Как работает обратный осмос: принцип действия устройств тонкой очистки воды

Что такое «хорошо»?

С бытовыми фильтрами ситуация попроще — модели разных производителей имеют схожую конструкцию, поэтому есть возможность их сравнить. В качестве примера имеет смысл взять торговую марку «Атолл», поскольку эти обратноосмотические фильтры, производимые в США, появились в России аж в 1995 году, и давно завоевали славу качественной и надежной продукции

Итак, кроме цены при выборе фильтра следует обращать внимание еще на несколько параметров. Рассмотрим их на примере все той же типовой модели Atoll A-560:

Вот так с помощью современных технологий можно экономично и эффективно решить проблему загрязненной воды.

Конструкция обратноосмотических фильтров

В основе конструкции оборудования лежит полупроницаемая обратноосмотическая мембрана, которая состоит из селективного и армирующего слоя. Первый изготавливается из ацетата целлюлозы, полиамида или тонкопленочных композитов и удаляет вредные примеси, второй задает прочностные характеристики мембраны. Перед основной очисткой устанавливаются фильтры 1-3 ступеней, предназначенные для предварительной очистки воды:

• 1 ступень – очищает от песка, глины и других нерастворимых частиц размерами более 5 мкм;
• 2 ступень – удаляет микрочастицы хлора и хлорорганических соединений;
• 3 ступень – справляется с задержкой загрязнений размерами от 1 мкм, включая мелкодисперсные взвеси и угольную пыль.

Дополнительным компонентом в системе фильтрации обратного осмоса является угольный пост-фильтр, предназначенный для улучшения запаха и вкуса воды. Поскольку оборудование полностью удаляет из жидкости все вещества, в том числе полезные для человека, его часто оснащают минерализатором, который восстанавливает баланс ценных соединений. Чтобы поддерживать постоянные запасы чистой воды, в систему включают накопительный бак емкостью 7-12 литров.

Принцип работы

Принцип работы фильтра для воды с обратным осмосом заключается в следующем. Вода под давлением перемещается через мембрану из раствора более концентрированного, в тот, концентрация которого меньше. То есть, в ходе данного процесса, жидкость проходит очистку от веществ, которые в ней растворены.

Сквозь мембрану проходят только частицы, молекулы которых по размеру равны, либо меньше диаметра молекулы воды.

Это означат, что хлор, кислород и некоторые иные примеси сквозь мембрану проходят.

Синтетические пористые мембраны разделяют поток на два «рукава»: чистая вода направляется в бак, остающийся раствор повышенной плотности отправляется на слив.

Производительность мембран, в фильтровальных установках для воды (с обратным осмосом), составляет 150 – 300 с/сут.

Фильтры, использующие данный принцип работы, способны удалять из очищаемой воды ионы тяжёлых металлов, хлора, инсектициды, мышьяк и т.п. но, наряду с этим, вода остаётся без таких положительных микроэлементов, как магний, кальций и целый ряд жизненно необходимых человеку иных макро и микроэлементов.

Степень очистки почти 98%. Промышленные установки позволяют увеличить этот показатель до 100%. Практически это аналог талой ледниковой воды. Но минеральных солей в ней практически не остаётся. Вредно это, или полезно?

Часть медицинских работников доказывает, что использование такой воды человеком, отрицательно влияет на работу сердца и сосудистой системы, которым жизненно необходимы магний и калий.

Решить проблему с их нехваткой позволяет применение дополнительных картриджей. Они обеспечивают восстановление структуры очищенной воды и её принудительную минерализацию.

Принципы работы обратного осмоса и нанофильтрации

Как работает обратный осмос

Явление осмоса можно увидеть, если в одну часть сосуда, разделенного полупроницаемой мембраной, налить чистую воду, а в другую — соленую. Термин «полупроницаемая» означает, что мембрана является проницаемой для одних частиц и непроницаемой для других. Если использовать мембрану проницаемую только для молекул воды, то она не будет пропускать через себя растворенные в воде соли. Спустя некоторое время можно будет заметить, что концентрации в обеих частях сосуда выравниваются. Таким образом происходит явление осмоса — чистая вода проходит через полупроницаемую мембрану в сторону концентрированного раствора и концентрации выравниваются. Это явление естественно, т. к. любая система стремится к равновесию.

Из рисунка видно, что в результате осмоса увеличивается высота столба жидкости в той части сосуда, где находился соленый концентрированный раствор. Высота будет увеличиваться до тех пор, пока давление столба жидкости (соляного раствора) не будет достаточно высоким, чтобы поток воды остановился. Прилагаемое давление, при котором поток воды через мембрану остановится, называется осмотическим давлением. Если к жидкости приложить ещё большее давление, поток воды через мембрану может развернуться в обратном направлении. На этом и основан термин «обратный осмос». В результате воздействия давления из соляного раствора через мембрану будет выходить только чистая вода, так как соли мембрана не пропускает.

Как работает нанофильтрация

Нанофильтрационная мембрана не является абсолютным барьером для растворенных солей. Степень пропускания солей может быть низкой или высокой в зависимости от типа соли и типа мембраны. Нанофильтрационные мембраны с низкой проницаемостью имеют почти такое же рабочее давление, что и обратный осмос. Нанофильтрационные мембраны с высокой проницаемостью работают при более низком давлении. На практике обратный осмос и нанофильтарция применяются с тангенциальным процессом фильтрации. С помощью насоса высокого давления исходная вода непрерывно подается в систему мембран при повышенном давлении. Внутри мембранной системы исходная вода разделяется на поток с низким содержанием солей — очищенный продукт, называемый пермеатом, и высококонцентрированный поток, называемый концентратом. Клапан регулирования потока, называемый клапаном концентрата, регулирует выход пермеата.

Как подключить систему самостоятельно

Обратноосмотический фильтр можно установить своими руками. Для этого понадобятся следующие инструменты и материалы:

• разводной водопроводный ключ;
• болгарка;
• дрель;
• герметизирующая лента для труб.

Для подключения обратноосмотического фильтра потребуется выполнить следующие действия:

• соединить между собой в соответствии с инструкцией блок, который включает в себя предфильтр, мембрану и постфильтр;
• подключить его к резервуару;
• выбрать подходящее место для установки;
• установить в раковину питьевой кран;
• соединить его с накопительным баком с помощью комплектной трубки;
• перекрыть подачу холодной воды;
• разъединить водопроводную трубу с гибкой подводкой кухонного крана;
• соединить их с помощью переходника-адаптера;
• с помощью комплектной трубки подсоединить к переходнику-адаптеру предфильтр;
• разрезать на две части трубу канализационного сифона под мойкой;
• вмонтировать в нее переходник;
• подсоединить к нему слив фильтра;
• разместить под раковиной элементы оборудования;
• подключить к ним в соответствии с инструкцией шланги на вход и выход;
• присоединить аккумулятор (если он есть в комплекте).

Если на кухонной мойке не предусмотрено дополнительного отверстия для питьевого крана, его придется делать самостоятельно с помощью дрели.

Перед тем, как установить в систему фильтрационные блоки, нужно убедиться, что с них снята защитная пленка. Если этого не сделать, вода не сможет проходить через очиститель.

На переходнике-адаптере, из которого поступает вода в фильтр, надо установить кран. Это поможет перекрывать жидкость, когда резервуар переполнен. Кран можно установить и между накопительным баком и фильтром. Но это сократит срок службы очистных блоков, так процесс обратного осмоса в них не будет останавливаться.

Важно. Когда все работы завершены, надо возобновить доступ воды к крану и понаблюдать за трубами

Это нужно для того, чтобы проверить их на предмет протечки. Наблюдение должно продолжаться 15 – 20 минут. Если за это время ничего не произошло, значит, монтаж проведен правильно.

Воду, которая получена в результате первого заполнения фильтра, не пьют. После того, как монтаж закончен, устройство промывают. Это можно сделать двумя способами:

• заполнить резервуар, а затем выпустить из него всю жидкость;
• открыть питьевой кран и дать некоторое время поработать устройству «вхолостую».

Только когда через фильтр прошел объем воды, который равен хотя бы половине объема накопительного бака, его можно использовать по назначению.

Такой предварительный запуск помогает избавиться от потенциально опасных веществ, которые могли сохраниться в очистных блоках после их окончательной сборки.

Установка дополнительных приспособлений

Работу даже такого серьезного оборудования, как обратноосмотический фильтр, можно сделать более эффективной, установив дополнительные элементы.

Такие, как например:

• Регулятор давления. Оборудование предназначено для защиты элементов водопровода от перепадов давления, превышения допустимых значений на входе в фильтрационную систему и компенсации гидроударов.
• Система защиты от протечек. Устанавливается перед фильтром и перекрывает воду в случае протечек и попадания на нее воды. Минимизирует риски и ограничивает размер нанесенного ущерба, но не исключает полностью возможность утечек.
• Нитратный префильтр. Используется для эффективного удаления нитратов, место монтажа согласовывается со специалистами.
• Ледогенератор. Подключается через тройник в разрыв соединительной трубки, ведущей к питьевому крану.

Перед установкой фильтра измеряют манометром давление в магистрали. При значениях больших, чем 6,6 атм., устанавливают редуктор, при меньших, чем 2,2 атм., устанавливают насос, который будет создавать больший напор.

Для устройств, которые чаще всего используются чтобы улучшить функциональность обратного осмоса, далее приведено более подробное описание.

Элемент #1 — насос повышения давления

Мембранный фильтр, который является основой обратноосмотической системы, может полноценно функционировать только при определенном напоре воды в частном доме или квартире.

Если максимальное давление не превышает 2,8 атм., то для нормальной работы фильтра необходимо дополнительно установить помпу.

Если приходится докупать оборудование, то лучше это делать у одного производителя и руководствоваться разработанными им схемами подключения.

Пример одной из возможных схем. Насос может размещаться в разрыв поводящей трубки перед первым префильтром, а также после второго или третьего

Устанавливают насос только в паре с датчиком регулировки давления, который отвечает за его включение при падении давления и выключение при его скачке до максимума.

Датчик монтируют перед накопительным резервуаром, в разрыв трубки. При плохом качестве водопроводной воды перед насосом устанавливают магистральный фильтр грубой очистки.

Закрепляют насос повышения давления на горизонтальной или вертикальной поверхности с помощью специального кронштейна и шурупов

Если существует опасность усиления напора воды в системе до 3—4 атм., то для предотвращения протечек перед насосом нужно установить специальный клапан понижения давления.

Элемент #2 — ультрафиолетовая лампа

Иногда в обратноосмотическом фильтре складываются благоприятные условия для бурного развития микроорганизмов в следствии повышения температуры воды или  простоя системы в течение длительного времени.

Это приводит к обрастанию префильтров микроорганизмами, снижению напора и ухудшению производительности оборудования. И тогда для дезинфекции воды используют ультрафиолетовые фильтры.

Устройство состоит из таких частей: нержавеющего корпуса с УФ лампой, находящейся внутри и блока питания, который преобразует напряжение в сети в значения, необходимые для работы лампы и предохраняет ее от скачков напряжения.

Вода, проходя внутри корпуса, просвечивается ультрафиолетовыми лучами и обеззараживается.

УФ лампа может устанавливаться после фильтра или перед ним. При монтаже лампы перед фильтрационным блоком ее часто используют в комплекте с префильтром

Место установки ультрафиолетовой лампы может зависеть от тех целей, которых необходимо добиться:

• на входе в фильтр – для устранения сильных биологических загрязнений водопроводной воды;
• между краном и емкостью – для защиты от попадания в бак микроорганизмов из питьевого крана.

На лампе для удобства монтажа предусмотрены две клипсы, которые помогают закрепить ее на блоке фильтрации или на любой другой поверхности.

Элемент #3 — минерализатор для воды

Вода, прошедшая через мембранный фильтр, на 90—99% очищается и избавляется от любых примесей, в том числе полезных и необходимых организму минеральных элементов. Такая вода кисловата на вкус.

Минерализаторы восполняют недостаток необходимых минералов, корректируют уровень PH. Картриджи-минерализаторы разных торговых марок могут отличаться по своему составу и ресурсу и обогащать воду кальцием, цинком, магнием, другими элементами.

Установку минерализатора проводят после мембранного фильтра и подключают преимущественно к двойному крану. Таким образом, у пользователя появляется возможность выбора между простой очищенной и минерализованной водой

В некоторых моделях фильтров обратного осмоса минерализатор играет также роль фильтра и устанавливается как последняя ступень очистки.

Как работает обратный осмос

Вкратце, принцип работы обратного осмоса заключается в том, что вода под давление прогоняется через специальный мембранный фильтр, который способен пропускать только молекулы воды, также она проходит через целую систему фильтров с разным наполнением. При этом вода двигается в обратном осмосу направлению, откуда и взялось название системы. Продукты очистки (растворимые и нерастворимые в воде) удаляются через канализацию.

Строение обратного осмосаСистема включает последовательную череду фильтров, которые периодически необходимо менять

Итак, давайте теперь разберем строение этого прибора более подробно. Состоит он из следующих элементов:

1. Фильтр тонкой очистки, задерживающий самые мелкие частицы песка и глины в воде.
2. Последовательно подключенные картриджи с брикетированным и гранулированным активированным углем и с вспененным полипропиленом – они также очищают воду от разного рода включений.
3. Мембрана обратного осмоса, которая и отвечает за очистку воды от растворимых в ней веществ.

По желанию в систему можно добавить следующие элементы:

1. Насос, отвечающий за создание оптимального рабочего давления в системе.
2. Минерализатор – для насыщения воды полезными минеральными веществами.
3. Ультрафиолетовая лампа, которая будет убивать все микроорганизмы в воде.

Производительность обратного осмоса будет зависеть от модели, но в среднем это значение варьируется от 150 до 250 литров. Этого вполне достаточно, чтобы обеспечить питьевой водой большую семью. Однако подключать прибор так, чтобы вода через него расходовалась на бытовую технику и тем более на прочие нужды, нет никакого смысла, поэтому такое оборудование чаще всего монтируют прямо на кухне, пряча его в шкафах.

Полный комплект обратного осмоса включает в себя накопительный бак

Модель и производитель так же вам подскажут общий ресурс системы. Тут разница в производительности может быть огромной – самые простые приборы потребуют замены фильтрующих элементов, пропустив через себя около 4 000 л воды, а более дорогие могут справиться и с 15 000 л.

Мы уже сказали, что нерастворимые вещества могут забить мембранный фильтр – самую важную часть системы. Чтобы этого не происходило, в нее включены фильтры предварительной очистки. Также есть и фильтры финишной очистки. Первые засоряются быстрее (5-6 месяцев, в зависимости от степени чистоты воды), а вторые служат в среднем год.

В системе также имеется накопительный бак на 4-12 л., в котором хранится чистая вода. Внутри бака создается оптимальное для водоразбора давление.

Рекомендации по выбору

При выборе фильтра следует определиться с необходимой степенью очистки воды. От количества ступеней конкретной модели будет зависеть стоимость всей установки. Это могут быть простейшие фильтры, имеющие лишь одну колбу грубой очистки, мембрану и угольный картридж. Стоимость таких моделей от российских производителей «Аквафор» или «Барьер» обычно составляет 5−8 тысяч рублей. Если же требуется максимально возможная степень очистки, то следует выбирать модели с 7 модулями от производителя «Атолл» и большим 20-литровым баком. В этом случае придется заплатить уже порядка 20−25 тысяч рублей.

При выборе следует обратит внимание на следующие параметры:

• показатели производительности;
• размер накопительного бака;
• наличие угольного картриджа;
• способ подключения.

Большой популярностью пользуется шестиступенчатые системы, у которых перед финишным угольным картриджем установлен минерализатор. Продвинутые модели также имеют биокерамический активатор, предназначенный для естественного восстановления состава воды. При наличии такого реминерализатора потребуется продумать подключение фильтра к бытовой электросети. При отсутствии электричества вся система будет действовать без дополнительного восстановления структуры воды и обогащения кальцием, калием и другими полезными микроэлементами.

Выбирая такие установки для фильтрации и водоподготовки, необходимо учитывать общую производительность системы. Стандартные мембраны способны пропускать через себя около 3−4 литров в час. Большой семье потребуются модели, имеющие производительность не меньше 5 литров в час. Также нужно продумать размеры накопительного бака, который в идеале должен помещаться под раковиной. Обычно именно там устанавливают питьевые фильтры. Стандартными являются 10-литровые емкости. Однако при большом расходе рекомендуется устанавливать 15-литровые и даже 20-литровые баки.

Кроме того, специалисты рекомендуют, выбирая осмосный фильтр, отдавать предпочтение установкам «Атолл». Благодаря использованию американских комплектующих, они отличаются большей надежностью и долговечностью. Да, их стоимость может быть на 20% выше российских «Барьера» и «Аквафора». Однако при этом обеспечивается полное отсутствие протечек по соединению, а сам фильтр гарантирует максимально возможное качество очистки питьевой воды.

Аргументы за!

Некоторые скандальные источники распускают слухи, что пить такую очищенную обессоленную воду вредно для организма, поскольку в ней практически отсутствуют полезные минеральные вещества.

Во-первых, растворенные минеральные вещества в тех количествах, в которых они содержатся в обычной воде, не обеспечивают потребности в них человеческого организма при нормальном водопотреблении.

Во-вторых, та форма, в которой они присутствуют в воде, плохо способствует их усвоению. Человеческий организм привык усваивать ионы и микроэлементы в том виде, в котором они присутствуют в растительной и животной пище, т.е. в виде органических комплексов.

В-третьих, пища обеспечивает поступление в организм более 90% всех минеральных веществ. Например, в молоке содержание кальция (иона, отвечающего за жесткость воды) в 40 раз превышает его содержание в воде московского водопровода. При этом молоко пить полезно, а вода с такой жесткостью неминуемо приведет к образованию камней в почках и отложению солей в суставах. Вишневый нектар (разбавленный сок) содержит железо в концентрации 4 мг/л, что более чем в 10 раз превышает допустимую норму для воды. Регулярное употребление воды с таким содержанием железа для печени вреднее алкоголя. Лучше съесть одно яблоко, чем выпить 5 литров жесткой и железистой воды. Для обеспечения необходимой потребности в минеральных веществах человек должен, прежде всего, иметь полноценное питание.

И в-четвертых: много ли Вы пьете воды? – Литр кофе в день. – То-то и оно, что кофе. За счет своих высоких экстрактивных (извлекающих) свойств такая вода хорошо подходит для приготовления пищи, а также разнообразных напитков – кофе, чая, коктейлей. Супы и борщи получаются наваристыми и вкусными, чай и кофе – более ароматными и насыщенными.

При умывании такой водой исключается аллергическая реакция со стороны чувствительной кожи. И, разумеется, такие заболевания, как отложение солей или мочекаменная болезнь, никак не могут быть вызваны обессоленной водой. Эта вода часто используется в пищевой промышленности. Например, те же фруктовые соки в пакетах. Эти соки на Лианозовском или Останкинском заводе только разбавляются из концентрата. Или нормализованное молоко и молокопродукты, приготовленные из порошкового молока. Другие потребители чистой воды – производство пива, прохладительных напитков, ликероводочных изделий, бутилированной питьевой воды и многое другое. Интересно, что абсолютное большинство марок питьевой воды в бутылках производится на промышленных установках, работающих по тому же принципу, что и бытовые питьевые системы – то есть по технологии обратного осмоса. Правда это касается только известных, имеющих многолетнюю незапятнанную репутацию производителей.

Как работает система промышленного осмоса

Промышленный фильтр с обратным осмосом позволяет получать глубоко деминерализованную воду. Поток исходной воды под высоким давлением поступает на высокоселективную пористую мембрану или несколько мембран, на которой задерживается до 97-99% всех известных загрязнителей. Основные примеси, удаляемые на промышленном осмосе, это: ионы тяжелых металлов, натрий, калий, сульфаты, хлориды, бор, фтор и множество других неорганических ионов. Мембрана имеет пористую структуру через которую преимущественно проходят только молекулы воды.

Соотношение целевого продукта — очищенной воды (пермеата) и воды, сбрасываемой в дренаж, (концентрата) составляет ориентировочно 2:1. То есть, чтобы получить 1000 л/час очищенной воды необходимо подавать на установку 1500 л/час. При это в канализацию будет удаляться 500 л/час концентрата.

Промышленная установка для обратного осмоса позволяет получить качественную воду с минимальными затратами. Для подбора и монтажа промышленного осмоса для очистки воды и дальнейшего его обслуживания необходимы высококвалифицированные специалисты, имеющие большой опыт в данной области.

Исходная вода, поступающая на обратный осмос для промышленности должна пройти предварительную очистку и соответствовать следующим требованиям:

• Температура воды на входе не должна быть больше 35 С;
• Показатель рН в пределах 4-10;
• Концентрация общего железа менее 0,1 мг/л;
• Концентрация марганца менее 0,05 мг/л;
• Окисляемость перманганата не более 0,3 мгО2/л;
• Жесткость менее 2 Ж.