Осмос Выполнила: Тарасова Алеся гр. 1491
Понятия l О смос (от греч. ὄσμος — толчок, давление) — процесс односторонней диффузии через полупроницаемую мембрану молекул растворителя в сторону бо льшей концентрации растворённого вещества (меньшей концентрации растворителя). l - Осмос (от греч. osmos толчок, давление) процесс самопроизволь ного переноса растворителя, преимущественно воды через полупроницае мую перегородку (мембрану), разделя ющую два раствора с разной концент рацией (например, чистую воду и ра створ солей). l Осмос Явление медленного просачивания растворов сквозь проницаемые органические перегородки. l Обратный осмос — процесс, в котором с помощью давления принуждают растворитель (обычно вода) проходить через полупроницаемую мембрану из более концентрированного в менее концентрированный раствор, то есть в обратном для осмоса направлении. При этом мембрана пропускает растворитель, но не пропускает некоторые растворённые в нём вещества. 2
Принцип действия l Осмос. Явление осмоса лежит в основе обмена веществ всех живых организмов. Благодаря ему в каждую живую клетку поступают питательные вещества и, наоборот, выводятся шлаки. Явление осмоса наблюдается, когда два соляных раствора с разными концентрациями разделены полупроницаемой мембраной. Эта мембрана пропускает молекулы и ионы определенного размера, но служит барьером для веществ с молекулами большего размера. Таким образом, молекулы воды способны проникать через мембрану, а молекулы растворенных в воде солей нет. Если по разные стороны полупроницаемой мембраны находятся солесодержащие растворы с разной концентрацией, молекулы воды будут перемещаться через мембрану из слабо концентрированного раствора в более концентрированный, вызывая в последнем повышение уровня жидкости. 3
Принцип действия 4
Принцип действия l Обратный осмос. В случае, когда на раствор с большей концентрацией воздействует внешнее давление, превышающее осмотическое, молекулы воды начнут двигаться через полупроницаемую мембрану в обратном направлении, то есть из более концентрированного раствора в менее концентрированный. Этот процесс называется "обратным осмосом". По этому принципу и работают все мембраны обратного осмоса. В процессе обратного осмоса вода и растворенные в ней вещества разделяются на молекулярном уровне, при этом с одной стороны мембраны накапливается практически идеально чистая вода, а все загрязнения остаются по другую ее сторону. Таким образом, обратный осмос обеспечивает гораздо более высокую степень очистки. 5
Принцип действия 6
Влияние параметров на реакцию обратного осмоса l l l Давление Температура Концентрация раствора 7
Давление l Основным фактором, оказывающим влияние на процесс обратного осмоса и ультрафильтрации, является рабочее давление. С увеличением давления увеличивается эффективная движущая сила процесса и, соответственно, возрастает величина проницаемости мембраны. В тех случаях, когда мембрана не изменяет своей структуры под действием давления, проницаемость воды линейно возрастает с увеличением эффективной движущей силы, и поскольку проницаемость растворенного вещества мала по сравнению с проницаемости воды. Общая проницаемость хорошо описывается уравнением, где G – проницаемость воды; A – константа для системы мембрана раствор при определенных внешних условиях; разность осмотических давлений растворов по обе стороны мембраны. 8
Давление l Однако при повышенных давлениях реальные полимерные мембраны не сохраняют свою первоначальную структуру и уплотняются, что отражается на величине константы А в уравнении. В связи с этим, начиная с некоторой величины рабочего давления, проницаемость снижается и при определенных давлениях достигает максимума. При дальнейшем увеличении давления проницаемость снижается. Сходный характер носит зависимость селективности разделения от давления. 9
Температура l Влияние температуры раствора на процесс имеет сложный характер. Увеличение температуры уменьшает вязкость и плотность раствора и одновременно увеличивает его осмотическое давление. Если уменьшение вязкости и плотности приводит к увеличению проницаемости, то увеличение осмотического давления снижает движущую силу и уменьшает проницаемость. Степень влияния тех или иных факторов зависит от природы растворенного вещества и концентрации раствора. Исследования, проведенные на чистой воде и водных растворах Na. Cl, показали, что в диапазоне температур 10 – 400 проницаемость и селективность возрастают. Причем влияние температуры на селективность становиться все боле заметным с повышением концентрации. Влияние температуры на проницаемость при разделении растворов невысокой концентрации практически полностью определяется изменением вязкости раствора и хорошо коррелируется соотношением: 10
где G – проницаемость растворителя; вязкость раствора. Влияние температуры на производительность мембранных установок практически одинаково как для чистой воды, так и для разбавленного щелока, если его осмотическое давление меньше приложенного на 70%. Это объясняется тем, что осмотическое давление разбавленного щелока почти не зависит от температуры в интервале 10 – 350. Условно проницаемость мембраны при температуре 250 принята за 100. 11
Концентрация раствора l Увеличение концентрации раствора приводит к уменьшению движущей силы процесса увеличению вязкости и плотности раствора, что снижает величину проницаемости. Для учета изменения проницаемости в связи с изменением концентрации предложено следующее эмпирическое соотношение: k 1, k 2, n – константы, характеризующие конкретную систему мембрана – раствор; х – концентрация исходного раствора; вязкость раствора; плотность раствора. 12
Концентрация раствора Зависимость селективности от концентрации носит более сложный характер. В случае разделения растворов невысокой концентрации селективность существенно не меняется с изменением концентрации, а падение концентрации можно считать линейным. Проницаемость более плотных мембран ниже, чем мембран средней плотности. Это происходит вследствие загрязнения мембран осаждающимся слоем некоторых компонентов раствора (в различной степени для различных стоков). Происходит проникновение инородных веществ в структуру полупроницаемой мембраны, а образовавшийся слой, работающий как вторая мембрана, изменяет параметры процесса. l 13
Производство питьевой очищенной воды l Вода сначала фильтруется – углем и песком, далее воду пропускают через специальные фильтры, уменьшающуюминерализацию или, наоборот, насыщающие воду необходимыми минералами – серебром, фтором и др. Далее водуобеззараживают ультрафиолетом, а потом насыщают озоном. Озон, как сильный окислитель, очень реакционноспособен (как хлор, которым обеззараживается вода из крана), обладает биологической активностью и деструктивно влияет на организм на молекулярном уровне. Самым безопасным способом обеззараживания считается ионизация воды серебром, но этот способ очень дорогой и, естественно, не популярен. 14
Фильтрация l l Наиболее прогрессивными и совершенными системами подготовки питьевой воды в настоящее время являются обратноосмотические системы, обеспечивающие на выходе воду по степени очистки близкую к дистиллированной. Однако, в отличие от дистиллированной, вода очищенная таким способом обладает прекрасными вкусовыми качествами. В качестве фильтрующего элемента в фильтрах на основе обратного осмоса используется тонкоплёночная мембрана. Очистка воды происходит практически на молекулярном уровне, так как поры мембраны пропускают только молекулы воды и кислорода. Метод позволяет удалить более 95 процентов примесей, т. е. практически все растворенные в ней компоненты, соли тяжёлых металлов, органические примеси и бактерии. 15
Фильтры на основе обратного осмоса l Обратный осмос полностью повторяет процессы обмена веществ в клетках живых организмов, проникновение в них питательных веществ и вывод шлаков обратно. Таким образом, через полупроницаемые мембраны обратного осмоса, которыми оборудованы фильтры воды, продавливается вода, молекулы которой проникают сквозь них, в то время как все взвешенные и механические частицы, молекулы которых больше молекул воды, остаются в специальной емкости. Мембраны обратного осмоса удаляют такие примеси как железо, хлор, магний, ртуть, сульфаты, цианиды и многие другие. Также из воды удаляются все болезнетворные бактерии и вирусы. При этом кислород и другие газообразные растворы, которые придают вкусовые качества, остаются в воде. 16
Устройство фильтров для обратного осмоса l Любые фильтры для обратного осмоса для эффективной работы должны использовать некоторые стандартные элементы. Конечная схема фильтра для обратного осмоса может варьироваться, однако три блока считаются обязательными, без которых нормальная работа фильтра для обратного осмоса попросту невозможна. Первым активным блоком фильтра для обратного осмоса являются насосы нагнетатели давления. Принцип работы фильтров для обратного осмоса основан на создании в рабочей камере фильтра с большей концентрацией растворенных веществ давления, которое превышает давление осмотическое. Для этого используются насосы фильтров для обратного осмоса, которые подают воду в рабочий корпус фильтра для обратного осмоса под сильным напором. Основным критерием при выборе насоса для фильтра обратного осмоса является его способность работать при высоких давлениях, так как зачастую осмотическое давление в фильтрах для обратного осмоса крайне высоко, что вынуждает использовать насосы дозаторы, способные подавать воду под сильным напором. 17
Устройство фильтров для обратного осмоса l Вторым и основным рабочим элементом фильтра для обратного осмоса является непосредственно рабочий модуль, то есть корпус фильтра обратного осмоса, где размещается селективная мембрана. От таких свойств рабочего модуля, как герметичность, напрямую зависит ход очистки воды в фильтре для обратного осмоса: при разгерметизации системы падает давление в рабочем модуле фильтра для обратного осмоса, следствием чего является невозможность перехода воды на сторону с меньшей концентрацией растворенных веществ. Не меньшей важностью обладают свойства и характер использованной в системе мембраны обратного осмоса, которые диктует некоторые параметры работы всего фильтра для обратного осмоса. 18
Устройство фильтров для обратного осмоса l Заключительным обязательным элементом фильтра для обратного осмоса является система промывки и сброса растворенных веществ. При работе фильтра для обратного осмоса на поверхностимембраны обратного осмоса скапливается огромное количество различных загрязнителей от ионов растворенных солей до микроорганизмов, которые существенно затрудняют нормальное функционирование фильтра для обратного осмоса. Система промывки фильтра для обратного осмоса выполняет функцию очистки мембраны обратного осмоса от скопившихся загрязнителей. Чаще всего для удаления с мембраны обратного осмоса растворенных загрязнителей используется принцип обратной промывки, при котором вода подается с обратном стороны мембраны обратного осмоса. Вода с удаленными с поверхности мембраны обратного осмоса загрязнителями выводится из рабочего модуля фильтра для обратного осмоса через специальную систему сброса солевого раствора, которая может вести как напрямую в сток, так и в чашу накопитель загрязнителей. 19
l Таким образом для успешной работы фильтра для обратного осмоса необходимо наличие в систем минимум трех элементов, имеющих разные задачи и назначение, но одинаково сильно влияющими на работоспособность фильтра для обратного осмоса. От исправности отдельных элементов системы зависит общая эффективность очистки воды в фильтре обратного осмоса, поэтому так важно соблюдать правила эксплуатации фильтра для обратного осмоса, а также при необходимости вносить корректировки в настройки фильтра для обратного осмоса. 20
Получение молочной сыворотки l l l l Приёмка Отчистка от жира Пастеризация Нанофильтрация или обратный осмос Сгущение Кристаллизация Сушка Фасовка 21
Производство МС l l l Существуют несколько способов переработки МС: тепловые, центробежные, консервирование, биологические, мембранные 22
Мембранные методы l Основной деталью мембранных установок являются специальные полупроницаемые мембраны с различным диаметром пор, соизмеримых с молекулами находящихся в растворе компонентов. В зависимости от диаметра пор мембраны происходит разделение находящихся в растворе компонентов: компоненты с размерами менее диаметра пор проходят через мембрану, а компоненты с большими размерами задерживаются. Получаются два раствора с различными компонентами. 23
Достоинства мембранных методов l l l возможность направленного регулирования состава и свойств при небольших энергетических затратах; создание новых продуктов с пониженной калорийностью и высокой биологической ценностью; рациональное использование МС 24
Мембранные методы l l Гиперфильтрация Микрофильтрация Ультрафильтрация Обратный осмос 25
Обратный осмос l Нельзя четко разграничить процесс ультрафильтрации и обратного осмоса. В обоих случаях требуется преодолевать осмотическое давление раствора, т. к. растворитель переносится в направлении, противоположном возрастанию концентрации растворимого вещества. Практически обратный осмос сводится к сгущению раствора. Преимущество его – возможность проведения процесса при любых температурах, меньшие энергетические затраты и расход тепловой энергии. Это особенно важно при выработке пищевых продуктов, где выпаривание при повышенных температурах приводит к нежелательным последствиям. 26
Технические средства для контроля l Для замедления образования нежелательных отложений на мембранах применяется дозирование ингибитора осадкообразования. Для снятия осадков с поверхности мембран используется система химпромывки. Для контроля качества очистки и р. Н — проточные измерители солесодержания и р. Н метры. Для контроля расхода пермеата и концентрата — проточные расходомеры. Управление системой обратного осмоса можно осуществлять в полуавтоматическом и автоматическом режиме. Проверить качество работы обратноосмотической мембраны можно TDS метром. 27
Фильтрация воды 28
l l Водопроводная вода через (редуктор), тройник и подающий вентиль поступает на механический 5 микронный картридж, на котором удаляется грязь, ржавчина, мелкие взвеси и другие осадки. Затем вода поступает на угольный картридж, где удаляется 98% хлора, органические и химические вещества. Следующая ступень очистки это механический 1 микронный картридж или еще один угольный картридж (Выбор картриджа зависит от концентрации в воде хлора, если хлор в воде отсутствует, то вполне можно устанавливать везде механические картриджи из полипропиленового волокна. В первую очередь это относится к колодцам и скважинам, т. к. угольный картридж необходим, чтобы мембрана не окислялась от хлора, и не увеличивались в диаметре поры. Если отработанные картриджи покрыты слизью (колонии бактерий), то это означает, что в воде нет хлора, тогда можно уголь поменять на механику, для лучшей и долгой фильтрации мембраны. ) Эти все три картриджа называются фильтрами предварительной очистки, так как они влияют на срок службы мембраны, и очень незначительно влияют на вкусовые качества воды. Покупая картриджи на предварительную очистку, многие ошибаются, думая, что если картридж в осмосе дорогой, то и вода будет лучше. Затем вода поступает на основной фильтр обратного осмоса – мембрану, которая удаляет 95 99% растворимых загрязняющих веществ из воды. Входную воду мембрана делит на два потока: Чистую воду или пермеат. Грязную воду концентрат Грязная вода через ограничитель потока, который создает давление на мембране, и через дренажный хомут стекает в канализацию. Чистая вода через 4 х ходовой клапан очень медленно накапливается в баке. 29
30
31
32