8. Метод обратного осмоса и ультрафильтрации
Процессы обратного осмоса и ультрафильтрации основаны на способности молекул воды проникать через полупроницаемые мембраны. Осмос - самопроизвольный переход воды в раствор (например, сточные воды), отделенный от него полупроницаемой мембраной, при этом со стороны воды возникает осмотическое давление (рис.7 "а"). Уровень раствора повышается до тех пор, пока разница в уровнях не уравновесит осмотическое давление (рис.7 "б"). При приложении к раствору давления (р), превышающего осмотическое давление, возникает обратный ток воды через полупроницаемую мембрану. При этом с противоположной стороны мембраны можно получить очищенную воду. На рис.7 "в" представлена схема условий возникновения обратного осмоса. Это явление приводит к тому, что из стоков удаляется вода, а в стоках концентрируются ионы тяжелых металлов и другие загрязнения. Этот механизм справедлив как для обратноосмотических (гиперфильтрационных), так и для ультрафильтрационных установок. Отличие заключается в практической реализации этих методов. При обратном осмосе отделяются частицы (молекулы, гидратированные ионы), размеры которых сравнимы с размерами молекул воды (диаметр частиц 0,0001-0,001 мкм). В обратноосмотических установках используют полупроницаемые мембраны толщиной 0,1-0,2 мкм с порами 0,001 мкм под давлением 6-10 МПа. При ультрафильтрации размер отделяемых частиц на порядок больше (диаметр частиц 0,001-0,02мкм). В ультрафильтрационных установках применяют полупроницаемые мембраны с порами 0,005-0,2 мкм под давлением 0,1-0,5 МПа.
Предложено несколько вариантов механизма обратного осмоса. По одному из них мембраны собирают воду, которая в тонком слое на поверхности мембраны не обладает растворяющей способностью. Если толщина слоя адсорбированных на поверхности мембраны (в том числе и на внутренней поверхности пор) молекул воды составляет половину или более диаметра пор мембраны, то под давлением через поры будет проходить только чистая вода, несмотря на то, что размер многих ионов меньше, чем диаметр пор. Проникновению таких ионов через поры препятствует возникающая у них гидратная оболочка. Размер гидратных оболочек различен у разных ионов. Если толщина адсорбированного слоя молекул воды меньше половины диаметра пор, то вместе с водой через мембрану будут проникать и растворенные вещества.Для ультрафильтрации предложен другой механизм разделения. Растворенные вещества задерживаются на мембране потому, что размер молекул этих веществ больше, чем размер пор, или вследствие трения молекул о стенки пор мембраны. В действительности в процессе обратного осмоса и ультрафильтрации имеют место более сложные явления.
Рис. 7. Схема условий возникновения обратного осмоса: (стрелки показывают направление движения воды) "а" - осмос, "б" - равновесие, "в" - обратный осмос.
Наибольшее распространение получили мембраны из ацетилцеллюлозы, устойчивые при давлениях до 10 МПа, температурах 0-30 °С, рН 3-8. При 50 "С ацетилцеллюлозные мембраны разрушаются. Наиболее перспективными являются мембраны марки УАМ для ультрафильтрации и марки МГА для гиперфильтрации. За рубежом, в частности в Великобритании, распространены три основных типа материалов мембран: разновидности ацетата целлюлозы, полиамидный полимер и сложные композиционные мембраны, представляющие собой тонкие пленки полиамида, накладываемые на пористый полимерный субстрат, например полисульфон. При очистке промышленных стоков гальванических производств используются мембраны на основе акрилового сополимера с добавлением найлона для придания прочности. Мембраны из ацетата целлюлозы и композиционные мембраны, как правило, применяются в виде плоских листов, тогда как полиамидные мембраны - в виде тонких полых волокон.
Процесс мембранного разделения зависит от давления, гидродинамических условий и конструкции аппарата, природы и концентрации загрязнений в сточных вод, а также от температуры. Увеличение концентрации раствора приводит к росту осмотического давления растворителя, повышению вязкости раствора и росту концентрационной поляризации, т.е. к снижению проницаемости и селективности.
Обратный осмос рекомендуется использовать при следующей концентрации стоков: для одновалентных солей - не более 5-10 %;
для двухвалентных - 10-15 %; для многовалентных - 15-20 %. Для уменьшения влияния концентрационной поляризации организуют рециркуляцию раствора и турбулизацию прилегающего к мембране слоя жидкости, применяя мешалки, вибрационные устройства и увеличение скорости движения жидкости вдоль поверхности мембраны.
С повышением давления удельная производительность мембран увеличивается, так как растет движущая сила процесса. Однако при высоких давлениях происходит уплотнение материала мембран, что вызывает снижение проницаемости, поэтому для каждого вида мембран устанавливают оптимальное рабочее давление.
С ростом температуры уменьшаются вязкость и плотность раствора, что способствует росту проницаемости. Однако при этом повышается осмотическое давление, которое уменьшает Проницаемость. Кроме того, при повышении температуры начинается усадка и стягивание пор мембраны (что приводит к уменьшению проницаемости), а также возрастает скорость гидролиза материала мембраны, сокращая срок ее службы.
Наиболее частые нарушения в работе мембран происходят из-за их гидролиза, кольматации (засорения) пор, бактериального воздействия или уплотнения мембранного материала.
Аппараты для ультра- и гиперфильтрации подразделяются по способу укладки мембран на четыре типа: фильтр-пресс с плоскопараллельными фильтрующими элементами; с рулонными
или спиральными фильтрующими элементами; с мембранами в виде полых волокон.
Наибольшее распространение для очистки сточных вод гальванических производств получили двухступенчатые установки типа УГОС-1 и УГОС-2. На первой ступени происходит концентрирование сточных вод, полученный концентрат возвращается в производство. На второй ступени проводят дополнительную очистку фильтрата первой ступени.
Производительность установки УГОС-1 по фильтрату на первой и второй ступенях составляет соответственно 95 и 70 л/ч, для установки УГОС-2 производительность составляет для первой ступени 630 л/ч, для второй ступени 450 л/ч. На рис 8 представлена принципиальная схема ультра- и гиперфильтрации (обратный осмос).