Мембраны – наше всё

В сегодняшней статье мы расскажем о мембранах, используемых в системах водоочистки

Возможно, вы даже встречали термин – «мембранный фильтр». Некоторые считают, что речь идет о системах обратного осмоса. Оказывается, не обязательно. Но обо всём по порядку.

Как работает

Действительно, в системах очистки воды используют такой барьерный метод очистки (т.е. ставящий барьер, а не сорбирующий) с помощью мембраны. В общем случае исходная вода подаётся с внешней стороны мембраны, под давлением продавливается сквозь неё. При этом чистая вода оказывается на внутренней стороне мембраны. Такая вода называется пермеатом, дословно «просочившаяся». Загрязнения остаются на внешней, откуда как правило смываются в дренаж либо накапливаются на ней. Вода, оставшаяся на внешней стороне вместе с загрязнениями, называется концентратом.

Мембрана является лишь одним компонентом, хотя и ключевым, водоочистной системы, как правило, последним или предпоследним. Перед мембраной в большинстве случаев вода проходит через серию механических и сорбционных предфильтров.

Лучший метод очистки

Мембранная очистка в норме обеспечивает наилучшую очистку воды по сравнению со всеми другими широко применяемыми методами. Обусловлено это тонкостью фильтрования – размером пор мембраны. Загрязнения, имеющие размер больший, чем характерный размер пор мембраны, не проходят сквозь неё. Ясно, что чем мельче поры – тем больше загрязнений при прочих равных отфильтрует мембрана. В пределе – в обратноосмотической мембране, через неё не проходит вообще ничего, кроме молекул воды и растворенных атмосферных газов.

Шкала тонкости фильтрования

Существует довольно чёткая градация мембран по тонкости фильтрования. Мембраны, имеющие характерный размер пор в 0,1-0,01 мкм (100-10 нм) называются ультрафильтрационными (и обеспечиваемая ими очистка называется, соответственно, ультрафильтрацией). Мембраны с размером пор в 0,001 мкм (1 нм) называются наномембранами (обеспечивают нанофильтрацию). Мембраны с размером пор в 0,0001 мкм (0,1 нм, 1 Ангстрем) называются по-простому – обратноосмотическими (работают в системах обратного осмоса).

Ультрафильтрация – без сброса в дренаж

Здесь следует уточнить, что существует два основных метода, а точнее – схемы, которые реализуются в системе водоочистки с помощью мембраны: со сбросом в дренаж, и без таковой.

Обратный осмос – это всегда дренаж

Совсем другая ситуация, если мы переходим в следующий размерный класс – наномембран или, тем более, обратноосмотических мембран. Эти мембраны уже останавливают либо вообще всё, кроме молекул воды, либо почти всё, включая и соли жесткости. Соответственно, этим мембранам уже требуется управление автоматическим сбросом концентрата в дренаж. Без него они просто очень быстро забьются загрязнениями. Схема водоочистителя усложняется, появляются различные управляющие и обратные клапаны, системы автопромывки и т.п. Всё это, наряду с ценой самой мембраны, существенно увеличивает цену изделия. Но и польза от дренажа огромна: система не накапливает внутри себя грязь, а постоянно удаляет её наружу. Каждый день – как новая!

Дави и сберегай!

По мере уменьшения пор мембраны воде становится всё сложнее просачиваться сквозь неё. Всё больше воды остаётся на стороне концентрата, всё меньше – на стороне пермеата. То есть получаем систему, когда на 1 литр полученной чистой воды вынуждены несколько литров потерять. Чтобы потери снизить, добавляют помпу. Помпа поднимает давление перед мембраной и помогает продавить сквозь неё непроталкиваемое иным способом. Это еще сильнее повышает цену устройства. И даже тогда поток пермеата невелик. Поэтому придумали накапливать чистую воду в баке. Тогда её (чистую воду) можно вырабатывать не спеша. А отдавать её из бака по требованию – уже с хорошим напором. Оказывается, добавление бака имеет и обратную сторону – бак создаёт на мембране противодавление, что приводит к снижению скорости выработки чистой воды и увеличению её сброса в дренаж. Но тут на помощь пришли прямоточные системы обратного осмоса, где от бака избавились, а хороший поток обеспечен мощной помпой и огромной мембраной. При прочих равных относительный сброс в дренаж в прямоточной системе сокращается в 3-5 раз по сравнению с системой с баком.

Без обмана?

Но вернёмся снова собственно к мембранам. Как вы, наверное, уже догадались из сказанного, на рынке в системах обратного осмоса (или, точнее, в системах, которые выглядят как системы обратного осмоса или называются таковыми) может быть установлена как наномембрана, так и настоящая обратноосмотическая мембрана. В чём подвох, что лучше, и как отличить?

Размер имеет значение, но дело не только в размере

Сразу скажем, что цена не зависит от того, какого размера поры. Цена (точнее, в данном контексте себестоимость) мембраны определяется не тем, наномембрана это или обратноосмотическая мембрана. Возможны все варианты: нано может быть дороже обратноосмотической, а может быть и наоборот.

Какие преимущества и недостатки

Тем не менее, следует чётко понимать, что при прочих равных условиях наномембраны уступают в качестве очистки обратноосмотическим мембранам. Просто в силу тонкости фильтрования. После наномембран остаточный TDS (солесодержание) выше, часть солей и загрязнений проходит сквозь них. Т.е. степень обессоливания (или, что то же самое, селективность, избирательность фильтрации) у них ниже. В особенности не стоит полагаться на наномембраны, если ваша задача очистить воду от тяжелых металлов. Ртуть, свинец, хром, ванадий, мышьяк, сурьма и т.д. – это всё не про наномембраны. Молекулы и ионы солей металлов проходят насквозь поры размером в 1 нм. Таким ионам нужно на порядок более мелкое сито, имеющееся только в настоящих обратноосмотических мембранах, масштаба 0,1 нм (1 Ангстрем). Да и накипь иногда после наномембран может сохраняться.

Есть ли преимущества у наномембран по сравнению с обратноосмотическими? Да есть. Только одно: поскольку это, выражаясь жаргонно, «высокодырявые» мембраны – поток через них выше. Воде проще через такую просачиваться. Соответственно, с одного квадратного метра мембранного полотна в случае с наномембраной получим больший поток пермеата, чем с обратноосмотической мембраны при тех же давлении и температуре. То есть экономим на воде, на помпе, на электроэнергии и т.п.

Спорная тема

Тут некоторые скажут, что есть у наномембран еще одно преимущество: степень обессоливания у них не такая высокая, как у обратноосмотических мембран. То есть нет сильной деминерализации.

Мы бы не преувеличивали значение этого вопроса. Как мы уже писали раньше, существует сильная и во многом неверная убежденность публики, что, якобы, существуют такие волшебные мембраны, которые умеют отличить полезные минералы от вредных. Будто бы всё вредное уберем, а всё полезное – пропустим.

Оставим в стороне моду на вред и на пользу (они постоянно меняются местами: то, что считалось полезным, через десятилетие называют нашим убийцей, и наоборот), сосредоточимся на фактах. А они таковы.

Во-первых, мембрана имеет поры, а поры имеют размер. Что через них проходит, зависит от их размера и размера молекулы, иона или примеси. И не зависит от того, что написали про эту молекулу в очередном выпуске журнала «Здоровье», вредная она или полезная. То есть отфильтровано будет всё, что крупнее, и пройдет всё, что мельче. Пусть соли жесткости лучше осядут на мембране, чем в почках. Какой смысл пить остаточные минеральные соли из водопровода? Да и какие полезные минералы вы там собрались найти?

Во-вторых, с точки зрения рисков лучше убрать как можно больше. Так мы гарантируем удаление заведомо опасных примесей, типа ртути или свинца (а в трубах они есть!). Лучше переборщить с очисткой, чем медленно себя травить.

В-третьих, существуют минерализаторы.

В-четвертых, даже если минерализатора нет – не велика потеря. Многие считают, что минерализаторы в большинстве случаев не нужны. Они могут изменить вкус воды (не всем нравится), они портят вкус чая, кофе, воду после них нельзя использовать для аквариумов (это тоже о многом говорит, рыбки не соврут), и самое главное – минералы мы всё равно в нужном количестве и качестве можем получить только из пищи.

Здоровое и разнообразное питание, а не остаточная минерализация воды из водопровода, – вот залог получения нами всех необходимых минералов. Было бы крайне самоуверенно для производителей фильтров пытаться заменить пищевую промышленность. И всем угодить со вкусом. А потребителям – полагаться в еде только на производителей фильтров, а не на себя и гастроном. Задача фильтров намного скромнее, и одновременно важнее – удалить все яды и предоставить нам чистую безопасную воду, в которую мы добавим всё, что любим по своему вкусу, сварим суп или сделаем коктейль.

Впрочем, не берем на себя смелость утверждать истину в последней инстанции. Знаем одно: у нас прекрасные минерализаторы для систем обратного осмоса, из полностью натуральных компонентов, для тех, кто видит в них ценность.

Не используйте помпу с наномембраной

Но мы отвлеклись. Продолжим.

Какие недостатки у наномембраны по сравнению с обратноосмотической?

Их немного, но они все довольно важные: как было сказано выше – больший остаточный TDS.

Еще один – не самая лучшая стабильность при высоком давлении. Их крупные поры имеют тенденцию становиться еще крупнее под давлением. Фактически, полотно наномембраны менее плотное, всё в дырках, и поток воды под высоким давлением может окончательно разрушить его. Если ваша система имеет помпу, не устанавливайте в неё наномембрану: высока вероятность, что мембрана вовсе начнет пропускать воду без очистки. В этом смысле наномембрана прямо противоположна обратноосмотической мембране. У последней, наоборот, качество очистки возрастает с ростом давления.

Куда смотреть, чтобы выбрать нужное

Как отличить наномембрану от обратноосмотической?

Иногда производитель прямо указывает, что речь идет о наномембране. Ищите ключевое слово «нано» в названии.

Другой (раскрываем профессиональные секреты!) метод – смотрите на маркировку мембраны. Ключевые слова LP или ULP в артикуле. LP – low pressure (низкого давления), ULP – ultra low pressure (ультра-низкого давления, низконапорная). Ещё бы, конечно, низкого, а какого еще? От высокого, как мы помним, она просто развалится.

Еще одно указание – наличие в описании ключевых слов «низкоселективная» / «высокоселективная». Первое – это о наномембране, второе – об обратноосмотической. Иными словами, наномембрана – это низконапорная, низкоселективная мембрана, обратноосмотическая – высоконапорная, высокоселективная.

Секреты этикетки

Перед заключением кратко упомянем, на какие характеристики нано и обратноосмотических мембран еще стоит обращать внимание.

В артикуле мембраны вы, как правило, найдете такие символы: TFC. Это означает материал (точнее, тип материала, а не конкретную марку), из которого она сделана: thin film composite (тонкоплёночный композит). Это единственно правильный тип материала для обратноосмотической мембраны. Что касается наномембраны, она может быть изготовлена как из TFC, так и из других материалов.

Типоразмер мембраны зашифрован в цифрах. Например, 1812, или 3013. Первая пара цифр (18 или 30) означает диаметр (1,8 и 3,0 дюймов соответственно). Вторая пара – установочную длину (12 и 13 дюймов соответственно). Всё это применимо для мембран стандартных типоразмеров.

В конце артикула, после дефиса, как правило указывают рейтинг производительности мембраны. Например, 1812-75 – это мембрана с производительностью до 75 GPD (75 галлонов в сутки).

Производительность считается по пермеату. То есть, в этом примере такая мембрана максимально в оптимальных условиях давления и температур может отфильтровать 75 галлонов (~280 литров) пермеата при непрерывной работе в течение 24 часов. Разумеется, в конкретных условиях эта цифра может отличаться от указанной, но общий рейтинг производительности она отражает, как правило, вполне адекватно.

Для бытовых систем с баком типичного размера (от 3 до 5 галлонов) достаточно мембраны с рейтингом производительности от 35 до 100 GPD. Самые типичные цифры – это 50 или 75 GPD. Существенной разницы между ними нет, но если вы хотите, чтобы бак наполнялся быстрее, выберите мембрану с более высоким рейтингом.

Для систем с помпой рекомендуем мембрану 75 GPD.

Системы прямоточного обратного осмоса используют мембраны значительно большего размера и большей производительности, от 400 GPD и выше.

Качество очистки не зависит от производительности

Даже самая маленькая мембрана очищает точно также, как и большая. Это следует из того простого факта, что любая единичная порция воды проходит ровно через один слой мембраны и ровно один раз. То же верно и для ультрафильтрации.

Конечно, сказанное верно только когда все прочие условия одинаковы. Однако, это зачастую не так. Обратноосмотические мембраны, например, лучше очищают воду при более высоком давлении. А поскольку системы с мощной помпой обычно снабжаются и мембранами большего размера, то, скажем, прямоточные системы обратного осмоса с большими мембранами лучше очищают воду, чем традиционные системы с баком, содержащие маленькие мембраны. Но определяется это здесь давлением, а не размером мембраны.

Инкапсуляция – для ленивых и бережливых

Если мембрана на заводе-изготовителе уже помещена в свой отдельный корпус и запаяна, и заменяется в системе вместе с ним, такая мембрана называется инкапсулированной. Она лучше сохраняет свои свойства, дольше хранится, её проще и удобнее заменять. Инкапсулированные мембраны могут иметь любой нестандартный размер и подходят только к тем системам, для которых они предназначены.

Мокрое и сухое

Мембраны еще делятся на так называемые «мокрые» и «сухие».

Мокрая мембрана всегда должна оставаться влажной, и при хранении, и при эксплуатации. Высушивание для неё недопустимо, поскольку полотно безвозвратно утратит свои качества.

Для сухих мембран такого требования нет. В последние годы почти все имеющиеся на рынке мембраны – сухие. Это понятно, так как обращаться с ними намного проще как продавцам, так и потребителям.

В остальном разницы между ними нет, хотя сухой мембране требуется чуть больше времени для выхода на свои заявленные эксплуатационные характеристики (попросту, ей нужно немного отмокнуть).

Выводы

Перейдём к выводам.

Не все системы очистки воды, называющие себя системами обратного осмоса, являются в полном смысле таковыми. Некоторые содержат наномембраны, которые, строго говоря, не дотягивают до стандартов обратного осмоса и не обеспечивают должной очистки, хотя и используют именно обратный осмос как базовый принцип.

Однако, не следует воспринимать сказанное как бросок камней в чужой огород. И ультрафильтрация, и нанофильтрация являются прекрасными методами очистки в своём классе, имеют свои преимущества и поклонников и в любом случае делают воду намного безопаснее. В нашем ассортименте есть системы ультрафильтрации. Есть у нас и модели с наномембраной (OD310, OD320 – мембрана K857 в их составе является наномембраной). Мы и потребители их любят нисколько не меньше, чем системы обратного осмоса. Хотя мы всем рекомендуем именно наши системы обратного осмоса как лучший метод очистки для всех применений и во всех обстоятельствах.

Все мембраны в нашем ассортименте (кроме K857) являются настоящими обратноосмотическими, с характерным размером пор 0,1 нм. И все наши системы обратного осмоса (кроме упомянутых OD310, OD320) содержат именно такие мембраны.

Надеемся, потребители, желающие разобраться в нюансах, теперь смогут более ясно представлять, что стоит за той или иной терминологией и технологией. И сделают информированный выбор. Ради чего мы и пишем такие лонгриды.