 |
Физико-химические основы процессов
|
|
|
|
К мембранным методам разделения, с помощью которых можно проводить очистку воды от различных видов загрязнений, относятся ультрафильтрация, обратный осмос, первапорация (диффузионное ис- парение через мембрану), электродиализ. В любом из этих процессов водный раствор приводится в соприкосновение с полупроницаемой мембраной с одной ее стороны. Вследствие особых свойств полупро- ницаемых мембран прошедшая через них смесь обогащается одним из компонентов, иногда она вообще не содержит примесей компонентов, задерживаемых мембраной.
Для очистки воды, прежде всего, могут быть использованы об- ратный осмос и ультрафильтрация.
Обратный осмос и ультрафильтрация заключаются в фильтрова- нии растворов под давлением через полупроницаемые мембраны, про- пускающие растворитель и полностью или частично задерживающие молекулы либо ионы растворенных веществ. При обратном осмосе от- деляются частицы (гидратированные ионы, реже молекулы), размеры которых не превышают размеры молекул растворителя (молекулярная масса меньше 500). При ультрафильтрации размер отдельных частиц на порядок больше, как правило, это высокомолекулярные соединения с молекулярной массой более 500. Давление, необходимое для прове- дения обратного осмоса (1-10 МПа), значительно больше, чем для ультрафильтрации (0,1-0,7 МПа), это связано с тем, что осмотические давления высокомолекулярных соединений малы по сравнению с ос- мотическими давлениями солевых растворов.
Внешне обратный осмос и ультрафильтрация аналогичны фильт- рованию, однако при фильтровании продукт откладывается в виде осадка на фильтре, а при обратном осмосе и ультрафильтрации обра- зуются два раствора, один из которых обогащен растворенным вещест- вом.
|
|
|
Движущей силой рассматриваемых процессов является разность рабочего (избыточного) давления Р над исходным раствором и осмоти- ческого давления раствора П1: DР = Р - П1. На практике мембраны не обладают идеальной проницаемостью, поэтому движущая сила опре- деляется с учетом осмотического давления фильтрата П2, прошедшего через мембрану:
Р = Р - (П1 - П2) = Р - DП.
Наиболее перспективны обратный осмос и ультрафильтрация для обессоливания воды в системах водоподготовки ТЭЦ и других пред- приятий, при локальной обработке небольших количеств сточных вод
для концентрирования и выделения относительно ценных компонентов и очистки воды.
Достоинствами методов являются: отсутствие фазовых переходов при отделении примесей, что позволяет вести процесс при небольшом расходе энергии, возможность проведения процесса при комнатной температуре, простота конструкции аппаратуры, возможность выделе- ния ценных продуктов, одновременная очистка воды от органических, неорганических и бактериальных загрязнений. Установка включает два основных элемента: устройство для создания давления жидкости (на- сос) и разделительную ячейку с закрепленными в ней полупроницае- мыми мембранами, а в промышленных установках - многосекционный аппарат, обеспечивающий необходимую поверхность (рис.14.17).
 |
Рис.14.17. Схема установки обратного осмоса
1 - насос высокого давления; 2 - модуль обратного осмоса; 3 - мембрана; 4 - вы- пускной клапан
Недостатки методов: повышенное давление в системе, явление концентрационной поляризации (увеличение концентрации растворен- ного вещества у поверхности мембраны вследствие преимущественно- го переноса растворителя через мембрану). Это приводит к уменьше- нию производительности, степени разделения и срока службы мембра- ны, а также вызывает необходимость специальных уплотнений аппара- туры. Полупроницаемые мембраны, используемые для проведения об- ратного осмоса и ультрафильтрации, изготовляют из различных поли- мерных материалов, пористого стекла, металлической фольги и др.
|
|
|
Наибольшее распространение получили мембраны на основе раз- личных полимеров: полиамидов, полиуретанов, полиакрилонитрила, эфиров целлюлозы и др. Применение в практике нашли листовые, трубчатые и в виде полых волокон мембраны из ацетатцеллюлозы и ароматических полиамидов.
Эффективность процесса мембранного разделения зависит от свойств применяемых мембран. Они должны обладать высокой разде- ляющей способностью (селективностью), большой удельной произво- дительностью (проницаемостью), устойчивостью к среде, неизменно- стью характеристик при эксплуатации, механической прочностью.
Селективность j (%) определяют по формуле:
⎛ - ⎞ ⎛ ⎞
j = ⎜ C 0 C ⎟×100 = ⎜1- C ⎟×100,
|
|
|
|
где С 0 и С - концентрации растворенного вещества в исходной сточной воде и фильтрате.
Величину j называют также коэффициентом солезадержания мембраны или эффективностью разделения.
Проницаемость (удельная производительность) G при данном давлении определяется количеством фильтрата V, получаемого в еди- ницу времени t, с единицы рабочей поверхности мембраны F:
G = V/Ft.
Селективную проницаемость мембран в процессе ультрафильтра- ции объясняет чисто ситовой механизм разделения - частицы приме- сей, имеющие больший размер, чем размеры пор мембраны, через мембрану не проходят, через нее профильтровывается только вода.
Для объяснения механизма задержания примесей мембраной в процессе обратного осмоса лучше всего подходит капиллярно- фильтрационная модель селективной проницаемости. Согласно ей ио- ны растворенных в воде веществ образуют гидратную оболочку, раз- меры которой вместе с гидратированным ионом, а также наличие в по- рах мембраны связанной воды определяют причину проходимости че- рез мембрану растворенных веществ. Если диаметр пор мембраны с учетом толщины слоя связанной в мембране воды меньше размера гидратированного иона, то через такие поры будет проходить только вода, что и обуславливает селективность данных мембран. Чем выше гидратирующая способность ионов электролитов, тем больше и проч- нее гидратная оболочка ионов, что затрудняет их переход через мем- браны.
|
|
|
|
|
|
