3.3.7. Фильтрация через мембраны

Разделение смеси или раствора путем задержания примесей молекулярными, электрическими или другими силами называется фильтрацией. Процессы фильтрации классифицируют в соответствии с размером частиц, задерживаемых или пропускаемых фильтром.

Мембранная фильтрация есть частный случай отделения частиц, размер которых меньше, чем 10 микрон. Для этой технологии используют пленочные мембраны с контролируемым размером пор.

В зависимости от движущей силы, различают баро- и электромембранные процессы. Потоки среды относительно мембран двигаются перпендикулярно (тупиково) или параллельно (скользяще, тангенциально).

Баромембранная фильтрация разделяется на четыре основных группы:

1. Микрофильтрация (МФ), отделяющая частицы, размер которых лежит в диапазоне 0,05-10 мкм. В этот диапазон попадают бактерии, жировые шарики молока и крупные мицеллы казеина.

2. Ультрафильтрация (УФ), отделяющая коллоидные частицы и высокомолекулярные вещества, размер которых лежит в диапазоне 0,001-0,05 мкм или 5000- 500000 дальтон. В этот диапазон попадают казеин и сывороточные белки.

3. Нанофильтрация (НФ), отделяет молекулы, размер которых лежит в диапазоне 0,0005-0,001 мкм или 400-1000 дальтон. В этот диапазон попадают лактоза и некоторые аминокислоты.

4. Обратный осмос (ОО), который отделяет молекулы и ионы размером менее 0,0005 мкм или молекулярным весом меньше, чем 400 дальтон.

Для трех первых группы давления не превышает 1,2 МПа, а для обратного осмоса необходимо давление около 2,0 МПа и более.

Наиболее крупными порами обладают мембраны микрофильтрации. Мембраны ультрафильтрации задерживают коллоиды и крупные органические молекулы (от 2 до 10 000 нм). Перепад давления при этом не превышает 1 МПа. Нанофильтрационные и обратноосмотические мембраны отличаются большей однородностью и меньшим размером пор.

При баромембранном разделении компонентов баръер преодолевают молекулы растворителя и близкие к ним по размерам компоненты примесей. Электромембранное разделение достигается избиратель­ным прохождением через мембраны ионов под воздействием электрического поля. Отсутствие дополнительных реагентов и фазовых превращений позволяет ожидать низкие энергозатраты и минимальное ко­личество вторичных отходов, подлежащих окончательному захоронению. Сравнение энергозатрат дистилляции и мембранного разделения, приведенное в таблица 3.8, свидетельствует о предпочтительности баромембранной фильтраци [28].

Таблица 3.8.

Расход энергии на обессоливание 1 м³ воды, кВт-ч

Многоступенчатая дистилляция	Электродиализ	Обратный осмос
63,3	35,8	3,7

Применение мембранных методов ограничивается солесодержанием до 10 г/л. Обратный осмос предпочтителен при переработке отхо­дов с солесодержанием 0,5—5 г/л [28]. Эффективному протеканию этих процессов пре­пятствует гелевая и концентрационная поляризация [28]. При меньших концентрациях целесообраз­нее использовать ионный обмен, а при более высоких — упаривание.

Нижний предел солесодержания отходов, допускающий исполь­зование электродиализа составляет 200—400 мг/л [28]. При меньших значениях резко па­дает электрическая проводимость раствора, возрастают потери энергии и снижается эффективность, а при больших — увеличиваются энергозатраты (повышение солесодержания от 5 до 15 г/л увеличивает расход энергии от 5 до 17,4 кВт-ч/м³[28] ).

Мембраны допускают широкий рабочий интервал рН = 3—10 (оптимальные 4—6) при температурах среды 40—50 °С. Элект­ромембраны чувствительны к разрушительному действию окислителей.

Для предотвращения блокирования поверхности мембран взвесями и коллоида­ми, отходы предварительно подготавливают.

Эффективность разделения мембранами прямо пропорциональна зарядам и размерам ионов, определяющих степень их гидратации (таб. 3.9).

Таблица 3.9.

Эффективность очистки мембранами, % .

Ион	Ацетилцеллюлоза		Найлон	Ион	Ацетилцеллюлоза		Найлон
	Анизот­ропные	Полые волокна	Полые волокна		Анизот­ропные	Полые волокна	Полые волокна
Na+	95,1	83	89	Са2+	99,1	96,4	97,9
К+	93,4	—	87	Mg2+	99,9	89	98,3
С1-	96,6	23	57	SO42-	100	98,7	97,4
F-	88	—	50	SiО2	90	73	35
NО2-	87	—	21	Fe	99,2	—	10
НСО3-	98,4	—	51	В	53	—	0

В радиоактивных отходах изотопы тяжелых легко гидролизующихся элементов (⁶⁰Со, ⁵⁰Mn, ⁵¹Cr, ⁹⁵Zr, ¹⁴⁴Ce, ¹⁰³Ru) составляют значительную часть радионук­лидов, поэтому при использовании обратного осмоса очистка от активности, как правило, выше, чем при обессоливании методом электродиализа (таб. 3.10).

Таблица 3.10.

Эффективность обратного осмоса при отделении радионуклидов

Радио-нуклид	Исходная активность, Бк/л	Коч	Радио-нуклид	Исходная активность, Бк/л	Коч
131 J	1,3·104	20	95Zr	4,1·105	300
144Се	2,4·105	125	89Sr	1,5·105	40
137Cs	1,9·105	30	60Со	1,4·10б	500

Наличие детергентов в отходах благоприятно сказыва­ется на их очистке от радионуклидов вследствие образования на поверхности мембран упорядоченных структур воды, а также формирования коллоид­ной фазы при содержании детергентов выше критической концентрации мицеллообразования [28].

Электродиализ обеспечивает очистку только от ионных форм радионуклидов слабогидратированных щелочных и щелочноземельных элементов.

Задержание бора мембраной зависит от рН среды из-за изменений ионных форм борной кислоты[41]. При переработке протечек контурной воды водо-водяных реакторов можно отделять до 75% борной кислоты от ос­новной части нуклидов, задерживаемых мембраной [28].

Рис. 3.9. Зависимость степени задержания бора от рН среды

Ультрафильтрацию целесообразно использовать для очистки ЖРО, когда большая часть активности ассоциирована на взвесях и коллоидах. Как правило, это наблюдается в щелочной среде, когда тя­желые металлы склонны к образованию коллоидных полимеров [28]. ХПК исходного раствора 2 700–3 700 мг О₂/дм³, фильтрата — 280–500 мг О₂/дм³.

Нанофильтрационные мембраны в концентрате накапливают полимерные соединения, уран, стронций и натрий. Степень задержания ТУЭ и урана составляет 98—99 %.

С помощью обратного осмоса производят предварительное концентрирование отходов перед упариванием, что позволяет сократить энергозатраты [28], очистку низкоактивных отходов с ограни­ченной засоленностью, напри­мер, воды прачечных. При очистке прачечных вод АЭС «Джинна» [28] получен коэффициент очистки по активности ~ 100, по солям ~ 20, сокра­щение объема в 40 раз. При отделении частиц с молекулярной массой свыше 2000, коэффициенты очистки дости­гали для вод спецпрачечных более 130 и для сме­шанных отходов —15.

При очистке отходов центра дезактивации солесодержанием до 5 г/л и актив­ностью 2·10⁵ Бк/л, обусловленной наличием главным образом многовалентных радионуклидов (⁶⁰Со, ⁶⁰Mn, ⁵¹Cr, ⁹⁵Zr, ¹⁴⁴Ce, ¹⁰³Ru) солесодержание снижалось в 20 раз, а активность — в 100 раз.