ПРОЦЕССЫ ИНЖЕНЕРНОЙ ЗАЩИТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Обратный осмос и ультрафильтрация в растворах сточных

Обратным осмосом и ультрафильтрацией называют процессы фильтрования растворов через полупроницаемые мембраны, избирательно пропускающие растворитель и полностью или частично задерживающие молекулы растворенных в них веществ, под давлением, превышающим осмотическое давление.

В основе этих способов лежит явление осмоса - самопроизвольного перехода растворителя (воды) в раствор через полупроницаемую мембра­ну. Давление п в растворе, заставляющее растворитель переходить через мембрану, называют осмотическим. Создав над раствором давление p1, равное осмотическому, осмос прекращается и наступает состояние равно­весия. Если же над раствором создать избыточное давление p2, превы­шающее осмотическое давление п на величину Ap, то переход растворите­ля будет осуществляться в обратном направлении и тогда процесс называ­ют обратным осмосом.

Величина осмотического давления п (в Па) для растворов определя­ется по уравнению Вант-Гоффа

П = IRTCIM, (6.56)

Где i = (1 + а) - коэффициент Вант-Гоффа; а - степень диссоциации рас­творенного вещества; R - газовая постоянная; T - абсолютная температу­
ра раствора, К; c — концентрация растворенного вещества, г/л; M — моле­кулярная масса растворенного вещества, г/моль.

Механизм фильтрования через пористую мембрану объясняется тем, что поры такой мембраны достаточно велики, чтобы пропускать молекулы растворителя, но слишком малы, чтобы пропускать молекулы растворен­ных веществ. При обратном осмосе отделяются частицы (молекулы, гидра - тированные ионы), размеры которых не превышают размеров молекул рас­творителя. При ультрафильтрации размер отделяемых частиц dH на поря­док больше. В процессе ультрафильтрования мембраной задерживаются высокомолекулярные вещества, а низкомолекулярные вещества и раство­ритель свободно проходят через поры мембраны. При обратном осмосе мембраной задерживаются как высокомолекулярные вещества, так и большая часть низкомолекулярных веществ, а проходит через поры мем­браны только почти чистый растворитель.

Условные границы применения этих процессов: обратный осмос: ^чя = 0,0001.0,001 мкм; ультрафильтрация: dH = 0,001.0,02 мкм; макро­фильтрация: dH = 0,02.10 мкм.

От обычной фильтрации такие процессы отличаются отделением частиц меньших размеров. Давление, необходимое для проведения процес­са обратного осмоса (6.10 МПа), значительно больше, чем для процесса ультрафильтрации (0,1.0,5 МПа).

Обратный осмос и ультрафильтрование принципиально отличаются от обычного фильтрования. Если при обычном фильтровании осадок от­кладывается на фильтровальной перегородке, то при обратном осмосе и ультрафильтровании образуются два раствора, один из которых обогащен растворенным веществом.

Обратный осмос широко используется для обессоливания воды в сис­темах водоподготовки теплоэлектроцентралей (ТЭЦ) и предприятий по производству полупроводников, кинескопов, медикаментов, для очистки некоторых промышленных и городских сточных вод.

Установка обратного осмоса (рис. 6.7) состоит из насоса высокого давления и модуля (мембранного элемента), соединенных последователь­но.

Сточная

Рис. 6.7. Схема установки обратного осмоса: 1 - насос; 2 - модуль обратного осмоса; 3 - мембрана; 4 - выпускной клапан.

Механизм обратного осмоса состоит в том, что мембраны собирают воду, которая в поверхностном слое не обладает растворяющей способно­стью, и через поры мембраны будет проходить только чистая вода, не­смотря на то, что размер многих ионов загрязнителей меньше, чем размер молекул воды. Это объясняется явлением адсорбции молекул воды у по­верхности мембраны.

При ультрафильтрации растворенные вещества задерживаются на мембране потому, что размер молекул их больше, чем размер пор, или вследствие большого трения их молекул о стенки пор мембраны.

Эффективность процесса зависит от свойств мембран. Они должны обладать высокой селективностью, большой проницаемостью, устойчиво­стью к действию среды, постоянством характеристик в процессе эксплуа­тации, достаточной механической прочностью, низкой стоимостью.

Селективность ф (в %) мембран в процессе разделения определяют по формуле

Ф = 100(СО - Сф)/Со = 100(1 - Сф/Со), (6.57)

Где c0 и Сф - концентрация растворенного вещества в исходном растворе (сточной воде) и фильтрате (очищенной воде).

Пористость в мембраны можно выразить соотношением

В = п^ср2П/4, (6.58)

Где d^ - средний диаметр пор, м; n - число пор на 1 м площади мембра­ны.

Проницаемость определяется количеством фильтрата Уф, полученно­го в единицу времени с единицы рабочей поверхности:

УФ = k1 (AP - АРо), (6.59)

Где АР - разность давлений воды до и после мембраны; АРо - разновид­ность осмотических давлений; k1 - коэффициент, зависящий от проницае­мости мембраны.

Таким образом, скорость обратного осмоса прямо пропорциональна эффективному давлению (разности между приложенным давлением и ос­мотическим). Эффективное давление значительно превосходит осмотиче­ское. Величина осмотического давления составляет: для соли Na2SO4 - 43 кПа, а для NaHCO3 - 89 кПа.

В процессе очистки некоторое количество растворимого вещества проходит через мембрану вместе с водой. Этот проскок S практически не зависит от давления:

S = k2(c - Сф), (6.60)

Где k2 — константа мембраны.

Для проведения процесса применяют непористые — динамические и диффузионные мембраны, представляющие собой квазигомогенные гели, и пористые мембраны в виде тонких пленок, изготовленные из полимерных материалов. Наиболее распространены полимерные мембраны из ацетат - целлюлозы, полиэтилена, политетрафторэтилена, пористого стекла.

Процесс мембранного разделения зависит от давления, гидродина­мических условий и конструкции аппарата, физико-химической природы и концентрации сточных вод, содержания в них примесей, от температуры. Увеличение концентрации раствора приводит к росту осмотического дав­ления растворителя, повышению вязкости раствора и росту концентрации поляризации, т. е. к снижению проницаемости и селективности.

Достоинства метода: отсутствие фазовых переходов при отделении примесей; возможность проведения процесса при комнатных температурах без применения или с небольшими добавками химических реагентов; про­стая конструкция аппаратуры. Недостатки метода: явление концентраци­онной поляризации, т. е. рост концентрации растворенного вещества у по­верхности мембраны, что приводит к снижению производительности уста­новки, степени разделения компонентов и срока службы мембран; прове­дение процесса при повышенных давлениях, что требует специальных уп­лотнений аппаратуры.

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 эти пределы выше. Для уменьшения влияния концен­трации поляризации организуют рециркуляцию раствора и турбулизацию прилегающего к мембране слоя жидкости.

Природа растворенного вещества оказывает влияние на селектив­ность. При одинаковой молекулярной массе неорганические вещества за­держиваются на мембране лучше, чем органические. С повышением дав­ления удельная производительность мембраны увеличивается. Однако при высоких давлениях происходит уплотнение материала мембран, что вызы­вает снижение проницаемости, поэтому для каждого вида мембран уста­навливают максимальное рабочее давление. С ростом температуры увели­чивается проницаемость мембран, но при этом повышается осмотическое давление, которое уменьшает проницаемость; также начинается усадка и стягивание пор мембраны, что также снижает проницаемость; возрастает скорость гидролиза, сокращая срок службы мембран. Например, ацетат - целлюлозные мембраны при 50°С разрушаются, поэтому необходимо ра­ботать при температуре 20.30°С.

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

1) типа фильтр-пресс с плоскопараллельными фильтрующими уст­ройствами;

2) с трубчатыми фильтрующими элементами;

3) с рулонными или спиральными элементами;

4) с мембранами в виде полых волокон.