ДОСЛІДЖЕННЯ ОЧИЩЕННЯ ВОДИ НА УСТАНОВЦІ
ЗВОРОТНЬОГО ОСМОСУ
Методичні вказівки
до проведення науково-дослідної роботи
для студентів спеціальності
.090220 «Обладнання хімічних виробництв
і підприємств будівельних матеріалів»
Київ
НТУУ «КПІ»
Устаткування мембранної та холодильної техніки. Дослідження очищення води на установці зворотнього осмосу [Текст]: метод, вказівки до проведення науково-дослідної роботи для студ. спец. 8.090220 «Обладнання хімічних виробництв і підприємств будівельних матеріалів» / Уклад. С.В.Сидоренко. - К.: НТУУ «КПІ», 2010. -13 с.
Затверджено на засіданні кафедри машин
та апаратів хімічних і нафтопереробних виробництв
(Протокол № від р.)
Навчальне видання
Устаткування мембранної
Та холодильної техніки
Дослідження очищення води на установці
Зворотнього осмосу
Методичні вказівки
до проведення науково-дослідної роботи
для студентів спеціальності
.090220 «Обладнання хімічних виробництв
і підприємств будівельних матеріалів»
Укладач Сидоренко Сергій Вікторович, канд.техн.наук, доц..
Відповідальний
редактор
Рецензент
За редакцією укладача
Надруковано з оригінал-макета замовника
Підп. до друку 19.12.2008. Формат 60х84 1/6. Папір офс. Гарнітура Times.
Спосіб друку - ризографія. Ум. друк, арк. 0,70. Обл.-вид. арк. 1,16. Наклад 100 пр. Зам № 8-344.
НТУУ «КПІ» ВПІ ВПК «Політехніка»
Свідоцтво ДК № 1665 від 28.01.2004 р.
03056, Київ, вул. Політехнічна, 14, корп. 15
тел./факс (044) 241-68-78
Вступ
Зворотний осмос — процес, який полягає в фільтрації розчинів під тиском через напівпроникні мембрани, що пропускають розчинник і затримують молекули або іони розчинених речовин. В основі методу лежить явище осмосу — самочинного переходу розчинника крізь напівпроникну мембрану в розчин до досягнення рівноваги. Тиск, при якому воно встановлюється, називається осмотичним.
Осмотичний тиск — це надлишковий, гідростатичний тиск розчину, що перешкоджає дифузії розчину через мембрану, обумовлений відмінністю значень хімічного потенціалу розчинника по обидві сторони мембрани. Якщо зі сторони розчинника прикласти тиск, який перевищує осмотичний, то перенос розчинника буде відбуватись в зворотньому напрямі, що знайшло відображення в назві процесу „ зворотній осмос ”. Осматичні тиски розчинів можуть досягати десятків мегапаскалей. Робочий тиск в установках зворотнього осмосу повинен значно перевищувати осмотичний, оскільки їх продуктивність визначається рушійною силою процесу — різницею між робочим тиском і осмотичним.
Установки зворотного осмосу дають змогу очищати воду від кислих середовищ або колоїдних частинок з найменшими витратами енергії. Тому зворотній осмос у перспективі є основним способом очищення і знесолювання природних вод. У фармацевтичній промисловості зворотній осмос можна застосовувати для отримання ультрачистої води для приготування стерильних розчинів. У хімічній промисловості — для розділення азеотропних сумішей, нетермостійких речовин, зміщення рівноваги у хімічних реакціях шляхом видалення одного з продуктів реакції, концентрування розчинів. У біологіі — для фракціонування кровяної плазми та інших органічних речовин.
Однією з основних характеристик мембрани є селективність, що обумовлена наявністю на ній поверхневого шару зв’язаної води з пониженою розчинною здатністю, тому частинки, які розчиняються у воді, нерозчинні у поверхневому шарі. Діаметр пор мембрани підбирається таким чином, щоб він був менший за суму подвійної товщини поверхневого шару і діаметра гідратованого йона, тому останні будуть затримуватися порами. Чим значніше збільшується діаметр іона в результаті гідратації і чим товщий поверхневий шар води, тим більша селективність мембрани. Тому матеріал мембрани має бути леофільним.
Теоретична частина
Розрізняють дійсну селективність, і ту, що спостерігається. Дійсна селективність визначається за співвідношенням
, (1)
а та, що спостерігається
, (2)
де 
—концентрація солі в розчині, що розділяється, 
—в фільтраті, 
— біля поверхні мембрани з боку розчину
В свою чергу, концентрація солі в розчині визначається як середнє арифметичне концентрацій розчину на вході і на виході з апарату:
(3)
де 
— відповідно концентрації солі в розчині на вході в апарат та на виході з нього.
Матеріальний баланс для апарату зворотнього осмосу:
По потокам:
, (4)
По розчиненій речовині:
, (5)
де 
— витрата ретанту (концентрату), 
— витрата фільтрату (пермеату),
— витрата вихідного розчину.
Витрата фільтрату може бути розрахована за рівнянням:
, (6)
де k — степінь концентрування
(7)
Середня концентрація розчиненої речовини у фільтраті:
(8)
Дійсна проникність мембрани розраховується на основі експерементальних даних та характеристик установки зі співвіднощення:
, (9)
де F — робоча поверхня мембрани
Рушійною силою процесу зворотного осмосу є різниця між робочим тиском та осмотичним тиском для даного розчину.
(10)
Так як мембрани не мають ідеальної селективності й спостерігається деякий перехід крізь них розчиненої речовини, при розрахунку рушійної сили враховують осмотичний тиск пермеату 
:
(11)
Але величину осмотичного тиску на поверхні мембрани 
визначити дуже важко, тому його прирівнюють до осмотичного тиску у розділюваному розчині 
:
(12)
Теоретична проникність мембрани для розчину розраховується за формулою:
(13)
де G0 - проникненість по дистильованій воді, м3/(м2с)
Опис експериментальної установки
В даній лабораторній роботі використовується багатоступінчаста система очищення води з використанням з використанням на останньому етапі зворотноосмотичного модуля.
Принципова схема установки зворотного осмосу зображена на рисунку 1.
1 – ємність вихідного розчину, 2 – мірник рівня, 3 – витратомір, 4 – механічний фільтр, 5 – вугільний фільтр, 6,10,12,14 – вимірювальні ємності концентрацій відповідно розчину після вугільного фільтра, перміату, ретанту та вихідного розчину, 7 – насос, 8 – манометр, 9 – мембранний модуль, 11, 13 – збірники перміату та ретанту, 15 – голчастий вентиль.
Рисунок 1. – Схема установки для очищення води з використанням зворотного осмосу
Стенд працює наступним чином. Вихідний водний розчин (суміш дистильованої води та солі NaCl), витрата якого вимірюється, як витратоміром 3, так і мірником рівня 2 і секундоміром, із ємності 1 під гідростатичним тиском стовпа рідини подається на попередній механічний 20-мікронний фільтр 4, де очищується від механічних забруднень (іржи, піску і інших механічних домішок) і поступає далі до вугільного фільтру 5, який видаляє з водного розчину леткі субстанції (хлор та його з’єднання, органічні речовини, гази).
Після вугільного фільтру встановлено насос 7, що підвищує тиск в магістралі. Головним елементом стенду є рулонний мембранний модуль 9, який складається з рулонного фільтруючого елемента та циліндричного корпусу. Спіральний фільтруючий елемент, представлений на рисунку 2, прикріплений до перфорованого стрижня і накручений на нього у вигляді пакета, що складається з двох напівпроникних мембран і розташованого між ними дренажного шару. Для утворення міжмембранних каналів накручування пакету проводять спільно з сіткою-сепаратором. Вихідний розчин рухається по міжмембранних каналах в повздовжньому напрямі та відводиться з протилежного кінця у вигляді ретанту. Перміат по спіральнорозташованому дренажному шару поступає у перфоровану трубку і виводиться з апарату. Він видаляє з води 96-98% розчинених у воді з’єднань. Стандартні мембрани, що використовувались, мають робочу площу 1,5 м2. При тиску 0,3 МПа очищається 3 л перміату за 10-40 хв. Стенд може працювати при тиску в водопроводній мережі 0,2 МПа. Але коли тиск в магістралі менший від 0,2 МПа, використовується насос 7.
Рисунок 2. – Спіральний фільтруючий елемент
Продуктивність установки по перміату і ретанту змінюється шляхом регулювання голчастим вентилем потоку ретанту. Вимірювання солевмісту розчинів відповідно вихідного після ємності 1, після вугільного фільтра 5 та мембранного модуля 9 (як ретанту, так і перміату) здійснювався портативним приладом TDS, датчик якого занурюється в проточні відбірник 6,10,12,15, через які безперервно протікає рідина.
