7. Зворотний осмос і ультрафільтрація

Зворотним осмосом і ультрафільтрацією називають процеси фільт­рування розчинів через напівпроникні мембрани під тиском, що пере­вищує осмотичний тиск. Мембрани пропускають молекули розчинни­ка, затримуючи розчинені речовини. При зворотному осмосі відділя­ються частинки (молекули, гідратовані іони), розміри яких не пере­вищують розмірів молекул розчинника. При ультрафільтрації розмір окремих частинок сі_г на порядок більший. Умовні межі застосування цих процесів наведені нижче:

• процес зворотний осмос ультрафільтрація макрофільтрація

dr/мкм 0,0001-0,001 0,001-0,02 0,02-10

Таким чином, від звичайної фільтрації такі процеси відрізняються відділенням частинок менших розмірів. Тиск, необхідний для про­ведення процесу зворотного осмосу (6-10 МПа), значно більший ніж для процесу ультрафільтрації (0,1-0,5 МПа).

Зворотний осмос широко використовується для знесолення води в системах водопідготовки ТЕЦ і підприємств різних галузей промисло­вості (напівпровідників, кінескопів, медикаментів), в останні роки починає застосовуватися для очистки деяких промислових і міських стічних вод.

Найпростіша установка зворотного осмосу складається із помпи високого тиску та модуля (мембранного елемента), з’єднаних послі­довно.

Переваги методу:

• відсутність агрегатних переходів при відділенні домішок, що дозволяє вести процес при невеликій витраті енергії;

• можливість проведення процесу при кімнатних температурах без застосування хімічних реагентів або з їх невеликими добавками;

• простота конструкцій апаратури і обладнання.

Недоліки методу: виникнення явища концентраційної поляризації, яке полягає в рості концентрації розчиненої речовини на поверхні мембрани. Це приводить до зменшення продуктивності установки, ступеня розділення компонентів і терміну служби мембран; проведення процесу при підвищених тисках, що викликає необхідність спеціального ущільнення апаратури.

Запропоновано декілька варіантів механізму зворотного осмосу. За одним із них мембрани збирають воду, яка в поверхневому шарі не має розчинної здатності. Якщо товщина шару адсорбованих молекул води становить половину або більше половини діаметра пор мембран, то під тиском через пори буде проходити тільки чиста вода, попри те, що розмір багатьох іонів менший, ніж розмір молекул води. Про­никненню таких іонів через пори перешкоджає виникаюча в них гід­ратна оболонка. Розмір гідратних оболонок різний у різних іонів. Якщо товщина адсорбованого шару молекул води менша за половину діаметра пор, то разом з водою через мембрану будуть проникати і розчинені речовини.

Для ультрафільтрації запропонований інший механізм розділення. Розчинені речовини затримуються на мембрані тому, що розмір моле­кул їх більший за розмір пор, або в результаті тертя молекул об стінки пор мембрани.

Для проведення процесу застосовують непористі - динамічні і дифу­зійні мембрани, які являють собою квазігомогенні гелі, і пористі мемб­рани із полярних матеріалів. Найбільше розповсюджені полімерні мембрани із ацетатцелюлози. Розробляються мембрани із поліетилену, фторуючого етиленпропіленового сополімеру, політетрафторетилену, пористого скла, ацетобутрилату целюлози і інші.

Ацетатцелюлозні мембрани, які застосовують для зворотного ос­мосу, мають анізотропну структуру. Верхній активний шар товщиною до 0,25 мкм є шаром, в якому відбувається розділення, а нижній - грубозернистий шар (100-200 мкм) забезпечує механічну міцність мемб­ран. Ацетатцелюлозні мембрани стійко працюють в інтервалі тисків 1-8 МПа, температур 0-30 °С і рН = 3-8. Для ультрафільтрації вико­ристовують нітратцелюлозні, а також поліелектролітні мембрани. За структурою вони аналогічні ацетатцелюлозним мембранам.

Процес мембранного розділення залежить від тиску гідродина­мічних умов і конструкції апарата, природи та концентрації стічних вод, вмісту в них домішок, а також від температури. Збільшення концентрації розчину призводить до росту осмотичного тиску розчин­ника, підвищення в’язкості розчину та росту концентраційної поляри­зації, тобто до зниження проникності та селективності.

Зворотний осмос рекомендується використовувати при наступних концентраціях електролітів: для одновалентних - 10-15 %; для багато­валентних - 15-20 %. Для органічних речовин вказані межі трохи вищі. Для зменшення впливу концентраційної поляризації організовують рециркуляцію розчину і турбулізацію прилеглого до мембрани шару рідини, застосовуючи змішувачі, вібраційні пристрої і збільшення швидкості.

Природа розчиненої речовини впливає на селективність. При одна­ковій молекулярній масі неорганічні речовини затримуються на мемб­рані краще, ніж органічні. З підвищенням тиску питома продуктивність мембран збільшується, тому що росте рушійна сила процесу. Однак при високих тисках відбувається ущільнення матеріалу мембран, що викликає зниження проникності, тому для кожного виду мембран встановлюють максимальний робочий тиск.

З ростом температури зменшуються в’язкість та щільність розчину, що сприяє росту проникності. Однак при цьому підвищується осмо­тичний тиск, який зменшує проникність. Крім цього, при підвищенні температури починається усадка і стягування пор мембрани (що при­зводить до зменшення проникності), а також зростає швидкість гідро­лізу, скорочуючи строк служби мембран. Ацетатцелюлозні мембрани при 50 °С руйнуються, тому необхідно працювати при температурі 20-30 °С.

Конструкція апаратів для проведення процесу зворотного осмосу та ультрафільтрації повинна забезпечити велику поверхню мембран в одиницю об’єму, простоту складання і монтажу, механічну міцність і герметичність.

За способом вкладання мембран апаратури поділяють на чотири основні типи:

1. Тип фільтр-прес з плоскопаралельними фільтруючими перего­родками.

2. З трубчастими фільтруючими елементами.

3. З рулонними або спіральними фільтруючими елементами.

4. З мембранами у вигляді пустотілих волокон.

Після цих методів очищення у стічних водах можуть знаходитися різноманітні віруси, бактерії, збудники інфекційних хвороб, тому стічні води підлягають у деяких випадках біологічному очищенню, яке ми розглянемо в наступному розділі.