Обратный осмос и ультрафильтрация

Обратным осмосом и ультрафильтрацией называют процессы фильтрования растворов через полупроницаемые мембраны под давлением, превышающим осмотическое давление (рис. II-37). Мембраны пропускают молекулы растворителя, задерживая растворенные вещества. При обратном осмосе отделяются частицы (молекулы, гидратированные ионы), размеры которых не превышают размеров молекул растворителя. При ультрафильтрации размер отдельных частиц d₄ на порядок больше. Условные границы применения этих процессов приведены ниже:

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).

Таблица II. 12.

Экстрагенты для извлечения металлов

• — рабочее дав-
• — обратный ос-

Рис. II-37. Схемы осмоса (Я— осмотическое давление; Р ление): а — прямой осмос; б — осмотическое равновесие; в мос; 1 — чистая вода; 2 — мембрана; 3 — раствор Обратный осмос широко используется для обессоливания воды в системах водоподготовки ТЭЦ и предприятий различных отраслей промышленности (полупроводников, кинескопов, медикаментов и др.); в последние годы начинает применяться для очистки некоторых промышленных и городских сточных вод. Простейшая установка обратного осмоса состоит из насоса высокого давления и модуля (мембранного элемента), соединенных последовательно (рис. II-38).

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

Эффективность процесса зависит от свойств применяемых мембран. Они должны обладать следующими достоинствами: высокой разделяющей способ;

Рис. II-38. Схема установки обратного осмоса: 1 — насос высокого давления; 2 — модуль обратного осмоса; 3 — мембрана; 4 — выпускной клапан ностью (селективностью), большой удельной производительностью (проницаемостью), устойчивостью к действию среды, неизменностью характеристик в процессе эксплуатации, достаточной механической прочностью, низкой стоимостью.

Селективность <�р (в %) процесса разделения определяют по формуле:

где с_о и с^— концентрации рассоренного вещества соответственно в исходной сточной воде и фильтрате.

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

где ДР — разность давлений воды до и после мембраны; ДР_о — разность осмотических давлений; К, — коэффициент пропорциональности, зависящий от проницаемости мембраны.

Таким образом, скорость обратного осмоса прямо пропорциональна эффективному давлению (разности между приложенным давлением и осмотическим). Эффективное давление значительно превосходит осмотическое. Осмотическое давление для растворов некоторых солей концентрацией 1000 мг/л представлено ниже:

В процессе очистки некоторое количество растворенного вещества проходит через мембрану вместе с водой. Для мембран с высоким эффектом разделения этот проскок S [в кг/(м²сут)] практически не зависит от давления и может быть определен по зависимости (^— константа для мембран):

Из формулы следует, что чем выше концентрация загрязнений в исходной сточной воде, тем выше интенсивность проникания веществ через мембрану.

Предложено несколько вариантов механизма обратного осмоса. По одному из них мембраны собирают воду, которая в поверхностном слое не обладает растворяющей способностью. Если толщина слоя адсорбированных молекул воды составляет половину или более половины диаметра пор мембран, то под давлением через поры будет проходить только чистая пода, несмотря на то, что размер многих ионов меньше, чем размер молекул воды. Прониканию (проницанию) таких ионов через поры препятствует возникающая у них гидратная оболочка. Размер гидратных оболочек различен у разных ионов. Если толщина адсорбированного слоя молекул воды меньше половины диаметра половины диаметра пор, то вместе с водой через мембрану будут проникать и растворенные вещества.

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 в процессе обратного осмоса и ультрафильтрации имеют место более сложные явления.

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

Ацетатцеллюлозные мембраны, применяемые для обратного осмоса, имеют анизотропную структуру. Верхний активный слой ее толщиной до 0,25 мкм является слоем, в котором происходит разделение, а нижний — крупнозернистый слой (100−200 мкм) обеспечивает механическую прочность мембран. Ацетатцеллюлозные мембраны устойчиво работают в интервале давлений 1−8 МПа, температур 0−30°С и pH = 3−8. Для ультрафильтрации используют нитратцеллюлозные, а также полиэлектролитные мембраны. По структуре они аналогичны ацетатцеллюлозным мембранам.

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

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 указанные пределы несколько выше. Для уменьшения влияния концентрационной поляризации организуют рециркуляцию раствора и турбулизацию прилегающего к мембране слоя жидкости, применяя мешалки, вибрационные устройства и увеличение скорости.

Природа растворенного вещества оказывает влияние на селективность. При одинаковой молекулярной массе неорганические вещества задерживаются на мембране лучше, чем органические. С повышением давления удельная производительность мембран увеличивается, так как растет движущая сила процесса. Однако при высоких давлениях происходит уплотнение материала мембран, что вызывает снижение проницаемости, поэтому для каждого вида мембран устанавливают максимальное рабочее давление.

С ростом температуры уменьшаются вязкость и плотность раствора, что способствует росту проницаемости. Однако при этом повышается осмотическое давление, которое уменьшает проницаемость. Кроме того, при повышении температуры начинается усадка и стягивание пор мембраны, что приводит к уменьшению проницаемости, а также возрастает скорость гидролиза, сокращая срок службы мембран. Ацетатцеллюлозные мембраны при 50 °C 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, простоту сборки и монтажа, 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.

Схема многокамерного аппарата типа фильтр-пресс показана на рис. Н-39,а. В этих аппаратах мембраны уложены с обеих сторон плоских пористых дренажных пластин, которые расположены на расстоянии 0,5−5,0 мм друг от друга. Фильтрующие элементы зажаты между двумя фланцами, стянутыми болтами. Сточная вода последовательно проходит через все элементы, концентрируется и удаляется из аппарата. Фильтрат, прошедший через мембраны, уходит через дренажные слои. Аппараты имеют невысокую производительность, так как суммарная площадь мембран изменяется в пределах 60−300 м² на 1 м³ их объема.

Основным достоинством аппаратов с трубчатыми элементами является большая скорость воды (0,9−1,2 м/с), что сводит к минимуму концентрационную поляризацию и загрязнение поверхности мембран. Производительность затратов при давлении 3,0−4,0 МПа равна 400−1000 л/(м² ч). Схема такого аппарата представлена на рис. Н-39Д В качестве фильтрующих элементов используют пористые трубы (металлические, керамические, пластмассовые) диаметром 6−30 мм, на внутреннюю или внешнюю поверхность которых наносится мелкопористая подложка, а на нее полупроницаемая мембрана.

Недостаток аппаратов: более сложная замена мембран, чем в аппаратах типа фильтр-пресс, высокая стоимость нестандартных трубок, наличие застойных зон, неэффективность работы в ламинар;

Рис. II-39. Аппараты для обратного осмоса: а — типа фильтр-пресс: 1 — пористые пластины, 2 — мембраны; б — трубчатый фильтрующий (элемент): 1 — трубка, 2 — подложка, 3 — мембрана; в — с рулонной укладкой полупроницаемых мембран: 1 — дренажный слой, 2 — мембрана, 3 — трубка для отвода очищенной воды, 4 — сетка-сепаратор; г — с мембранами в виде полых волокон: 1 — подложка, 2 — шайба с волокном, 3 — корпус, 4 — полые волокна ном режиме, повышенный расход сточной воды и, следовательно, расход электроэнергии на подачу его в элементы.

Аппараты с фильтрующими элементами рулонного типа (рис. 11−39, в) отличаются большой плотностью упаковки мембран (300- 800 м²/м³). При изготовлении аппарата пакет, состоящий из двух мембран, гибкой пористой пластины и гофрированного сепарационного листа, навивают в виде спирали на трубу, имеющую продольные прорези. Сточная вода движется в каналах гофрированного листа. Проникающий через мембраны фильтрат заполняет объем пустот в пористой пластине и проходит по ним к трубе, откуда удаляется. Ширина навивающего пакета равна 300−500 мм, а длина 0,6−2,5 м. В аппарате имеется несколько пакетов. Недостатки этих аппаратов: сложность монтажа и смены мембран, трудность обеспечения герметичности аппарата.

Аппарат с мембранами в виде полых волокон показан на рис. 11−39, г. Волокна из ацетатцеллюлозы, найлона или других материалов собирают в пучки длиной 2−3 м, которые прикрепляют к стенкам аппарата. Диаметр волокон равен 45−2000 мкм. Удельная поверхность волокон достигает 20 000 м²/м³. Расположение волокон может быть линейным (концы закрепляют в двух трубных решетках) или U-образным (с одной решеткой). Применяют ацетатцеллюлозные и полиамидные волокна, обеспечивающие удельную проницаемость 5−10 л/(м²сут). Аппараты компактны и высокопроизводительны. Недостатком таких аппаратов является большое сопротивление и сложность замены поврежденных волокон.

Установки обратного осмоса состоят из большого числа элементарных модулей, которые соединяют в батареи по параллельной схеме (рис. 11.40). В этом случае все модули работают в одинаковых условиях: при одном и том же давлении и коэффициенте выхода фильтрата. Такая схема пригодна для установок низкой производительности.

Для увеличения выхода фильтрата применяют схему с последовательным соединением модулей (рис. 11.40, 6). Раствор концентрата из первой ступени служит исходной водой для второй ступени. Промежуточного насоса не требуется, так как давление на выходе из первой ступени незначительно отличается от давления на входе во вторую степень (потери напора составляют 0,2−0,3 МПа). Такая схема обеспечивает коэффициент выхода фильтрата 70−90% (для двухили трехступенчатой установок).

Рис. 11−40. Схемы соединения модулей: а— параллельного; б — ступенчатого; 1 — насосы; 2 — модули Используя обратный осмос и ультрафильтрацию, можно концентрировать и разделять растворенные совместно в сточной воде органические и неорганические вещества. Например, по одной из схем (рис. 11.41) в процессе ультрафильтрации получают концентрат, содержащий органические вещества, а в процессе обратного осмоса — концентрат неорганических веществ и чистую воду.

Схема ультрафильтрационной установки для разделения маслоэмульсионных сточных вод с концентрацией масел менее 10% показана на рис. 11.42. Установка с трубчатыми модулями общей поверхностью мембран 52 м² имеет производительность 70 м³/сут. Она работает под давлением от 0,14 МПа до 0,42 МПа при температуре.

Рис. 11-41. Блок-схема установки разделения органических и неорганических веществ.

Рис. 11-42. Схема установки для разделения маслоэмульсионных сточных вод ультрафильтрацией: 1 — емкость; 2 — слой нерастворенных масел; 3 — насос; 4 — емкость; 5 — установка ультрафильтрации; 6 — бак для дополнительного отделения воды; 7 — емкость для масла.

воды 32−38°С (нс выше 50°С), скорость движения потока достигает 5,5 м/с.

В баке при подогреве и добавлении серной кислоты происходит дополнительное разделение масел и воды. После этого воду возвращают в емкость, а масло используют в качестве топлива или направляют на рафинирование. Очищенная вода поступает на доочистку, а затем в производство.