4.9. Ультрафильтрация и обратный осмос

Ультрафильтрация и обратный осмос – это мембранные процессы разделения жидких систем. Сущность методов заключается в том, что разделяемые водные растворы фильтруются через полупроницаемые мембраны, которые способны пропускать молекулы воды и не пропускают ионы или молекулы находящихся в воде соединений. В результате с одной стороны мембраны оказывается очищенная вода, а с другой – концентрированный раствор.

Ультрафильтрацию и обратный осмос условно разделяют в зависимости от размера задерживаемых частиц: 0.001÷0.02 мкм в первом и 0.0001÷0.001 мкм во втором случае. Размеры пор в мембранах при ультрафильтрации и обратном осмосе (гиперфильтрации) соответственно составляют 50÷2000 Å и около 10 Å.

Процессы ультрафильтрации и обратного осмоса находят применение как в системах водоподготовки, так и в системах очистки сточных вод промышленных предприятий. Преимуществами методов являются относительно небольшие энергозатраты, простота и компактность установок, возможность автоматизации и высокая эффективность очистки, сконцентрированные вещества легче утилизируются или уничтожаются. Недостатками являются необходимость предварительной тщательной очистки воды от взвешенных веществ и некоторых других компонентов (кальция, железа, марганца), ограниченный срок службы мембран (1÷2 года), их биообрастание и необходимость корректировки водородного показателя очищаемой воды (в пределах 4÷7) для предотвращения осаждения не мембранах некоторых металлов.

Перенос воды и растворенного вещества через мембраны упрощенно описывается уравнениями:

,	(4.128)
,	(4.129)

где Q₁ – расход воды через мембрану;

р – рабочее давление над исходным раствором;

Δπ = π₁ – π₂ – разность осмотического давления раствора у поверхности мембраны и в фильтрате;

ΔС – разность концентраций растворенного вещества у поверхности мембраны и в фильтрате;

k₁ и k₂ – константы проницаемости соответственно воды и растворенного вещества для данного типа мембраны.

Осмотическое давление растворов можно определять по скорректированному уравнению Вант-Гоффа:

,

(4.130)

где α – степень диссоциации растворенного вещества;

с – мольная доля растворенного вещества;

R – газовая постоянная;

Т – абсолютная температура раствора.

Осмотическое давление растворов солей, особенно концентрированных, достаточно велико, поэтому процесс гиперфильтрации ведут при рабочих давлениях порядка 6÷10 МПа. Осмотическое давление водных растворов органических соединений не столь значительно, и процесс ультрафильтрации проводится при давлениях 0.3÷1.0 МПа.

Для ультра- и гиперфильтрации применяются полимерные мембраны – ацетатцеллюлозные, полиамидные и др. толщиной 0.1÷0.2 мкм. Мембраны характеризуются производительностью по фильтрату и селективностью (ультрафильтрационные мембраны – средним размером пор). Паспортные характеристики гиперфильтрационных мембран обычно определяются при фильтровании 0.5 %-ного раствора поваренной слои под давлением 5 МПа, ультрафильтрационных мембран – при фильтровании дистиллированной воды под давлением 0.15 МПа [7].

Селективность мембран выражается процентным отношением разности концентраций компонента в исходной воде и фильтрате к концентрации его в исходной воде:

,

(4.131)

где С₀ и С₁ – концентрации растворенного вещества соответственно в исходном растворе и в фильтрате.

Характеристики некоторых типов мембран представлены в приложении 29.

Производительность мембран повышается с ростом рабочего давления от 5 до 15 МПа, селективность их при этом тоже возрастает. Концентрация солей в стоках в пределах 5÷10 % не влияет на селективность мембран, при бóльших концентрациях селективность мембран снижается.

В аппаратах обратного осмоса сточные воды под высоким давлением протекают вдоль мембран. При этом часть воды фильтруется сквозь мембрану и под давлением, близким к атмосферному, по дренажной системе отводится из аппарата. Сконцентрированная часть стока отводится из напорных камер через редукционный клапан, снижающий давление до атмосферного или через рекуператоры энергии давления.

В зависимости от конструктивных особенностей гиперфильтрационные аппараты разделяются на следующие виды:

– аппараты типа «фильтр-пресс»;

– аппараты с трубчатыми мембранами;

– аппараты с рулонными мембранами;

– аппараты с мембранами в виде полого волокна.

Рис. 4.40. Аппарат типа «фильтр-пресс»: 1 – опорные пластины; 2 – мембраны; 3 – паронитовые прокладки; 4 – подача раствора; 5 – выход концентрата; I – блок элементов с последовательным движением транзитного потока по камерам; II – то же, с параллельным движением

Аппараты типа «фильтр-пресс» (рис. 4.40) состоят из набора плоских фильтрующих элементов прямоугольной или круглой формы, плотно зажатых между двумя металлическими фланцами. Фильтрующие элементы чередуются с тонкими паронитовыми прокладками.

Фильтрующий элемент представляет собой опорную винипластовую пластину со щелью для отвода фильтрата, покрытую с обеих сторон дренажной сеткой и мембранами. В ряде случаев опорная пластина может выполняться из пористого пластика – без дренажной сетки.

Сточная вода подается в напорные камеры между фильтрующими элементами последовательно (камера I) или параллельно (камера II). Малая высота напорной камеры (менее 0.1 см) позволяет при небольших расходах получить высокие скорости, что существенно снижает концентрационную поляризацию. Профильтрованная вода по дренажной сетке подводится к щели опорной пластины и далее отводится в коллектор фильтрата.

Аппараты данного типа просты в сборке и надежны в эксплуатации, однако имеют относительно невысокую плотность размещения мембран в единице объема аппарата (100÷300 м²/м³). Подобная конструкция реализована в установках марок УГ-1 и УГ-10 производительностью соответственно 1 и 10 м³/сут.

Аппараты с трубчатыми мембранами состоят из пористых пластмассовых труб диаметром 6÷30 мм, на внутренней стенке которых помещаются дренажный слой и мембрана. Сточная вода под давлением подается в трубу, часть ее фильтруется через мембрану и по дренажу, а затем по порам трубы отводится наружу и стекает в резервуар.

К достоинствам таких аппаратов относятся возможность очистки воды, содержащей крупные взвешенные вещества и удобство механической очистки поверхности мембран от осадков. Недостатки – низкая плотность размещения мембран (около 100 м²/м³) и большие расходы транзитного потока в трубе, необходимые для поддержания высокой скорости, предотвращающей возникновение концентрационной поляризации и выпадение осадка.

Аппараты с мембранами, свернутыми в рулон, состоят из напорного цилиндрического контейнера диаметром 50 мм и размещенных в нем фильтрующих элементов (рис. 4.41).

Рис. 4.41. Гиперфильтрационный аппарат рулонного типа: 1 – подача соленой воды; 2 – дренаж; 3 – турбулизатор; 4 – клеевой шов; 5 – уплотнительное кольцо; 6 – напорный корпус аппарата; 7 – отвод рассола; 8 – полупроницаемая мембрана; 9 – центральная водоотводящая перфорированная трубка; 10 – отвод пресной воды

Элемент состоит из слоя пористого водопроводящего материала (сетки) и двух склеенных в виде пакета мембран с дренажным слоем между ними. Этот элемент свернут в рулон вокруг перфорированной трубки.

Исходная вода подается к торцу рулона и протекает по его пористому слою.

Исходная вода подается к торцу рулона и протекает по его пористому слою в направлении, параллельном оси рулона. При этом фильтрат, прошедший через мембраны, в слое дренажного материала по спирали стекает к центральной водоотводящей трубке и отводится из аппарата.

Такая конструкция отличается простотой замены фильтрующих элементов и высокой плотностью укладки мембран (до 600 м² на 1 м³ объема). Недостатки конструкции: сложность изготовления фильтрующего элемента из-за необходимости склеивания мембран и необходимость тщательной предварительной очистки воды, поступающей в аппарат.

Аппараты с мембранами в виде полого волокна имеют в основе полимерные (ацетатцеллюлозные, полиамидные, нейлоновые) трубки диаметром 50÷200 мкм (отношение диаметра к толщине стенки 4÷5). Такие волокна могут выдерживать высокое давление и поэтому не требуют поддерживающих и дренажных устройств.

Волокна пучками наматываются вокруг центральной пористой трубы диаметром 120÷220 мм, которая помещается в напорный цилиндрический контейнер (рис. 4.42). Концы волокон выводятся через пробку из эпоксидной смолы в торцовую камеру фильтрата. Концентрат отводится с периферии элемента.

Рис. 4.42. Аппарат с мембранами в виде полого волокна: 1 – подача исходной воды; 2 – распределительная трубка исходной воды; 3 –корпус; 4 – полое волокно; 5 – перегородка камеры фильтрата; 6 – выход фильтрата; 7 – выход концентрата

Достоинства аппаратов с мембранами в виде полого волокна: высокая плотность размещения мембран (до 20000 м² на 1 м³ объема камеры); возможность хранения мембран в сухом виде; возможность обработки стоков в широком диапазоне рН (от 4 до 11 для нейлоновых трубок). Недостатки: относительно низкие производительность существующих мембран (0.005÷0.01 м³/сут.) и селективность; необходимость удаления из воды взвешенных частиц размером более 1÷10 мкм перед подачей воды в аппарат; трудность в обнаружении и замене поврежденных волокон.

Установки ультрафильтрации и обратного осмоса в зависимости от производительности, состава стоков и необходимой степени их очистки могут быть одноступенчатыми и многоступенчатыми.

По одноступенчатой схеме работают установки небольшой производительности. Для установок большой производительности и при необходимости значительного концентрирования стоков целесообразно применение многоступенчатых схем.

На практике метод ультрафильтрации используется для извлечения из сочных вод эмульгированных масел и смазок, фенолов. Метод обратного осмоса применяется для удаления из воды ионов тяжелых металлов, радиоактивных изотопов, а также для регенерации растворов электролитов.