Не чувствуйте себя глупо, если вы когда-нибудь видели новость об ужасной засухе, а затем повернулись к компьютеру, чтобы увидеть свою красивую заставку на берегу океана, и подумали: «Почему бы им просто не использовать это?»
Конечно, через мгновение вы, вероятно, сделали себе несколько замечаний. Во-первых, море соленое. Во-вторых, соленая вода не очень подходит для питья или выращивания растений. В-третьих, вы не можете просто извлечь соль из воды, точно так же, как вы не можете растворить сахар в чае. Или можно?
Обратный осмос- это один из процессов, который делает возможнымопреснение (или удаление соли из морской воды). Кроме того, обратный осмос используется для рециркуляции, очистки сточных вод и может даже производить энергию.
Водные проблемы стали чрезвычайно актуальной глобальной угрозой. С изменением климата происходят беспрецедентные воздействия на окружающую среду: проливные наводнения в одних районах, засухи в других, повышение и понижение уровня моря. Добавьте к этому угрозу перенаселения, а также спрос и загрязнение окружающей среды, которые приносит растущее население, и вода становится одной из первостепенных экологических проблем, за которой нужно следить в следующем поколении.
Установки и системы очистки воды в настоящее время адаптируют обратный осмос для решения некоторых из этих проблем. В Перте, Австралия (особенно сухом и засушливом, но окруженном морем), почти 17 процентов питьевой воды в этом районе составляет опресненная морская вода, поступающая из установки обратного осмоса. По данным Международной ассоциации опреснения воды, в настоящее время в мире насчитывается более 22 757 опреснительных установок.
Но зная, что использование мембраны обратного осмоса для преобразования морской воды в питьевую воду полезно, нам действительно нужно понять, как, черт возьми, происходит этот процесс. Предполагая, что вы достаточно хорошо разбираетесь в определении «реверсивного», нам лучше начать с рассмотрения того, как работает осмос, прежде чем мы сопоставим их вместе.
Что такое осмос
Осмос - это прохождение или диффузия воды или других растворителей через полупроницаемую мембрану, которая блокирует прохождение растворенных веществ.
Что, ты не понимаешь? Без страха. Большинство из нас этого не понимает, поэтому существует бесчисленное множество объяснений и аналогий, объясняющих осмос. Мы рассмотрим некоторые из них, но сначала давайте разберем осмос на части, чтобы разобраться в этом.
Сначала приготовим решение. Начнем со скучной старой чашки с водой. Чтобы оживить ситуацию, мы назовем воду «растворителем» - что удобно, потому что это то, чем она является. Чтобы сделать наш растворитель немного вкуснее, мы растворим его во вкусном сахаре. Сахар является растворенным веществом. Для справки: теперь у нас есть вода (растворитель), в которой мы растворили сахар (растворенное вещество), чтобы сделать сахарную воду (наш раствор).
Теперь, когда у нас есть раствор сахарной воды, мы возьмем U-образную трубку. Это не интернет-видео обнимающихся котят и обезьян; U-образная трубка представляет собой стакан в форме буквы U. Прямо посередине трубки представьте себе кусок Gore-tex, который разрезает букву U пополам. Gore-tex - это наша «полупроницаемая мембрана». Гортекс - это тонкий пластик, усеянный миллиардами крошечных отверстий, которые пропускают водяной пар, но не пропускают жидкость. (Сарановая пленка ничего не пропустит, а кусок хлопчатобумажной ткани пропустит что угодно.)
В одно плечо U-образной трубки мы наливаем нашу сахарно-водяную смесь. На другой наливаем нашу простую старую воду. Вот тогда и начинается волшебство осмоса, если вы находите движение воды волшебным. Уровень жидкости в рукаве с сахарной водой будет медленно повышаться по мере того, как растворитель (вода) проходит через Gore-tex, чтобы сделать обе стороны рукава более равными по соотношению сахара и воды.
Но почему так происходит? Проще говоря, потому что вода хочет найти равновесие. И поскольку одна сторона рукава заполнена сахаром, чистая вода с другой стороны решает двигаться дальше, чтобы сделать концентрацию более равной или до тех пор, покаосмотическое давление (давление, которое происходит по мере движения молекул).
Итак, вы здесь; осмос - это когда растворитель из раствора с низкой концентрацией растворенного вещества проходит через мембрану, чтобы добраться до раствора с более высокой концентрацией, тем самым ослабляя ее. Ты сделал это!
Теперь, после того, как мы показали, что осмос имеет смысл работать только в одном направлении, давайте выбросим все это из окна и перевернем.
Обратный осмос и обратный осмос
Фредди Меркьюри и Дэвид Боуи оба признавали, что находясь под давлением, можно сжечь здание, разделить семью на две части, вывести людей на улицу, а также создать очень запоминающуюся мелодию. Что-то они упустили? Это давление также заставляет работать обратный осмос.
Итак, мы узнали, что при осмосе раствор с более низкой концентрацией фильтрует свой растворитель в раствор с более высокой концентрацией. При обратном осмосе мы (буквально) просто обращаем процесс вспять, превращая наш фильтр растворителя из нашего высококонцентрата в раствор с более низким концентратом. Таким образом, вместо создания более равного баланса растворителя и растворенного вещества в обоих растворах он отделяет растворенное вещество от растворителя.
Но, как мы выяснили, это не то, чего действительно хотят делать решения. Как сделать обратный осмос? Точно так же, как Боуи и Фредди, мы оказываем давление на решение. Возьмем, к примеру, соленую воду:
При обратном осмосе у нас будет раствор соленой воды с одной стороны резервуара и чистая вода с другой стороны, разделенные полупроницаемой мембраной. Мы прикладываем давление к стороне резервуара с морской водой - достаточное, чтобы противодействовать естественному осмотическому давлению со стороны чистой воды, а затем проталкивать соленую воду через фильтр.(Для этого требуется около 50-60 бар давления. Но из-за размера молекул соли только меньшие молекулы воды могут добраться до другой стороны, таким образом добавляя пресную воду на сторону воды и оставляя соль на другой стороне..
И вот вы увидели обратный осмос. Чтобы перегнать его (ха!): Обратный осмос имеет место, когда давление, приложенное к высококонцентрированному раствору, заставляет растворитель проходить через мембрану к раствору с более низкой концентрацией, оставляя более высокую концентрацию растворенного вещества на одной стороне и только растворитель на другой. другое.
Замечательно иметь возможность дать определение обратному осмосу на званых обедах, но есть удивительно интересные применения обратного осмоса, которые могут сделать разговор более убедительным.
Где используется обратный осмос?
В отличие от осмоса, мы не можем просто наблюдать за обратным осмосом во многих повседневных обстоятельствах. Только в 1950-х годах, когда исследователи начали изучать способы опреснения океанской воды, возможность обратного осмоса была рассмотрена. Они обнаружили, что приложение давления к стороне соленой воды может работать для производства большего количества пресной воды, но количество, которое они создали, было чрезвычайно небольшим и бесполезным в любом практическом масштабе. Что изменилось?
Намного более продвинутый фильтр, созданный двумя учеными Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. Мембраны, отлитые вручную изсотового ацетата (полимера, используемого в фотопленке), позволили большому количеству воды проходить намного быстрее, и первая опреснительная установка обратного осмоса начала работать в небольшом масштабе. операция в Коалинге, Калифорния, 1965 год.
Что приводит нас к одному из наиболее распространенных применений обратного осмоса, который мы уже обсуждали: опреснению воды. Это включает в себя крупные заводы (более 177 стран используют опреснение воды) или более мелкие операции - например, фильтр, который вы можете взять с собой в поход, чтобы обеспечить здоровую питьевую воду.
Обратный осмос также является одним из немногих способов удаления определенных минералов или химических веществ из воды. Некоторые источники воды имеют чрезвычайно высокий уровень естественного фторирования, что может привести кфлюорозу эмали(пятнистость зубов) или гораздо более серьезномуфлюорозу скелета (фактическое изгибание костей или скелета человека). Обратный осмос может отфильтровывать фтор или другие примеси в больших масштабах, чего не может фильтр на основе древесного угля (например, тот, который чаще всего встречается в домах).
Он также используется для переработки; химикаты, используемые для обработки металлов для вторичной переработки, создают вредные сточные воды, а обратный осмос может вытягивать чистую воду для лучшей утилизации химикатов. Но даже больше удовольствия, чем переработка? Очистка сточных вод обратным осмосом, при которой сточные воды проходят через процесс для создания чего-то пригодного для питья. Они не зря прозвали его «туалетом для крана», и хотя это может заставить вас задуматься, это многообещающий способ для развивающихся стран производить питьевую воду.
Но обратный осмос используется и в других отраслях промышленности; кленовый сироп, по сути, производится с использованием осмоса для отделения сахаристого концентрата от воды в соке. Молочная промышленность использует фильтрацию обратного осмоса для концентрирования сыворотки и молока, а винодельческая промышленность использует ее для фильтрации нежелательных элементов, таких как некоторые кислоты, дым или для контроля содержания алкоголя. Обратный осмос используется для получения чистого этанола, свободного от примесей.
Еще одна забавная особенность обратного осмоса заключается в том, что высокое давление, которое делает обратный осмос эффективным, может фактически перерабатывать себя. Насосы высокого давления прокачивают воду, а оставшаяся соленая вода выбрасывается с чрезвычайно высокой скоростью. Если этот ответвление проходит через турбину или двигатель, давление может быть повторно использовано для насосов, которые первоначально прокачивают воду, таким образом повторно собирая энергию.
Весь этот индустриальный джаз - это здорово, но как технология обратного осмоса влияет на вас, потребителя, в меньших масштабах?
Мелкие применения обратного осмоса
Возможно, вы решили, что хотите получить немного вкусной воды обратного осмоса. Почему бы вам просто не налить немного воды в кувшин обратного осмоса и не насладиться долгим прохладным напитком?
Ну, не все так просто. Поскольку для обратного осмоса требуется определенное давление, вы не найдете кувшин для фильтра обратного осмоса. И если вы хотите, чтобы вода обратного осмоса текла по всему вашему дому, вы, по сути, обязуетесь купить совершенно новую систему водоснабжения. Но если вы просто хотите воду обратного осмоса для питья или приготовления пищи, это не значит, что вы взяли на себя обязательство превратить свой подвал в мини-промышленную установку обратного осмоса.
Ваш первый вариант меньшего масштаба - это система «под прилавком». К водопроводу под вашей раковиной подключается система обратного осмоса, где вода проходит через три-пять фильтров для достижения чистоты. Затем отфильтрованная вода хранится в резервуаре для хранения (также под раковиной). Затем на вашей раковине устанавливается совершенно отдельный кран, питаемый из расположенного ниже резервуара для хранения. Ожидайте платить в среднем 200-500 долларов за такую систему. И помните, что вы, вероятно, выполняете установку самостоятельно, поэтому вы можете быть достаточно уверены в своих навыках починки.
Возможно, вы немного нервничаете по поводу установки всего крана и водопроводной системы (или, возможно, нервничаете из-за того, что ваш домовладелец не в восторге от вашей изобретательности). Арендаторы и не очень умелые люди, ликуйте. Существуют также настольные фильтры обратного осмоса, которые позволяют подключить небольшую систему фильтрации прямо к раковине. Просто прикрепите линию «подачи» к крану, включите кран, и вода будет фильтроваться через небольшую систему, которая достаточно мала, чтобы втиснуться рядом с микроволновой печью. Линия очищенной воды затем может быть помещена в кувшин для легкой и доступной очищенной воды.
Но они могут подойти не всем; имейте в виду, что системы на столешнице могут быть довольно медленными из-за водопроводных кранов с более низким расходом воды, и они будут стоить не менее 150 долларов, не говоря уже о стоимости замены фильтров (около 30 долларов) каждые несколько месяцев.
Недостатки обратного осмоса
Итак, теперь мы рассмотрели некоторые способы использования обратного осмоса. Но обязательно ли просить природу обратить себя вспять - это хорошая идея? Есть несколько проблем, возникающих при использовании обратного осмоса, и мы начнем с проверки того, что происходит при опреснении обратным осмосом.
После фильтрации воды у вас остается прекрасная питьевая вода. Но, с другой стороны, у вас осталась целая куча соли, с которой нужно разобраться. Что вы делаете с рассолом, который обычно содержит в два раза больше соли, чем морская вода? Разве проблема сбросить этот рассол обратно в океан? По данным Австралийского центра водных исследований, соленость, кажется, возвращается к норме на расстоянии около 1600 футов (около 500 метров) от источника. Однако никто еще не получил четких ответов о том, могут ли металлы и химические вещества, попавшие в рассол, оказывать воздействие на окружающую среду.
Еще одна большая проблема систем обратного осмоса - вода, которая является побочным продуктом. Исследования показывают, что различные системы обратного осмоса могут терять от 3 до 20 раз больше воды, чем производят.
Системы обратного осмоса, как правило, тоже не совсем самодостаточны. Например, вода должна быть предварительно обработана химическими веществами, чтобы ничто не засорило тонкую мембрану. Да и с самой мембраной не совсем просто иметь дело; его нужно часто чистить, и он может задерживать бактерии. Уникальная проблема опреснительных установок заключается в том, что в систему может быть засосана мелкая рыба или морская живность; Регулировка входного давления и скорости обычно может предотвратить вред.
Самым большим препятствием для систем фильтрации обратного осмоса является стоимость.
В зависимости от конструкции типичная установка по опреснению морской воды, которая ежедневно перерабатывает 20 миллионов галлонов (76 литров) морской воды, может стоить от 514 до 740 миллионов долларов на строительство и около 20 миллионов долларов в год на эксплуатацию.
Для развивающейся страны установка систем обратного осмоса является довольно непрактичной возможностью. Такие организации, как ВОЗ и ЮНИСЕФ, рассматривают строительство водоочистных сооружений обратного осмоса - для удаления токсинов или обеспечения чистой водой - частью своей миссии.
Плавать с рыбками
Думаете, вам нужна вода обратного осмоса для ваших любимых гуппи? Возможно, вы захотите подумать еще раз. В то время как устройства обратного осмоса, безусловно, могут отфильтровывать много вредных примесей, вам также нужно будет добавить некоторые необходимые минералы обратно, которые удаляются в процессе. Обязательно изучите, что удаляется из воды при обратном осмосе и какие минералы нужны вашей рыбе для процветания.
Часто задаваемые вопросы по обратному осмосу
Как работает обратный осмос?
Обратный осмос имеет место, когда вы оказываете давление на высококонцентрированный раствор, в результате чего растворитель проходит через полупроницаемую мембрану в менее концентрированный раствор. Это оставляет после себя более высокую концентрацию растворенного вещества с одной стороны и чистый растворитель с другой.
Что означает обратный осмос?
Обратный осмос - это процесс, позволяющий удалить соль из морской воды, который также называют опреснением. Он использует высокое давление и полупроницаемую мембрану для фильтрации соли и других примесей из воды.
Можно ли пить воду после обратного осмоса?
Безопасна ли вода обратного осмоса для питья или нет в долгосрочной перспективе, это непрекращающийся спор. Некоторые научные исследования утверждают, что употребление воды обратного осмоса может нанести вред из-за того, что она более кислая и не содержит полезных минералов. Однако некоторые страны адаптируют его для использования на своих водоочистных сооружениях, чтобы обеспечить питьевой водой районы, где питьевая вода отсутствует или ограничена.
Каковы некоторые области применения обратного осмоса?
Процесс обратного осмоса в основном используется для удаления солей из морской воды. Он также используется для переработки, очистки сточных вод и для медицинских целей.