• 5

8.6. ОБРАТНЫЙ ОСМОС И УЛЫ'РЛФИЛЬТРАЦИЯ

3 ыиак» г li Понес

 

Обратным осмосом и ультрафильтрацией на сы фильтрования растворов через полупроницас*м под давлением, превышающим осмотичссЬ-1 (рис. 11-37). Мембраны пропускают молекулы 1Ь!С1 задерживая растворенные вещества. При обрати*|М деляются частицы (молек\-ы, гидратированные которых не превышают размеров молекул pad'1 uМ'" 1 L ультрафильтрации размер отдельных частиц            ил * грядок

                        ,,<Hi.vvct>n

раны ,..ч ление '"Жителя,

от-

1 кчиы) . 11 ;1змеры При

больше. Условные границы применения этих дены ниже:

ПГ

Процесс d4, мкм

Oi . зтныЛ осмос 0,0001—0,001

Ультр а ф ильтр ация 0,001—0,02

приве-

at и kjj «> Ф11J4 Ьтр ация

Таким образом, от обычной фильтрации так!Н' iipoii.o<;CbI от_ личаются отделением частиц меньших размеров- Давл с' 1*Ие, не­обходимое для проведения процесса обратного осмоса (6— 10 МПа), значительно больше, чем для процесса ультр глфильт- рации (0,1— 0,5 МПа).

Обратный осмос широко используется для ибсч'соливания1 воды в системах водоподготовки ТЭЦ и предприятий р аиличных отраслей промышленности (полупроводников, кинескопов, ме­дикаментов и др.); в последние годы начинает прпмепятьсядля очистки некоторых промышленных и городских сточных вод. Простейшая установка обратного осмоса состоит иг» насоса высокого давления и модуля (мембранного элс* мсита ) » соеди­ненных последовательно (рис. II-38).

Достоинствами метода являются: отсутствие фпаоюых пере­ходов при отделении примесей, что позволяет все го процесс при небольшом расходе энергии; возможность проведения процесса

р<н

н,о_

'ito;

Ш

р = н

 

 

 

 

 

а;

 

Уу/У-

У/ //> ,Н20/

-

 

т.

 

Р > И Z

У

И .1 I

И,О

а

Рис. II-37. Схемы осмоса (Я — осмотическое давление; I* ние):

и — прямой осмос; б —-осмотическое равновесие; о — обратный осмос; I 2 —мембрана; 3—-раствор

рабочее, давле- 1 истая вода;

Рис. 11-38. Схема

установки обратного осмоса:

/ — насос высокого давления; i ратного осмоса; 3—мембрана; 4- кланан

Сточная вода,

■ модуль об- - выпускной

е «

£

I Очищенная ? вода.

при комнатных температурах без применения или с небольшими добавками химических реагентов; простота конструкций айна ратуры. Недостатки метода: возникновение явления концентра­ционной поляризации, которое заключается в росте концентра ции растворенного вещества у поверхности мембраны. Это при водит к уменьшению производительности установки, степени разделения компонентов и срока службы мембран; проведение процесса при повышенных давлениях, что вызывает необходи­мость специальных уплотнений аппаратуры.

Эффективность процесса зависит от свойств применяемых, мембран. Они должны обладать следующими достоинствами: высокой разделяющей способностью (селективностью), большой удельной производительностью (проницаемостью), устойчи­востью к действию среды, неизменностью характеристик в про­цессе эксплуатации, достаточной механической прочностью, низкой стоимостью.

Селективность ср (в °/о) процесса разделения определяют но формуле

ф=100(со — Сф)/С0 = 100(1 — Сф/Со),           (11.103)

где с0 и с,), — концентрации растворенного вещества соответственно в исход­ной сточной воде и фильтрате.

Проницаемость определяется количеством фильтрата Уф, полученного в единицу времени с единицы рабочей поверх­ности:

Уф—ЧАР-ДЛ,),        (11.10.1)

где АР — разность давлений воды до и после мембраны; ДРа — разность ос ■ мотических давлений; hi — коэффициент пропорциональности, зависящий от проницаемости мембраны.

Таким образом, скорость обратного осмоса прямо пропор­циональна эффективному давлению (разности между прило­женным давлением и осмотическим). Эффективное давление значительно превосходит осмотическое. Осмотическое давление для растворов некоторых солей концентрацией 1000 мг/л пред­ставлено ниже:

Соль   NaCl Na2S04 MgSO* С a CI, NHC03 MgCl2

Осмотическое          79        42        25        58        89        67

давление, кПа

18-822

273

В процессе очистки некоторое количество растворенного ве­щества проходит через мембрану вместе с водой. Для мембран с высоким аффектом разделения этот проскок S [в кг/(м2-сут)] практически не зависит от давления и может быть определен по зависимости (к2 — константа для мембран):

S = Mc0 —еф).         , (П.105>

Из формулы следует, что чем выше концентрация загрязне­ний в исходной сточной воде, тем выше интенсивность проника­ния веществ через мембрану.

Предложено несколько вариантов механизма обратного ос­моса. По одному из них мембраны собирают воду, которая в по­верхностном слое не обладает растворяющей способностью. Если толщина слоя адсорбированных молекул воды составляет половину или более половины диаметра пор мембран, то под. давлением через поры будет проходить только чистая вода, не­смотря на то, что размер многих ионов меньше, чем размер молекул воды. Прониканию (проницанию) таких ионов через поры препятствует возникающая у них гидратиая 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 их 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.

Для тгроведения процесса применяют непористые — динами­ческие и диффузионные мембраны, представляющие собой ква­зигомогенные гели, и пористые мембраны в виде тонких пленок, изготовленные из полимерных материалов. Наибольшее распро­странение получили полимерные мембраны из ацетатцеллюлозы. Разрабатываются мембраны из полиэтилена, фторированного этиленпропиленового сополимера, политетрафторэтилена, пори­стого стекла, ацетобутирата целлюлозы и др.

Ацетатцеллюлозные мембраны, применяемые для обратного осмоса, име­ют анизотропную структуру. Верхний активный слой ее, толщиной до 0,25 мкм, является слоем, в котором происходит разделение, а нижний — крупнозернистый слой (100—200 мкм) обеспечивает механическую прочность мембран. Ацетатцеллюлозные мембраны устойчиво работают в интервале дав­лений 1—8 МПа, температур 0—30 °С и рН=3—8. Для ультрафильтрации используют нитратцеллюлозные, а также полиэлектролитиые мембраны. По структуре они аналогичны ацетатцеллюлозиым мембранам.

Процесс мембранного разделения зависит от давления, гид­родинамических условий и конструкции аппарата, природы и концентрации сточных вод, содержания в них примесей, а так­

же 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 электролитов: для одновалентных солей--не бо­лее 5—10%; для двухвалентных—10—15%; для многовалент­ных— 15—20%. Для органических веществ указанные пределы несколько выше. Для уменьшения влияния концентрационной поляризации организуют рециркуляцию раствора и турбулиза- цию прилегающего к мембране слоя жидкости, применяя ме­шалки, вибрационные устройства и увеличение скорости.

Природа растворенного вещества оказывает влияние на се­лективность. При одинаковой молекулярной массе неорганиче­ские вещества задерживаются на мембране лучше, чем -органические. 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 максимальное 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, сокращая срок службы мембран. Ацетатцеллюлоз­ные мембраны при 50 °С разрушаются, поэтому необходимо ра­ботать при температуре 20—30

Конструкция аппаратов для проведения процессов обратного осмоса и ультрафильтрации должна обеспечивать большую по­верхность мембран в единице объема, простоту сборки и монта­жа, механическую прочность и герметичность. По способу укладки мембран аппараты подразделяются на четыре основные типа: I) типа фильтр-пресс с плоскопараллельными фильтрую­щими устройствами; 2) с трубчатыми фильтрующими элемента­ми; 3) с рулонными или спиральными элементами; 4) с мембра­нами в виде полых волокон.

Схема многокамерного аппарата типа фильтр-пресс показана на рис. 11-39, а. В этих аппаратах мембраны уложены с обеих сторон плоских по­ристых дренажных пластин, которые расположены на расстоянии 0,5—5,0 мм друг от друга. Фильтрующие элементы зажаты между двумя фланцами, стя­нутыми болтами. Сточная вода последовательно проходит через все элемен­ты, концентрируется и удаляется из аппарата. Фильтрат, прошедший через мембраны, уходит через дренажные слои. Аппараты имеют невысокую про­изводительность, так как суммарная площадь мембран изменяется в преде­лах 60—300 м3 на 1 м3 их объема.

18*

275

Сточная

1~

W

I

 

а

Щ\

НЕ

 

 

Очищенная Вова

1 г 3

Сточная г^   

ш

} 'if'\ Очищенная Вова S

Концентрат

 

 

 

рис. II-39. Аппараты для обратного осмоса: а--типа фильтр-пресс: / — пористые пластины-, 2 — мембраны;

б --трубчатый фильтрующий (элемент): / — трубка; 2 — подложка; 3 — мембрана; « . с рулонной укладкой полупроницаемых мембран: / — дренажный слой; 2 — мембра­на; 3 — трубка для отвода очищенной воды; 4 — сетка-сепаратор;

t — с мембранами в виде полых волокон: / — подложка; 2 — шайба с волокном; 3 — корпус; 4 —■ полые волокна

Основным достоинством аппаратов с трубчатыми элементами является большая скорость воды (0,9—12 м/с), что сводит к минимуму концентраци­онную поляризацию и загрязнение поверхности мембран. Производительность аппаратов при давлении 3,0—4,0 МПа равна 400—1000 л/(м2-ч). Схема та­кого аппарата представлена на рис. II-39, б. В качестве фильтрующих эле­ментов используют пористые трубы (металлические, керамические, пластмас­совые) диаметром 6—30 мм, на внутреннюю или внешнюю поверхность ко­торых наносится мелкопористая подложка, а на нее полупроницаемая мемб­рана.

Недостаток аппаратов: более сложная замена мембран, чем в аппаратах типа фильтр-пресс, высокая стоимость нестандартных трубок, наличие за­стойных зон, неэффективность работы в ламинарном режиме, повышенный расход сточной воды и, следовательно, расход электроэнергии на подачу его в элементы.

Аппараты с фильтрующими элементами рулонного типа (рис. 11-39, в) отличаются большой плотностью упаковки мембран (300—800 м2/м3). При изготовлении аппарата пакет, состоящий из двух мембран, гибкой пористой пластины и гофрированного сепарационного листа, навивают в виде спира­ли на трубу, имеющую продольные прорези. Сточная вода движется в кана­лах гофрированного листа, Проникающий через мембраны фильтрат запол­няет объем пустот в пористой пластине и проходит по ним к трубе, откуда! удаляется. Ширина навивающего пакета равна 300—500 мм, а длина 0,6— 2,5 и. В аппарате имеется несколько пакетов. Недостаток этих аппаратов — сложность монтажа и смены мембран, трудность обеспечения герметичности аппарата.

Стачная! вода Л—>

 

Очищенная Иода.

Рис.. II-40. Схемы соединения модулей:

о. — параллельного; б — ступенчатого; 1 — насосы; 2 ■

- модули

Аппарат c. мембранами в виде полых волокон показан на рис, 11-39, г. Волокна из ацетатцеллюлозы, найлона или других материалов еобпртчт' п

пучки длиной 2          3 м, которые прикрепляют к стенкам аппарата. Диаметр

волокон равен 45- 2000 мкм. Удельная поверхность волокон достигает 20 ООО м2/м3. Расположение волокон может быть линейным (концы закреп­ляют в двух трубных решетках) или U-образным (с одной решеткой). При­меняют ацетатцеллюлозиые и полиамидные волокна, обеспечивающие удоль иую проницаемость 5—10 л/(м2-сут). Аппараты компактны и высоконроштм. дительиы. Недостатком таких аппаратов является большое сопротивление it сложность замены поврежденных волокон.

Установки обратного осмоса состоят из большого числа элементарных модулей, которые соединяют в батареи по параллельной схеме (рис if-40). В этом случае все модули работают в одинаковых условиях: при одним и том же давлении и коэффициенте выхода фильтрата. Такая схема пригодна для установок низкой производительности.

Для увеличения выхода фильтрата применяют схему с последовательным соединением модулей (рис. И-40,б). Раствор концентрата из первой ступени служит исходной водой для второй ступени. Промежуточного насоса ш* тре­буется, так как давление на выходе из первой ступени незначительно отли­чается от давления на входе во вторую ступень (потери напора составляют '0,2—0,3 МПа). Такая схема обеспечивает коэффициент выхода фильтрата. 70 -90% (для двух- или трехступенчатой установок).

Используя обратный осмос и ультрафильтрацшо, можно концентрировал- и разделять растворенные совместно в сточной воде органические и иеорга• иические вещества. Например, по одной из схем (рис. II-4I) в процесс»?

Сточная вода

 

Рис. II-4I. Блок-схема установки разделения органических и неорганические веществ

Сточная вода

"1 д.

■х/,, Масло

 

 

 

 

 

 

1 5Г Очищенная

■4h ^ вода

Серная кислота.

Промывные Воды Ж

—Г • -TII 11|)||1|||||Я|Ц                                    ,\Л1

 

Масло

Рис, 11-42. Схема установки для разделения маслоэмульсионных сточных вод. у л ьт р а ф и л ь т р а ц и е й:

/ - емкость; 2 слой иерастворенных масел; 3 — насос; 4 — емкость; 5 установка ультрафильтрации; 6" — бак для дополнительного отделения воды; 7 — емкость для масла

ультрафильтрации получают концентрат, содержащий органические вещества,, а в процессе обратного осмоса — концентрат неорганических веществ и чис­тую воду.

Схема ультрафильтрационной установки для разделения маслоэмульси­онных сточных вод с концентрацией масел менее 10% показана на рис. И-42.. Установка с трубчатыми модулями общей поверхностью мембран 52 м2 име­ет производительность 70 м3/сут. Она работает под давлением от 0,14 МПа* до 0,42 МПа при температуре воды 32—38 °С (не выше 50 °С), скорость, движения потока достигает 5,5 м/с,

В баке при подогреве и добавлении серной кислоты происходит допол­нительное разделение масел и воды. После этого воду возвращают в ем­кость, а масло используют в качестве топлива или направляют на рафини­рование, Очищенная вода поступает и а доо чистку, а затем в производство-

Авторы: 1379 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я

Книги: 1908 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я