Очистка н2о мембранними методами
До основних мембранних методів відносяться:
· Зворотний осмос;
· Нанофільтрація;
· Ультрафільтрація;
· Мікрофільтрація;
· Діаліз;
· Первопарація;
· Мембранна дистиляція;
· Електрофорез.
Напівпроникність мембрани – основна властивість. Рушійна сила у кожного процесу різна:
Баро – різниця тисків з обох сторін мембрани; дистиляція і первопорація – різниця парціальних тисків паро розчинника; електродіаліз – різниця електрокінетичних потенціалів.
Для характеристик мембранних процесів використовується 2 показника:
1. Коефіцієнт затримки (селективності) розчиненої речовини:
2. Продуктивність
C0 і Сф – концентрації розчиненої речовини, початкова та в фільтраті відповідно. В об’ємному потоці Δq об’єм, що проходить через мембрану за інтервал часу Δτ.
Показники 1 і 2 не є сталими , у великій мірі їх значення залежить від зовнішніх умов проведення процесу (тиск, температура, гідроліз).
Для характеристики властивостей використовують показники:
Коефіцієнт фільтрування:
Це вимірювання об’єму потоку по градієнту тиску (з 2 сторін мембрани).
Коефіцієнт відображення мембрани (Коефіцієнт Ставерлена):
ΔР – робочий тиск, Δπ – різниця осмотичних тисків. Коефіцієнт відображення дорівнює нулю для повістю проникної мембрани і становить 1 для ідеально напівпроникної. Характеризує властивості без урахування умов використання мембрани. Однак на нього здійснює значний вплив анізотропність мембран (зміна розміру пор по перерізу мембрани).
Зворотний осмос
Осмос – самочинне проникнення розчинника через напівпроникну мембрану.
Р<π Осмос
| Н2О |
| NaCl |
P=π Осмотична рівновага
| NaCl |
| Н2О |
P>π Зворотний осмос
| Н2О |
| NaCl |
Рушійна сила – різниця робочих тисків з обох сторін мембрани. Визначається рушійна сила:
Для розрахунку осмотичного тиску Вант Гофом – рівняння стану ідеального газу:
C – молярна часка розчиненої речовини. Однак для багатьох розчинів (електролітів в т. ч.)розрахунок парціальних тисків по даній рівності буде коректним, якщо не приймати до уваги дисоціацію. Тому поправочний коефіцієнт
i – коефіцієнт Вант Гоффа:
і = 1+α
α – ступінь дисоціації розчинених речовин.
Осмотичні тиски реальних розчинів – 10-ки МПа, не залежно від концентрації. Робочий тиск у зворотному осмосі повинен бути значно вище як в прямому, визначається різницею між робочим і осмотичним тиском. Для знесолення морської води (13,5 % солей) π=2,45 МПа. Робочий тиск в зворотному осмосі повинен бути 7-8 МПа. Необхідність підтримувати високі робочі тиски (до 25 МПа) є обмеженням по використанню такого способу.
Недоліком зворотного осмосу є також концентраційна поляризація: значне підвищення концентрації розчинено речовини в тонкому при мембранному шарі, порівняно з концентрацією в певному розчинні (в об’ємі). Виникає потреба ретельної частої очистки розчину перед подачею на мембрану. Вода очищується від грубо дисперсних речовин, високомолекулярної органіки, мікроорганізмів. Найбільше енергії витрачається на створення робочих тисків і продавлювання через мембрану:
А = А(стиснення) + А(продавлювання)
А(стиснення) – порівняно не велике, тому ігнорують.
А(продавлювання) = ΔР∙V,
ΔР – прикладена різниця тисків; V – об’єм продавленої води.
Робота продавлювання 1 м3 води при 5 МПа – 4.9 МДж.
Переваги зворотного осмосу: простота конструкції: елементарний мембранний модуль + насосне апаратурне забезпечення.
Мембрани в барометричних процесах класифікуються по признакам:
1. По природі матеріалу з якого виготовлені:
§ Полімерні, які залежно від хмічного складу:
- Ацетат целюлозні;
- Поліамідні;
- Полісульфонові;
- Полівініл хлоридні.
§ Неорганічні: металеві, керамічні, графітові, стікляні.
2. По пористій структурі:
ü Непористі (дифузійні);
ü Пористі.
За пористою структурою:
Ø Ізотропні;
Ø Анізотропні.
Для ізотропних характерний однаковий діаметр пор у всьому об’ємі мембрани.
Для анізотропних – постійна зміна діаметру пор в поперечному перерізі. Діаметр пор постійно зростає від робочої до підстилаючої поверхні м мембрани. Є асиметричні анізотропні мембрани. Для них характерно зростання діаметру пор від робочої підстилки, однак в цьому випадку мембрана складається з декількох шарів. В границях між шарами чітко розрізняються пори приблизно однакового розміру, ле відмінні від розміру пор наступного шару. Робочі селективні шари отримують з різних по хічіному складу матеріалів.
3. За геометричною.формою:
ü Плівки
ü Трубки
ü Пластинки
ü Полі волокна
Плівки і пластинки виготовляються у вигляді дисків, квадратів, еліпсі, їх товщина 100-150 мкм. Трубки мають діаметр 5-25 мм. Полі волокна з діаметром 20-100 мкм і товщиною стінки – 10-50 мкм.
4. За функціональними признаками: зворотноосотичні, ультра- нанофільтраційні, діалізні.
5. За способом отримання:
Ø Мокрий спосіб;
Ø Сухий спосіб.
Ультрафільтрація
Процес барометричного розділення, концентрування, фракціонування розчинів високомолекулярних і колоїдних частинок. Реалізується при різних тмках – від 0,05 до 5 МПа. Залежно від поставленої мети УФ використовується для розділення розчинника і низькомолекулярної речовини. Для розділення високо- і низькомолекулярного, концентрування високомолекулярних сполук, їх фракціонування по розмірам. УФ для розділення систем, де молекулярна маса набагато вище молекулярної маси розчинника. На практиці приміняють тоді, коли 1 з компонентів більше 500 Дальтон. Для УФ використовуються мембрани з високою проникністю і відносно широкими порами (діаметром 5-500 нм). Практично не уникним є утворення на поверхні УФ мембрани осаду-гею, що значно зменшує пористість мембрани. Ці зміни суттєво знижують І0 і підвищують коефіцієнт селективності. Селевий шар може відігравати роль мембрани.Така мембрана називається динамічною. Використовується для очищення стічних вод, що містять речовини, здатні до гелеутворення. Підтримуючи динамічну рівновагу (без надмірного росту) можна очищувати СВ з високою ефективністю.
Нанофільтрація
Барометричний процес розділення при робочому тиску в межах 1-2 МПа, молекулярна маса в діапазоні 300-500 Дальтон. В процесі нанофільтрації частково затримуються низькомолекулярні електроліти (NaCl на 40-60 %), органіка на 99 %. Мембрани мають пори нанорозміру 1-3 нм. Деякі шари можуть бути і не пористими, але гідрофільними.
Низький робочий тик і вузький діапазон молекулярних мас, що пов’язано з їх пористістю, ультра тонкою селективністю, багатошаровістю та мікродефектами. Заіняє фільтрацію і коагуляцію.
Мікрофільтрація
Відділення від розчинів завислих і колоїдних частинок: від 0,1 до 10 мкм. Різниця тисків – 0,01-0,05 МПа. МФ мають розмір пор 0,05-10 мкм, у формі плівок, трубок, полих волокон.
Діаліз
Рушійна сила – градієнт концентрацій розчиненої речовинни з 2 сторін мембрани. Використання непористих дифузійних мембран для розділення речовин, різних по молекулярній масі. Недоліки: низька продуктивність.
Первопорація
Використання непористих мембран (квазігелевих) для вилучення з води невеликих кількостей органіки (бензол, толуол, спирти) або для видалення домішок води з цих речовин. Необхідна умова: здатність полімерних мембран набухати у речовині, яка є домішками. Рушійна сила – різниця парціальних тисків, градієнт концентрацій розчинної речовини з обох боків мембрани.
Мембранна дистиляція
Мембранна дистиляція – це процес, рушійною силою якого є різниця парціальних тиску пари розчинника (води) з обох сторін гідрофобної пористої мікрофільтраційної мембрани.
Температура розчину, який ми підводимо до поверхні мембрани складає 50-80 ˚С, а температура фільтрату - 50-80 ˚С.
Мембранна дистиляція цікава, насамперед, тим, що це не тільки метод опріснення та знесолення води, а й концентрування технологічних розчинів.
Перевагою мембранної дистиляції є те, що в цьому методі можна використовувати низько енергетичне тепло.
Мембранну дистиляцію можна здійснювати різними шляхами. Найбільш поширеними є наступні:
1)контактна мембранна дистиляція – це процес, у якому рідина безпосередньо контактує з обома сторонами мембрани. Вода, що омиває холодну сторону мембрани, являє собою середовище для конденсації пари, що переноситься із пор гарячої сторони мембрани.
2)мембранна дистиляція через газовий або паровий прошарок. Тут процес здійснюється шляхом конденсації пари за приймаючою стороною мембрани на охолоджуючій поверхні, що розташована на деякій відстані від мембрани. Тобто пара, що конденсується, не контактує безпосередньо з поверхнею мембрани. Це так звана газощілинна мембранна дистиляція.