Области применения мембранных методов
Размеры частиц, мкм |
Молекулярная масса |
Состояние загрязнений |
Метод удаления |
Рабочее давление, МПа |
0,1 – 0,01 |
10 000 – 500 000 |
Макромоллекулы, коллоиды, бактерии, вирусы |
Ультрафильтрация |
0,07 – 0,7 |
0,01 – 0,001 |
100 – 10 000 |
Многозарядные ионы, молекулы, вирусы, ионы солей |
Нанофильтрация |
0,3 – 1,6 |
0,001 – 0,0001 |
менее 100 |
Обратный осмос |
0,3 – 7,0 |
Эффективность процесса мембранного разделения зависит главным образом от свойств мембран. Обратноосмотические мембраны обеспечивают следующие коэффициенты очистки (отношение концентраций примесей в исходной и обработанной водах): 50 – 100 – по одновалентным ионам Na+, K+, Cl-, NO3-, HCO3-; более 100 – по двухвалентным ионам Ca2+, Mg2+, SO42-; значительно выше 100 – для ионов, подвергаемых гидролизу. Наиболее эффективно использование установок обратного осмоса при солесодержании исходной воды 0,5 — 5 г/дм3.
Особенности метода обратного осмоса
Метод обратного осмоса заключается в фильтровании растворов под давлением через полупроницаемые мембраны, пропускающие растворитель и полностью или частично задерживающие молекулы либо ионы растворенных веществ. В основе описываемого способа лежит явление осмоса — самопроизвольного перехода растворителя через полупроницаемую перегородку в раствор. Давление, при котором наступает равновесие, называется осмотическим. Если со стороны раствора приложить давление, превышающее осмотическое, то перенос растворителя будет осуществляться в обратном направлении, что отразилось в названии процесса - «обратный осмос».
Движущую силу процесса обратного осмоса в случае идеально полупроницаемой мембраны можно определить следующим образом:
где избыточное давление под исходным раствором;
осмотическое давление раствора.
Однако на практике мембраны обычно не обладают идеальной полупроницаемостью и наблюдается некоторый переход через мембрану растворенного вещества. В этом случае движущая сила определяется выражением:
где осмотическое давление фильтрата, прошедшего через мембрану.
Обратноосмотические мембраны
За голы развития мембранных методов очистки накоплен опыт эксплуатации мембранных систем, благодаря чему современные мембраны должны отвечать ряду требований:
механическая прочность — важна при производстве мембранных аппаратов, где к мембранам прилагаются усилия. Кроме того, важна прочность при воздействии абразивных частиц, содержащихся в воде;
гидрометрическая устойчивость – неподверженность мембран гидролизу. т.е. разложению в водной среде;
стойкость к химическому воздействию окислителей – особое значение имеет хлоростойкостъ мембран, т.е. стойкость к воздействию свободного хлора. Большинство современных мембран разрушается хлором, что требует дополнительных мер по дехлорированию воды;
химическая стойкость — стойкость к воздействию перепадов рН. В процессе работы мембраны могут загрязнятся, т.е. на мембранах образуются осадки из загрязнений, содержащихся в воде. Загрязнения удаляются с помощью промывок, кислых и щелочных;
высокие значения производительности;
высокие значения селективности;
стойкость к биологическому воздействию;
стойкость (или меньшая чувствительность) к загрязнению коллоидными и взвешенными веществами;
низкая стоимость;
возможность работать при возможно низких величинах рабочего давления:
долговечность;
способность выдерживать воздействие высоких температур.
Как верхний слой, так и подложка состоят из одного и того же материала. Важно, чтобы полимерный материал, из которого получают мембрану, был бы растворим в каком-либо растворителе или смеси растворителей. (ассметричные).
В композиционных мембранах верхний рабочий слой и расположенная под ним подложка состоят из разных полимерных материалов, что позволяет оптимизировать каждый слой по отдельности. Важными характеристиками подложки являются ее поверхностная пористость и распределение пор по размерам. В качестве подложки часто используют ультрафильтрационные мембраны.
В качестве мембранных материалов используются различные полимеры. Наиболее известным классом таких полимеров является целлюлоза и ее производные, такие как сложные эфиры целлюлозы. Они включают ацетат целлюлозы, триацетат целлюлозы, этилцеллюлозу, нитрат целлюлозы и др.
Ацетилцеллюлозные мембраны формуются из диацетата и триацетата целлюлозы. С увеличением количества ацетата селективные качества и химическая стабильность возрастают, а производительность падает.
Ацетилцеллюлозные мембраны обладают слабой химической стабильностью и подвержены гидролизу с течением времени. Интенсивность гидролиза в большой степени зависит от значения температуры и рН. Наиболее оптимальными условиями для работы ацетатных мембран является температура от 0 до 30 °С и значения рН от 4,0 до 6,5. Биологическое загрязнение очень пагубно сказывается на показателях мембран. Правда, этот недостаток в какой-то мере компенсируется способностью выдерживать присутствие в исходной воде свободного хлора, используемого для предотвращения биологических отложений. Из-за низкой гидролитической стабильности солезадерживаюшие свойства ацетатных мембран убывают со временем.
В основном наибольшее распространение получили полиамиды. Для этих полимеров характерно наличие амидной группы (-CO-NH-).
Ароматические полиамиды имеют преимущества в качестве мембранных материалов из-за высокой механической, химической, термической и гидролитической устойчивости, а также их свойств по проницаемости и селективности.
Арамидные мембраны обладают отличной химической стабильностью по сравнению с ацетатными мембранами. Они демонстрируют стабильные характеристики при температурах от 0 до 35°С и значениях рН от 4 до 11 и не боятся воздействия осадков биологического происхождения. Однако арамиды теряют свои селективные свойства при длительном воздействии содержащегося в исходной воде свободного хлора. Поэтому основным требованием производителей этих мембран при предочистке исходной воды является ее обязательнее дехлорирование.
Структура таких мембран представляет собой ультратонкий «барьерный» селективный слой (0,2 мкм), образованным на поверхности пористой полисульфоновой мембраны, отлитой на пористой полложке (гюлдерживаюший слой).
Основными преимуществами композитных мембран являются высокая химическая стабильность, высокие значения проницаемости и селективности при относительно низких значениях рабочих давлений. Кроме того, такие мембраны обладают слабой чувствительностью к воздействию биологических отложений. Мембраны стабильно работают при значениях температур от 0 до 40⁰С и рН от 2 до 12. Как и арамидные мембраны, эти композитные мембраны чувствительны к воздействию свободною хлора и других числителей.