Теоретические основы методов ультрафильтрации и обратного осмоса

В настоящее время в практике водоочистки широкое применение находят мембранные технологии, которые позволяют одновременно очищать воду от органических и неорганических компонентов, бактерий, вирусов и других загрязнений. При этом часто удается довести концентрат до уровня, при котором становится рентабельной регенерация растворенных веществ, а очищенную воду использовать для нужд производства или бытовых целей. Эти методы позволяют одновременно решать проблемы водоснабжения, водоочистки и утилизации отходов.

Мембранные процессы можно классифицировать по размерам разделяемых частиц растворенного вещества и, следовательно, по структуре используемых мембран.

К основным мембранным методам разделения жидких систем относятся: микрофильтрация, ультрафильтрация, обратный осмос.

Микрофильтрация – процесс разделения растворов фильтрованием через мембраны, поры которых имеют диаметр от 100 нм до 10 мкм. Этот процесс в наибольшей степени близок к обычной фильтрации и применяется для отделения от растворителя крупных коллоидных частиц или взвешенных микрочастиц размером 0,1–10 мкм.

Ультрафильтрация (нанофильтрация) – процесс разделения растворов, а также фракционирования и концентрирования растворов, содержащих высокомолекулярные соединения (ВМС), мембранами, размер пор которых находится в пределах от 1 до 100 нм.

В зависимости от назначения процесса ультрафильтрационные мембраны способны пропускать:

· растворитель и преимущественно НМС (при разделении ВМС и НМС);

· растворитель и определенные фракции ВМС (при фракционировании ВМС);

· только растворитель (при концентрировании ВМС).

Движущей силой ультрафильтрации является разность давлений (рабочего и атмосферного) по обе стороны мембраны. Так как осмотические давления ВМС малы по сравнению с рабочим давлением жидкости, то при расчете движущей силы процесса ультрафильтрации обычно их не учитывают. Ультрафильтрацию проводят при сравнительно невысоких давлениях: 0,2–1 МПа.

Обратный осмос (гиперфильтрация) заключается в фильтровании растворов под давлением через полупроницаемые мембраны, пропускающие растворитель и полностью или частично задерживающие молекулы либо ионы растворенных веществ. Размер пор мембраны варьируется от 0,1–1,0 нм.

В основе метода лежит явление осмоса – самопроизвольного перехода растворителя через полупроницаемую перегородку в раствор (рис. 3.20, а). Давление, при котором наступает равновесие (рис. 3.20 б), называется осмотическим (p).

Осмотическое давление зависит от концентрации примесей и может быть определено для разбавленных растворов по формуле:

(3.20)

где С – концентрация примесей (моль/л), R– универсальная газовая постоянная (Дж/(моль К)), Т – температура (К)

Если со стороны раствора приложить давление, превышающее осмотическое (рис.3.20 в), то перенос растворителя будет осуществляться в обратном направлении. Данный процесс получил название обратный осмос.

а б в

Рис. 3.20. Условия возникновения обратного осмоса

Движущую силу процесса обратного осмоса в случае идеально полупроницаемой мембраны определяют следующим образом:

DР = Р – p, (3.21)

где Р – избыточное (рабочее) давление над исходным раствором.

На практике мембраны не обладают идеальной полупроницаемостью и наблюдается некоторый переход через мембрану растворенного вещества. В этом случае движущая сила определяется выражением

DR = R - (p - p₁ ) = R - Dp, (3.22)

где p₁ – осмотическое давление фильтрата, прошедшего через мембрану.

Из этих уравнений следует, что перенос воды через мембрану возможен, если фильтрование производится при давлениях значительно выше осмотического.

Выбор мембранного метода (ультра-, микрофильтрации, обратного осмоса) определяется составом очищаемых вод, технологической задачей, требуемой степенью очистки.

Метод обратного осмоса используется для очистки воды от ионов металлов, обессоливания, а также от низкомолекулярных органических веществ.

Ультрафильтрация применяется для очистки сточных вод, содержащих органические соединения с молярной массой 1200–2000000 г/моль при давлении 1,4-3,6 МПа.

Особенность ультрафильтрации и обратного осмоса, их отличие от обычной фильтрации заключается в том, что в результате очистки образуется два потока воды: поток воды, проходящий через мембрану (пермиат или фильтрат) и другой поток, смывающий вещества удерживаемые мембраной, (концентрат).

Основными характеристиками мембранных материалов являются производительность по фильтрату и селективность.

Производительность, или проницаемость, g выражается объемом фильтрата V, пропускаемого через единицу рабочей поверхности мембраны S в единицу времени t (м³/(м² ·ч) или м³/(м² ·ч ·МПа):

или . (3.18)

Производительность мембраны можно повысить за счет уменьшения ее толщины.

Селективность полупроницаемых мембран R вычисляется по формуле:

, (3.23)

где С₀и С_ф – концентрация растворенного вещества в исходной и очищенной воде.

Селективность обратноосмотических мембран повышается при увеличении рабочего давления и практически не зависит от концентрации солей. При очистке от ионных примесей на селективность оказывает влияние размер, молярная масса и заряд иона.

Селективность к катионам различных металлов и некоторым анионам характеризуется следующим рядом:

Al³⁺ > Zn²⁺ > Cd²⁺ > Mg ²⁺ > Ca²⁺ > Ba²⁺ >SO₄^2- > Na⁺> F^-> K⁺ > Cl^– > Br^– > > I^– > NO₃^– > H⁺.

Селективность обратноосмотических мембран по отношению к низкомолекулярным органическим соединениям зависит от размера молекулы и ее молярной массы. При размере пор 0,8 нм наибольшая селективность (95–99 %) достигается при очистке воды, содержащей органические примеси с молярной массой от 50 до 200 г/моль.

Срок эффективной работы мембраны зависит от вида сточных вод, величины рН, ее химической и термической стойкости, механической прочности, рабочего давления в аппарате и др.

В зависимости от разделяемых сред, предъявляемых требований к качеству очистки, технологических условий эксплуатации используются мембраны различающиеся

· по форме: плоские, трубчатые, полые волокна;

· по структуре: непористые – диффузионные, пористые – изотропные и анизотропные, жестко-структурные, комбинированные:

· по способу получения: сухое или мокрое формование, термическая желатинизация, экструдирование и др.

· по природе материала: полимерные или керамические.