Лекции Обратный осмос и ультрафильтрация.

Обратным осмосом и ультрафильтрацией называют процессы фильтрования через полунепроницаемые мембраны под давлением, превышающим осмотическое давление. Мембраны пропускают молекулы растворителя, задерживая растворенные вещества. При обратном осмосе отделяются частицы (молекулы, гидротированные ионы)

Размеры которых не превышают размеры молекул растворителя. При ультрафильтрации размер частиц не превышает 0,5мкм. От обычной фильтрации такие процессы отличаются отделением частиц меньших размеров. Обратный осмос используется для обессоливания воды в системах водоподготовки ТЭЦ и предприятий различных отраслей промышленности (полупроводников, медикаментов и т.д.), иногда для очистки городских сточных вод.

Достоинством метода являются:

1. – отсутствие фазовых переходов при отделении примесей;

2. – возможность проведения процесса при комнатной температуре, без применения или с небольшими добавками химических реагентов;

3. – простота конструкций аппаратуры.

Недостатки метода:

1. – происходит рост концентрации растворенного вещества у поверхности мембраны. Это приводит к уменьшению производительности, степени разделения и срока службы мембран;

2. – проведение процесса при повышенных давлениях, что вызывает необходимость уплотнений аппаратуры.

Эффективность процесса зависит от свойств применяемых мембран: они должны обладать

– высокой разделяющей способностью (селективностью);

– высокой удельной производительностью (проницаемостью);

– устойчивостью к действию среды;

– неизменностью характеристик в процессе эксплуатации;

– достаточной механической прочностью;

– низкой стоимостью;

Селективность процесса φ (%) разделения определяют по формуле

где С_о и С – концентрации растворенного вещества в исходной сточной воде и фильтрате.

Проницаемость определяется количеством фильтрата V полученного в единицу времени с единицы рабочей поверхности.

V = k₁ = (∆Р- ∆Р_о)

где ∆Р – разность давлений воды до и после мембраны;

∆Р_о – разность осмотических давлений;

k₁ – коэффициент пропорциональности, зависящий от проницаемости мембраны.

В процессе очистки некоторое количество растворенного вещества проходит через мембрану вместе с водой. Для мембран с высоким эффектом разделения этот проскок

[S в кг/м²·сут] практически не зависит от давления и может быть определен по зависимости:

S = k₂ · (С_о - С).

Из формулы следует, чем выше концентрация загрязнений в исходной сточной воде, тем выше интенсивность проникновения веществ через мембрану.

Предложено несколько вариантов механизма обратного осмоса:

1. – мембраны сорбируют воду, которая в поверхностном слое не обладает растворяющей способностью. Если толщина слоя адсорбированных молекул воды составляет половину или более половины диаметра пор мембраны, то под давлением через поры будет проходить чистая вода, несмотря на то что размер многих ионов меньше чем размер молекул воды. Проникновению таких ионов через поры препятствует возникающая у них гидратная оболочка. Размер гидратных оболочек различен у разных ионов.

2. Если толщина адсорбированного слоя молекул воды меньше половины диаметра пор, то вместе с водой через мембрану будут проникать растворенные вещества.

Для ультрафильтрации предложен другой механизм разделения. Растворенные вещества задерживаются на мембране, потому что размер их молекул больше, чем размер пор.

Для проведения процесса применяют непористые динамические и диффузионные мембраны, представляющие собой квазигомогенные гели и пористые мембраны в виде тонких пленок изготовленных из полимерных материалов. Наибольшее распространение получили полимерные мембраны из ацетатцелюлозы. Разрабатываются мембраны из полиэтилена пористого стекла и т.д. Эти мембраны применяют для обратного осмоса. Верхний активный слой мембран толщиной 0,25мкм является слоем в котором происходит разделение, а нижний крупнозернистый слой (100-200мкм) обеспечивает механическую прочность мембран. Ацетатцелюлозные мембраны работают в интервале давлений 1-8мпс, температуры 0-30ºС, и значение рн – 3-8. Для ультрафильтрации используют нитратцелюлезные мембраны, по структуре они аналогичны.

Обратный осмос рекомендуется использовать при следующей концентрации электролитов: для одновалентных солей не более 5-10%, для двухвалентных 10-15%, для многовалентных 15-20%. Для органических веществ указанные пределы несколько выше.

Для уменьшения влияния концентрационной поляризации применяют циркуляцию раствора и турбулизацию прилегающего к мембране слоя жидкости, применяя мешалки, вибрационные устройства и увеличение скорости. Природа растворенного вещества оказывает влияние на селективность. При одинаковой молекулярной массе неорганические вещества задерживаются на мембране лучше чем органические. С повышением давления производительность мембран увеличивается, так как растет движущая сила процесса. При высоких давлениях происходит уплотнение материала мембран, что вызывает снижение проницаемости, поэтому для каждого вида мембран устанавливается максимальное рабочее давление. С ростом температуры уменьшается вязкость и плотность раствора, что способствует росту проницаемости. Но при этом повышается осмотическое давление, которое уменьшает проницаемость. В то же время возрастает скорость гидролиза, сокращая срок службы мембран. Поэтому ацетатцелюлозные мембраны при 50º С разрушаются. Поэтому необходимо работать при 20-30º С.

Конструкция аппаратов для проведения процессов обратного осмоса и ультрафильтрации должна обеспечивать большую поверхность мембран в единице объема, простоту сборки и монтажа, механическую прочность и герметичность. По способу укладки мембран аппараты подразделяются на четыре основные типа:

1. – фильтрпресс с плоскопараллельными фильтрующими устройствами;

2. – с трубчатыми фильтрующими элементами;

3. – с рулонными или спиральными элементами;

4. – с мембранами в виде полых волокон;

В аппаратах типа фильтрпресс мембраны уложены с обеих сторон плоских пористых дренажных пластин, которые расположены на расстоянии 0,5-5,0мм друг от друга. Фильтрующие элементы зажаты между двумя сланцами, стиснутыми болтами. Сточная вода последовательно проходит через все элементы, концентрируется и удаляется из аппарата. Фильтрат, прошедший через мембраны, уходит через дренажный слой. Аппараты имеют невысокую производительность, т. к. суммарная площадь мембран изменяется в пределах 60-300м² на 1м³ объема.

Основным достоинством аппарата с трубчатыми элементами является высокая скорость подачи воды (0,9-12м/с), что сводит к минимуму концентрационную поляризацию и загрязнение поверхности мембран. Производительность аппаратов при давлении 3,0 - 4,0МПа равна 400-1000л/м² · час/. В качестве фильтрующих элементов используются пористые трубы (металлические, керамические, пластмассовые) диаметром от 6 -30мм, на внутреннюю или внешнюю поверхность которых разносится мелкопористая подложка, а на нее помещается полупроницаемая мембрана.

Недостаток аппаратов: более сложная замена мембран, чем в аппаратах фильтрпресс, высокая стоимость нестандартных трубок, наличие застойных зон, неэффективность работы в ламинарном режиме, повышенный расход сточной воды и, следовательно, расход электроэнергии.

Аппараты с фильтрующими элементами рулонного типа отличаются большой плотностью упаковки мембран (300-800м ²/м ³). Аппараты из пакета из двух мембран, гибкой пористой пластины и гафрированного сепарационного листа, навиваются в ряде спирали на трубу имеющие продольные прорези. Сточная вода движется в каналах гафрированного листа. Проникающий через мембраны фильтрат заполняет объем пустот в пористой пластине и проходит по ним к трубе, откуда удаляется. Ширина навивающего пакета равна 300-500мм, а длина 0,6 – 2,5м. В аппаратах имеется несколько пакетов.

Недостаток этих аппаратов – сложность монтажа и смена мембран, сложность обеспечения герметичности;

Аппараты с мембранами в виде полых волокон. Волокна применяются из ацетатцелюлозы, нейлона или других материалов, собираются в пучки длиной 2-3м, которые прикрепляются к стенкам аппарата. Диаметр волокон равен 45-200мкм. Удельная поверхность волокон достигает 20000 м ²/м ³. расположение волокон может быть линейным (концы закрепляются в двух трубных решетках). Аппараты компактны и высокопроизводительны. Удельная проницаемость составляет 5 – 10л/(м ² · сут).

Недостатком этих аппаратов является большое сопротивление и сложность замены поврежденных волокон.

Аппарат типа: фильтрпресс.

1 – пористые пластины

2 – мембраны.