Все, что вы хотели бы знать об осмотическом давлении воды

Рынок

По состоянию на конец 2009 года в мире представлено 14 451 опреснительных заводов совокупной мощностью 59,9 млн куб. м в день. По сравнению с 2008 годом прирост мощности составил 12,3%. Кроме того, 244 опреснительных установок (дополнительно 9,1 млн куб. м в день) находятся в стадии строительства.

Всего технологии опреснения морской воды применяются в 150 странах мира. Средний объем производства пресной воды составляет около 38 млн тонн в год.

Рынок технологий опреснения соленой воды стремительно развивается. Около 62,4% общего объема промышленного производства пресной воды составляют воды Мирового океана.

Структура потребления пресной воды, полученной промышленным способом, распределяется следующим образом:

• муниципалитеты – 66,2%;
• промышленные объекты – 23,5%;
• энергообъекты – 5,5%;
• сельское хозяйство – 1,7%;
• другие – 3,1%.

Наиболее востребована на рынке технология обратного осмоса.

Самые мощные опреснительные установки расположены в странах Ближнего Востока. В качестве примера крупнейшей системы опреснения можно привести Shoabia 3 (западное побережье Саудовской Аравии), выпускающей 880 000 куб. м пресной воды в день. Также в регионе на стадии строительства находятся 7 установок мощностью более 400 000 куб.м в день для каждой.

Вместе с тем тенденцией последних лет стало расширение географических рамок рынка опреснения морской воды. Ближний Восток по-прежнему является крупнейшим потребителем пресной воды из Мирового океана. Однако масштабные программы государственной поддержки отрасли стимулировали спрос на технологии в таких регионах, как Австралия, Алжир и Испания.

По оценкам экспертов, в ближайшие 10 лет рынок технологий опреснения морской воды вырастет на 60%: с текущих 10 млрд долларов до 16 млрд долларов в 2021 году. Основными драйверами роста станут Алжир, Испания и Австралия. Кроме того, рост спроса ожидается на развивающихся рынках Китая, Индии и США.

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.

Определение осмотического давления

Осмотическое давление можно рассматривать как давление, необходимое для предотвращения распространения воды через барьер осмос, Другими словами, это относится к тому, как сильно вода «проталкивается», чтобы пройти через барьер, чтобы распространиться на другую сторону.

Осмотическое давление определяется растворенное вещество концентрация – вода будет «стараться» диффундировать в область с высокой концентрацией растворенного вещества, такого как соль, чем в область с низкой концентрацией.

В действительности, конечно, осмотическое давление – это не «желание» воды двигаться, а скорее продолжение естественного закона, согласно которому вся материя со временем будет случайным образом распределяться. Когда концентрации веществ различны в двух областях, и области имеют контакт друг с другом, случайное движение частиц заставит вещества диффундировать до решение равномерно по всей области.

Осмос является особенным диффузия воды через полупроницаемую мембрану. Таким образом, в случае осмоса растворенные вещества не могут двигаться, потому что они не могут проходить через мембрану. Однако вода может двигаться, и это происходит – проходя через мембрану в область с более высокой концентрацией растворенного вещества.

Это может привести к изменению общего объема воды на каждой стороне мембраны: на стороне мембраны с большим количеством растворенных веществ может оказаться гораздо больше воды. Это может привести к проблемам для клеток, таким как взрыв (если слишком много воды попадает в клетка ) или становится обезвоженным (если слишком много воды уходит).

Это очень важный фактор в биологии, потому что внутриклеточная среда отличается от внеклеточной среды. Если изменяется внеклеточная среда, это может привести к попаданию воды в наши клетки.

Некоторые организмы, такие как растения, которые используют осмотическое давление для перемещения воды, воспользовались этим принципом. Но это также может угрожать здоровью клеток и организмов, когда во внеклеточной среде слишком много или слишком мало воды по сравнению с внутренней частью клетки.

Использование в промышленности

Первая в мире электростанция — прототип, использующая для выработки электричества явление осмоса, запущена компанией Statkraft 24 ноября 2009 года в Норвегии вблизи города Тофте. Солёная морская и пресная вода на электростанции разделены мембраной. Так как концентрация солей в морской воде выше, между солёной водой моря и пресной водой фьорда развивается явление осмоса — постоянный поток молекул воды через мембрану в сторону солёного раствора, в результате чего образуется давление пресной воды на мембрану. Это давление соответствует давлению столба воды в 120 метров высотой. Поток воды достаточен, чтобы приводить в действие гидротурбину, вырабатывающую энергию. Производство носит ограниченный характер, основная цель — тестирование оборудования. Самый проблематичный компонент электростанции — мембраны. По оценкам специалистов Statkraft, мировое производство может составить от 1 600 до 1 700 TWh, что сравнимо с потреблением Китая в 2002. Ограничение связано с принципом действия — подобные электростанции могут быть построены только на морском побережье.

Уравнение осмотического давления

Осмотическое давление может быть рассчитано с использованием следующего уравнения:

π = MRT

В этом уравнении:

π

Важно отметить, что π не равно 3.14… в этом уравнении!

Вместо этого здесь «π» – символ, используемый для обозначения осмотического давления. Вы можете думать об этом уравнении как о решении для «π» так же, как о решении для X.

В символе «π» нет ничего особенного, кроме того, что на международном уровне химики согласились обозначать осмотическое давление.

M

М – молярная концентрация растворенного вещества. Молярная концентрация относится к фактическому количеству атомов, ионов или молекул растворенного вещества.

Это важно, потому что именно количество частиц определяет, как частицы взаимодействуют при осмосе, а не объем или вес. Сколько моль – единица измерения частиц – весит, или сколько он занимает, будет варьироваться в зависимости от молекулярного веса и плотности растворенного вещества

Сколько моль – единица измерения частиц – весит, или сколько он занимает, будет варьироваться в зависимости от молекулярного веса и плотности растворенного вещества.

р

R – идеальная газовая постоянная.

Хотя постоянная идеального газа была создана для обозначения газов и их диффузии и поведения, она также применима к жидкостям.

В химии и жидкости, и газы считаются «жидкостями» – частицами, которые могут свободно диффундировать, в отличие от твердых тел, частицы которых удерживаются на месте прочными связями.

T

Т – температура в градусах Кельвина.

Один градус Кельвина равен одному градусу Цельсия, но между двумя измерительными системами есть важное различие. Температура является мерой энергии в молекулах

При более высоких температурах молекулы движутся быстрее; при более низких температурах они движутся медленнее. Вот почему температура так важна для этого уравнения: чем быстрее частицы подвергаются случайному молекулярному движению, тем быстрее они будут диффундировать

Температура является мерой энергии в молекулах. При более высоких температурах молекулы движутся быстрее; при более низких температурах они движутся медленнее. Вот почему температура так важна для этого уравнения: чем быстрее частицы подвергаются случайному молекулярному движению, тем быстрее они будут диффундировать.

В градусах Цельсия «ноль градусов» считается точкой замерзания воды. Это произвольное число, выбранное учеными, потому что замерзание воды является обычным явлением. Температура по Цельсию может быть положительной (выше нуля) или отрицательной (ниже нуля).

Но в Кельвине «ноль градусов» – это температура, при которой не происходит молекулярного движения. На самом деле это абсолютный ноль – невозможно стать холоднее, чем «отсутствие молекулярного движения».

В результате Кельвин используется во многих химических уравнениях, потому что это абсолютная мера тепла. Если вещество находится при 300 градусах Кельвина, вы точно знаете, сколько тепла находится в веществе: всего 300 Кельвинов.

Для ученых это гораздо лучше, чем вычислять, основываясь на градусах Цельсия, и, например, нужно выяснить, сколько тепла в воде при температуре -30 градусов Цельсия.

Забавный факт: абсолютный ноль – ноль Кельвин – это -273,15 градусов по Цельсию. Другой способ сказать, что ноль градусов по Цельсию – точка замерзания воды – происходит в 273,15 Кельвинов.

Рейтинг и какая из моделей лучше

Хорошо зарекомендовали себя торговые марки «Барьер», «Аквафор», «Новая вода», Atoll, Aqualine. Они изготавливают комплектующие самостоятельно или используют мембраны Filmtec, Pentair и Osmonics из США, TFC из Южной Кореи. Эти полупроницаемые среды служат 2,5-5 лет.

Системы работоспособны 5-7 лет, если они периодически обслуживаются. Ниже в виде своеобразного рейтинга, описаны модели, которые стали лидерами продаж.

Atoll

Российский производитель в своих системах использует картриджи и колбы торговой марки PENTEK (продукты корпорации Pentair). Все элементы крепятся по стандарту John Guest – они быстро разбираются без использования специальных инструментов.

В модулях установлены картриджи стандартов Big Blue, Slim Line и Inline, которые продаются во всем мире. Производитель заявляет, что каждая деталь проходит проверку на герметичность.

Среди покупателей популярна модель Atoll A-575m STD.

Техническое описание:

Плюсы:

• Компактные размеры, небольшой вес (5 кг);
• Долгий срок эксплуатации;
• Легкость обслуживания;
• Объемный бак;
• Удаляет 99,9% загрязнений и патогенов, а затем насыщает жидкость полезными минеральными соединениями.

Минусы:

Стоимость системы и сменных элементов выше, чем у конкурентов.

Аквафор

Компания работает с 1992 года. В фильтрах используется сорбирующее волокно Аквален, гранулированные и волокнистые сорбенты. В дорогих моделях мембраны половолоконные. Компания самостоятельно производит все комплектующие. Специализируется на бытовых фильтрах.

Лидер продаж – модель Аквафор ОСМО 50 исп. 5.

Техническое описание:

Плюсы:

• Доступная цена;
• Удаление частиц, размером больше 0,0005 микрон;
• Легкая замена картриджей.

Минусы:

• Большой вес – 10 кг;
• Работает при давлении не меньше 3,5 бар, насоса в комплекте нет.

Новая вода

Компания существует больше 12 лет. Производитель «Новая вода» вступил в Международную ассоциацию качества воды (Water Quality Association). В России всего две компании получили такое приглашение. Продукция «Новой воды» соответствует сертификату качества ISO 9001:2008 и сертификату системы экологического менеджмента ISO14001:2004.

Доверие покупателей завоевала модель Econic Osmos Stream OD310. Эта система создана по новейшим технологиям.

Справка. С предочисткой справляется один мощный фильтр, а не три, как в стандартных системах.

Econic Osmos Stream OD310

Техническое описание:

Плюсы:

• Высокопроизводительная мембрана Toray (Япония);
• Компактность – системе не нужен бак, она быстро очищает воду в реальном времени;
• Малый слив жидкости в канализацию;
• Мембрана служит минимум 3 года, пред- и постфильтр нужно менять 1 раз в 6-12 месяцев;
• Система легкая – весит 2,1 кг;
• Фильтр работоспособный при давлении от 2 атмосфер, выдерживает нагрузку до 52 атм.;
• Сменные элементы легко отсоединяются;
• Гарантия 3 года.

Минусы:

Высокая цена.

TO300 с возможностью установки минерализатора

Еще одна популярная модель от компании «Новая вода» – ТО300. Это бюджетный вариант от производителя. Прямоточная система с обратным осмосом удовлетворяет нужды в питьевой воде 2-3 человек.

Техническое описание:

Плюсы:

• Картриджи и мембрана Toray задерживают 99,9% загрязнений;
• Фильтр хорошо смягчает воду;
• Систему можно расширить, установив бак для воды, дополнительный фильтр или минерализатор;
• Очень легкая и компактная конструкция – 1,2 кг;
• Простая установка;
• Элементы быстросъемные.

Минусы:

Дивертор, через который фильтр подключается к водопроводу, не выдерживает гарантийный срок.

Барьер

Российская компания делает фильтры больше 15 лет. Системы водоочистки производят из прочного пластика BASF, сорбентом служит кокосовый уголь Norit.

Интересно. Для каждого региона России специалисты рекомендуют конкретный фильтр.

Покупатели оценили модель Барьер ПРОФИ Осмо 100.

Техническое описание:

Плюсы:

• Надежная система за среднюю цену;
• Быстрая очистка воды;
• Высокое качество сборки.

Минусы:

• Частая замена фильтров;
• Занимает много места под мойкой.

Литература

• Гриффин Д., Новик Эл. Живой организм, пер. с англ.. — M.: Мир, 1973.
• Ершов. Общая химия. — Издание восьмое, стереотипное. — Москва: Высшая школа, 2010. — 559 с.
• Курс физической химии / под ред. Я. И. Герасимова. — М. — Л., 1963—1966. — Т. 1—2.
• Мелвин-Хьюз Э. А. Физическая химия, пер. с англ., кн. 1—2. — М., 1962.
• Нобел П. Физиология растительной клетки (физико-химический подход), пер. с англ.. — М., 1973.
• Пасынский А. Г. Коллоидная химия. — 3 изд. — М., 1968.
• Проссер Л., Браун Ф. Сравнительная физиология животных, пер. с англ.. — М., 1967.
• Ребиндер П. А.. Осмос // Краткая химическая энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия, 1964. — Т. 3. — С. 398 (стб. 795—796).

3.Симптоматика, диагностика

Клиническая картина при синдроме осмотической демиелинизации настолько зависима от индивидуальных условий и факторов, что практически невозможно выделить типичный симптомокомплекс. В разных случаях отмечаются парезы и параличи (вплоть до т.н. псевдокомы, когда двигательная активность блокирована полностью), явления эпилепсии и паркинсонизма, нарушения зрения (напр., выпадения полей), координации движений, речи, психики. Некоторые авторы акцентирует парадоксальную независимость клинической выраженности синдрома (и уровня летальности) от масштабов демиелинизации.

Основным методом диагностики синдрома осмотической демиелинизации служит томографическая визуализация – компьютерно-рентгеновская или магниторезонансная. МРТ в данном случае считается более информативным методом по сравнению с КТ. Как правило, выявляются участки пониженной плотности, причем они могут оставаться какое-то время после клинического выздоровления пациента.

Магистральные фильтры для воды: особенности эксплуатации и преимущества

Этот вид фильтров для воды фактически является обязательным элементом водопроводной системы квартиры или частного дома, а основным местом для их установки служит подающая труба. Наиболее часто они устанавливаются с целью удаления механических примесей в воде (песка, глины), но могут служить и эффективным фильтром для соединений железа и других химических элементов.

При выборе таких устройств кроме их принципа работы следует учитывать и их пропускную способность, которая должна соответствовать водопотреблению в доме.

Магистральные фильтры могут обеспечивать:

• грубую очистку воды способом удаления из нее нерастворимых механических частиц, попадание которых в сантехнические приборы существенно снижает их эксплуатационный ресурс;
• тонкую очистку обеспечивают устройства, использующие для своей работы полифосфат натрия. Использование таких фильтров допускается только в тандеме, например, со стиральной машиной. Они смягчают воду, которая, одновременно становится непригодной для питья, но способной защитить рабочие элементы бытовых приборов от накипи.

Универсальный проточный фильтр для воды магистрального типа – это устройство с зернистой загрузкой, для которого используются специальные реагенты. Такой прибор способен эффективно очищать воду, удаляя из нее не только механические примеси, но и различные соли, химические соединения и хлор.

Таким образом, применение магистральных фильтров обеспечивает:

• лучшие вкусовые и химические характеристики воды;

• способствует увеличению эксплуатационного ресурса бытовой техники.

Неоспоримыми преимуществами этого вида фильтров является их доступная цена и простота обслуживания.

Кроме того, большой выбор позволяет выбрать устройство с учетом химического состава воды, а также следует обратить внимание и на то, что кроме установки на подающую трубу холодной воды их можно использовать и для горячего водоснабжения: для этого нужно приобретать фильтр, имеющий соответствующую маркировку

Виды магистральных фильтров: особенности работы и эксплуатации

В качестве фильтрующего элемента могут использоваться картридж или специальная сетка. Часто в сменных картриджных элементах используется угольный фильтр для воды, отлично абсорбирующий химические и механические примеси. Этот вариант позволяет проводить тонкую очистку, в том числе и горячей воды.

Сеточные фильтры представлены изделиями из латуни трех видов (по типу сетки): проволочными, волокнистыми и порошковыми. Они способны задерживать исключительно крупные нерастворимые частицы и эффективны только при регулярном обслуживании.

Особой популярностью пользуются магистральные фильтры самопромывочного типа, очистка фильтров от загрязнений, в которых происходит в автоматическом режиме.

К этим устройствам относятся также и фильтры:

• снабженные картриджами ионообменного типа, гарантирующие высокую степень очистки и умягчение воды;
• магнитные фильтры, принцип работы которых основан на способности редкоземельных элементов улучшать состав воды за счет притягивания соединений железа, различных солей и т. д.;
• для водоподготовки можно использовать и магистральные фильтры обратного осмоса, принцип работы которых основан на использовании картриджей мембранного типа, способных пропускать лишь молекулы воды. Но стоит учитывать особенность использования таких фильтров, для которых требуется наличие накопительного бака для загрязнений и подключения к канализации, в которую сбрасывается то, что не было пропущено мембраной, то есть нерастворимые частицы, соли и другие химические соединения.

Выбирая фильтры магистрального вида, можно обратить внимание на изделия торговой марки Фибос, которые могут работать без смены картриджей на протяжении 10 лет и более в зависимости от объемов водопотребления и исходного качества воды. Их особенностью является наличие внешней колбы, в которой и накапливаются все загрязнения, при этом сам фильтрующий элемент остается чистым.

Их особенностью является наличие внешней колбы, в которой и накапливаются все загрязнения, при этом сам фильтрующий элемент остается чистым.

Типы решений

В биологии существует три различных типа решений, в которых могут находиться клетки: изотонический, гипотонический, а также гипертонический, Различные типы растворов оказывают различное воздействие на клетки из-за осмоса.

изотонический

изотонический раствор имеет одинаковую концентрацию растворенных веществ как внутри, так и снаружи клетки. Например, говорят, что клетка с той же концентрацией соли внутри нее, что и в окружающей воде / жидкости, находится в изотоническом растворе. В этих условиях нет чистого движения растворителя; в этом случае количество воды, входящей и выходящей из мембраны клетки, равно.

гипотонический

В гипотоническое решение В клетке концентрация растворенных веществ выше, чем вне клетки. Когда это происходит, больше растворителя попадет в клетку, чем покинет ее, чтобы сбалансировать концентрацию растворенного вещества.

гипертонический

гипертонический раствор является противоположностью гипотонического решения; вне клетки больше растворенного вещества, чем внутри нее. В этом типе раствора больше растворителя будет выходить из клетки, чем попадать в него, чтобы снизить концентрацию растворенного вещества вне клетки.

Где применяют промышленный обратный осмос

Очистка воды способом промышленного обратного осмоса широко используется в самых разных сферах деятельности. Данная технология позволяет получить хорошие результаты в очистке воды от различных растворенных в воде веществ, но она может и заметно понизить содержание в ней различных бактерий и вирусов. Сегодня мы можем быть уверены, что данное направление очищения воды имеет перспективы развития и будет внедряться более широко.

Установки промышленного обратного осмоса улавливают различные нежелательные частицы размером 0,001–0,0001 мкм, к примеру, соли жесткости, различные красители, нитраты, сульфаты и многие другие. Лучшего эффекта промышленного обратного осмоса можно добиться, подключив к процессу предварительную очистку от более крупных частиц. Сегодня для этого есть разные способы: механический, микро-, ультра- или нанофильтрация.

Очищение воды способом промышленного обратного осмоса сегодня используется для:

• снижения содержания солей в воде, взятой из открытых и подземных источников;

• опреснения морской воды;

• получения применяемых в различных технологических процессах растворов заданной концентрации;

• подготовки воды, используемой теплоэнергетическим оборудованием (например, в котлах);

• итоговой очистки сточных вод замкнутых циклов водооборота;

• дезинфекции воды.

Основные сферы деятельности, где применяют промышленный обратный осмос:

1. Пищевая промышленность – где необходима очистка воды для производства различных напитков, бутилированной воды, а также там, где имеется потребность подготовки технологической воды для производства различных пищевых продуктов.

2. Энергетика – для обеспечения длительной эксплуатации паровых котлов высокого давления, турбин. Для тепловых сетей также необходима подготовленная вода.

3. Микроэлектроника – где необходима глубоко обессоленная вода.

4. Химическая промышленность – в производстве кислот, щелочей, минеральных удобрений, спиртов, антифризов, электролитов, дистиллированной воды разных классов.

5. Машиностроение, авиа и кораблестроение – охлаждение, промывка, поддержание нужных концентраций растворов и т. д.

Читайте материал по теме: Способы очистки воды — от сложных систем до простых методов

Похожие записи:

Выбираем сварочный аппарат для дачи: недорогой, но производительный Баня с электрокаменкой: строительство, отзывы, особенности Кто построил московский кремль Как правильно выбрать и установить фильтр аквафор морион Как сделать вибростол для тротуарной плитки своими руками Меловые маркеры: чем отличаются, как пользоваться и для чего нужны