6.7. Применение методов обратного осмоса и ультрафильтрации для очистки сточных вод.
6.7.1.Понятие о мембранных процессах.
Обратный осмос и ультрафильтрация - это мембранные методы разделения жидких систем, к которым относятся также диализ и электродиализ. При использовании любого из перечисленных методов процесс разделения осуществляют следующим образом. Разделяемый раствор вводится в соприкосновение с полупроницаемой мембраной с одной ее стороны. Вследствие особых свойств полупроницаемых мембран, прошедшая через них смесь обогащается одним из компонентов. В ряде случаев процессы проходят настолько полно, что продукт практически не содержит примесей, задерживаемых мембраной. С.В.Родионов приводит следующие условные границы применения этих процессов в зависимости от размера загрязняющих частиц:
Процесс Обратный осмос Ультрафильтрация Макрофильтрация
Размер загрязня- 0,0001-0,001 0,001-0,02 0,02-10
ющих частиц
Процесс обратного осмоса используется как в системах водоподготовки различных предприятий, так и для очистки сточных вод.
Метод обратного осмоса заключается в фильтровании растворов под давлением через полупроницаемые мембраны, пропускающие растворитель и полностью или частично задерживающие молекулы либо ионы растворенных веществ. В основе описываемого способа лежит явление осмоса - самопроизвольного перехода растворителя через полупроницаемую перегородку в раствор (рис.6.35). Давление при котором наступает равновесие (рис.6.35б), называется осмотическим. При приложении со стороны раствора давления, превышающего осмотическое, перенос растворителя будет осуществляться в обратном направлении (рис.6.35в). Поэтому процесс получил название «обратный осмос».
Н
Н
Рис. 6.64. Схемы осмоси ( =gH - осмотическое давление): а – прямой осмос;
б – осмотическое равновесие; в – обратный осмос.
Движущую силу обратного осмоса в случае идеально полупроницаемой мембраны находят из следующего выражения:
Р = Р - 1 ( 6.0)
где
Р - избыточное(рабочее) давление над исходным раствором,
1 - осмотическое давление раствора.
Мембраны, используемые при очистке сточных вод не обладают идеальной полупроницаемостью, вследствие чего через мембрану проходит и некоторая часть растворенного вещества. Для этого случая движущая сила процесса записывается следующим образом:
Р = Р - ( 1-2) = Р - ( 6.0)
где
2 - осмотическое давление фильтрата, прошедшего через мембрану.
Вант-Гофф предложил следующее уравнение для расчета осмотического давления:
= с RT ( 6.0)
где с - мольная доля растворенного вещества, R - газовая постоянная, Т - абсолютная температура раствора, К
Для многих растворов расчет по предлагаемому уравнению приводит к существенным ошибкам, поэтому вводят различные поправочные коэффициенты.
С учетом этого в общем случае значение определяется по следующему уравнению:
= icRT ( 6.0)
где i = 1 + ‘ - коэффициент Вант-Гоффа (‘- степень диссоциации растворенного вещества).
Для сильных электролитов , полностью диссоциирующих на ионы, осмотическое давление определяют выражением:
= Ф сRT ( 6.0)
где
- число ионов, образующихся при диссоциации 1 молекулы,
Ф - фактический осмотический коэффициент ( Ф = i/)
Давление процессов обратного осмоса лежит в пределах 6 - 10 МПа.
Как уже указывалось выше, фильтрация - это процесс мембранного разделения, а также фракционирования и концентрирования растворов. Этот процесс протекает под действием разности давлений (до и после мембраны) растворов высокомолекулярных (ВМС) и низкомолекулярных соединений (НМС). Мембраны могут пропускать растворитель и преимущественно или только НМС (при разделении ВМС и НМС), растворитель и определенные фракции ВМС (при фракционировании ВМС, только растворитель (при концентрировании ВМС).
Процесс ультрафильтрации в отличие от обратного осмоса используют для разделения систем, в которых молекулярная масса растворенных компонентов больше молекулярной массы растворителя. Считается, что для водных растворов указанный процесс разделения является эффективным только тогда, когда хотя бы один из компонентов системы имеет молекулярную массу от 500 и выше.
Движущей силой ультрафильтрации является разность давлений (рабочего и атмосферного) по обе стороны мембраны. Обычно ультрафильтрацию проводят при сравнительно невысоких давлениях 0,3-1 МПа.
Отличие обратного осмоса и ультрафильтрации от обычного процесса фильтрования заключается в следующем: при обычной фильтрации продукт откладывается на поверхности фильтра в виде осадка, а при обратном осмосе и ультрафильтрации образуются два раствора, один из которых обогащен растворенным веществом.
Селективность процесса разделения (%) с помощью полупроницаемых мембран определяют исходя из следующего выражения:
( 6.0)
где х1 и х2 - концентрации растворенного вещества в исходной смеси и в фильтрате.
Проницаемость мембраны определяется по следующей формуле:
Vф = k1 ( Р - Рo ) ( 6.0)
где
Vф - количество фильтрата, полученного в единицу времени с единицы рабочей поверхности,
Р - разность давлений воды до и после мембраны,
Ро - разность осмотических давлений,
k1- коэффициент пропорциональности, зависящий от проницаемости мембраны.