Хабрахабр

По ту сторону чистоты: что может и чего не может обратноосмотическая мембрана

Обратноосмотическая вода — во всех смыслах иллюстрация дихотомии H2O / Примеси и Полезно/Вредно. Мы в АКВАФОР привыкли, что мир делится на:

  1. тех кто считает, что осмотический фильтр чистит все, кроме кармы и совести
  2. и тех, кто подливает осмотическую воду в чай врагу, считая ее мертвой.

Оба предположения являются вопросами личной веры. Мы же ставим задачу рассказать о том, как дела с осмотической водой обстоят в реальном мире и добавить пастельных красок в имеющуюся черно-белую картину.

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?

Не совсем. Знакомство человека с полупроницаемыми мембранами началось с истории внимательного французского аббата Ноле в середине XVIII века. Он налил вино в свиной мочевой пузырь и оставил на хранение в бочке водой. Вино стало похожим на сок, пузырь увеличился, а явление получило от Ноле название осмос (от греческого “давление”). Аббат описал свойства полупроницаемой мембраны и ее главную способность — пропускать только воду.

Отдельную ветку интересантов составили физики и химики, которых беспокоила задача “повторить процесс в промышленных масштабах” для обессоливания пресной воды и опреснения морской. Позднее к исследованиям подключились естествоиспытатели, ботаники и физиологи, интересовавшиеся природными проявлениями осмоса, в частности, питанием растений и клеток человеческого организма.

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, молекулы воды начинают просачиваться (выдавливаться) через мембрану.

В этот момент слив концентрата в дренаж не дает повышаться осмотическому давлению и молекулы воды продолжают свой путь через мембрану в накопительный бак. Когда осмотическое давление сравнивается с внешним, переход воды через мембрану прекращается.

Из чего производят современные мембраны?

В течение последних десятилетий материалы мембраны видоизменялись, из наиболее распространенных отметим:

Старое поколение полупроницаемых мембран, которые пропускали до 50% нитратов. — Полиацетатные
Целлюлоза. Целлюлозная основа полиацетатных мембран провоцировала активное размножение бактерий. Наличие предфильтрации в данном случае не помогает, ведь также не “видит” нитраты.

В своих обратноосмотических системах АКВАФОР использует Полиамид 66, который по сути является нейлоном. — Полиамидные
В последнее десятилетие шировое распространение получил этот тип мембран, благодаря устойчивости к биопрорастанию и селективности 92 — 99%.

Принцип работы этих мембран один и тот же, однако технически мембрана для опреснения устроена иначе. Следует различать бытовые тонкопленочные мембраны и мембраны, которые используются для опреснения морской воды. Для работы с высокими нагрузками при опреснении, требуется иное техническое исполнение: мембрана делается из других материалов и имеет более плотную подложку (например, керамическую). Чтобы “отжать” H2О из морской воды придется предолеть её более высокое осмотическое давление, тонкопленочная мембрана в таких условиях порвется.

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.

Способность “проводить” воду — свойство определенного класса полимерных материалов, аналогичное способности металлов проводить электрический ток. При этом есть материалы, которые не проводят ни то, ни другое.

В нем также, как и в мембране нет отверстий, тем не менее ток в виде электронов следует через материал из места, где их много в направлении меньшей “концентрации”. Механизм передачи молекул воды через мембрану похож на процесс передачи тока по металлическому проводнику.

Почему селективность мембраны не всегда 100%?

Сравним фильтрационные способностей сорбционных и обратноосмотических фильтров по типам загрязнений:

Напомним, изначально мембраны создавались для обессоливания воды (в местностях, где питьевая вода заметно соленая, но еще не морская). Не все примеси подлежат 100% удалению даже обратноосмотической мембраной. И действительно, осмос может обеспечить удаление соли на 99%. Поэтому стандартные испытания на удаление солей мембраной проводились по раствору поваренной соли — натрий хлора. Однако, когда вода очень жесткая, эффективность может снижаться до 93-95%, за счет увеличения “проскока”.

Их нормируют по натрий хлору, но это не значит, что так же будет и по другим веществам. Для бытового осмоса чаще всего используют мембраны с селективностью от 97 до 99%. Например, некоторые соединения бора проходят через мембрану довольно успешно, другие же соединения, например, большие органические молекулы, наоборот, удаляются практически на 100%. У разных загрязнителей ”проскок” может отличаться, это зависит от их природы.

“Проскок” происходит по трем причинам:

  1. “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”.
  2. Диффузия, о ней расскажем подробнее дальше.
  3. Повреждения или плохое качество мембраны.

Представьте линию рабочих, передающих по цепочке кирпичи. О мимикрии. Если несколько кирпичей заменить на что-то очень похожее, то есть “тяжелое и квадратное”, вряд ли кто-то в цепочке заметит подмену.

С любой мембраной может случаться небольшой процент проскока, 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 передачи модекул воды через мембрану происходит процесс диффузии. Через мембрану могут диффундировать и загрязнители, и ионы. Активнее всего диффундируют ионы, когда по одну сторону их много, а по другую не очень. По разным ионам селективность может быть разная. Органическая молекула — большая, в небольшой концентрации она не будет активно “атаковать” мембрану и диффундировать. А, например, натрий, который в избытке присутствует в жесткой воде, станет причиной более активной диффузии.

Их немного и это очень длительный процесс, тем не менее мы не можем его не упомянуть, когда говорим о происхождении селективности мембраны “99%”. По сравнению с основным переносом молекул воды через мембрану, объем диффузии ионов ничтожно мал.

За это время концентрация солей по обе стороны мембраны успевает выровняться и фильтр может выдать соленую воду в первом стакане.
Диффузия обычно заметна в первой порции воды, которая получается после длительной стагнации — простоя фильтра.

Думаете полиэтилен герметичен? Любой материал подвержен диффузии. Гораздо быстрее диффундирует гелий из воздушного шара. Газы через него проходят со свистом, хоть и тихим.

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.

Например, хлороформ способен проникать через мембрану, однако легко удаляется угольным предфильтром. Для некоторых легколетучих органических соединений характерна высокая диффузионная активность. Жителям мегаполисов переживать не стоит, воду с сероводородом не поставят в водопроводную сеть, а бор токсичен не во всех формах. Мембрана не предназначена для удаления газов, в частности, сероводорода. Борную кислоту, например, закапывают детям в уши.

Факторы “здоровья” мембраны

Причины по которой мембрана выходит из строя:

  1. Физическое повреждение
  2. Потеря способности к гидратации из-за воздействия хлорированной воды или других окислителей (озонирование) либо из-за высыхания мембраны. Высыхание может стать необратимым, поэтому нельзя допускать высушивание уже запущенной мембраны. А чтобы предотвратить порчу мембраны из-за хлора, обратноосмотический фильтр обязательно включает угольные блоки предвирительной очистки.
  3. Осаждение на поверхности нерастворимых солей и механических примесей, присутствующих в воде (плохая/недостаточная предфильтрация)
  4. 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 в виду любители термина “мертвая” вода относительно обратноосмотических фильтров, нам до конца не ясно. С точки зрения официальной науки нет ни живой, ни мертвой воды. Каждая молекула Н2О на планете когда-то была переработана организмом и выделена как продуктам жизнедеятельности. Новых молекул не образуется, зато есть их круговорот и отличный вариант хорошенько почистить мембраной водный раствор от всего наносного. Для поддержания процессов организму требуется именно H2O, остальное делится на две группы:

  1. опционально, поскольку поступает с пищей;
  2. вредно для здоровья в краткосрочной или долгосрочной перспективе.

Отсутствие примесей, а с ними и так называемых “полезных минералов”, не выдерживает диетологической критики. Кальций практически не усваивается нашим организмом из воды, поскольку находится там в форме неорганических солей. Даже если бы этот кальций усваивался, было бы сложно выпить 17 литров воды московской средней жесткости, чтобы удовлетворить суточную потребность в этом элементе — около 1000 мг. Хорошо усваиваться из воды может только магний, но об этом мы говорили отдельно.

2. Дорого покупать и дорого содержать?

Типичный пример

Предлагаем сопоставить со стоимостью литра питьевой воды в магазине, ведь её качество в пластике аналогично, если не хуже. Пришлось провести серьезный расчет и выяснить, что 300 рублей за кубометр чистой воды — это примерно 30 копеек за литр. В зависимости от пафосности торговой точки, цена литра той же осмотической воды составит от 15 рублей за литр.

3. Почему вода обратного осмоса — не дистиллят?

Вода для нас это не способ получения энергии, не пища, 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.

Имея сбалансированное питание, вы не получите никаких проблем.
Понимая эту роль воды, пить можно и дистиллированную воду, в которой нет “полезных минералов”.

Выпаривание не избавляет воду от примесей органических веществ, температура кипения которых ниже 100С. Опасность дистиллированной воды в том, что она как раз может быть “грязной”.

Между водой после обратноосмотической мембраны и дистиллированной водой огромная разница. Осмос не полностью отсекает растворенные соли, а при дистилляции именно соли полностью остаются в перегонном кубе. Летучие вещества, то есть почти вся органика, перемещаются с паром в дистиллят. Кроме того, раньше дистилляторы имели резиновые трубки, что добавляло “невкусности” полученной воде.

4. Почему вода обратного осмоса — не электролит?

Делимся находкой:

Например, суп или компот. Электролит — это любая жидкость проводящая электрический ток. То есть все жидкое, что проводит электрический ток за счет передвижения ионов.

Электролиты — это вкусный обед.

5. Нужна ли мембране промывка?

Промывку мембраны действительно делают. Однако, это относится к промышленным мембранам и специальным составам — щелочным или кислотным детергентам. Это целый арсенал ПАВ в зависимости от того, какие именно частицы “налипли” на мембрану. 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.

Что мы хотели сказать?

  1. Исторически обратноосмотические мембраны хороши тем, что умеют отлично обессоливать воду, для этого они и создавались. Это свойство снимает страдания с тех, у кого питьевая вода либо очень жесткая, либо просто соленая.
  2. Бытовые мембраны могут отфильтровать максимум вредных примесей, которыми обогащает воду современный мир. Эта способность мембран превышает возможности собрционных фильтров. С ионооменными картриджами сорбционные фильтры также могут снижать жесткость. Однако, есть ряд досадных ограничений по эффективности и ресурсу.
  3. Вред воды после осмотического фильтра не доказан. Чем чище вода, тем легче проходят процессы обмена в организме.
  4. Стоимость литра чистой воды с использованием мембраны будет незначительно выше, чем у сорбционного водоочистителя. Но сравнивать степень очистки нужно с бутылками из магазина, поскольку вода в пластике очищена по той же технологии.

Использовать или нет мембрану обратного осмоса — вопрос мотивации и желания минимизировать воздействие негативных факторов окружающей среды. Не бывает полезной воды, как и полезного воздуха. Полезный воздух — это ингаляция, но это уже и не воздух. А формула чистой воды от нашей лаборатории звучит так:

Вода должна быть незаметна в чае.

Теги
Показать больше

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»
Закрыть