ЛЕКЦИЯ 2.5
Обратным осмосом и ультрафильтрацией называют процессы фильтрования растворов через полупроницаемые мембраны под давлением, превышающим осмотическое давление (рис. 26). Мембраны пропускают молекулы растворителя, задерживая растворенные вещества. При обратном осмосе отделяются частицы (молекулы, гидратированные ионы), размеры которых не превышают размеров молекул растворителя. При ультрафильтрации размер отдельных частиц dчна порядок больше. Условные границы применения этих процессов приведены ниже:
| Процесс | Обратный осмос | Ультрофильтрация | Макрофильтрация |
| dч, мкм | 0,0001 – 0,001 | 0,001 – 0,02 | 0,02 – 10 |
В процессе гиперфильтрации мембраны пропускают молекулы растворителя, задерживая растворенные вещества (молекулы, гидротированные ионы, размеры которых больше размеров молекул растворителя). Таким образом, от обычной фильтрации такие процессы отличаются отделением частиц меньших размеров. Давление, необходимое для проведения процесса обратного осмоса (6— 10 МПа), значительно больше, чем для процесса ультрафильтрации (0,1—0,5 МПа).
|
Обратный осмос широко используется для обессоливания воды в системах водоподготовки ТЭЦ и предприятий различных отраслей промышленности (полупроводников, кинескопов, медикаментов и др.); в последние годы начинает примениться для очистки некоторых промышленных и городских сточных вод. Простейшая установка обратного осмоса состоит из насоса высокого давления и модуля (мембранного элемента), соединенных последовательно (рис. 27).
|
|
Достоинства метода: 1) отсутствие фазовых переходов при отделении примесей, что позволяет вести процесс при небольшом расходе энергии; 2) возможность проведения процесса при комнатной температуре без применения или с небольшими добавками химических реагентов; 3) простота конструкции аппарата.
Недостатки метода: 1) возникновение явления концентрационной поляризации, которая заключается в росте концентрации растворенных веществ у поверхности мембраны, это приводит к уменьшению производительности установки, степени разделения компонента и срока службы мембран; 2) требует обеспечения надежной герметизации и применения специальных уплотняющих материалов и аппаратуры.
Эффективность процесса зависит от свойств применяемых мембран, которые должны иметь высокую разделяющую способность (селективность), большую удельную производительность (проницаемость), устойчивость к воздействию среды, стабильность характеристик и размеров в процессе эксплуатации, достаточной механической прочностью, низкой стоимостью. Процесс мембранного разделения зависит от противодавления, гидродинамических условий, конструкции аппарата, природы и количества примесей в сточной воде, температуры процесса. Увеличение концентрации раствора приводит к росту осмотического давления, повышению вязкости раствора и расту концентрационной поляризации, то есть снижению проницаемости и селективности. Природа растворенных веществ оказывает влияние на селективность процесса. При одинаковой молекулярной массе, например, неорганические вещества задерживаются на мембране лучше, чем органические. В целом увеличение давления интенсифицирует процесс фильтрации, однако при высоких давлениях мембраны могут уплотняться, что может снизить их проницаемость, поэтому для каждого вида мембран подбирают оптимальное давление. С ростом температуры вязкость и плотность раствора уменьшаются, что способствует росту проницаемости мембран. Однако, например, ацетатцеллюлозные мембраны при 50°С разрушаются. Поэтому оптимальной температурой считают 20-30°С. Конструкции аппаратов для проведения процесса обратного осмоса и ультрафильтрации должны обеспечивать большую фильтрующую поверхность мембран в единице объема, простоту сборки и монтажа, механическую прочность и герметичность, компактность.
|
|
Для проведения процесса применяют непористые — динамические и диффузионные мембраны, представляющие собой квазигомогенные гели, и пористые мембраны в виде тонких пленок, изготовленные из полимерных материалов. Наибольшее распространение получили полимерные мембраны из ацетатцеллюлозы. Разрабатываются мембраны из полиэтилена, фторированного этиленпропиленового сополимера, политетрафторэтилена, пористого стекла, ацетобутирата целлюлозы и др.
Предложено несколько вариантов механизма обратного осмоса. По одному из них мембраны собирают воду, которая в поверхностном слое не обладает растворяющей способностью. Если толщина слоя адсорбированных молекул воды составляет половину или более половины диаметра пор мембран, то под, давлением через поры будет проходить только чистая вода, несмотря на то, что размер многих ионов меньше, чем размер молекул воды. Прониканию (проницанию) таких ионов через поры препятствует возникающая у них гидратная оболочка. Размер гидратных оболочек различен у разных ионов. Если толщина адсорбированного слоя молекул воды меньше половины диаметра пор, то вместе с водой через мембрану будут проникать и растворенные вещества.
|
|
Для ультрафильтрации предложен другой механизм разделения. Растворенные вещества задерживаются на мембране потому, что размер молекул их больше, чем размер пор, или вследствие трения молекул о стенки пор мембраны. В действительности в процессе обратного осмоса и ультрафильтрации имеют место более сложные явления.
Рис. 28. Аппараты для обратного осмоса:
а – типа фильтр-пресс: 1 — пористые пластины; 2 —мембраны;
6 -трубчатый фильтрующий (элемент): 1 — трубка; 2 —подложка; 3 — мембрана;
в – с рулонной укладкой полупроницаемых мембран: 1—дренажный слой; 2 — мембрана; 3 — трубка для отвода очищенной воды; 4 — сетка-сепаратор;
г – с мембранами в виде полых волокон: 1 — подложка; 2 — шайба с волокном; 3 — корпус; 4 —полые волокна
Основным достоинством аппаратов с трубчатыми элементами: большая скорость фильтрации (0,9-12 м/с), производительность при давлении 3-4 МПа равна 100-1000 л/м2∙ч. Используют перфорированные трубки: металлические, пластмассовые, керамические с внутренним диаметром 6-30 мм. Недостатки: сложность замены мембран, наличие застойных зон, высокая стоимость трубки.
Аппараты с фильтрующими элементами отличаются большой плотностью упаковки мембран от 300 до 800 м2/м3 емкости. Ширина навиваемого пакета 300-500 мм, длина – 0,6-2,5 м. Недостатки: сложность монтажа и смены мембран, трудность обеспечения герметичности аппарата.
Аппараты с фильтрующими волокнами компактны и высокопроизводительны. Диаметр волокон 45-2000 мкм. Удельная поверхность волокна достигает 20000м2/м3. волокна собирают в пучки, длиной 2-3 м. Недостатки: сложность замены поврежденных волокон.