Обратный осмос и ультрафильтрация в растворах сточных вод

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 π 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 π на величину Δp, то переход растворителя будет осуществляться в обратном направлении и тогда процесс называют обратным осмосом.

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

π = β ∙R ∙T ∙C/M (5.88)

где β = (1 + α) – коэффициент Вант-Гоффа; α - степень диссоциации растворенного вещества; R – газовая постоянная; T – абсолютная температура 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, гидратированные ионы), размеры которых не превышают размеров молекул растворителя. При ультрафильтрации размер отделяемых частиц dч 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: dч = 0,0001…0,001 мкм; ультрафильтрация: dч = 0,001…0,02 мкм; макрофильтрация: dч = 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. 5.13) состоит из насоса высокого давления и модуля (мембранного элемента), соединенных последовательно.

Рис. 5.13. 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 ϕ (в %) мембран в процессе разделения определяют по

формуле

φ = 100(c_о - c_ф)/c_о = 100(1 - c_ф/c_о) (5.89)

где c₀ и c_ф – концентрация растворенного вещества в исходном растворе (сточной воде) и фильтрате (очищенной воде).

Пористость β мембраны можно выразить соотношением

β = π ∙d_ср² ∙n/4 (5.90)

где dср – средний диаметр пор, м; n – число пор на 1 м² площади мембраны.

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

V_ф = k₁ (ΔP - ΔP_о) (5.91)

где Δp – разность давлений воды до и после мембраны; ΔPо – 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_о - c_ф) (5.92)

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 ацетатцеллюлозы, 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, ацетатцеллюлозные 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.