pentru a obține o puritate mai mare se poate adăuga o a doua trecere care necesită, în general, o pompare. Puritatea exprimată ca solide totale dizolvate variază de obicei între 100 și 400 de părți pe milion (ppm sau mg / litru) pe o hrană cu apă de mare. Un nivel de 500 ppm este în general acceptat ca limită superioară pentru apa potabilă, în timp ce Administrația SUA pentru Alimente și Medicamente clasifică apa minerală ca apă care conține cel puțin 250 ppm.

Recuperarea energiei

Schema unui sistem de desalinizare cu osmoză inversă folosind un schimbător de presiune .
1 : Debit de apă de mare,
2 : Debit de apă dulce (40%),
3 : Debit de concentrat (60%),
4 : Debit de apă de mare (60%),
5 : Concentrat (drenaj),
A: Debit de pompă (40%) ,
B : Pompa de circulație,
C : Unitate de osmoză cu membrană,
D : Schimbător de presiune

Schema unui sistem de desalinizare cu osmoză inversă utilizând o pompă de recuperare a energiei.
1 : Debit de apă de mare (100%, 1 bar),
2 : Debit de apă de mare (100%, 50 bar),
3 : Debit de concentrat (60%, 48 bar),
4 : Debit de apă dulce (40%, 1 bar) ,
5 : Concentrat pentru scurgere (60%, 1 bar),
A: Pompa de recuperare a presiunii,
B : Unitate de osmoză cu membrană

Recuperarea energiei poate reduce consumul de energie cu 50% sau mai mult. O mare parte din energia de intrare a pompei de înaltă presiune poate fi recuperată din fluxul de concentrat, iar eficiența crescândă a dispozitivelor de recuperare a energiei a redus mult necesarul de energie al desalinizării prin osmoză inversă. Dispozitivele utilizate, în ordinea invenției, sunt:

• Turbină sau roată Pelton : o turbină de apă acționată de fluxul de concentrat, conectată la arborele de antrenare a pompei de înaltă presiune pentru a furniza o parte din puterea sa de intrare. Motoarele cu piston axial cu deplasare pozitivă au fost, de asemenea, utilizate în locul turbinelor pe sisteme mai mici.
• Turbocompresor: o turbină de apă acționată de fluxul de concentrat, conectată direct la o pompă centrifugă care mărește presiunea de ieșire a pompei de înaltă presiune, reducând presiunea necesară de la pompa de înaltă presiune și, prin urmare, aportul său de energie, similar în principiu de construcție cu turbocompresoarele motorului auto .
• Schimbător de presiune : folosind fluxul concentrat presurizat, în contact direct sau printr-un piston, pentru a presuriza o parte a fluxului de alimentare a membranei până la presiunea de curgere aproape concentrată. O pompă de creștere crește apoi această presiune cu 3 bar / 50 psi până la presiunea de alimentare a membranei. Acest lucru reduce debitul necesar de la pompa de înaltă presiune cu o cantitate egală cu debitul de concentrat, de obicei 60%, și, prin urmare, aportul său de energie. Acestea sunt utilizate pe scară largă pe sistemele mai mari cu consum redus de energie. Sunt capabili de 3 kWh / m ³ sau mai puțin consum de energie.
• Pompa de recuperare a energiei: o pompă cu piston alternativ cu fluxul de concentrat sub presiune aplicat pe o parte a fiecărui piston pentru a ajuta la conducerea fluxului de alimentare a membranei din partea opusă. Acestea sunt cele mai simple dispozitive de recuperare a energiei de aplicat, combinând pompa de înaltă presiune și recuperarea energiei într-o singură unitate de autoreglare. Acestea sunt utilizate pe scară largă pe sistemele mai mici cu consum redus de energie. Sunt capabili de 3 kWh / m ³ sau mai puțin consum de energie.
• Funcționarea în lot: Sistemele cu osmoză inversă rulează cu un volum fix de fluid (termodinamic un sistem închis ) nu suferă de energie irosită în fluxul de saramură, deoarece energia pentru presurizarea unui fluid practic incompresibil (apă) este neglijabilă. Astfel de sisteme au potențialul de a atinge o eficiență a legii secundare de 60%.

Remineralizarea și ajustarea pH-ului

Apa desalinizată este stabilizată pentru a proteja conductele și depozitarea din aval, de obicei prin adăugarea de var sau sodă caustică pentru a preveni coroziunea suprafețelor acoperite cu beton. Materialul de calcare este utilizat pentru a regla pH-ul între 6,8 și 8,1 pentru a îndeplini specificațiile privind apa potabilă, în primul rând pentru dezinfectarea eficientă și pentru controlul coroziunii. Poate fi necesară remineralizarea pentru a înlocui mineralele îndepărtate din apă prin desalinizare. Deși acest proces sa dovedit a fi costisitor și nu foarte convenabil dacă este destinat să satisfacă cererea de minerale de către oameni și plante. Aceeași cerere minerală pe care o furnizau anterior sursele de apă dulce. De exemplu, apa de la purtătorul național de apă din Israel conține de obicei niveluri de magneziu dizolvate de 20 până la 25 mg / litru, în timp ce apa din planta Ashkelon nu are magneziu. După ce fermierii au folosit această apă, simptomele carenței de magneziu au apărut în culturi, inclusiv roșii, busuioc și flori, și au trebuit remediate prin fertilizare. Standardele actuale israeliene privind apa potabilă stabilesc un nivel minim de calciu de 20 mg / litru. Tratamentul postdesalinizat în planta Ashkelon folosește acid sulfuric pentru a dizolva calcitul (calcarul), rezultând o concentrație de calciu de 40 până la 46 mg / litru. Aceasta este încă mai mică decât 45 până la 60 mg / litru găsite în apa dulce tipică israeliană.

Dezinfectare

Post-tratamentul constă în prepararea apei pentru distribuție după filtrare. Osmoza inversă este o barieră eficientă pentru agenții patogeni, dar post-tratament oferă protecție secundară împotriva membranelor compromise și a problemelor din aval. Dezinfectarea prin lămpi ultraviolete (UV) (uneori numite germicide sau bactericide) poate fi utilizată pentru sterilizarea agenților patogeni care au ocolit procesul de osmoză inversă. Clorinarea sau cloraminarea (clor și amoniac) protejează împotriva agenților patogeni care s-ar fi putut adăposti în sistemul de distribuție din aval, cum ar fi de la construcții noi, spălare, conducte compromise etc.

Dezavantaje

Unitățile casnice cu osmoză inversă folosesc multă apă, deoarece au o contrapresiune scăzută. Anterior, obișnuiau să recupereze doar 5 până la 15% din apa care pătrundea în sistem. Cu toate acestea, cele mai recente purificatoare de apă RO pot recupera 40 până la 55% din apă. Restul este deversat ca apă uzată. Deoarece apa uzată transportă cu sine contaminanții respinși, metodele de recuperare a acestei ape nu sunt practice pentru sistemele de uz casnic. Apele uzate sunt de obicei conectate la canalele de scurgere ale casei și se vor adăuga la sarcina sistemului septic de uz casnic. O unitate cu osmoză inversă care livrează 20 litri (5,3 galoane SUA) de apă tratată pe zi poate descărca zilnic între 50 și 80 litri (13 și 21 gal gal SUA) de apă uzată. Tocmai din acest motiv, Tribunalul Național Verde din India a propus interzicerea sistemelor de purificare a apei RO în zonele în care măsurarea solidelor dizolvate totale (TDS) în apă este mai mică de 500 mg / litru Acest lucru are o consecință dezastruoasă pentru mega orașe precum Delhi unde utilizarea pe scară largă a dispozitivelor RO de uz casnic a crescut cererea totală de apă a Teritoriului Național al Capitalei din India, deja uscat.

Sistemele industriale / municipale pe scară largă recuperează de obicei 75% până la 80% din apa de alimentare, sau până la 90%, deoarece pot genera presiunea ridicată necesară pentru o recuperare mai mare a filtrării cu osmoză inversă. Pe de altă parte, pe măsură ce recuperarea apelor uzate crește în operațiunile comerciale, ratele efective de eliminare a contaminanților tind să devină reduse, dovadă fiind nivelul produselor totale de solide dizolvate din apă .

Osmoza inversă prin construcția sa elimină atât contaminanții nocivi prezenți în apă, cât și unele minerale dorite. Studiile moderne pe această temă au fost destul de superficiale, citând lipsa de finanțare și interesul pentru un astfel de studiu, deoarece re-mineralizarea la stațiile de epurare se face astăzi pentru a preveni coroziunea conductelor fără a intra în aspectul sănătății umane. Cu toate acestea, ele se leagă de studii mai vechi, mai amănunțite, care, de la o parte, arată o anumită relație între efectele pe termen lung asupra sănătății și consumul de apă scăzut de calciu și magneziu, pe de altă parte, mărturisesc că niciunul dintre aceste studii mai vechi nu respectă standardele moderne de cercetare. .

Considerații privind fluxul de deșeuri

În funcție de produsul dorit, fie fluxul de solvent sau solut de osmoză inversă va fi deșeu. Pentru aplicațiile de concentrare a alimentelor, fluxul de solut concentrat este produsul și fluxul de solvent este deșeuri. Pentru aplicații de tratare a apei, fluxul de solvent este apă purificată, iar fluxul de solut este deșeuri concentrate. Fluxul de deșeuri de solvenți din procesarea alimentelor poate fi utilizat ca apă recuperată , dar pot exista mai puține opțiuni pentru eliminarea unui flux de solut concentrat de deșeuri. Navele pot folosi descărcare marină, iar plantele de desalinizare de coastă folosesc de obicei deversări marine . Plantele cu osmoză inversă fără litoral pot necesita iazuri de evaporare sau puțuri de injecție pentru a evita poluarea apelor subterane sau a scurgerilor de suprafață .

Noi dezvoltări

Începând cu anii 1970, a fost evaluată și uneori utilizată prefiltrarea apelor puternic murdare cu o altă membrană cu pori mai mari, cu mai puțină necesitate de energie hidraulică. Cu toate acestea, acest lucru înseamnă că apa trece prin două membrane și este adesea represurizată, ceea ce necesită mai multă energie pentru a fi introdus în sistem și, astfel, crește costul.

Alte lucrări de dezvoltare recente s-au concentrat pe integrarea osmozei inverse cu electrodializa pentru a îmbunătăți recuperarea produselor deionizate valoroase sau pentru a minimiza volumul de concentrat care necesită descărcare sau eliminare.

În ultimii ani, multe companii domestice de purificare a apei RO au început să găsească soluție la această problemă. Cea mai promițătoare soluție dintre acestea pare să fie LPHR. LPHR, sau procedeul RO cu mai multe etape cu presiune scăzută de recuperare ridicată produce o saramură foarte concentrată și apă dulce în același timp. Mai important, s-a constatat că este fezabil din punct de vedere economic pentru o recuperare a apei mai mare de 70% cu un OPD între 58 și 65 de bari pentru a produce un produs de apă dulce care conține nu mai mult de 350 ppm TDS dintr-o alimentare cu apă de mare cu 35.000 ppm TDS.

Kent RO Systems a venit cu o tehnologie simplă „Zero Water Wastage”, care împinge înapoi apa respinsă în rezervorul aerian, reducând astfel risipa la zero.

În producția de apă potabilă, cele mai recente evoluții includ membranele nanoscale și grafene .

Cea mai mare fabrică de desalinizare RO din lume a fost construită în Sorek, Israel, în 2013. Are o producție de 624 mii de metri cubi pe zi (165 de milioane de galoane SUA pe zi).

Vezi si

Referințe

Surse

• Metcalf; Eddy (1972). Ingineria apelor uzate . New York: McGraw-Hill Book Company.