Обратным осмосом и ультрафильтрацией называют процессы фильтрования растворов через полупроницаемые мембраны под давлением, превышающим осмотическое давление. Мембраны пропускают молекулы растворителя, задерживая растворенные вещества. При обратном осмосе отделяются частицы (молекулы, гидратированные ионы), размеры которых не превышают размеры молекул растворителя. При ультрафильтрации размер отдельных частиц на порядок больше, но максимальные их размеры не превышают 0,5 мкм.

Таким образом, от обычной фильтрации такие процессы отличаются отделением частиц меньших размеров. Давление, необходимое для проведения процесса обратного осмоса (6…10 МПа), значительно больше, чем для процесса ультрафильтрации (0,1…0,5 МПа).

Обратный осмос широко используется для обессоливания воды в системах водоподготовки ТЭЦ и предприятий различных отраслей промышленности (производства полупроводников, кинескопов, медикаментов и др.); в последние годы начинает применяться для очистки некоторых промышленных и городских сточных вод.

Достоинствами метода являются:

· отсутствие фазовых переходов при отделении примесей, что позволяет вести процесс при небольшом расходе энергии;

· возможность проведения процесса при комнатных температурах без применения или с небольшими добавками химических реагентов;

· простота конструкции аппаратов.

Недостатки метода: возникновение явления концентрационной поляризации, которое заключается в росте концентрации растворенного вещества у поверхности мембраны. Это приводит к уменьшению производительности, степени разделения и срока службы мембран. Проведение процесса при повышенных давлениях вызывает необходимость специальных уплотнений аппаратуры.

Используется несколько вариантов механизма обратного осмоса. По одному из них мембраны сорбируют воду, которая в поверхностном слое не обладает растворяющей способностью. Если толщина слоя адсорбированных молекул воды составляет половину или более половины диаметра пор мембран, то под давлением через поры будет проходить только чистая вода, несмотря на то, что размер многих ионов меньше, чем размер молекул воды. Прониканию (проницанию) таких ионов через поры препятствует возникающая у них гидратная оболочка. Размер гидратных оболочек различен у разных ионов. Если толщина адсорбированного слоя молекул воды меньше половины диаметра пор, то вместе с водой через мембрану будут проникать и растворенные вещества.

Для ультрафильтрации предложен другой механизм разделения. Растворенные вещества задерживаются на мембране, потому что размер молекул их больше, чем размер пор, или вследствие трения молекул о стенки пор мембраны. В действительности при обратном осмосе и ультрафильтрации происходят более сложные процессы.

Для проведения процесса применяют непористые – динамические и диффузионные мембраны, представляющие собой квазигомогенные гели, и пористые мембраны в виде тонких пленок, изготовленные из полимерных материалов. Наибольшее распространение получили полимерные мембраны из ацетатцеллюлозы. Разрабатываются мембраны из полиэтилена, фторированного этиленпропиленового сополимера, политетрафторэтилена, пористого стекла, ацетобутилата целлюлозы и др.

Ацетатцеллюлозные мембраны, применяемые для обратного осмоса, имеют анизотропную структуру. Верхний активный слой ее толщиной до 0,25 мкм является слоем, в котором происходит разделение, а нижний – крупнозернистый слой (100…200 мкм) обеспечивает механическую прочность мембран. Ацетатцеллюлозные мембраны устойчиво работают в интервале давлений 1…8 МПа, температур 0…30 °С и значений рН 3…8. Для ультрафильтрации используют нитратцеллюлозные, а также полиэлектролитные мембраны. По структуре они аналогичны ацетатцеллюлозным мембранам.

Обратный осмос рекомендуется использовать при следующих концентрациях электролитов: для одновалентных солей – не более 5…10 %; для двухвалентных – 10…15 %; для многовалентных – 15…20 %. Для органических веществ указанные пределы несколько выше. Для уменьшения влияния концентрационной поляризации организуют рециркуляцию раствора и турбулизацию прилегающего к мембране слоя жидкости, применяя мешалки, вибрационные устройства и увеличение скорости.

Конструкция аппаратов для проведения процессов обратного осмоса и ультрафильтрации должна обеспечивать большую поверхность мембран в единице объема, простоту сборки и монтажа, механическую прочность и герметичность. По способу укладки мембран аппараты подразделяются на четыре основные типа:

1) типа фильтрпресс с плоскопараллельными фильтрующими устройствами;

2) с трубчатыми фильтрующими элементами;

3) с рулонными или спиральными элементами;

4) с мембранами в виде полых волокон.