Дополнительные лекции

Лекция 1

Баромембранные явления, закономерности. Классификация мембран по размерам пор. Предварительная подготовка воды

Классификация мембран по размерам пор

С точки зрения технологических возможностей различают мембраны для ультрафильтрации, нанофильтрации и обратного осмоса. В этом ряду размер пор уменьшается, а рабочее давление растет.

Ультрафильтрационные мембраны имеют наиболее крупные поры диаметром от 1 до 0,05 микрон (1 мкм=10^-6 м) и работают обычно при давлениях 2-5 бар. Они применяются, например, для доочистки питьевой водопроводной воды от коллоидных и высокомолекулярных загрязнений, если не требуется корректировка ее солевого состава.

Нанофильтрационные элементы (поры 5-50 нм, или 0,05-0,005 мкм) используют для умягчения воды с повышенной жесткостью, для удаления ионов тяжелых металлов и хлороорганики. Одновалентные ионы, такие как Na, K, Cl, NO₃ задерживаются слабо – в среднем не более 10-30%. Рабочее давление нанофильтрации обычно не превышает 5-7 бар.

Обратноосмотические мембраны имеют поры диаметром менее 10 нанометров (менее 0,01 мкм), работают при давлениях до 100 бар и позволяют осуществлять глубокое обессоливание, или деминерализацию. Обратный осмос применяют для получения сверхчистой воды для производственных нужд, а также для опреснения морской и солоноватых подземных вод, причем степень обессоливания (селективность) составляет обычно не менее 92-97%.

Предварительная подготовка воды

Перед подачей на мембрану воду, как правило, очищают от грубодисперсных примесей, а также от тех растворенных веществ, которые могут либо повредить мембрану (активный хлор), либо стать причиной отложений на ее поверхности (соли жесткости). Такая предварительная подготовка воды позволяет значительно увеличить срок службы мембраны и продолжительность ее работы между химическими промывками.

Для удаления активного хлора обычно используют сорбционные фильтры с активным углем, а для снижения жесткости воды – ионообменные фильтры с Na-катионитом.

Рис. 7. Мембранный модуль

Существуют также специальные приемы предварительной обработки воды, которые позволяют существенно повысить эффективность очистки, выйти на более удобный режим работы мембранной установки. Примером такого подхода является метод КОУФ – комплексообразование-ультрафильтрация. Сущность метода заключается в том, что в раствор вводят добавки, образующие водорастворимые комплексные соединения с компонентами, которые необходимо удалить. Это приводит к увеличению размеров вновь образуемых частиц, что позволяет осуществлять разделение на более крупнопористых мембранах. Затем сконцентрированный комплекс разрушают, и комплексообразователь возвращается на повторное использование.

Метод КОУФ обладает двумя важными преимуществами. Во-первых, появляется возможность выделения на крупнопористой ультрафильтрационной мембране низкомолекулярных соединений, которые в обычных условиях на ней не задерживаются. За счет этого может быть достигнута более высокая скорость фильтрации, чем при использовании мембран с мелкими порами. Во-вторых, можно добиться избирательного удаления (концентрирования) выбранного компонента, при этом все остальные через мембрану проходят.

Примерно с той же целью – укрупнения растворенных или коллоидных примесей – применяют предварительную обработку водных растворов коагулянтами, флокулянтами, коррекцию рН и т. д. Отметим, что такие способы широко используются и в обычной фильтрации для расширения границ ее применения.