Новые горизонты применения мембран обратного осмоса и нанофильтрации

А. Г. Первов, Московский государственный строительный университет

А. П. Андрианов , Московский государственный строительный университет

Д. В. Спицов, Московский государственный строительный университет

Мембраны в современных технологиях водоподготовки

Современное состояние мембранного рынка показывает устойчивые тенденции к расширению области применения мембран обратного осмоса.

Традиционно роль обратного осмоса в питьевом водоснабжении сводилась к опреснению морской и подземной воды, в основном для снижения ее солесодержания. Однако «универсальность» мембран, а также их новое качество (энергосбережение) благодаря работе при низких давлениях, сделала мембраны обратного осмоса незаменимым методом доочистки воды, способным убирать из нее многие загрязнения в ионной форме, которые не под силам другим методам – фториды, мышьяк, стронций, аммоний, нитраты и нитриты. Использование мембран для доочистки воды «у крана» привело к огромному росту производства мембран, темпы которого все время увеличиваются. По данным за 2006 год только в США годовое производство мембранных аппаратов малого размера для мини-систем уже превышает $250 млн! А по данным южно-корейской фирмы «Сайхан» (SAEHAN), занимающей третье место в мире по производству мембран обратного осмоса, практически половина всех производимых этой фирмой мембран поступает на производство аппаратов для мини-систем.

Кроме того, большое количество аппаратов и крупных установок «работает» на питьевое водоснабжение. Разработка метода нанофильтрации (разновидности обратного осмоса с низкими солезадерживающими способностями) позволяет применять этот метод для очистки поверхностных и подземных вод вместо традиционных методов. Это вызвано чрезвычайно высокой эффективностью нанофильтрационных мембран в снижении концентраций органических загрязнений, как высокомолекулярных (гуминовых и фульвокислот, образующих цветность), так и низкомолекулярных, в том числе хлорорганических веществ, особенно опасных для здоровья людей. Именно нанофильтрационный процесс может оказать решающее влияние на формирование нового направления в питьевом водоснабжении – создание крупных станций для централизованного снабжения питьевой водой. Такие станции нанофильтрации производительностью 10000 м³ воды в час и выше уже работают в ряде городов Европы (Париж, Амстердам), США и Австралии [1].

Корейский опыт

В формировании современного рынка мембран и мембранных технологий большую роль сегодня играет опыт Южной Кореи, в частности, фирмы «Сайхан» – одного из крупнейших в мире производителей мембран обратного осмоса и нанофильтрации и аппаратов на их основе.

При визите в Южную Корею с первых минут бросаются в глаза не только корейские автомобили и электроника, но и корейские водоочистители на основе мембран обратного осмоса. Они везде – в каждой квартире и гостиничном номере, в каждой торговой точке, кафе, ресторане. Именно наличие «рынка», т. е. потребности в мембранных системах, и создало крупнейшую индустрию мембран. Корейские фирмы производят по 2,5–3 млн мембранных водоочистителей в год!

Создание мембранного производства в Корее произошло неожиданно для всех и стремительно. До 1996 года в Корее технологией обратного осмоса занимались специалисты по водоподготовке в отделе «Research & Development» фирмы «Самсунг». Будучи крупнейшей в мире фирмой – производителем электроники, компания «Самсунг» финансировала исследования в области создания технологий подготовки глубоко обессоленной воды для производства полупроводниковых изделий. Вместе с этим специалисты «Самсунга» осваивали и синтез современных обратноосмотических мембран, и производство мембранных аппаратов, чему способствовали огромные растущие потребности самой компании в мембранных аппаратах и установках.

Но даже в начале 1996 года, когда специалисты R&D продемонстрировали работу опытных линий по производству мембран и аппаратов, руководство «Самсунга» еще скептически относилось к возможности создания компании, удовлетворяющей потребности местного рынка в конкурентоспособной мембранной продукции. Однако отдел R&D, отделившись от «Самсунга» и организовав фирму «Сайхан», быстро наладил производство мембран мирового уровня, потеснив японских и американских конкурентов не только на корейском, но и на мировом рынке.

Пример системы нанофильтрации фирмы «Уотерлэб»

Сейчас только предприятия электронной промышленности Кореи, в том числе и «Самсунг», ежегодно покупают мембранные аппараты общей производительностью более 50 тыс. м³/ч. При этом аппараты и мембраны «Сайхан» покупаются производителями очистных установок во всех странах мира. И это достигнуто не только сравнительно низкими ценами, но, главным образом, высокими качественными показателями продукции при постоянном использовании самых последних достижений мембранной науки.

Среди самых последних «новинок» мембранных технологий – создание нового поколения мембран с модифицированной поверхностью, «отторгающей» различные коллоидные и органические соединения – мембраны «Сайхан» показали наилучшие результаты при доочистке сточных вод в сравнении с аппаратами других мировых производителей. Стремительно растущий рынок домашних водоочистителей потребляет почти половину (!) всех производимых фирмой мембран, а ведь по их производству «Сайхан» уже прочно занимает третье место в мире.

Сегодня крупнейшие производители мембран ожидают «наводнения» рынка мембранами китайского производства.

Ультрафильтрация

Необходимость поиска новых путей повышения эффективности работы городских сооружений очистки природных и сточных вод привела к разработке новых направлений в технологии ультрафильтрации и созданию новой отрасли промышленного изготовления ультрафильтрационных мембран. Благодаря огромным масштабам использования ультрафильтрационных мембран на коммунальных очистных сооружениях их производство в последние годы переживает настоящий бум. Выпуск ультрафильтрационных аппаратов с мембранами в виде капилляров или «полого волокна» сложился в самостоятельную отрасль с отдельным рынком, созданным масштабной реконструкцией существующих городских водоочистных сооружений и представленный рядом компаний США, Германии, Нидерландов, Сингапура, Японии, Канады.

В ряде случаев системы ультрафильтрации «конкурируют» с традиционными мембранными системами обратного осмоса/нанофильтрации (в системах доочистки городского водопровода, в системах питьевого водоснабжения и др.), а в ряде случаев действуют совместно при создании комбинированных систем (в качестве систем предочистки перед системами обратного осмоса для повышения надежности и эффективности их работы).

Однако возможности ультрафильтрационных мембран (имеющих размеры пор 0,005–0,1 мкм) далеко не универсальны, что ограничивает область их применения в водоснабжении удалением взвешенных, коллоидных и бактериальных загрязнений. Поэтому на существующих станциях водоснабжения метод ультрафильтрации используют в сочетании с другими технологиями (коагуляционной и окислительно-сорбционной) [2–5].

Мини-система доочистки водопроводной воды в кухне

Технологии применения мембран

Рост продаж нанофильтрации и перспективы развития этих мембран объясняются огромными возможностями и универсальностью этого метода, обеспечивающего решение различных задач питьевого и технического водоснабжения.

Уже говорилось об использовании мембран для подготовки воды в системах централизованного водоснабжения [6], для доочистки водопроводной воды в городских зданиях [7], для водоподготовки на энергетических объектах [8]. С большой надеждой смотрят на применение метода обратного осмоса при доочистке биологически очищенных сточных вод для использования их в оборотных системах промпредприятий, а также для обработки и утилизации сточных вод городских водопроводных станций.

Высокие темпы производства мембран и постоянное появление мембран новых типов при неуклонном снижении их стоимости требуют от разработчиков водоочистного оборудования знаний возможностей мембран и навыков использования мембранных процессов в технологиях водоподготовки. Здесь важно умение правильного выбора типов мембранной аппаратуры, технологической схемы, реагентов для эксплуатации и т. д. Производители мембранного оборудования снабжают своих покупателей программами, позволяющими провести расчет и проектирование мембранных водоочистных систем и правильно использовать характеристики используемых мембран.

В основе разработанных программ лежат исследования зависимостей характеристик мембран от состава исходной воды, заданных параметров установок, условий их эксплуатации и т. д. Для современных нанофильтрационных мембран, по-разному задерживающих различные компоненты природной воды, эти программы не всегда дают точный результат. Фирмой «Уотерлэб» (WATERLAB) на основе экспериментальных и опытных данных создана программа, которая позволяет подобрать оптимальный тип мембран и условия эксплуатации (выход фильтрата, рабочее давление), сделать технологический расчет установок, определить типы применяемых реагентов и т. д. [9, 10]. Эта программа разработана специально для применения мембран «Сайхан» в питьевом и техническом водоснабжении. Примеры обработки экспериментальных данных, вошедших в основу программы, представлены в табл. 1 и на рис. 1. Выбор типа мембран определяется требованиями к качеству очищенной воды и соответствием показателей очищенной воды (содержанием ионов Ca²⁺, F^–, NH₄⁺ и т. д.) заданным требованиям. При этом выбираются оптимальные параметры работы мембранных установок, соответствующие величинам выхода по фильтрату и рабочего давления, при которых достигается наибольший эффект очистки по нескольким заданным компонентам. Различные типы мембран обладают различной «устойчивостью» к различным загрязнениям, что тоже учитывается при проектировании систем водоочистки [11].

Рисунок 1. Экспериментальные характеристики различных мембранных аппаратов, использованные при составлении программного расчета мембранных установок с нанофильтрационными аппаратами CSM а – зависимости концентраций ионов в фильтрате от величины выхода фильтрата, % (табл. 1) для различных солесодержаний исходной воды; б – зависимости скоростей осадкообразования карбоната кальция в аппаратах типа 4040 от типа мембран и величины выхода фильтрата (для исходной воды по табл. 1)

Анализ современного российского рынка систем очистки воды

В основе развития рынка водоочистки лежит применение современных эффективных технологических процессов, требующих для их разработки достаточно долгого времени и немалых средств. Разработанные технологические процессы всегда стремятся расширить области своего применения. Например, среди процессов водоподготовки в последнее время ведущее место начинают занимать мембранные методы. Если раньше их применение ограничивалось подготовкой особо чистой воды в медицине, фармакологии, пищевой промышленности, то в последние годы мембраны используются в теплоэнергетике и питьевом водоснабжении в огромных масштабах. В последние годы отмечается также рост использования новых водоочистных систем при освоении новых месторождений в нефтегазоносных районах, в жилищном и городском строительстве.

Объемы продаж оборудования в той или иной отрасли зависят от уровня ее промышленного развития, а также определяются спецификой экономического развития, уровнем инвестиций и т. д. Часто потребителями систем очистки воды становятся отрасли, ранее и не думающие о водоподготовке на своих предприятиях. Например, огромным сегментом рынка становится городское строительство жилых, офисных, гостиничных зданий, торговых и логистических центров с привлечением иностранных инвестиций и создаваемых в соответствии с международными стандартами, в том числе и качества воды. Большое значение имеет уровень общественного развития, повышение уровня жизни. Если раньше население и не думало о бытовых фильтрах, то теперь их потребление приобретает гигантские масштабы.

Система нанофильтрации в коттедже

Типы «востребованного» на рынке оборудования зависят от эффективности использованных технологий. Роль мембранных технологий в последнее время возрастает и составляет все большую часть оборудования, используемого для питьевого и промышленного водоснабжения, а также в водоподготовке для энергетики. Это связано не только с эффективностью очистки воды, но и со спецификой мембранного оборудования, отличающегося малыми габаритами, простотой монтажа, отсутствием реагентов и т. д. Такие преимущества мембранных систем оказываются решающими при проведении реконструкций крупных объектов, благодаря чему сокращаются сроки строительства и монтажа, а также объемы помещений. Доля использования мембран среди конкурирующих традиционных технологий неуклонно растет во всех отраслях, хотя доля его от общего использования пока мала (рис. 2).

Рисунок 2. Доля различных технологий в подготовке воды (2006 – 2007 годы) а – энергетика; б – питьевое водоснабжение; в – водоснабжение вахтовых поселков

Прогноз рынка продаж оборудования (в том числе мембранного) составить достаточно трудно, и полученная за последние годы статистика продаж не дает реальной картины рынка. Каждый год, в зависимости от ввода в действие крупного объекта (например, крупных ТЭЦ или очистных сооружений) может повлиять на общий объем продаж данного типа оборудования. Следует отметить, что внедрение передовых технологий на крупных объектах не всегда способствует дальнейшему их продвижению на рынке, поскольку после ввода объектов в действие требуется время для наблюдения, подтверждения эффективности принятых решений и оценки целесообразности вложения средств.

Рисунок 3. Потребление мембран на рынке водоподготовки а – для различных технологий; б – в питьевом водоснабжении

Ресурсы рынка отдельных типов оборудования также часто бывает сложно оценить. С одной стороны, легко определить явных потребителей – крупные предприятия, нефтегазовые компании, осваивающие новые месторождения, «горводоканалы» и др. С другой стороны, имеется скрытый потенциал рынка в виде постоянно растущих объектов городского строительства, потребителей бытовых фильтров, малых и средних предприятий. С развитием производства и повышением жизненного уровня ресурсы этого рынка могут быть многократно увеличены. Приведенные на рис. 3 и рис. 4 диаграммы отражают структуру продаж мембранных фильтров в России только на сегодняшний день. Современные поставщики и производители оборудования «гоняются» за крупными заказами, хотя традиционно в зарубежной практике рынок бытовых систем и оборудования для малых предприятий оказывается больше, чем для крупных промышленных объектов. Например, в США, Европе и Корее (рис. 5) объем продаж мембран для бытовых очистителей намного превышает потребление мембран для промышленных установок, а в Южной Корее и Японии многочисленные производства полупроводников потребляют мембранного оборудования в десятки раз больше, чем другие крупные энергетические и промышленные объекты.

Рисунок 4. Потребление мембран на рынке водоподготовки а – для различных технологий; б – в питьевом водоснабжении

Рисунок 5. Процентное соотношение объемов выпускаемых мембран, используемых для производства мембранных аппаратов различных типоразмеров (по материалам фирмы «Сайхан»)

Главное преимущество нашего рынка мембранных технологий состоит в возможности повлиять на его формирование и перспективы при творческом подходе к организации продаж установок. Поэтому очень важна творческая инициатива поставщиков мембран и производителей оборудования. Крупнейшие мировые производители фильтрующего, в том числе мембранного, оборудования – «Дау Кемикл», «Дженерал Электрик» (США), «Нитто Денко», «Асахи» (Япония), «Норит» (Нидерланды), «Сайхан» (Южная Корея) и др. – уже имеют свои представительства в России, однако дальнейший рост рынка зависит от расширения сотрудничества зарубежных поставщиков с местными российскими компаниями-производителями оборудования, знакомых со спецификой водного бизнеса.

Перспективы развития мембранных технологий на отечественном рынке

Прогресс технологий производства новых мембранных материалов ведет к существенному снижению их стоимости и росту распространения мембранных систем очистки воды, в частности, для целей питьевого и технического водоснабжения. Это требует от специалистов этой области подготовки особых навыков по использованию мембран и эксплуатационных реагентов.

При использовании мембран в водоподготовке сильно сказывается «недоработанность» процессов в технологическом смысле: эксплуатация мембранных систем часто требует специальных реагентов, дополнительного оборудования по предочистке, что является следствием подверженности мембран влиянию осадков различной природы, которые образуются из веществ, содержащихся в обрабатываемой воде.

Это обстоятельство снижает надежность, а также удорожает и усложняет процесс использования мембранных установок. Сейчас идет постоянное совершенствование мембранных систем, открывающее путь к расширению областей их применения. Большое значение имеет синтез новых мембран с модифицированной поверхностью, «отторгающей» многие виды загрязнений. Кроме того, ведется совершенствование конструкций мембранных аппаратов, также снижающих опасность их загрязнений и повышающих надежность их работы [4, 12]. Благодаря таким инновациям мембранные системы оказываются намного надежнее и компактнее, что позволяет легко использовать их при модернизации систем водоснабжения, в аппаратах производства воды «у крана», в аппаратах продажи питьевой воды и т. д.

При разработке систем питьевого водоснабжения все большую роль играют нанофильтрационные мембраны, позволяющие добиваться оптимального состава очищенной воды [13]. При этом использование систем доочистки воды «у крана» продолжает стремительно развиваться, составляя огромную конкуренцию использованию привозной бутилированной воде.

Современные жилые и административные здания уже не обходятся без систем доочистки воды, чему были посвящены ранее опубликованные статьи [6–8]. Нанофильтрация является, пожалуй, самой универсальной и перспективной технологией доочистки питьевой воды. Кроме того, в системах теплоснабжения и кондиционирования воздуха также используются мембранные системы [8, 14]. И, наконец, важнейшим направлением исследований в настоящее время является доочистка сточных вод, позволяющая получить воду высокого качества, используемую в оборотном и техническом водоснабжении городских объектов.

Литература

1. Ventresque C. et al. An outstanding feat of modern technology: the Meru-Sur-Oise Nanofiltration Treatment Plant (340 000 m3/d) // Proc. of the Conf. on Membranes in Drinking and Industrial Water Production (Paris, 3-6 October). 2000. V. 1, p. 1–16.

2. Андрианов А. П., Первов А. Г. Перспективы применения мембранных методов ультрафильтрации и нанофильтрации на крупных водопроводных станциях // Проекты развития инфраструктуры города: Сб. науч. трудов. Вып. 4. М., 2004.

3. Laine J.-M., Vial D., Moulart P. / Status after 10 years of operation – overview of UK technology today // Proceedings of the Conference on Membranes in Drinking and Industrial Water Production. Paris, France, 3-6 October, 2000 – V. 1, p. 17–27.

4. Первов А. Г., Козлова Ю. В., Андрианов А. П., Мотовилова Н. Б. Разработка технологии очистки поверхностных вод с помощью нанофильтрационных мембран // Критические технологии. Мембраны. 2006. № 1 (29).

5. Храменков С. В., Шредер Р. Юго-Западная водопроводная станция – новый шаг в развитии системы водоснабжения Москвы // Водоснабжение и санитарная техника. 2007. № 11 (часть 1).

6. Первов А. Г., Андрианов А. П. Метод ультрафильтрации в современном водоснабжении: проблемы и перспективы // Сантехника. 2006. № 5.

7. Первов А. Г., Андрианов А. П. Современные мембранные системы нанофильтрации для подготовки питьевой воды высокого качества // Сантехника. 2007. № 2.

8. Первов А. Г., Андрианов A. П., Спицов Д. В., Кондратьев B. В. Разработка новых технологий и аппаратов на основе метода нанофильтрации для систем водо- и теплоснабжения городских зданий // Сантехника. 2007. № 3.

9. Первов А. Г., Макаров Р. И., Андрианов А. П., Ефремов Р. В. Мембраны: новые перспективы освоения рынка питьевой воды // Водоснабжение и санитарная техника. 2002. № 10.

10. Макаров Р. И., Первов А. Г., Андрианов А. П. Прогноз качества воды, обработанной с помощью нанофильтрационных мембран ОПМН // Критические технологии. Мембраны. 2002. № 15.

11. Первов А. Г., Ефремов Р. В., Андрианов А. П., Макаров Р. И. Оптимизация использования процесса нанофильтрации при подготовке воды питьевого качества // Критические технологии. Мембраны. 2004. № 3 (23).

12. Первов А. Г., Андрианов А. П., Козлова Ю. В., Мотовилова Н. Б. Основы создания новых технологий обработки поверхностных вод с применением нанофильтрации // Водоснабжение и санитарная техника. 2007. № 5.

13. Первов А. Г., Андрианов А. П., Ефремов Р. В., Козлова Ю. В. Новые тенденции в разработке современных нанофильтрационных систем для подготовки питьевой воды высокого качества: обзор // Критические технологии. Мембраны. 2005. № 1 (25).

14. Юрчевский Е. Б., Первов А. Г., Андрианов А. П. Изучение процесса формирования осадков взвешенных, коллоидных, органических и кристаллических веществ на поверхности мембран и пути увеличения срока работы мембранных систем до химической промывки // Энергосбережение и водоподготовка. 2006. № 3 (41).