Исследование процессов очистки воды методом обратного осмоса

А.Н. Гречушкин

Исследование процессов  
очистки воды  
методом обратного осмоса

Методические указания  
к лабораторным работам 

Московский государственный технический университет 
имени Н.Э. Баумана

УДК 628.33
ББК 38.761.1
 
Г81

ISBN 978-5-7038-4874-6

© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2018
© Оформление. Издательство 
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2018

 
Гречушкин, А. Н.

Г81 
 
Исследование процессов очистки воды методом обратного осмоса. 

Методические указания к выполнению лабораторных работ / А. Н. Гречушкин. — 
Москва : Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2018.  — 
22, [2] с. : ил.

ISBN 978-5-7038-4874-6

Рассмотрены метод очистки воды обратным осмосом и методика определения 
режимов работы обратноосмотической установки.
Для студентов магистратуры МГТУ им. Н.Э. Баумана, обучающихся по специаль- 
ности «Комплексное использование водных ресурсов».

УДК 628.33
ББК 38.761.1

Издание доступно в электронном виде на портале ebooks.bmstu.ru 
по адресу: http://ebooks.bmstu.press/catalog/35/book1797.html

Факультет «Энергомашиностроение» 
Кафедра «Экология и промышленная безопасность»

Рекомендовано Редакционно-издательским советом
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебно-методического пособия

Предисловие

Данная лабораторная работа посвящена изучению одного из баромемб-
ранных методов обработки воды — обратноосмотического метода. Метод 
находит широкое применение, в частности, в практике водоподготовки для 
подготовки обессоленной воды, умягчения воды, снижения концентрации 
отдельных ионов.
Цель лабораторных работ — практическое освоение обратноосмотиче-
ского метода очистки воды.
После выполнения лабораторных работ студенты, изучающие дисциплину 
«Мембранные технологии очистки вод», будут знать устройство обратноос-
мотической установки, научатся определять оптимальные режимы работы 
обратноосмотических установок и оценивать влияние водородного показателя 
на эффективность отделения бора на обратноосмотической мембране.

Краткие теоретические сведения

Группа баромембранных методов включает в себя обратный осмос, микро-
фильтрацию, ультрафильтрацию и нанофильтрацию (рис. 1).
Обратный осмос применяется для деминерализации воды, задерживает 
ионы на 92–99 %. Размеры пор мембраны 1…15 Α
 , рабочее давление процесса 
0,5…8,0 МПа.
Нанофильтрация используется для отделения красителей, пестицидов, 
гербицидов, сахарозы, некоторых растворенных солей, органических веществ, 
вирусов и др. Размеры пор мембраны 10…70 Α
 , рабочее давление процесса 
0,5…8,0 МПа. 
Ультрафильтрация применяется для отделения некоторых коллоидов 
(крупных органических молекул и прочих), вирусов и др. Размеры пор мембраны 
30…1000 Α
 , рабочее давление процесса 0,2…1,0 МПа.
Микрофильтрация используется для отделения некоторых вирусов и бактерий, 
тонкодисперсных пигментов, пыли активированных углей, асбеста, 
красителей, разделения водомасляных эмульсий и т. п. Размеры пор мембраны 
500…20 000 Α
 , рабочее давление процесса 0,01…0,2 МПа.
Рассмотрим сущность обратноосмотического метода. Если растворитель 
и раствор разделить полупроницаемой перегородкой, пропускающей только 
молекулы растворителя, то растворитель начнет переходить через перегородку 
в раствор до тех пор, пока концентрации растворов по обе стороны мембраны 
не станут равными. Процесс самопроизвольного перетекания веществ 
через полупроницаемую мембрану, разделяющую два раствора различной 

Рис. 1. Баромембранные методы очистки воды

концентрации (частный случай — чистый растворитель и раствор), называется 
осмосом (от греч. osmos — толчок, давление).
Если над раствором создать противодавление, скорость перехода растворителя 
через мембрану уменьшится. При установлении равновесия отвечающее 
ему давление может служить количественной характеристикой явления 
обратного осмоса. Это давление называется 
осмотическим и равно тому давлению, 
которое нужно приложить к раствору, 
чтобы привести его в равновесие 
с чистым растворителем, отделенным 
от него полупроницаемой перегородкой 
(рис. 2).
Применительно к системам очистки 
воды процесс обратного осмоса можно 
представить следующим образом: если 
со стороны протекающей через аппарат 
природной воды, содержащей некоторое 
количество примесей, приложить давление, 
превышающее осмотическое, то вода 
будет просачиваться через мембрану 
и скапливаться по другую ее сторону, 
а примеси останутся с исходной водой, их 
концентрация будет увеличиваться.
На практике реализуется схема с разделением 
в обратноосмотической установке 
исходной воды на два потока: очищенную 
воду и воду с увеличенной 
концентрацией растворенных веществ. 
Очищенную и обессоленную воду называют 
пермеатом. Поток воды с увеличенной 
концентрацией солей называют концентратом.

Рассмотрим некоторые теоретические 
предпосылки, предложенные для объяснения 
процесса обратного осмоса [1].
В основе ситовой теории лежит предположение 
о том, что размеры молекул 
воды меньше молекул и ионов всех находящихся 
в воде веществ: растворенных, 
коллоидов, неионно-генных. Диаметр пор 
мембраны должен быть меньше суммы 
удвоенной толщины пограничного слоя 
на мембране и диаметра задерживаемого 
иона. В противном случае гидратированный 
ион может пройти через пору, при 

Рис. 2. Схема процессов осмоса и 
обратного осмоса: 

а — осмос (поток направлен в сторону раствора); 
б — состояние равновесия; в — обратный 
осмос (давление приложено со стороны 
раствора и превышает осмотическое)

этом гидратная оболочка иона и пограничный слой воды будут частично 
обмениваться молекулами Н2О. Здесь проявятся еще и необычные свойства 
тонких слоев (капилляров), в которых вода изменяет и плотность, и другие 
физические свойства. При рассмотрении сущности обратного осмоса, вероятно, 
нет смысла говорить о порах как аналогах неких туннелей в мембране. 
Скорее всего, ионы и молекулы воды проходят через пустоты в молекулярной 
структуре материала мембраны.
Согласно энергетической теории, прохождение молекул примесей через 
мембраны обусловлено энергией гидратации частиц примесей. Процесс этот 
тем легче, чем меньше энергия гидратации. Способность мембран задерживать 
ионы растворенных веществ совпадает с рядом увеличения их энергии 
гидратации:

Н+ < NО3
– < J– < Br– < Cl– < K+ < F– < Na+ < SO4
2 – < Ba 2+ < Ca 2+ < Mg 2+ < 
< Cd 2+ < Zn 2+ < Al 3+ < Fe 3+

Капиллярно-фильтрационная (сорбционная) теория предполагает, что слой 
воды перед мембраной, имеющий толщину нескольких десятков молекул, 
и вода внутри пор имеют пониженную растворяющую способность по сравнению 
с исходной водой, и поэтому ионы примесей не проходят через поры, 
так как растворитель (капиллярная и пленчатая вода) их плохо растворяет.
На практике мембраны обычно не обладают идеальной полупроницае-
мостью и наблюдается некоторый переход через мембрану растворенного 
вещества. В этом случае движущая сила ΔР определяется выражением 

 
∆
∆
P
P
P
=
−
−
(
) =
−
π
π
π
1
2
,  
(1) 

где P  — избыточное (рабочее) давление над исходным раствором; π1 — осмотическое 
давление раствора; π2 — осмотическое давление фильтрата, прошедшего 
через мембрану.
Осмотическое давление растворов может достигать десятков мегапаска-
лей. Рабочее давление в обратноосмотических установках должно быть значительно 
больше, поскольку их производительность определяется движущей 
силой процесса — разностью рабочего и осмотического давлений.
В лабораторной обратноосмотической установке используются композитные 
полиамидные мембраны рулонного типа (рис. 3). Данные мембраны 
состоят из нескольких слоев. Общая их толщина составляет 10…150 мкм, 
причем толщина слоя, определяющего селективность мембраны, не превышает 
1 мкм [2].
С практической точки зрения наибольший интерес представляют два 
показателя процесса: коэффициент задержания растворенного вещества (селективность), 
определяемый как 

 
R
C
C
= −
′′
′
1
 или R
C
C
=
−
′′
′



⋅
1
100 %,   
(2) 

и производительность (объемный поток) через мембрану 

 
Jv
q

S t
= ∆
∆ .   
(3) 

В формулах (2), (3) 
′
C  и 
′′
C  — массовая концентрация растворенного 
вещества в исходной воде и в пермеате; Δq — объем пермеата, прошедшего 
через мембрану площадью S  за время Δt.
Оба этих показателя неоднозначно характеризуют полупроницаемые 
свойства мембраны, так как в значительной степени зависят от условий процесса (
давление, гидродинамическая обстановка, температура и т. д.).
На коэффициент задержания растворенного вещества существенное 
влияние оказывает концентрационная поляризация.
При обессоливании раствора вследствие переноса растворителя-воды 
через мембрану у ее поверхности увеличивается концентрация растворенных 
веществ по сравнению с их содержанием в объеме исходного раствора. Такое 
явление называется концентрационной поляризацией.
При повышении концентрации растворенных веществ у поверхности 
мембраны снижаются ее селективность и производительность. Поскольку 
отношение концентраций растворенных веществ у поверхности мембраны 
и в объеме разделяемого раствора экспоненциально возрастает с увеличением 
удельной производительности, концентрационная поляризация может 
стать фактором, лимитирующим проницаемость мембран. Повышение концентрации 
веществ у разделяющей поверхности мембраны может привести 
к частичному разрушению или модификации.
Для снижения негативного воздействия концентрационной поляризации, 
как правило, применяют способы, связанные с интенсификацией массопе-
редачи от поверхности мембран в объем потока исходного раствора, что 

Рис. 3. Обратноосмотическая мембрана рулонного типа 

имеет целью выравнивание концентрации у поверхности мембраны и в объеме 
раствора.
Селективность мембран различается по гидратированным и негидратиро-
ванным формам.
Наиболее высокую селективность обратноосмотические мембраны имеют 
по отношению к ионам, которые образуют в водном растворе гидратированные 
формы. Обратноосмотическая мембрана может не обладать селективностью 
по веществам, находящимся в воде в молекулярном виде. Одним 
из способов очистки воды от таких веществ является перевод их в ионное 
состояние с последующей подачей на обратноосмотическую установку.
Например, кислотно-щелочное равновесие в исходной воде может существенно 
влиять на строение соединений, включающих бор (рис. 4).

Рис. 4. Соотношение содержания борной кислоты (1) 
и борат-иона (2) в воде в зависимости от величины рН

Перевод соединений бора в борат-ион позволяет эффективно удалять 
бор из воды.

Описание лабораторной обратноосмотической установки

Схема обратноосмотической установки представлена на рис. 5. Установка 
состоит из рамы, на которой размещены емкости Е1, Е2, электронасосы Н1, 
Н2, фильтр сетчатый грубой очистки Ф и шкаф управления (ШУ). На стойках 
рамы с помощью хомутов закреплены аппараты А1, А2. Составные части 
установки соединены трубопроводами, на которых размещается пускорегу-
лирующая и контрольно-измерительная аппаратура.
Характеристики обратноосмотической установки.

Количество аппаратов обратноосмотических, шт. .....................
2
Количество используемых рулонных элементов, шт. ................
2
Тип используемого элемента:
низконапорный обратный осмос .........................................
высоконапорный обратный осмос .......................................
ESPA1-LD4040
SW4040
Площадь фильтрования одного рулонного элемента, м 2 ...........
6,5–7,5
Процесс разделения .....................................................................
Низко- и высоконапорный 
осмос
Рабочее давление, МПа:
в режиме низконапорного обратного осмоса ......................
в режиме высоконапорного обратного осмоса ....................
0,6–1,6
1,6–5,5
Подача разделяемой среды на элемент, м 3/ч ..............................
До 2,5
Температура разделяемой среды, °C ...........................................
До 40
рН разделяемой среды .................................................................
3–10
Потребляемая мощность (максимальная), кВт ..........................
5,5

Фильтр сетчатый магистральный Ф служит для грубой очистки исходной 
воды от механических частиц размером более 100 мкм.
Емкость Е1 имеет коническое днище, объем емкости 100 л. Предназначена 
для исходного раствора, концентрата.
Емкость Е2 также имеет коническое днище, ее полезный объем составляет 
50 л. Служит для сбора пермеата, концентрата и для моющего раствора.
В схеме установки предусмотрена возможность слива пермеата и/или 
концентрата в дренаж (канализацию).
Емкости для охлаждения исходного и моющего раствора снабжены теплообменниками 
ТО1 и ТО2. В теплообменники может подаваться водопроводная 
вода. Емкости оборудованы визуальными уровнемерами с указанием 
объема. Материал емкости — нержавеющая сталь. Все выводы из емкостей 
расположены в нижней части конического днища.
Мембранные аппараты А1, А2 включают в себя корпуса для элементов 
4040.

Корпус А1 рассчитан на рабочее давление 2,0 МПа, а корпус А2 на рабочее 
давление до 6,9 МПа.

Рис. 5. Схема обратноосмотической установки