Файл: Челябинский филиал федеральное государственное автономное образовательное учреждение.pdf

13
Кассетный плоскорамный модуль
Аппараты этого типа были разработаны с целью создания раз- витого гидродинамического режима потока разделяемой смеси в примембранном слое, за счет формирования каналов малой высо- ты.
Вторым преимуществом этой формы и конструкции аппарата в целом является равномерное распределение потока по поверхности мембраны за счет коллекторов ввода и вывода раствора в мем- бранном элементе
Половолоконный мембранный модуль
Устройство половолоконного мембранного модуля: 1 – корпус;
2
–полые волокна; 3 – стенка корпуса; 4 – заглушка; 5, 6, 7 – штуце-

14 ра соответственно для ввода исходной смеси, вывода ретентата и пермеата.
Трубчатые мембранные элементы: а) – с мембранами внутри трубки; б) – с мембранами снаружи трубки; в) комбинированная конструкция;
1
– трубка; 2 – мембрана; 3 – подложка; 4 – корпус

15
Рулонный мембранный элемент:
Удельная поверхность различных модулей и мембран значи- тельно различаются:
Тип модуля, мембраны
Диаметр, мм
Удельная поверхность, м
2
/м
3
Плоский
-
100÷400
Рулонный
-
300÷1000
Трубчатая
˃ 10

300
Капиллярная
0,5÷10 600÷1200
Половолоконная
< 0,5 16000÷50000
2.4
Режимы фильтрования
Фильтрование на мембранах может осуществляться в двух режимах:
- тупиковый (прямой) режим фильтрования;
- режим тангенциального (касательного) фильтрования.
В тупиковом режиме фильтрования вся вода, подающаяся на мембрану, фильтруется через нее:

16
Все загрязнения, содержащиеся в исходной воде, накаплива- ются на поверхности мембраны и удаляются при проведении про- мывки обратным током. Тупиковый режим применяется для очистки вод, содержащих не более 40÷50 мг/дм
3
взвешенных веществ, т.е. пригоден для обработки большинства поверхностных вод.
Режим тангенциального фильтрования применяется для предотвращения чрезмерного роста отложений на поверхности мембраны.
Высокие скорости тангенциального потока создают турбулент- ности в канале подачи воды, обеспечивая высокую эффективность очистки поверхности от накопленных загрязнений, Основной недо- статок такой системы – необходимость использования дополни- тельного мощного насоса для обеспечения требуемой скорости по-

17 тока и трубопроводов обвязки, что приводит к увеличению капи- тальных и энергозатрат.
2.5
Материал мембран
Одной из наиболее важных и определяющих характеристик является материал мембраны. Для получения мембран могут быть использованы все виды природных и синтетических материалов – от неорганических (керамика, стекло или металл) до органических
(все виды полимеров). Основным принципом структурного модифи- цирования этих материалов является получение требуемой струк- туры мембраны, соответствующей данному процессу разделения.
Металлические мембраны
Для изготовления пористых мембран используют металличе- ские микропорошки и проволоку. Металлическая мембрана из по- рошка металла формируется путем его прессования и последующе- го спекания при температуре ниже точки плавления. Получается плотная структура с рейтингом фильтрации до 1 мкм. Из получен- ных мембран изготавливаются цилиндрические или гофрированные
(с целью увеличения поверхности фильтрования) фильтрующие элементы. Как правило, это фильтры-патроны картриджного типа.
Металлокерамические мембраны
Двухслойные мембраны, как правило, состоят из подложки
(основы) из нержавеющей стали и тонкого керамического слоя из оксидов титана, алюминия, кремния или циркония. Структура мем- бран образуется в два этапа. Первый этап включает в себя нанесе- ние дисперсного слоя частиц на металлическую подложку для обра- зования подслоя, а на втором этапе – ультратонкие керамические частицы наносят на подложку с подслоем, за счет чего образуется фильтрующий слой.

18
Керамические мембраны
Для современных керамических мембран в качестве сырья ис- пользуют большой ассортимент природных и техногенных матери- алов:
-
Природные минералы (глины, каолины, бентонит, тальк);
-
Оксидные материалы (кварцевый песок, оксиды металлов);
-
Карбонаты (мел, мрамор);
-
Безкислородные соединения (карбиды, бориды, нитриды, си- лициды и др.);
-
Металлические порошки (тугоплавкие металлы).
Любая керамическая мембрана состоит из 2-х и более слоев, которые формируют последовательно. При общей толщине мем- браны в несколько миллиметров разделительный (селективный) слой имеет толщину в несколько микрометров:
Недостатком керамических мембран является их малая удельная поверхность. Сдерживание широкого применения керами- ческих мембран вызвано их высокой стоимостью (они в 3–5 раз до- роже полимерных).
На сегодняшний день главенствующие позиции во многих об- ластях мембранной фильтрации занимают полимерные мембраны.
Керамические мембраны применяются только в тех областях, где без них нельзя обойтись, например, при очистке некоторых видов промышленных сточных вод.

19
Полимерные мембраны
Стоимость мембраны определяется, главным образом, мате- риалом, из которого она изготовлена, и сложностью технологическо- го процесса.
Основные методы получения пористых полимерных мембран включают следующие:
- инверсия фаз (формование из раствора или расплава полимера);
- выщелачивание (вымывание) наполнителя;
- травление ядерных треков;
- вытяжка в активных средах;
- спекание порошков;
В промышленных масштабах в качестве полимеров для полу- чения мембран широко используются эфиры целлюлозы, поли- сульфоны, полиамиды, сополимеры акрилонитрила, поливини- лиденхлорид, фторированные полимеры.
В современной водоподготовке (ультрафильтрация, обратный осмос низкого и высокого давления) обычно применяются мембра- ны из следующих материалов: смесь триацетата целлюлозы с аце- татом целлюлозы (CTA), полиамид (тонкослойная полупроницаемая мембрана – TLC), модифицированный полисульфон (SPSF).

20

Фильтрация
Раствор или суспензия разделяется в результате прохождения воды через мембрану (конвекционный перенос воды в пористой среде) и задержания других компонентов жидкости на пористой по- верхности мембраны в соответствии с размерами взвешенных ча- стиц/

Диффузия
Растворитель и растворимые формы химически соединяются с мембраной и диффундируют в ней с разными скоростями под дей- ствием градиента давления и электрохимического потенциала. Раз- деление основано на различии скоростей диффузии.

21

Проникание (газов)
Газовую смесь можно разделить в результате селективного прохождения через мембрану одного из компонентов газовой фазы.

Диализ
В процессе диализа через мембрану (с большей или меньшей селективностью) проходят только растворенные формы. Вода (рас- творитель) мембрану не пересекает. Мембраны могут быть нейтральными или электрически заряженными. Если мембраны несут электрический заряд (пленкообразные материалы, сходные ионообменными смолами), то они являются селективными по отно- шению к прохождению ионов противоположного знака.
2.7
Основные понятия мембранного разделения
С
исх
V
исх
Р
исх
С
конц
V
конц
Р
конц
C
фильтрата
V
фильтрата
Р
фильтрата

22
Селективность (суммарный проход соли)
Селективность (R) – отношение концентрации ингредиентов в фильтрате, к их концентрации в исходной воде, подаваемой на мембрану, выраженное в %.
R = (1 - C
фильтрата
/С
исх
)*100%
Степень концентрирования
Степень концентрирования (FC) – это соотношение концен- трации соли в концентрате к концентрации соли в исходном раство- ре
FC = C
конц
/С
исх
Расход фильтрата
Расход фильтрата – объем фильтрата в единицу времени.
V
фильтрата
=V
фильтрата
/ t
Удельный расход фильтрата (удельный съем, флакс, flux)
Удельный расход - расход фильтрата через м² площади мем- браны.
J = V
фильтрата
/A
Перепад давления на мембране (трансмембранное давление)
Перепад давления на мембране (TMP, ТМД) – это разность между средним давлением со стороны питающей воды и со стороны пермеата.
TMP=(Р
исх
+Р
конц
)/2
– Р
фильтрата

23
Проницаемость
Проницаемость (P) - это отношение удельного расхода филь- трата к перепаду давления на мембране. Этот параметр служит для оценки работы мембраны или мембранного процесса.
P=J/TMP
Гидравлический КПД (рекавери, конверсия)
Гидравлический КПД определяется как отношение потока фильтрата к суммарному потоку подаваемой на установку исходной воды.
КПД = V
фильтрата
/ V
исх
*100%
Концентрационная поляризация
Отношение концентрации примеси у поверхности мембраны к ее концентрации в ядре потока:
КП = С
м
/С
исх
Silt Density Index (SDI) - индекс плотности осадка - определяет снижение производительности мембран за счет образования на их поверхности загрязнений, состоящих из взвешенных и коллоидных микрочастиц;
В соответствие с ASTM D-4189-82, методика его определения основана на замере времени фильтрования заданного объема ис- ходной воды через калиброванную мембрану с диаметром поровых каналов 0,45 мкм при давлении 2 атм (30 psi). Выбор диаметра по- ровых каналов 0,45 мкм обоснован тем, что величина эквивалентно- го диаметра микрочастиц 0,45 мкм является переходной от раство- ренного состояния к взвешенному. При определении SDI-индекса производятся два замера:

24
– время (cек.) фильтрования первых 500 мл исходной воды (t
0
);
– время (сек) фильтрования следующих 500 мл исходной воды
(t
1
), которое замеряется через 5 - 15 мин после окончания первого замера, в зависимости от качества исходной воды.
Где T - суммарное время фильтрования.
LSI
– индекс (Langelier Saturatuion Index; индекс насыщения
Ланжелье)
Еще одной причиной загрязнения мембран в процессе эксплу- атации является формирование на их поверхности карбонатных осадков. Карбонаты кальция, бария, магния и стронция образуют осадки, когда их концентрация в потоке над мембраной превышает константу растворимости К
R
LSI
– индекс можно определить как разность рН концентрата и рН насыщенного раствора:
LSI = pH
конц
– рН
насыщ
При положительном LSI - индексе в концентрате образуются кристаллы карбонатов, которые образуют труднорастворимые плот- ные осадки на поверхности мембран, начиная с последних элемен- тов мембранного контура. Поэтому LSI - индекс должен всегда иметь отрицательное значение - это необходимое условие предот- вращения карбонатных осадков на поверхности мембран.
3
Баромембранные процессы разделения
Для концентрирования или очистки растворов широко исполь- зуются мембранные процессы, осуществляемые под действием пе- репада давления, или баромембранные процессы. К таким процес-