Обратната осмоза е технология за пречистване на водата, която използва полупропусклива мембрана за отстраняване на йони, молекули и по-големи частици от питейната вода. При обратната осмоза се прилага налягане за преодоляване на осмотичното налягане, колигативно свойство, което се задвижва от разликите в химичния потенциал на разтворителя, който е термодинамичен параметър. Обратната осмоза може да отстрани много видове разтворими и суспендирани видове от водата, включително бактерии, и се използва както в промишлени процеси, така и в производството на питейна вода. Резултатът е, че разтвореното вещество се задържа в страната на мембраната, която е под налягане, а чистият разтворител се оставя да премине от другата страна. За да бъде „избирателно пропусклива“, тази мембрана не бива да позволява пропускането на големи молекули или йони през порите, но трябва да позволява на по-малките компоненти на разтвора (като молекулите на разтворителя) да преминават свободно.
В процеса на нормалната осмоза, разтворителят естествено преминава от област с по-ниска концентрация на разтвореното вещество (висок воден потенциал) през мембраната към зона с по-висока концентрация на разтвора (нисък воден потенциал). Задвижващата сила, нужна за придвижването на разтворителя, се получава заради намаляването на свободната енергия на системата. Когато разликата в концентрацията на разтворителя от всяка страна на мембраната се намалява, генерира се осмотично налягане, дължащо се на преминаването на разтворителя в по-концентрирания разтвор. Прилагането на външно налягане за обръщане на естествения поток на чист разтворител се нарича обратна осмоза. Процесът е подобен на други мембранни технологични приложения. Съществуват обаче ключови разлики между обратната осмоза и филтрацията. Преобладаващият механизъм за отстраняване при мембранно филтриране е опъване или изключване на размера, така че процесът теоретично може да постигне перфектна ефективност, независимо от параметри като налягането и концентрацията на разтвора. Обратната осмоза включва и дифузия, което прави процеса зависим от налягането, скоростта на потока и други условия.Crittenden, John; Trussell, Rhodes; Hand, David; Howe, Kerry and Tchobanoglous, George (2005). Water Treatment Principles and Design, Edition 2. John Wiley and Sons. New Jersey. Обратната осмоза е известна най-вече с нейното приложение в пречистването на морската вода, превръщайки я в питейна, като отделя солта и другите замърсители от водните молекули.
История Процесът на осмоза през полупропускливи мембрани е забелязан за първи път през 1748 г. от Жан-Антоан Ноле (фр. Jean-Antoine Nollet). През следващите 200 години осмозата е само явление, наблюдавано в лабораториите. През 1950 г. Калифорнийският университет в Лос Анджелис първи изследва обезсоляването на морската вода с помощта на полупропускливи мембрани. В средата на 50-те години изследователи от Калифорнийския университет в Лос Анджелис и от Университета на Флорида успешно произвеждат годна за пиене вода от морска вода, но от търговска гледна точка добивът е твърде малък, за да бъде жизнеспособен. Следва откритието в Калифорнийския университет в Лос Анджелис от Сидни Льоб и Сриниваса Сурирайан от Националния изследователски съвет на Канада в Отава, на техники за изработване на асиметрични мембрани, характеризиращи се с ефективен тънък слой „кожа“, нанесен върху силно порестата и много по-дебела субстратна област на мембраната. По-късно Джон Кадот от FilmTec Corporation открива, че мембрани с особено висок поток и ниско преминаване на сол, могат да бъдат получени чрез междуфазна полимеризация на м-фенилендиамин и тримезоилхлорид. Патентът на КадотCadotte, John E. (1981) „Interfacially synthesized reverse osmosis membrane“ за този процес става обект на съдебни дела, но срокът му вече е изтекъл. Понастоящем по този метод се правят почти всички мембрани за търговско използване на обратна осмоза. До края на 2001 г., в експлоатация или в етап на планиране са били около 15 200 инсталации за обезсоляване, като приблизително 20% от тях са в САЩ – най-големият брой от всяка страна в света. По отношение на капацитета, обаче, САЩ се класират втори в световен мащаб.
През 1977 г. Кейп Коръл, Флорида, става първата община в Съединените щати, която използва обратна осмоза в голям мащаб, с първоначален оперативен капацитет от 11,35 милиона литра (11 350 m³) на ден. До 1985 г., поради бързото нарастване на населението на Кейп Коръл, градът разполага с най-голямото предприятие за обратна осмоза с ниско налягане в света, способно да произвежда 56,8 млн. литра на ден (56 800 m³/ден).2012 Annual Consumer Report on the Quality of Tap Water . City of Cape Coral
Процес
Осмозата е естествен процес. Когато два разтвора с различна концентрация на разтворено вещество са разделени от полупропусклива мембрана, разтворителят има тенденцията да се мести от ниски към високи концентрации на разтвореното вещество, за балансиране на химичния потенциал.
Формално, обратната осмоза е процесът на принуждаване на разтворител от област с висока концентрация на разтвореното вещество да премине през полупропусклива мембрана до област с ниска концентрация на разтвореното вещество, чрез прилагане на налягане, което преодолява осмотичното налягане. Най-голямото и най-важно приложение на обратната осмоза, е отделянето на чиста вода от вода с висока концентрация на соли (като например морската вода); солената вода е подложена на налягане върху едната повърхност на мембраната, което води до придвижване на вода с ниска концентрация на сол през мембраната и появата на питейна вода от страната с ниско налягане.
Използваните мембрани за обратна осмоза имат плътен слой в полимерната матрица – или кожата на асиметрична мембрана, или междуфазовото полимеризиран слой в тънкослойна композитна мембрана – където се извършва разделянето. В повечето случаи мембраната е проектирана така, че да позволява през този плътен слой да преминава само водата, като същевременно предотвратява преминаването на разтворени вещества (като солни йони). Този процес изисква да се упражнява високо налягане на страната с висока концентрация на мембраната, обикновено между 2 – 17 бара за прясна вода и между 40 – 82 бара за морска вода, която има приблизително 27 бара естествено осмотично налягане, което трябва да бъде преодоляно. Този процес е най-известен с използването му при обезсоляване (отстраняване на солта и други минерали от морската вода, за да се получи питейна вода), но от началото на 70-те години се използва и за пречистване на питейна вода за медицински, промишлени и битови цели.
Приложения за питейната вода Пречистване на питейната вода В целия свят системите за пречистване на питейната вода за домакинствата, включително стъпката на обратна осмоза, обикновено се използват за подобряване на водата за пиене и готвене.
Такива системи обикновено включват редица стъпки: седиментен филтър за улавяне на частици, включително ръжда и калциев карбонат по желание, втори седиментен филтър с по-малки пори филтър с активен въглен за задържане на органични химикали и хлор, които биха атакували и разграждали тънкослойни съставни мембрани за обратна осмоза филтър за обратна осмоза, който представлява тънкослойна композитна мембрана по желание, втори въглероден филтър за улавяне на онези химикали, които не се отстраняват от мембраната за обратна осмоза избирателно, ултравиолетова лампа за стерилизиране на всички микроби, които не се улавят при филтрирането чрез мембраната за обратна осмоза.
Най-новите разработки в тази сфера включват материали и мембрани, изработени чрез нанотехнологии.
При някои системи въглеродният предфилтър се пропуска и се използва мембрана от целулозен триацетат. ЦТА (целулозен триацетат) е мембрана от вторичен хартиен продукт, свързана със синтетичен слой и е направена така, че да позволява контакт с хлора във водата. Изисква се малко количество хлор във водоизточника, за да не се образуват бактерии в него. Типичната честота на отхвърляне на ЦТА мембраните е 85 – 95%.
Целулозната триацетатна мембрана е склонна да гние, освен ако не е защитена от хлорирана вода, докато тънкослойната композиционна мембрана е склонна да се разпадне под въздействието на хлор. Тънкослойната композитна (ТСК) мембрана е изработена от синтетичен материал и изисква хлорът да бъде отстранен преди водата да навлезе в мембраната. За да се защитят елементите на ТСК мембраната от увреждане заради хлора, въглеродните филтри се използват като предварителна обработка във всички жилищни системи за обратна осмоза. ТСК мембраните имат по-висока честота на отхвърляне (между 95 – 98%) и по-дълъг живот от ЦТА мембраните.
Преносимите водни процесори за обратна осмоза се продават за лично пречистване на вода на различни места. За да работят ефективно, подаването на вода към тези единици трябва да бъде под някакъв натиск (нормата е 280 kPa или повече). Преносимите водни процесори за обратна осмоза могат да се използват от хора, живеещи в селски райони без чиста вода, далеч от градските водопроводи. Хората в селата сами филтрират водата от реката или океана, тъй като устройството лесно се използва (солената вода може да се нуждае от специални мембрани). Някои туристи, които пътуват на дълги разстояния с лодка, които са на риболов или правят обиколки на острови, или в страни, където местното водоснабдяване е замърсено или не отговаря на стандартите, използват водни процесори с обратна осмоза, съчетани с един или повече ултравиолетови стерилизатори.
При производството на бутилирана минерална вода, водата минава през процесор за обратна осмоза, за да се отстранят замърсителите и микроорганизмите. В европейските страни обаче такава преработка на натурална минерална вода (както е определена в европейска директиваCouncil Directive of 15 July 1980 on the approximation of the laws of the Member States relating to the exploitation and marketing of natural mineral waters. eur-lex.europa.eu) не е разрешена от европейското законодателство. На практика, част от живите бактерии могат да преминават през мембраните за обратна осмоза заради дребни несъвършенства или си проправят път през мембраната изцяло чрез малки течове в заобикалящите ги уплътнения. По този начин завършените системи за обратна осмоза могат да включват допълнителни етапи на третиране на вода, които използват ултравиолетова светлина или озон за предотвратяване на микробиологично замърсяване.
Размерите на порите на мембраната могат да варират от 0,1 до 5000 nm в зависимост от типа на филтъра. Филтрирането на частици отстранява частици от 1 μm или по-големи. Микрофилтрацията отстранява частици от 50 nm или по-големи. Ултрафилтрацията отстранява частици от около 3 nm или по-големи. Нанофилтрацията отстранява частици от 1 nm или по-големи. Обратната осмоза е в последната категория мембранна филтрация – хиперфилтрация, и отстранява частици по-големи от 0,1 nm."Purification of Contaminated Water with Reverse Osmosis" ISSN 2250 – 2459, ISO 9001:2008 Certified Journal, Volume 3, Issue 12, December 2013
Военна употреба: единицата за пречистване на водата с обратна осмоза Единицата за пречистване на водата с обратна осмоза е преносима, самостоятелна водна пречиствателна станция. Проектирана за военна употреба, тя може да осигури питейна вода от почти всеки източник на вода. Има много модели, използвани от въоръжените сили на Съединените щати и Канада. Някои модели са контейнерни, някои са ремаркета, а някои са автомобили.