Работа обратноосмотических водоочистных систем основана на природном явлении осмоса, открытом учеными более 200 лет назад. Для понимания процесса обратного осмоса необходимо вспомнить, что собой представляет процесс прямого осмоса.

Оболочки всех живых клеток — это естественные полупрони­цаемые мембраны, обладающие селективной (т.е. выборочной) пропускной спо­собностью. Это означает, что без затраты дополнительной энергии через полупроницаемую мембрану живых клеток может проходить только вода. Молекулы минеральных веществ, при растворении в воде подвергаются процессу гидролиза и распадаются на электрически заряженные частицы — ионы. Наружная поверхность клеточной мембраны имеет на себе определенный электрический заряд и заряженные частицы растворенных в воде минеральных веществ просто отталкиваются от мембраны за счет ее собственного электрического заряда. Перенос минеральных веществ внутрь клетки осуществляется через специальные каналы, расположенные в клеточной мембране, с помощью специальных транспортных молекул и затратой дополнительной энергии.

В экспериментальных условиях процесс осмоса происходит следующим образом (см. рис. 1).

Представим себе сосуд, разделенный на две части полупроницаемой мембраной. С одной стороны мембраны налит водный раствор какого-либо минерального вещества высокой концентрации, с другой стороны — раствор того же вещества низкой концентрации. Согласно закону равновесия вода переходит через полупроницаемую мембрану из раствора низкой концентрации в раствор высокой концентрации до тех пор, пока концентрации растворов по обе стороны мембраны не станут одинаковыми. После того как концентрации растворов уравняются, верхние уровни растворов по обе стороны мембраны будут расположены на разной высоте. Разница между верхними уровнями растворов будет пропорциональна разнице концентраций этих растворов. Разница концентраций двух растворов, разделенных полупроницаемой мембраной называется осмотическим давлением. Единица измерения осмотического давления — psi. Каждые 100 мг минеральных веществ, растворенных в 1 литре воды, создают осмотическое давление 1 psi.

Теперь попытаемся понять как происходит процесс обратного осмоса. Нарисунке 2 изображен тот же сосуд, разделенный на две части полупроницаемой мембраной.

С одной стороны налит раствор высокой концентрации, с другой — раствор низкой концентрации. Вода переходит через мембрану в более концентрированный раствор, стремясь уравнять концентрации по обе стороны мембраны. Подействуем внешним дав­лением на более концентрированный раствор и увидим, что направление хода воды через мембрану изменилось на противопо­ложное. Теперь переход воды через мембрану не зависит от концентрации растворов — она просто продавливается через мембрану внешним давлением. В результате концентрация раствора изначально имевшего большую концентрацию начинает увеличиваться, а концентрация раствора изначально имевшего меньшую концентрацию начинает уменьшаться. Пропускная способность мембраны при этом не изменяется, через нее по-прежнему проходит только вода, но уже в обратном направлении. Таким образом, мы получили процесс обратного осмоса, на котором и основан наиболее совершенный способ очистки питьевой воды от содержащихся в ней минеральных веществ.

Принцип работы водоочистных систем, работающих на основе процесса обратного осмоса, показан на рисунке 3.

В одну часть сосуда, разделенного полупроницаемой мембраной, под давлением поступает водный раствор большой концентрации. Вода продавливается через мембрану во вторую половину сосуда, а минеральные вещества, оставшиеся в первой половине сосуда сбрасываются в канализацию.

Основным рабочим элементом такой системы является обратноосмотическая полупроницаемая мембрана.

Обратноосмотическая полупроницаемая мембрана представляет собой композитный полимер неравномерной плотности. Этот полимер образован из двух слоев, неразрывно соединенных между собой. Наружный очень плотный барьерный слой толщиной около 10 миллионных инча лежит на менее плотном пористом слое, толщина которого составляет пять тысячных инча. На рис. 4показана обратноосмотическая мембрана в разрезе.

Обратноосмотическая мембрана — это прекрасный фильтр и теоретически содержание растворенных минеральных веществ в полученной в результате фильтрации чистой воде должно составлять 0 мг/л, неза­висимо от их концентрации во входящей воде.

Фактически же, в нормальных рабочих условиях, из входящей воды извлекается 98 – 99 % рас­творенных в ней минеральных веществ. В полученной в результате фильтрации чистой воде, остается 6 – 7 мг/л растворенных минеральных веществ.

Для того чтобы понять, почему обратноосмотическая мембрана пропускает незначительную часть минеральных веществ, вернемся к началу статьи и вспомним, что растворенные в воде минеральные вещества имеют электрический заряд и полупроницаемая мембрана также имеет собственный электрический заряд. За счет этого 98 – 99% молекул минеральных веществ отталкивается от обратноосмотической мембраны. Однако все молекулы и ионы находятся в постоянном, хаотичном движении. В какой-то момент движущиеся противоположно заряженные ионы оказываются на очень близком расстоянии друг от друга, притягиваются, их электрические заряды взаимно нейтрализуются и образуется незаряженная частица. Незаряженные частицы уже не отталкиваются от обратноосмотической мембраны и могут проходить через нее.

Но не все незаряженные частицы попадают в чистую воду. Обратноосмотическая мембрана устроена таким образом, что величина ее пор максимально приближена к величине самых маленьких в природе молекул воды, поэтому через обратноосмотическую мембрану могут проходить только мельчайшие незаряженные молекулы минеральных веществ, а самые опасные крупные молекулы, например, солей тяжелых металлов, не смогут проникнуть через нее.