Обратный осмос. Ультрафильтрация. Проницаемость и селективность мембран

Обратным осмосом и ультрафильтрацией называют процессы фильтрования растворов через полупроницаемые мембраны под давлением, превышающим осмотическое давление. Мембраны пропускают молекулы растворителя, задерживая растворенные вещества. При обратном осмосе отделяются частицы (молекулы, гидратированные ионы), размеры которых не превышают размеры молекул растворителя. При ультрафильтрации размер отдельных частиц на порядок больше, но максимальные их размеры не превышают 0,5 мкм.

Таким образом, 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 широко используется для обессоливания воды в системах водоподготовки ТЭЦ и предприятий различных отраслей промышленности (производства полупроводников, кинескопов, медикаментов и др.); в последние годы начинает применяться для очистки некоторых промышленных и городских сточных вод.

Достоинствами метода являются:

· отсутствие фазовых переходов при отделении примесей, что позволяет вести процесс при небольшом расходе энергии;

· возможность проведения процесса при комнатных температурах без применения или с небольшими добавками химических реагентов;

· простота конструкции аппаратов.

Недостатки метода: возникновение явления концентрационной поляризации, которое заключается в росте концентрации растворенного вещества у поверхности мембраны. Это приводит к уменьшению производительности, степени разделения и срока службы мембран. Проведение процесса при повышенных давлениях вызывает необходимость специальных уплотнений аппаратуры.

Для ультрафильтрации предложен другой механизм разделения. Растворенные вещества задерживаются на мембране, потому что размер молекул их больше, чем размер пор, или вследствие трения молекул о стенки пор мембраны. В действительности при обратном осмосе и ультрафильтрации происходят более сложные процессы.

Для проведения процесса применяют непористые – динамические и диффузионные мембраны, представляющие собой квазигомогенные гели, и пористые мембраны ввиде тонких пленок, изготовленные из полимерных материалов. Наибольшее распространение получили полимерные мембраны из ацетатцеллюлозы. Разрабатываются мембраны из полиэтилена, фторированного этиленпропиленового сополимера, политетрафторэтилена, пористого стекла, ацетобутилата целлюлозы и др.

3.Селективность и проницаемость мембран для обратного осмоса определяются рабочими температурой и давлением и, кроме того, рН, концентрацией и природой исходной смеси. С повышением температуры вследствие снижения вязкости раствора величина G возрастает, а j изменяется в зависимости от природы растворенных компонентов: соотв. увеличивается и уменьшается при разделении водных растворов неполярных и полярных соединений. Помимо этого, при высокой температуре происходит постепенное уплотнение (усадка) мембран, что снижает их ресурс. С повышением давления проницаемость перегородок проходит через максимум, а селективность, как правило, возрастает. Под действием рабочего давления мембраны также уплотняются, что способствует уменьшению G, но практически не вызывает изменения j. Скорость уплотнения несколько снижается, если процесс осуществляют при небольших температуре и давлении или при использовании композитных мембран. Наилучшие условия работы полимерных перегородок достигаются в случае разделения смесей в нейтральной среде при комнатной температуре.

На селективность и в значит. степени на проницаемость мембран оказывает влияние природа исходной смеси. Принципы разделения обратным осмосом растворов веществ различной природы состоят в следующем: неорг. соединения (электролиты) задерживаются мембранами, как правило, лучше, чем орг. вещества той же мол. массы; среди родственных соед. (напр., гомологов) лучше задерживаются вещества с большей мол. массой; соед., которые могут образовывать связь (напр., водородную) с мембраной, задерживаются ею тем лучше, чем менее прочна эта связь. При разделении растворов некоторых орг. соединений, например фенола и его производных, селективность мембран отрицательна, т.е. пермеат обогащается растворенным веществом.

19. Типы аппаратов для обратного осмоса и ультрафильтрации, используемые на ТЭС

Конструкции аппаратов для проведения процессов обратного осмоса и ультрафильтрации должны обеспечивать большую поверхность мембран в единице объема, простоту сборки и монтажа, механическую прочность и герметичность. По способу укладки мембран аппараты подразделяются на четыре основных типа (рисунок 33):

· фильтр-пресс с плоскокамерными фильтрующими элементами;

· с трубчатыми фильтрующими элементами;

· с рулонными или спиральными фильтрующими элементами;

· с мембранами а виде полых волокон.

Указанные аппараты обычно собираются из отдельных элементов или модулей, конструкция которых полностью характеризует конструкцию аппарата в целом.

Аппараты с плоскокамерными фильтрующими элементами (рисунок 33, а) применяются в установках сравнительно небольшой производительности. В этих аппаратах мембраны уложены с двух сторон плоских пористых дренажных пластин, которые образуют межмембранное пространство для потока разделяемого раствора. Пакет фильтрующих элементов зажимается между двумя фланцами и стягивается болтами. Прошедший через мембрану фильтрат уходит через дренажные слои в радиальном направлении.

Такие аппараты отличаются простотой изготовления, удобством монтажа, и эксплуатации, возможностью быстрой замены мембран, но имеют невысокую удельную поверхность мембран (60-300 м²/м³ объема аппарата).

Аппараты с трубчатыми фильтрующими элементами (рисунок 33, б) состоят на полупроницаемой мембраны и дренажного каркаса, выполненного в виде трубки, диаметром 6-30 мм, где мембрана может находиться на ее внутренней иди наружной поверхности, а также с обеих сторон. Основной недостаток — малая удельная рабочая поверхность мембран (60-300 м²/м³), более сложная их замена.

Рисунок 33 — Мембранные аппараты: а — типа фильтр-пресс: 1 — гористые пластины; 2 — мембраны; б - трубчатый фильтрующий элемент: 1 — трубка, 2 — подложка; 3 – мембрана; в — с рулонной укладкой полупроницаемых мембран: 1 — фильтроотводящая трубка; 2 — мембрана; 3 — дренажный слой; 4 — сетка-сепаратор; г — с полыми волокнами: 1 — подложка; 2 – шайба с вмонтированными концами волокон; 3 — корпус; 4 — полые волокна.

Аппараты с фильтрующими элементами рулонного типа (рисунок 33, в) отличаются большой плотностью упаковки мембран (300-800м2/м3). Каждый рулонный элемент представляет собой прикрепленный к водоотводящей трубке и накрученный на нее пакет, состоящий из двух мембран и расположенного между ними дренажного слоя. Трубка для отвода фильтрата имеет продольные прорези. Исходный раствор движется по межмембранным каналам рулонного фильтрующего элемента в продольном направлении. Проникавший через мембраны фильтрат по спирально расположенному дренажному слою поступает в фильтроотводящую трубку и отводится из аппарата, Рулонные аппараты имеют малую металлоемкость, механизированную сборку. К недостаткам их относятся сложность монтажа и смены мембран, необходимость замены всего пакета при повреждении мембраны, трудность обеспечения герметизации аппарата.

Аппараты с фильтрующими элементами в виде полых полупроницаемых волокон имеют очень высокую плотность укладки мембран в единице объема аппарата — до 20-30 тыс.м2/м3. Волокна имеют наружный диаметр 45-200 мкм и стенки толщиной 10-50 мкм, способные выдержать необходимое рабочее давление. Фильтрат в этих элементах или собирается с наружной поверхности волокон или отводится по капилляру полых волокон. Поэтому такие аппараты не требуют поддерживающих дренажных устройств, что значительно сникает капитальные затраты, упрощает их сборку и эксплуатацию. Они компактны и высокопроизводительны. Недостатки — трудность замены поврежденных волокон, большое сопротивление, необходимость тщательной предварительной очистки от механических примесей.

Аппараты с полыми волокнами (рисунок 33, г) выполняют чаще всего в виде кожухотрубчатого теплообменника с линейным расположением волокон (концы закрепляются в двух трубных решетках) или У-образными (с одной решеткой). Раствор движется вдоль наружной или внутренней поверхности волокон. Концы волокон с помощью эпоксидной смоли и уплотнений закреплены в трубных решетках.

Обратноосмотические и ультрафильтрационные установки представляют собой самостоятельно действующие системы, состояние из мембранных аппаратов и оборудования, обеспечивающего их бесперебойную работу.

Установки с мембранными аппаратами можно классифицировать по нескольким признакам. Они могут быть непрерывного и периодического действия, прямоточные и циркуляционные, каждая из которых может быть одно- или многоступенчатой. Прямоточные установки работают только непрерывно, циркуляционные бывают

непрерывными и периодическими. Технологическая схема установки определяется ее назначением и зависит от исходной концентрации раствора, производительности установки и условий ее эксплуатации.