РЕФЕРАТ
Тема: “Общая характеристика, свойства и производители осмотических мембран”
Общие теоретические сведения о системах обратного осмоса и мембранах
Обратный осмос, известный также как гиперфильтрация, лучший из известных способов фильтрации воды. Обратный осмос позволяет удалять из водной массы мельчайшие частицы величиной с ионы. И для удаления из питьевой воды солей и других включений с тем, чтобы улучшить цвет, вкус или свойства жидкости.
Явление осмоса (выравнивание концентраций растворов, разделенных полупроницаемой мембраной) лежит в основе обмена веществ всех живых организмов. Например, подкладка скорлупы куриного яйца является естественной мембраной, через нее проходят молекулы кислорода, но задерживаются загрязнители. Стенки клеток растений, животных и человека представляют собой естественную мембрану, которая является частично проницаемой, поскольку она свободно пропускает молекулы воды, но не молекулы других веществ. Когда корни растений впитывают воду, стены их клеток формируют натуральную осмотическую мембрану, которая пропускает молекулы воды и отторгает большинство примесей. Травы и цветы стоят вертикально только за счет так называемого осмотического давления. Поэтому при недостатке воды они выглядят пожухлыми и вялыми. Фильтрующая способность природной мембраны уникальна, она отделяет вещества от воды на молекулярном уровне и именно это позволяет любому живому организму существовать.
Применение мембран для отделения одних компонентов раствора от других имеет очень давнюю историю, восходящую еще к Аристотелю, впервые обнаружившему, что морская вода опресняется, если ее пропустить через стенки воскового сосуда. Изучение этого явления и других мембранных процессов началось гораздо позже, в начале XVIII века, когда Реомюр использовал для научных целей полупроницаемые мембраны природного происхождения. Но до середины 20-х годов уходящего века все эти процессы имели сугубо теоретический интерес, не выходя за пределы лабораторий. В 1927 году немецкая фирма «Сарториус» получила первые образцы искусственных мембран. После Второй мировой войны американцы, используя немецкие наработки, наладили производство ацетат целлюлозных и нитроцеллюлозных мембран. Лишь в конце 50-х – начале 60-х годов с началом широкого производства синтетических полимерных материалов появились первые научные работы, которые легли с основу промышленного применения обратного осмоса. Первые промышленные обратно осмотические системы появились только в начале 70-х годов, поэтому это сравнительно молодая технология по сравнению с тем же ионным обменом или адсорбцией на активированных углях. Тем не менее, в Западных странах обратный осмос стал одним из самых экономичных, универсальных и надежных методов очистки воды, который позволяет снизить концентрацию находящихся в воде компонентов на 96-99% и практически на 100% избавиться от микроорганизмов и вирусов.
|
|
Явление осмоса наблюдается в тех средах, где подвижность растворителя (например, воды) больше подвижности растворённых в нем веществ (примесей воды). Важным частным случаем осмоса является осмос через полупроницаемую мембрану. Если такая мембрана разделяет раствор (например, воду с примесями) и чистый растворитель (воду), то концентрация воды в растворе оказывается менее высокой, поскольку там часть ее молекул замещена на молекулы растворенного вещества. Вследствие этого, переходы частиц воды из отдела, содержащего чистую воду, в воду с примесями, будет происходить чаще, чем в противоположном направлении (рис. 1-а). Соответственно, объём воды с растворенными примесями будет увеличиваться, тогда как объём чистой воды, будет уменьшаться. Давление, при котором между двумя жидкостями наступает равновесие, называют осмотическим (рис. 1-б)
|
|
Обратный осмос - это процесс, при котором молекулы растворителя (воды) под действием давления движутся из раствора (воды, содержащей примеси) в чистый растворитель (в воду). Если со стороны раствора приложить давление, превышающее осмотическое, то молекулы воды из раствора будут свободно проникать в чистую воду (рис. 1-в). Ввиду того, что полупроницаемая мембрана, разделяющая две жидкости, пропускает в основном только молекулы воды, с одной стороны может быть получена чистая вода без примесей, с другой стороны сконцентрированный раствор солей.
Этот процесс — обратный осмос, может быть использован для очистки таких жидкостей как этанол и гликоль, которые пройдут через обратноосмотическую мембрану, в то время как другие ионы и примеси она не пропустит. Обратный осмос используют в фильтрах для очистки воды, в том числе, для питья.
Помимо пищевых производств обратноосмотические системы применяются для получения воды для медицины, микроэлектроники, фармацевтики, парфюмерии, химической промышленности и теплоэнергетики. Вода для паровых котлов должна иметь очень низкое содержание растворенных веществ, особенно таких, как соли жесткости, окись кремния, железо. Обратный осмос позволяет снизить содержание этих компонентов до требуемых величин. Действительно, традиционно в этой области применяются деионизаторы с регенерацией ионообменных смол растворами кислот и щелочей. Эти устройства при сопоставимой с обратноосмотическими системами стоимости имеют ряд существенных недостатков. Это и необходимость содержания реагентного хозяйства, и большой объем агрессивных кислотно-щелочных стоков, что предъявляет особые требования к дренажной системе. Затраты на расходные материалы (кислоты, щелочи) составляют зачастую немалые суммы. Для обеспечения непрерывной подачи очищенной воды необходимо дублирование оборудования, поскольку не допускается перерыв в работе. Системы обратного осмоса практически лишены этих недостатков. Они способны работать 24 часа в сутки, более удобны в эксплуатации, требуют гораздо меньше расходных материалов (ингибиторы, моющие растворы), имеют неагрессивные сбросные воды.
|
|
Недостатком установок обратного осмоса и нанофильтрации можно назвать необходимость качественной предварительной подготовки воды перед мембранами. В исходной воде должны отсутствовать сильные окислители (например, содержание свободного хлора для обратноосмотических мембран не должно превышать 0,1 мг/л). Перед подачей в мембрану, воду тщательно очищают от механических примесей, железа. Такая предварительная подготовка воды позволяет увеличить срок службы мембран.
В обратноосмотической технологии используется полупроницаемая мембрана, которая пропускает только молекулы воды и задерживает молекулы загрязняющих веществ. Наиболее часто в технологии обратного осмоса используется процесс, известный как перекресное течение, что позволяет мембране самоочищаться. В то время, как часть жидкости проходит через мембрану, другая ее часть двигается в обратном направлении, вымывая из мембраны обратного осмоса задержанные частички. В процессе обратного осмоса требуется движущая сила, которая будет проталкивать жидкость через мембрану, наилучшим вариантом является давление, создаваемое помпой. Чем выше давление, тем больше движущая сила. Установки обратного осмоса способны задерживать бактерии, соли, сахара, протеины, частицы, красители и другие загрязняющие вещества, молекулярная масса которых больше 150-250 далтонов. Разделение ионов обратным осмосом происходит с участием заряженных частиц. Это значит, что расстворенные ионы, которые несут заряд, равный зараряду солей, более вероятно будут отброшены мембраной, чем те, которые не заряжены, например органика. Чем больше заряд частицы и ее размер, тем выше вероятность того, что она будет отброшена мембраной.
Применяемые в настоящее время композитные мембраны позволяют значительно снизить гидродинамическое сопротивление. В них тонкий селективный слой наносится химическим путем на пористую основу (подложку). Толщина селективного слоя составляет 0,1-1,0 мкм, а толщина пористой основы - 50-150 мкм. Подложка практически не создает сопротивления потоку благодаря широким порам, а сопротивление селективного слоя значительно снижается благодаря значительному сокращению его толщины. В целом композитная структура мембраны обеспечивает механическую прочность за счет толщины пористой подложки, а кроме того, позволяет снизить общее сопротивление мембраны за счет тонкости селективного слоя.
Селективный слой обратно осмотических мембран выполнен из полиамидного материала. Рабочее давление таких мембран при минерализации исходной воды до 5 г/л составляет 10-15 бар. Стандартная рабочая температура обратного осмоса не превышает 40ºС, хотя в настоящее время производятся полиамидные мембраны, работающие при повышенных температурах - до 90°С. Селективность полиамидных мембран составляет 90-99,6%.
Обратно осмотические мембраны производятся в виде рулонных мембранных элементов, которые позволяют разместить мембранное полотно с большой площадью в небольшом объеме. Это обеспечивает компактность обратно осмотических установок.
Отечественный и зарубежный опыт показал, что на продолжительность и надежность работы мембран большое влияние оказывает процесс осадкообразования. Образующийся слой осадка, который, как правило, является соленепроницаемым, забивает поверхностные поры мембраны, создает дополнительное сопротивление потоку и массопередаче в граничном слое, в результате чего увеличивается концентрационная поляризация на мембранах и снижается их солезадерживающая способность и производительность.
Химический состав осадков, образующихся при опреснении и очистке вод различного типа, весьма разнообразен. На процессы обратного осмоса отрицательное влияние оказывает образование в аппаратах отложений малорастворимых солей кальция, гидроокисей железа и марганца, а также взвешенных веществ и высокомолекулярных соединений.
В подземных минерализованных и морских водах кальций находится в равновесии с бикарбонатными и сульфатными ионами и содержание его весьма значительно – обычно от 100-120 до 300-400 мг/л. в процессе обратноосмотической обработки воды происходит преимущественный перенос молекул Н2О через мембрану, что вызывает нарушение равновесного состояния и может привести к выпадению на мембранах осадков сульфата и карбоната кальция. Причиной образования осадка сульфата кальция является быстрое достижение в граничном слое концентрации СаSО4, превышающий предел его растворимости (около 2-3 г/л при 200С).
Несколько иначе происходит образование отложений карбоната кальция. В ходе обратноосмотического процесса при опреснении воды происходит удаление из раствора не только воды, но и части свободной углекислоты. В результате углекислотное равновесие в воде сдвигается с образованием избытка карбонатных ионов, которые реагируют с ионами кальция. Образующийся карбонат кальция вследствие малой растворимости выпадает в осадок.
Скорость образования сульфатных и карбонатных отложений зависит от содержания в исходной воде солей жесткости и от величины рН. Чем выше эти значения, тем быстрее происходит образование осадка. Карбонатные отложения образуют плотную, прочно скрепленную с поверхностью мембраны пленку; для сульфатных отложений характерны рыхлость структуры и неравномерность распределения в объеме камеры.
Осадок гидроокиси железа также снижает эффективность работы полупроницаемых мембран. Отложение гидроокиси железа на мембранах приводит к резкому снижению их производительности.
По сути, обратноосмотическая мембрана - это сердце и душа системы обратного осмоса. Фильтры обратного осмоса начинается с подбора мембраны обратного осмоса, а другие компоненты выбираются исходя из свойств мембраны. Существует три типа мембраны обратного осмоса, каждая из которых имеет свои преимущества и недостатки:
· смесь триацетата целлюлозы с ацетатом целлюлозы(CTA);
· тонкослойная полупроницаемая мембрана (TLCR);
· модифицированный полисульфон (SPSF).
Вода, прошедшая через мембраны обратного осмоса CTA, имеет самую низкую себестоимость питьевой воды. Низкая производительность ограничивает использование обратно осмотических мембран CTA там, где необходима высокая производительность, однако их стойкость к окислению позволяет им самоочищаться от производных хлора, находящихся в водопроводной воде. Это делает обратноосмотические мембраны CTA наиболее подходящими для типичных нужд водоподготовки. К тому же, пропущенный в накопительный бак хлор позволяет позволяет снизить уровень бактерий в питьевой воде.
Мембраны обратного осмоса TLC сочетают в себе высокую производительность, высокий уровень отталкивания частиц и широкий приемлемый для работы уровень рН, что делает их идеально подходящими для применнеия во многих областях водоподготовки. В случаях высокого уровня потребления воды, при низких температурах и давлении воды, высокой концентрации нитратов или при высоком уровне рН (более 9,0) рекомендовано применять именно мембраны ТСL.
Однако, в связи с мембранами обратного осмоса TLC, нарaстает беспокойство по поводу полного очищения питьевой воды от хлора, что может привести к развитию в накопительных баках огромнейшего количества бактерий. В отношении себестоимости получаемой питьевой воды, приемнение мембран ТСL в системах обратного осмоса все еще остается наиболее дорогостоящим.
Конечно, мембраны обратного осмоса SPSF сейчас намного проще приобрести, чем в прошлые года, однако они не идут ни в какое сравнение с производительностью и стоимостью обратноосмотических мембран CTA. Так же существует определенное опасение относительно способности мембран обратного осмоса SPSF очищать неумягченную воду. Но осмотические мембраны SPSF просто незаменимы для очищения умягченной воды с высоким уровнем рН, либо при черезвычайно высоких концентрациях нитратов. Мембраны же СТА и TCL хороши для применения в других случаях водоподготовки.
Естественно, что стоимость подобной системы обратного осмоса для домашнего использования не может быть совсем низкой - если розничная цена опускается ниже 1400 гривен, то, скорее всего, это китайский товар, изготовленный из низкокачественных комплектующих. Качественный фильтр, например одна из самых распространенных на рынке система TGI-525, стоит около 400 у.е. Это недешево, однако и срок службы системы очень велик. Конечно, примерно раз в год вам придется сменить картриджи, на что уйдет еще порядка 20 у.е, а раз в два года еще и мембрану (40-50 у.е). Но и производительность установки высока - бытовая система способна давать от 130 до 600 л воды в сутки. В результате, при расчете на двухлетний период, литр воды, полученный путем обратного осмоса, обходится в 0,005 грн/литр, в то время как средняя стоимость литра воды в бутылках равна около 1 грн/литр.
Устройство мембран