Самостоятельная работа №18

Устройство и принцип действия баромембраных процессов

Симферополь - 2016

К баромембранным процессам водоподготовки, осуществляемым под действием перепада давления через разделительную полупроницаемую мембранную перегородку в интервале температур 5–30 °С, относятся обратный осмос, ультрафильтрация, микрофильтрация и нанофильтрация. Принцип их действия основан на том, что под влиянием внешнего давления молекулы растворителя (вода) и ионы некоторых растворенных веществ (солей) проходят через полупроницаемую мембрану, тогда как другие молекулы или заряженные ионы в различной мере задерживаются мембраной или не проходят сквозь нее.

Отличие баромембранных процессов от обычной фильтрации заключаются в том, что при фильтрации продукт откладывается в виде кристаллического или аморфного осадка на поверхности фильтра, в то время как в баромембранных процессах образуются два раствора, один из которых обогащен растворенным веществом,. В этих процессах накопление вещества у поверхности мембраны недопустимо, т.к. приводит к снижению селективности и проницаемости.

Разделение вещества и растворителя (вода) с помощью полупроницаемых мембран является результатом конкурирующих взаимодействий компонентов смеси (водных растворов) с поверхностью мембраны и обусловлено градиентом давления, разностью химических потенциалов и концентрации. Эффективность разделения определяется следующими основными показателями:

– селективностью s = 1 – c₂/c₁, где с₁ и с₂ – концентрации компонентов исходной смеси (растворенных в воде солей) и пермеата (чистой воды на выходе);

– коэффициентом разделения K_p= (с_А,1/с_А,2)/(с_В,1/с_В,2), где с_А,1, с_В,1 и с_A,2, с_В,2 –концентрации компонентов А и В в исходном растворе и пермеате;

– проницаемостью (удельной производительностью) мембран G = V/Ft, где V – количество смеси, прошедшей за время t через мембрану, определяемое по уравнению V² + 2VC = Kt, где С и К – эмпирические константы, а F – площадь поверхности мембраны.

Рабочее давление для различных баромембранных процессов принимается в пределах 0,1–20 МПа. При слишком низком давлении процесс замедляется. При слишком высоком давлении мембрана может разорваться, засориться присутствующими в воде примесями или пропускать слишком большое количество растворенных солей. Для предотвращения этого вдоль мембраны создается принудительный поток воды, смывающий концентрат в дренаж.

Наряду с давлением концентрация растворенных солей в воде является важным фактором, определяющим возможность осуществления всех баромембранных процессов, которые эффективно используют при концентрациях электролитов в воде от 5 до 20 масс.%. Для водных растворов органических соединений интервал концентраций шире и определяется молекулярной массой, формой и размерами молекул вещества, их строением и степенью взаимодействия с материалом мембраны. От концентрации растворенных солей зависит также способность многих из них, например катионов двух- и трех- валентных металлов и перхлоратов, к сольватации (в случае водных растворов к гидратации), которая нарушает структуру мембран вследствие их обезвоживания и приводит к снижению основных рабочих характеристик. Из-за различных скоростей прохождения компонентов смеси через мембрану происходит концентрационная "поляризация", при которой в пограничном слое около поверхности мембраны накапливается вещество, имеющее наименьшую скорость проникновения через мембрану, а молекулы растворителя (вода) и некоторые одновалентные ионы свободно проникают через мембрану.

Баромембранные процессы определяются и другими факторами, например, химической стойкостью мембраны к агрессивным средам, термоустойчивостью и воздействию микроорганизмов. Химическая стойкость мембран, например, к гидролизу обеспечивается тщательным подбором материала, характеристик рабочей водной среды и условий проведения процесса. Для предотвращения биологического обрастания и разрушения мембраны некоторыми видами микроорганизмов и микроводорослей, обрабатываемую воду предварительно хлорируют хлором или гипохлоритами, а также подвергают озонированию и УФ облучению.

Баромембранные процессы используются во многих отраслях промышленности: для опреснения соленых и очистки сточных вод, разделения азеотропных водных смесей, концентрирования водных растворов (обратный осмос); для очистки сточных вод от тяжелых металлов и высокомолекулярных органических соединений, концентрирования водных суспензий, латексов, выделения и очистки биологически активных соединений, вакцин, вирусов, очистки крови (нанофильтрация), концентрирования молока, фруктовых и овощных соков и др. (ультрафильтрация); для очистки технологических растворов и воды от тонкодисперсных веществ, разделения эмульсий, предварительной водоподготовки и умягчения, например морской и солоноватых вод перед опреснением (микрофильтрация), и др.

Интерес к баромембранным методам разделения способствует совершенствованию и разработке новых технологических схем водообработки, а также созданию новых мембран и установок, рассмотренных ниже.