Схемы применения ультрафильтрационных мембран для обратного осмоса
статья

ЛЕКЦИЯ

Схемы применения ультрафильтрационных мембран для обратного осмоса

План лекции

1. Повышение спроса на мембранное оборудование для водоподготовки

2. Описание процесса обратного осмоса

2.1 Назначение

2.2 Решаемые проблемы

2.3 Области применения

2.4 Принцип работы

3. Типы мембран обратного осмоса

4. Схемы применения ультрафильтрационных мембран для обратного осмоса

     Разделение водных растворов при помощи мембранных технологий известно давно. Вначале они нашли свое применение в различных отраслях промышленности, а в последние десятилетия получили широкое распространение в системах водоподготовки. К этому привела универсальность осмотических мембран, которые способны очищать воду от различных видов загрязнения.

      Системы обратного осмоса используются для получения воды высокой степени очистки, а также применяются для и обессоливания воды. При прохождении водой осмотических мембран удаляются органические соединения, взвеси, микроорганизмы.

      Повышение спроса на мембранное оборудование для водоподготовки и доочистки воды, идущей на технологические и хозяйственно-питьевые нужды, связано с несколькими факторами:

• неудовлетворительное качество воды. Антропогенные факторы приводят к ухудшению класса водоисточников. Это приводит к тому, что при применении традиционных способов водоподготовки не всегда можно очистить воду до требуемых нормативных параметров;
• снижение стоимости мембранных аппаратов и одновременно улучшение их характеристик из-за совершенствования технологии производства;
• увеличение числа специалистов, занимающихся подбором и эксплуатацией мембранного оборудования.

1. ОПИСАНИЕ ПРОЦЕССА ОБРАТНОГО ОСМОСА

 Явление осмоса лежит в основе обмена веществ всех живых организмов. Благодаря ему в каждую  живую клетку поступают питательные вещества и, наоборот, выводятся шлаки.

Явление осмоса наблюдается, когда два соляных раствора с разными концентрациями разделены полупроницаемой мембраной.

Мембрана работающая на основе обратного осмоса пропускает   молекулы и ионы определенного размера, но служит барьером для веществ с молекулами большего размера. Таким образом, молекулы воды способны проникать через мембрану, а молекулы растворенных в воде солей - нет.

Если по разные стороны полупроницаемой мембраны находятся солесодержащие растворы с разной концентрацией, молекулы воды будут перемещаться через мембрану из слабо концентрированного раствора в более концентрированный, вызывая в последнем повышение уровня жидкости. Из-за явления осмоса процесс проникновения воды через мембрану наблюдается даже в том случае, когда оба раствора находятся под одинаковым внешним давлением.

Разница в высоте уровней двух растворов разной концентрации пропорциональна силе, под действием которой вода проходит через мембрану. Эта сила называется "осмотическим давлением".

В случае, когда на раствор с большей концентрацией воздействует внешнее давление, превышающее осмотическое, молекулы воды начнут двигаться через полупроницаемую мембрану обратного осмоса в обратном направлении, то есть из более концентрированного раствора в менее концентрированный.

Этот процесс называется "обратным осмосом". По этому принципу и работают все мембраны обратного осмоса.

Вещества разделяются на молекулярном уровне, при этом с одной стороны мембраны накапливается практически идеально чистая вода, а все загрязнения остаются по другую ее сторону. Таким образом, обратный осмос обеспечивает гораздо более высокую степень очистки, чем большинство традиционных методов фильтрации, основанных на фильтрации механических частиц и адсорбции ряда веществ с помощью активированного угля.

2. НАЗНАЧЕНИЕ

Система обратного осмоса предназначена для глубокой очистки и обессоливания воды, удаления органических соединений, микроорганизмов, взвесей, для подготовки воды хозяйственно-бытового, промышленного и питьевого назначения.

А также применяется на объектах:

• АЭС (комплексы водоснабжения)
• ТЭЦ, ГЭС (системы технологической очистки воды)
• ГАЗОВАЯ ЭНЕРГЕТИКА  (блочных комплексы водоподготовки)
• ЖКХ (водоснабжение объектов I категории)
• Научно-исследовательских комплексов (очистка воды для лабораторий по разработке бактериологического оружия)

3. РЕШАЕВЫЕ ПРОБЛЕМЫ

Обратноосмотическая мембрана очень хорошо отделяет неорганические вещества. В зависимости от типа применяемой мембраны (ацетатцеллюлозная или тонкопленочная композитная) степень очистки составляет по большинству неорганических элементов 85%-98%.

Мембрана обратного осмоса также удаляет из воды и органические вещества. Органические вещества с молекулярным весом более 100-200 удаляются полностью; а с меньшим - могут проникать через мембрану в незначительных количествах. Большой размер вирусов и бактерий практически исключает вероятность их проникновения через мембрану.

В то же время, мембрана пропускает растворенные в воде кислород и другие газы, определяющие ее вкус. В результате, на выходе системы обратного осмоса получается свежая, вкусная, настолько чистая вода, что она, строго говоря, даже не требует кипячения.

Ниже приведены ориентировочные показатели, которым должна соответствовать исходная вода, подаваемая на обратноосмотические мембраны (наличие некоторого диапазона обусловливается требованиями разных производителей мембран):

4. ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ

Наиболее актуальными на сегодняшний день применениями фильтров обратного осмоса считаются:

- обессоливание, снижение минерализации (опреснение) подземных вод;

- опреснение морской воды;

- приготовление технологических растворов специального применения в промышленности;

- отделение ценных компонентов из растворов (концентрирование);

- концентрирование растворенного вещества.

            Основным направлением использования обратного осмоса является очистка воды, главным образом, обессоливание солоноватых вод и особенно морской воды с целью получения питьевой воды. Другой важной областью применения обратноосмотических установок является использование обратного осмоса как стадии предварительного обессоливания воды при производстве ультрачистой воды для полупроводниковой, медицинской и теплоэнергетической отраслей промышленности.

            На стадии концентрирования обратный осмос широко используется в пищевой промышленности (концентрирование фруктовых соков, сахара, кофе) и в молочной промышленности (для концентрирования молока на начальной стадии сыроделия), а также при очистке сточных вод (в гальванике для концентрирования гальваностоков).

СРАВНЕНИЕ МЕТОДОВ ОБЕССОЛИВАНИЯ (ИОННЫЙ ОБМЕН И ОБРАТНЫЙ ОСМОС)

Обратный осмос

Преимущества:

- очень высокое качество получаемой воды,  которое обусловлено весьма «мягкими» с физико-химической точки зрения условиями проведения процесса;

- неограниченная производительность (путем набора стандартных модулей и блоков) и одновременно – небольшие габариты;

отношение: производительность/габариты – лучшее по сравнению с другими методами обессоливания – дистилляцией, ионообменом, электродиализом;

- относительно низкие эксплуатационные расходы;

- малый расход ингибиторов отложений и реагентов для отмывки отложений на мембранах;

- низкая энергоемкость (процесс осуществляется без фазовых переходов, и, следовательно,  энергия требуется лишь для создания градиента давления и рециркуляции раствора);

- возможность почти во всех случаях сброса концентрата в канализацию (в окружающую среду) без обработки.

Недостатки обратного осмоса:

- необходима тщательная предподготовка воды для обеспечения большой производительности мембран и длительного срока их службы;

- большой объем сбрасываемого концентрата (с учетом компоновочных решений расход пермеата может составить 75–80% исходной воды, концентрат – 20–25%) и, следовательно, значительный расход исходной воды;

- большие капитальные затраты;

-желательный непрерывный режим работы установок.

Ионообмен

Преимущества:

- возможность получения воды очень высокого качества (многоступенчатые установки), в том числе для котлов любого давления и промывки печатных плат электронного оборудования;

- способность работать при резко меняющихся параметрах питающей воды;

- небольшие капитальные и энергозатраты;

- небольшой объем воды на собственные нужды, особенно у противоточных фильтров;

Недостатки:

- относительно большой расход реагентов, особенно у натрий-катионитных фильтров;

- эксплуатационные расходы  увеличиваются пропорционально солесодержанию исходной воды и при необходимости уменьшать предел обессоливания обработанной воды;

- в зависимости от качества исходной воды требуется предподготовка – иногда весьма сложная;

- необходима обработка сточных вод и сложности с их сбросом.

5. ПРИНЦИП РАБОТЫ

В обратноосмотической технологии используется полупроницаемая мембрана, которая пропускает только молекулы воды и задерживает молекулы загрязняющих веществ. Наиболее часто в технологии обратного осмоса используется процесс, известный как перекресное течение, что позволяет мембране самоочищаться. В то время, как часть жидкости проходит через мембрану, другая ее часть двигается в обратном направлении, вымывая из мембраны обратного осмоса задержанные частички.

В процессе обратного осмоса требуется движущая сила, которая будет проталкивать жидкость через мембрану, наилучшим вариантом является давление, создаваемое помпой. Чем выше давление, тем больше движущая сила.

       Установки обратного осмоса способны задерживать бактерии, соли, сахара, протеины, частицы, красители и другие загрязняющие вещества, молекулярная масса которых больше 150-250 далтонов.

Разделение ионов обратным осмосом происходит с участием заряженных частиц. Это значит, что расстворенные ионы, которые несут заряд, равный зараряду солей, более вероятно будут отброшены мембраной, чем те, которые не заряжены, например органика. Чем больше заряд частицы и ее размер, тем выше вероятность того, что она будет отброшена мембраной.

6. ТИПЫ ОБРАТНОГО ОСМОСА

 В современной водоподготовке используются три основных типа мембран обратного осмоса: целлюлозные (CA) и из смеси триацетата целлюлозы с ацетатом целлюлозы (CTA), полностью из ароматического полиамида и тонкопленочные композитные (TFC) мембраны.       Основные исходные требования, предъявляемые к мембранам следующие:

- свободная проницаемость для воды

- высокая селективность

- работоспособность при высоких давлениях

- стойкость в широком диапазоне pH и температуры

- устойчивость к воздействию химических веществ, в том числе окислителей (таких, как

свободный хлор)

- биологическая стойкость к бактериям

- низкая адгезия поверхностного слоя к осаждаемым веществам

Целлюлозные мембраны появились первыми, и именно на них в конце 1950-х годов был продемонстрирован принцип обратного осмоса. Эти мембраны асимметричны и состоят из тонкого плотного поверхностного слоя (от 0,2 до 0,5 мкм) и толстой пористой подложки. Задержка растворенных веществ осуществляется тонким плотным слоем и пористой подложкой, обеспечивающей прочность конструкции.

       Ацетат целлюлозы может использоваться в листах или в виде полых волокон. Мембраны из ацетата целлюлозы недороги и просты в изготовлении, но имеют ряд ограничений.           Асимметричная структура делает их восприимчивыми к уплотнению при высоких давлениях и, особенно при повышении температуры. Уплотнение происходит, когда тонкий плотный слой мембраны утолщается за счет слияния с толстой пористой подложкой, что приводит к сокращению потока продукта.

       Мембраны из ацетата целлюлозы подвержены гидролизу и могут использоваться только в ограниченном диапазоне pH (самые низкие значен ия рН от 3 до 5, а самые высокие рН от 6 до 8, в зависимости от производителя). При температуре выше 35°C они начинают разрушаться, а также они уязвимы для атак бактерий.

       Мембраны из ацетата целлюлозы имеют высокую проницаемость для воды, но плохо задерживают загрязнения с низким молекулярным весом.

В последствии были разработаны мембраны из триацетата целлюлозы с улучшенными характеристиками селективности по соли, сниженной чувствительностью к рН, высокой температуре и микробным атакам. Тем не менее, мембраны из триацетата целлюлозы имеют более низкую водопроницаемость, чем мембраны из ацетата целлюлозы. Чтобы получить желаемые характеристики обеих мембран, были разработаны смеси триацетата целлюлозы и ацетата целлюлозы.

Мембраны из армированного полиамида (е полиамидные мембраны) с полой конфигурацией волокна были впервые разработаны компанией Дюпон. Как и целлюлозные мембраны, они имеют асимметричную структуру с тонкой (от 0,1 до 1,0 мкм), плотной пленкой и пористой подложкой.

Полиамидные мембраны, в отличие от целлюлозных, имеют лучшую биологическую стойкость и менее восприимчивы к воздействию гидролиза. Они могут работать даже выше диапазона рН от 4 до 11, но постоянное использование на краях этого диапазона может привести к началу необратимого разрушения мембраны.

       Оболочка этих мембран может выдерживать более высокие температуры, чем у целлюлозных. Однако, как и целлюлозные, они уплотняются при высоких давлениях и температурах. У них лучше селективность по NaCl и органическим веществам.

       Основным недостатком полиамидных мембран является то, что они подвержены разрушению под воздействием окислителей, таких как свободный хлор.

Тонкопленочные композитные мембраны изготавливаются путем формирования тонкой и плотной поверхностной пленки (с большим сопротивлением по потоку для растворенных веществ) поверх пористой подложки.

       Конструкционные материалы и технологические процессы для изготовления этих двух слоев могут быть различными и оптимизируются с целью получения лучшего сочетания большого потока воды и низкой проницаемости для растворенных в ней веществ.

Характеристики потока пропускаемой воды и сопротивляемости растворенным в ней веществам в основном определяются тонким поверхностным слоем, толщина которого колеблется в пределах от 0,01 до 0,1 мкм.

7. УСТРОЙСТВО ОБРАТНОГО ОСМОСА.

 Первой стадией процесса обратного осмоса является тонкая очистка исходной воды от механических примесей. Обычно для этого используются фильтры патронного типа, размещаемые в однопатронных или мультипатроных фильтродержателях, в зависимости от производительности ОО-установки.  Данный фильтр относится к фильтрам периодического действия, работающим под давлением. Механизм работы патронных фильтрующих элементов относится к глубинной и/или поверхностной фильтрации, т.е. механические примеси, задерживаемые фильтрующим элементом, накапливаются внутри слоя фильтрующей перегородки.            

Вода, очищенная на патронных фильтрах, подается на насос высокого давления, назначением которого является достижение давления исходной среды расчетного давления для осуществления массообменных процессов, протекающих на полупроницаемых обратноосмотических мембранах. Подбор высоконапорного насоса производится исходя из его рабочей характеристики. При этом рабочая точка насоса должна находится в диапазоне от 0,6 – 0,7 максимальной его производительности.

       При невозможности установить «паритет» между давлением и производительностью насоса высокого давления (а это бывает чаще всего) между всасывающим и нагнетающим патрубками насоса устанавливается байпассный вентиль, с помощью которого и осуществляется данная операция (по показаниям ротаметра и манометра исходной воды, поступающей на установку обратного осмоса). Регулировка процесса повышения давления исходной воды производится один раз в процессе пуско-наладочных работ. В процессе эксплуатации ОО-установки осуществляется только контроль указанных параметров исходной воды.

       После того как давление исходной воды повышено, она поступает на модули, в которых размещены обратноосмотические мембраны, где собственно и происходит разделение исходной воды на пермеат и концентрат. Концентрат, выходящий из установки обратного осмоса, имеет достаточно высокое давление и его транспортировка к месту сброса или утилизации не вызывает особых трудностей. Давление пермеата после обратноосмотической установки редко превышает 1 атм. Поэтому, чаще всего его приходиться подавать в накопительную емкость, откуда с помощью повышающего насоса он транспортируется на дальнейшие стадии очистки.

       Фильтрующий элемент (мембрана) может быть выполнен в виде рулона. Обратноосмотическая мембрана   Сама мембранная конструкция состоит из пакета с тремя герметичными кромками. Четвертую кромку прикрепляют к специальной перфорированной трубе для того чтобы осуществить отвод фильтратов. На трубу также вместе с пакетом накручивают и сетку, которая является сепаратором. Смесь, которую необходимо отфильтровать, перемещается продольно по межмембранным каналам, а отработанная жидкость (фильтрат) попадает в отводимую трубу по специальному дренажному каналу. Как видно, схема установки обратного осмоса достаточно проста, если учитывать то, какую сложную работу она выполняет.

Вопросы для самоконтроля

1. Опишите процесс  обратного осмоса.

2. Где применяются технологии  обратного осмоса?

3. Опишите принцип работы обратного осмоса.

4. Назовите три основных типа мембран обратного осмоса

5. Назовите преимущества и недостатки применения технологии  обратного осмоса для обессоливания воды.

Домашнее задание:

1.Проработать конспект лекции.

2. Ответить на вопросы для самоконтроля.