4.6. Обратный осмос и ультрафильтрация

Обратный осмос (гиперфильтрация) – непрерывный процесс молекулярного разделения растворов путем их фильтрования под давлением через полупроницаемые мембраны, задерживающие полностью или частично молекулы либо ионы растворенного вещества. Процесс обратного осмоса используется как в системах водоподготовки различных предприятий, так и для очистки сточных вод.

В основе метода лежит явление осмоса – самопроизвольного перехода растворителя через полупроницаемую перегородку в раствор. Давление, при котором наступает равновесие, называется осмотическим. При приложении со стороны раствора давления, превышающего осмотическое, перенос растворителя будет осуществляться в обратном направлении. Поэтому процесс получил название «обратный осмос». Необходимое давление, превышающее осмотическое давление растворенного вещества в растворе, составляет при концентрации солей 2 – 5 г/л 0,1 – 1 МПа и при концентрации солей 20 – 30 г/л – 5 – 10 МПа.

Ультрафильтрация – мембранный процесс разделения растворов, осмотическое давление которых мало. Этот метод используется при отделении сравнительно высокомолекулярных веществ, взвешенных частиц, коллоидов. Ультрафильтрация по сравнению с обратным осмосом – более высокопроизводительный процесс, так как высокая проницаемость мембран достигается при давлении 0,2 – 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.

С.В. Родионов приводит следующие условные границы применения этих процессов в зависимости от размера загрязняющих частиц:

Процесс Обратный осмос Ультрафильтрация Макрофильтрация

Размер загрязняющих 0,0001-0,001 0,001-0,02 0,02-10

частиц, мкм

Метод обратного осмоса и ультрафильтрации может быть использован для извлечения из сточных вод эмульгированных масел, смазок, фенолов, ионов тяжелых металлов и других загрязнителей.

4.7. Термическая обработка сточных вод

Различают следующие методы термической очистки сточных вод.

1) Концентрирование сточных вод с последующим выделением растворимых веществ используется для выделения из них минеральных солей, а очищенная вода используется в оборотных системах водоснабжения. Выделение минеральных солей проводят в две стадии:

- получение концентрированного раствора;

- выделение из него твердых веществ.

Концентрируют растворы испарением (выпариванием), вымораживанием, либо используют кристаллогидратные методы.

Выпариванием называют процесс концентрирования жидких растворов практически нелетучих веществ путем частичного удаления растворителя испарением при кипении жидкости.

Испарение в отличие от выпаривания осуществляется с открытой поверхности жидкости и происходит практически при любой температуре.

Сущность процесса вымораживания заключается в том, что при температуре ниже температуры замерзания чистая вода образует кристаллы пресного льда, и концентрированный рассол размещается между кристаллами льда. Вымораживание проводят либо в вакууме, либо при помощи хладагента. Наиболее распространенными хладагентами являются аммиак, диоксид углерода, бутан, пропан, хладоны (фреоны) и их оксиды.

Кристаллогидратные процессы заключаются в концентрировании сточной воды с применением гидратообразующего агента. Такими агентами являются пропан, хлор, хладоны, диоксид углерода и т.д. Указанные вещества образуют кристаллогидраты. При этом часть молекул воды переходит в их состав, а концентрация растворенных веществ в оставшейся воде повышается. Сконцентрированную сточную воду и кристаллогидраты разделяют различными способами. Затем разрушают кристаллогидраты термическим методом.

Процессы вымораживания и кристаллогидратной очистки не нашли широкого применения в промышленности, что связано со следующими недостатками рассматриваемых процессов:

- применение дорогостоящих теплоносителей;

- конструктивная сложность установок;

- невысокая степень концентрирования сточных вод.

2) Кристаллизация и сушка (используются для выделения растворенных веществ из концентрированных растворов)

Сушка – это удаление влаги из твердых материалов, главным образом, путем ее испарения.

Кристаллизация – это выделение твердой фазы в виде кристаллов из растворов. При изменении температуры сточных вод получаются пересыщенные растворы находящихся в них веществ, а затеи их кристаллы.

3) Термоокислительные методы обезвреживания сточных вод используют для удаления из них органических примесей.

К ним относятся: методы жидкофазного окисления («мокрое» сжигание) и парофазного каталитического окисления, а также «огневой» метод (парофазное окисление).

Метод жидкофазного окисления характерен тем, что органические загрязнения удаляют из сточных вод путем окисления кислородом под давлением 2 – 28 МПа и при температуре 100 – 350^оС. К недостаткам метода относятся:

- высокая стоимость оборудования;

- неполное окисление некоторых органических веществ;

- существенный коррозионный износ оборудования.

При использовании метода парофазного каталитического окисления сточные воды, загрязненные летучими органическими веществами, попадают в выпарной аппарат, где при температуре 300^оС образуются пары воды и органических веществ. Эти пары вместе с горячим воздухом подают в выпарной аппарат, загруженный катализатором (медно-хромовым, цинк-хромовым), в котором происходит процесс гетерогенного каталитического окисления кислородом воздуха органических паров. Степень обезвреживания достигает 99,8%.

Огневой метод является универсальным методом термической очистки сточных вод. Распыленная сточная вода вводится в нагретые до 900 – 1000^оС продукты горения топлива. Органические примеси при этом сгорают, а минеральные примеси, в зависимости от температуры их плавления, выводятся из печи в твердом или расплавленном состоянии или уносятся с дымовыми газами.