Баромембранные процессы
К.х.н. О.В. Мосин
Баромембранные процессы (оборотный осмос, микрофильтрация, ультрафильтраци, нанофильтрация) и оборудование
К баромембранным процессам водоподготовки, осуществляемым под действием перепада давления через разделительную полупроницаемую мембранную перегородку в интервале температур 5–30 °С, относятся оборотный осмос, ультрафильтрация, микрофильтрация и нанофильтрация. Принцип их деяния основан на том, что под воздействием наружного давления молекулы растворителя (вода) и ионы неких растворенных веществ (солей) проходят через полупроницаемую мембрану, тогда как другие молекулы либо заряженные ионы в различной мере задерживаются мембраной либо не проходят через нее.
Отличие баромембранных процессов от обыкновенной фильтрации состоят в том, что при фильтрации продукт откладывается в виде кристаллического либо бесформенного осадка на поверхности фильтра, в то время как в баромембранных процессах образуются два раствора, один из которых обогащен растворенным веществом,. В этих процессах скопление вещества у поверхности мембраны неприемлимо, т.к. приводит к понижению селективности и проницаемости.
Разделение вещества и растворителя (вода) при помощи полупроницаемых мембран является результатом конкурирующих взаимодействий компонент консистенции (аква смесей) с поверхностью мембраны и обосновано градиентом давления, разностью хим потенциалов и концентрации. Эффективность разделения определяется последующими основными показателями:
– селективностью s = 1 – c2/c1, где с1 и с2 – концентрации компонент начальной консистенции (растворенных в воде солей) и пермеата (незапятанной воды на выходе);
– коэффициентом разделения Kp= (сА,1/сА,2)/(сВ,1/сВ,2), где сА,1, сВ,1 и сA,2, сВ,2 –концентрации компонент А и В в начальном растворе и пермеате;
– проницаемостью (удельной производительностью) мембран G = V/Ft, где V – количество консистенции, прошедшей за время t через мембрану, определяемое по уравнению V2 + 2VC = Kt, где С и К – эмпирические константы, а F – площадь поверхности мембраны.
Рабочее давление для разных баромембранных процессов принимается в границах 0,1–20 МПа. При очень низком давлении процесс замедляется. При очень высочайшем давлении мембрана может лопнуть, засориться присутствующими в воде примесями либо пропускать очень огромное количество растворенных солей. Для предотвращения этого повдоль мембраны создается принудительный поток воды, смывающий концентрат в мелкие камешки.
Вместе с давлением концентрация растворенных солей в воде является принципиальным фактором, определяющим возможность воплощения всех баромембранных процессов, которые отлично употребляют при концентрациях электролитов в воде от 5 до 20 масс.%. Для аква смесей органических соединений интервал концентраций обширнее и определяется молекулярной массой, формой и размерами молекул вещества, их строением и степенью взаимодействия с материалом мембраны. От концентрации растворенных солей также зависит способность многих из их, к примеру катионов двух- и трех- валентных металлов и перхлоратов, к сольватации (в случае аква смесей к гидратации), которая нарушает структуру мембран вследствие их обезвоживания и приводит к понижению главных рабочих черт. Из-за разных скоростей прохождения компонент консистенции через мембрану происходит концентрационная «поляризация», при которой в пограничном слое около поверхности мембраны скапливается вещество, имеющее меньшую скорость проникания через мембрану, а молекулы растворителя (вода) и некие одновалентные ионы свободно попадают через мембрану.
Баромембранные процессы определяются и другими факторами, к примеру, хим стойкостью мембраны к брутальным средам, термоустойчивостью и воздействию микробов. Хим стойкость мембран, к примеру, к гидролизу обеспечивается кропотливым подбором материала, черт рабочей аква среды и критерий проведения процесса. Для предотвращения био обрастания и разрушения мембраны некими видами микробов и микроводорослей, обрабатываемую воду за ранее хлорируют хлором либо гипохлоритами, также подвергают озонированию и УФ облучению.
Баромембранные процессы употребляются в почти всех отраслях индустрии: для опреснения соленых и чистки сточных вод, разделения азеотропных аква консистенций, концентрирования аква смесей (оборотный осмос); для чистки сточных вод от томных металлов и высокомолекулярных органических соединений, концентрирования аква суспензий, латексов, выделения и чистки на биологическом уровне активных соединений, вакцин, вирусов, чистки крови (нанофильтрация), концентрирования молока, фруктовых и овощных соков и др. (ультрафильтрация); для чистки технологических смесей и воды от мелкозернистых веществ, разделения эмульсий, подготовительной водоподготовки и умягчения, к примеру морской и солоноватых вод перед опреснением (микрофильтрация), и др.
Энтузиазм к баромембранным способам разделения содействует совершенствованию и разработке новых технологических схем водообработки, также созданию новых мембран и установок, рассмотренных ниже.
Мембраны для баромембранных процессов
Мембраны по собственной структуре разделяются на цельные (сплошные), пористые, асимметричные (двухслойные), составные (композиционные), диффузионные, также ионообменные мембраны. Пористые мембраны используются в процессах оборотного осмоса, микрофильтрации и ультрафильтрации. Они имеют как изотропную (однородную), так и анизотропную (неоднородную) структуру. Мембраны с анизотропной структурой имеют поверхностный тонкопористый слой шириной 0,25–0,5 мкм (т. н. активный либо селективный слой), представляющий из себя селективный фильтр. Крупнопористый слой шириной около 100–200 мкм, находящийся под активным слоем, служит подложкой, повышающей механическую крепкость мембраны. Мембраны с анизотропной структурой характеризуются высочайшей удельной производительностью, отсутствием закупорки пор в процессе их эксплуатации. Срок службы этих мембран определяется хим устойчивостью материала мембраны. В отличие от мембран с анизотропной структурой, для мембран с изотропной структурой типично резвое понижение проницаемости вследствие закупорки пор коллоидными либо взвешенными частичками в составе разделяемых аква смесей.
Диффузионные мембраны по структуре являются не пористыми. Они представляют собой квазигомогенные гели, через которые растворитель и растворенные вещества попадают под действием градиента концентраций (молекулярная диффузия). Скорость прохождения молекул через диффундирующую мембрану прямо пропорциональна коэффициенту диффузии, который определяется размерами молекул и их формой. Скорость зависит и от энергии активации при содействии переносимых частиц, молекул и заряженных ионов с материалом мембраны, также от подвижности отдельных составляющих мембранной матрицы и от параметров диффундирующих компонент раствора. При всем этом скорость диффузии тем выше, чем слабее связаны меж собой отдельные составляющие полимерного материала в гелевом слое, т. е. чем посильнее набухает в воде материал мембраны. Потому диффузионные мембраны более эффективны для разделения компонент, имеющих фактически однообразные характеристики, но различающихся размерами и формой молекул. Диффузионные мембраны имеют огромное гидродинамическое сопротивление, потому их используют для разделения газов и водянистых консистенций способом испарения через мембрану в виде ультратонких пленок шириной 0,02–0,04 мкм, закрепленных на пористых подложках. Процесс употребляют для разделения азеотропных консистенций, аква смесей карбоновых кислот, кетонов и аминов, для смещения равновесия в хим реакциях за счет удаления 1-го из товаров из системы (к примеру, воды при этерификации), чистки сточных вод и др.
Зависимо от типа баромембранных процессов используются как пористые, так и диффузионные мембраны, которые делаются листовыми, трубчатыми или в виде полых волокон внутренним поперечником 20–100 мкм при толщине стены 10–50 мкм. Мембраны также делаются на пористых носителях (подложка) различной конфигурации (так именуемые композитные, либо комбинированные мембраны).
При изготовлении мембран используют разные материалы: керамику, полимерные пленки, стекло, железную фольгу и др. Зависимо от механической прочности применяемых материалов, мембраны подразделяют на уплотняющиеся (полимерные) и с жесткой структурой (керамика).
Селективность и проницаемость мембран определяются рабочей температурой, давлением, рН, концентрацией растворенных в воде солей. С увеличением температуры вследствие понижения вязкости раствора проницаемость мембраны растет, а селективность меняется зависимо от природы растворенных компонент: соответственно возрастает либо миниатюризируется при разделении аква смесей неполярных и полярных соединений. Кроме этого, при высочайшей температуре происходит постепенное уплотнение (усадка) мембран, что понижает их ресурс. С увеличением давления проницаемость (удельная производительность) мембраны проходит через максимум, а селективность, обычно, растет. Под действием рабочего давления мембраны также уплотняются, что содействует уменьшению проницаемости, но фактически не вызывает конфигурации селективности разделения. Скорость уплотнения мембраны несколько понижается, если процесс осуществляется при маленьких температуре и давлении либо при использовании композитных мембран.
Мембраны, применяемые в баромембранных процессах водоподготовки должны удовлетворять последующим техническим требованиям:
– иметь анизотропное строение и тонкое рассредотачивание пор по размерам;
– высшую проницаемость (удельную производительность) и механическую крепкость;
– хим стойкость к воздействию среды, регенерирующим и стерилизующим реагентам;
– стабильность рабочих черт во времени;
– отсутствие выноса материала мембраны в фильтрат;
– низкую цена.
В процессе использования поверхность мембран загрязняется, что приводит к резкому ухудшению характеристик баромембранных процессов. Для понижения степени загрязнения мембран используются особые способы чистки, которые разделяются на механические, гидромеханические, физические и хим. Механические способы заключаются в обработке поверхности перегородок эластичной губкой с применением моющих средств, полимерными гранулками и др. Гидродинамическая чистка заключается в воздействии на грязную поверхность мембраны пульсаций промывной воды (обычно воды), турбулизацией потока, промывкой газожидкостной эмульсией (консистенцией воды и воздуха), оборотной продувки мембраны сжатым воздухом, резким понижением (пульсацией) давления в системе (загрязнения отслаиваются от перегородки и вымываются потоком воды). К физическим способам относятся воздействие на перегородки электронными, магнитными и ультразвуковыми полями. Хим чистка заключается в промывке рабочей поверхности мембран разбавленными смесями кислот либо щелочей, веществом йода и др.