Файл: Челябинский филиал федеральное государственное автономное образовательное учреждение.pdf

25 сам относятся: микрофильтрация, ультрафильтрация, нанофиль- трация и обратный осмос. Границы применения каждого процесса приведены ниже:
Мембраны обратного осмоса – асимметричные или компо- зитные мембраны с плотной пленкой, пропускающие воду и задер- живающие все соли.
Мембраны нанофильтрации – мембраны обратного осмоса, задерживающие лишь поливалентные ионы и растворенные орга- нические формы размером свыше нанометра (т.е. с молекулярной массой примерно 300г/моль).
Мембраны ультрафильтрации – ассиметричные или компо- зитные мембраны, имеющие поры от 1 до 50нм, они пропускают ми- неральные соли и органические молекулы и задерживают только макромолекулы и твердые частицы.
Мембраны микрофильтрации – пористые мембраны, чаще всего однородного или слабо асимметричного типа. Размер пор из-

26 меняется от 0,1 до 10мкм. Они пропускают практически все раство- ренные формы и задерживают только твердые частицы.
Как видно из диаграммы, четких границ между процессами не существует - механическая фильтрация плавно переходит в микро- фильтрацию, которая в свою очередь переходит в ультрафильтра- цию и т.д.
Для функционирования вышеупомянутых процессов необхо- димо обеспечить различное давление (чем тоньше процесс, тем выше необходимо создавать давление):
Мембраны осветления имеют поры, видимые в электронный микроскоп. Под действием конвекции вода перемещается внутри пор, увлекая с собой растворенные вещества и частицы, размеры которых меньше размеров пор (ситовый эффект).
Мембраны осветления, в свою очередь, подразделяются на мембраны ультрафильтрации и мембраны микрофильтрации.
Мембраны обессоливания, задачей которых является задер- живание ионов или растворенных органических веществ (ОВ), не имеют пор. Вода проходит через мембрану, диффундируя внутри структуры полимера, который в данном случае гидрофилен и запол- нен водой.

27
3.1
Механизм разделения
Если между двумя растворами с различной концентрацией соли поместить полупроницаемую мембрану, то можно наблюдать, как будет происходить перетекание воды из раствора низкой концен- трации в раствор высокой концентрации. Через некоторое время уровень воды в растворе низкой концентрации станет заметно ниже уровня воды концентрированного раствора
Разница уровней после установившегося равенства концен- траций характеризует осмотическое давление. Процесс самопроиз- вольного перетекания менее концентрированного раствора в более концентрированный через полупроницаемую мембрану называют осмосом.
Осмотическое давление раствора пропорционально его кон- центрации:

= RTc где

- осмотическое давление;
R
– универсальная газовая постоянная;
Т – температура; с – концентрация

28
Если в концентрированном растворе создать давление, пре- вышающее осмотическое, то перетекание молекул воды начнется в направлении, обратном ее естественному движению, т. е. вода из концентрированного раствора начинает перетекать через мембрану в чистую воду. При этом происходит концентрирование раствора с одной стороны, и разбавление раствора с другой. Такой процесс называют обратным осмосом (Reverse Osmosis - RO). Данный эф- фект широко используется для очистки воды от различных приме- сей.
При очистке воды от ионизирующихся солей для определения осмотического давления применима та же формула, однако при этом следует учитывать молярную концентрацию каждого иона, что для полностью диссоциирующей соли, образованной одновалент- ными ионами, вдвое увеличивает величину возникающего осмоти- ческого давления по сравнению с недиссоциирующим соединением, имеющим такую же молярную массу.
Если осмотическое давление создается несколькими ионами и неионными соединениями, то
∑

29
Движущей силой процесса является разность давлений по обе стороны мембраны:
Δр = р – (

1
-

2
) где р – давление над исходным раствором (сырьем),

1
и

2
- соответственно осмотическое давление раствора (сырья) и растворителя (пермеата, фильтрата).
Таким образом, для производства «чистой» воды из соленой необходимо превысить осмотическое давление раствора, которое для солоноватых вод (содержание солей несколько граммов на литр) составляет 5 – 15 атм., а для морской воды (концентрация со- лей 35-45 г/л) – 50-80 атм.
Так же следует учитывать еще одно явление, показанное на рисунке:
При переносе воды молекулы и ионы, задержанные мембра- ной, накапливаются по всей ее длине в граничном слое и тем самым увеличивают солесодержание, реально обрабатываемое мембра- ной, а следовательно, и осмотическое давление, которое необходи- мо преодолеть, чтобы очистить раствор. Это приводит к более вы- сокому энергопотреблению, а также к опасности образования осад- ка, если на поверхности мембраны будет превышено значение про-

30 изведения растворимости для находящихся в нем катионов и анио- нов.
Явление накапливания ионов и молекул в граничном слое мембраны, называемое концентрационной поляризацией мем- браны.
Эффект поляризации мембраны можно понизить путем интен- сивного омывания внутренней (по направлению потока) стенки мем- браны в целях уменьшения толщины граничного слоя. Это в свою очередь создает условия, благоприятствующие обратной диффу- зии, и приводит к снижению доли выработанной обессоленной воды.
В системах обессоливания концентрационную поляризацию стара- ются удерживать в диапазоне 1,05 – 1,4.
Химическая структура полимера, из которого изготавливается мембрана такова, что вода может образовывать водородные связи с функциональными группами полимера. При этом образуется слой связанной с мембраной воды. Связанная вода образует упорядо- ченную структуру и не обладает способностью растворять в себе
(гидратировать) электролиты. Тогда при приложении к раствору давления, превышающего осмотическое, через поры мембраны, имеющие диаметр меньше, чем размер областей связанной воды, будет проникать только чистая вода. Только чистая вода будет про- никать через мембрану и в том случае, если поры не перекрывают- ся связанной водой, но этот не перекрытый диаметр меньше диа- метра гидратированного иона. И только если размер пор настолько велик, что в них по области свободной воды может проникнуть гид- ратированный ион, то через эти поры будет проникать исходный раствор.

31
3.2
Мембраны обратного осмоса
В обратном осмосе разделение происходит благодаря избира- тельному взаимодействию одного из компонентов смеси (воды) с материалом мембраны. Вода образует водородные связи с функци- ональными группами полимера, из которого изготовлена мембрана.
Мембрана обратного осмоса удаляет неорганические раство- ры лучше, чем органические растворы. Органические растворы с молекулярным весом, больше, чем 100 также хорошо удаляются мембраной.
Ионы с большим зарядом удаляются лучше, чем с низким.
Например, ион алюминия (Al
3+
) удаляется лучше, чем ион магния
(Mg
2+
), который в свою очередь удаляется лучше, чем ион натрия
(Na
+
). Ионы большего размера удаляются лучше, чем ионы малого размера.
Газы с молекулярным весом ниже 100 могут легко проходить через мембрану. Например, удаление аммиака, хлора, углекислого газа и, кислорода сероводорода очень слабое.
Удаление слабых кислот слабое, что также зависит от молеку- лярного веса кислот. Степень удаления следующих кислот умень- шается в таком порядке: лимонная кислота, винная кислота и уксус- ная кислота, так как молекулярный вес кислот уменьшается.
Следует отметить, что обратный осмос в сравнении с ионным обменом имеет ряд отличий по качеству обработанной воды:
- общее солесодержание очищенной воды обратного осмоса выше, чем у ионного обмена, что требует применения стадии до- обессоливания на фильтрах смешанного действия или установке электродеионизации при необходимости получения глубокообессо- ленной воды. Обычно после первой ступени осмоса солесодержа- ние воды составляет 2-10 мг/л, после второй ступени 1-2 мг/л;

32
- обратноосмотическая установка удаляет основную часть ор- ганических веществ, находящихся в исходной воде в отличие от ионного обмена, при котором только аниониты способны задержи- вать небольшую часть органических веществ, при этом отравляясь ими. Это особенно важно для тех процессов, где нормируется со- держание TOC (Total Organic Carbon – общий органический углерод)
– например, для электростанций с парогазовыми установками;
- обратноосмотическая установка удаляет нереакционноспо- собную кремнекислоту в отличие от ионного обмена, который не ра- ботает по нереакционноспособной кремнекислоте.
3.2.1
Требования к качеству входной воды
Качество исходной воды для обратного осмоса очень жестко регламентируется, из-за чего система предварительной очистки во- ды для обратноосмотичских установок должна быть значительно сложнее, чем для ионного обмена. Ниже приведены ориентировоч- ные показатели, которым должна соответствовать исходная вода, подаваемая на обратноосмотические мембраны (наличие некоторо- го диапазона обусловливается требованиями разных производите- лей мембран): мутность – до (1–5) ЕМФ; окисляемость перманганатная – до 3 мгО/л; водородный показатель рН – (3–10),(иногда 2–11); нефтепродукты – (0,0–0,5) мг/л; сильные окислители (хлор свободный, озон, марганцевокис- лый калий) – до 0,1 г/л; марганец общий (Mn) – до 0,05 мг/л; железо общее (Fe) – до (0,1–0,3) мг/л (некоторые фирмы тре- буют не более 0,05 мг/л);

33 кремниесоединения (Si) – до (0,5–1,0) мг/л; сероводород – 0,0 мг/л; индекс SDI – до (3–5) ед. минерализация общая – до (3,0–20) г/л (иногда до 50 г/л); температура воды – 5–35 (иногда до 45) °С; давление – (0,3–6,0) МПа (в зависимости от минерализации обрабатываемой воды); не допускается высыхание мембран и их длительный простой
(более трех-семи суток без специальной консервации).
3.2.2
Конструкция мембранных модулей
В практике широкое распространение получили обратноосмо- тические мембраны, выполненные в виде мембранных элементов рулонного типа.
Рулонный мембранный элемент для установки обратного ос- моса состоит из трубки с прорезями для прохода пермеата и герме- тично присоединенного к ней пакета мембран, расположенного между ними дренажного листа и сетки-сепаратора, образующей межмембранные каналы. В процессе скручивания пакета для герме-

34 тичного разделения напорной полости и полости сбора пермеата кромки дренажного листа пропитывают специальным клеем.
Рулонные мембранные элементы для установок обратного ос- моса работают по принципу тангенциальной фильтрации. В процес- се обессоливания, воды, она разделяется на два потока: фильтрат
(обессоленная вода) и концентрат (раствор с высоким солесодер- жанием). Разделяемый поток воды движется в осевом направлении по межмембранным каналам рулонного элемента, а фильтрат спи- ралеобразно по дренажному листу в направлении отвода фильтра.
Концентрат выходит с другой стороны мембранного модуля обрат- ного осмоса. Сегодня обратноосмотические мембранные элементы рулонного типа являются наиболее распространенными и наименее дорогостоящими.
Конструкция обратноосмотического модуля состоит из мем- бранодержателя (корпуса), содержащего до 7 мембранных элемен- тов (стандартное количество элементов 6 штук), которые соединя- ются последовательно. Концентрат первого элемента становится подачей во второй, и так далее. Каналы пермеата всех элементов связаны и соединены в пермеатный коллектор мембранодержателя.
Мембранодержатель выполняется из нержавеющей стали или ком- позитных пластмасс и имеет устройства для подвода исходной во- ды, отвода пермеата и солевого концентрата. Пермеатный порт мо- жет размещаться как со стороны входящей воды, так и со стороны концентрата мембранодержателя. Стандартные внутренние диа- метры мембранодержателей 1,5-2,5-4,0-8,0 дюймов. Давление об- рабатываемой воды воспринимается только самим корпусом.

35
Входящая вода входит в систему через запорный клапан и по- ступает через картриджный фильтр в насос высокого давления. Из насоса высокого давления, входящая вода течет во входное соеди- нение мембранодержателя. Пермеат должен выходить из мем- бранодержателя с давлением не более чем на 0,3 кгс/см
2
больше, чем атмосферное давление, чтобы не повредить мембраны.
Концентрат выходит из выходного соединения приблизительно с таким же давлением, как и на входе. Перепад давления обычно колеблется от 0,3 до 2,0 кгс/см
2
от входа к выходу концентрата, в зависимости от числа мембранных элементов, скорости входящего потока и температуры. Поток концентрата управляется клапаном контроля потока концентрата. Рекавери системы тоже управляется этим клапаном и никогда не должен превышать проектного значе- ния.
Поток пермеата УОО зависит от площади поверхности мем- бран, типа мембран, прилагаемого давления и свойств исходной воды (общее солесодержание, температура). Производители мем- бран для различных видов воды устанавливают Flux (флакс), кото- рый характеризует допустимый поток через единицу площади мем- бран за единицу времени (л/м
2
/час).
Поток пермеата установки прямо пропорционален давлению.
Чем выше создается давление на входе в установку, тем больший

36 поток можно обеспечить. С ростом температуры входной воды про- изводительность установки растет приблизительно в пропорции 3% производительности/1
о
С, и, наоборот, в такой же пропорции падает со снижением температуры. При этом увеличение температуры воды приводит к росту проскока солей. Следует отметить, что обычно температура обрабатываемой воды составляет 20-25 о
С, при более низких температурах происходит удорожание установки из-за снижения производительности, а при более высоких возраста- ет проскок солей, предельной же температурой для мембран, на ко- торую настроена автоматика отключения ВПУ, является 40
о
С.
Солесодержание пермеата прямо пропорционально градиенту концентрации на мембране и обратно пропорционально градиенту давления.
Обычно коэффициент выхода пермеата (отношение потока пермеата к расходу исходной воды) К
вых находится в пределах от
40% до 80%. Чем выше К
вых
, тем выше солесодержание пермеата.
Увеличение К
вых пермеата будет приводить к росту осмотического противодавления. Так, например, для морской воды даже неболь- шое увеличение К
вых пермеата будет приводить к значительному снижению потока пермеата. Осмотическое противодавление в зна- чительной мере зависит от ОСС входной воды. Если общее соле- содержание около 1000 мг/л, то при таком солесодержании осмоти- ческое противодавление будет в пределах от 0,6 до 0,8 кгс/см
2
. Ес- ли очищать морскую воду (общее солесодержание около 45000 мг/л), то при таком солесодержании осмотическое противодавление будет до 36 кгс/см
2
. Поэтому получение соответствующего К
вых пер- меата для различных видов входной воды напрямую связано с вы- бором насоса высокого давления установки.