5.2. Технология обратного осмоса и ультрафильтрации

Понятие "обратный осмос" показывает обратимость естественного (прямого) осмоса. Последний характеризуется самопроизвольным переходом растворителя через полупроницаемую мембрану в раствор. Проиллюстрируем процессы прямого и обратного осмоса схемой, приведенной на (рис. 5.1). Если чистую воду и водный раствор какого-либо неорганического вещества поместить в два отсека по обе стороны полупроницаемой мембраны, способной пропускать только молекулы H₂O, то в такой системе будет наблюдаться следующее. Из-за разности давления (концентрации) молекул H₂O в разных отсеках происходит переход молекул воды в объем с их меньшей концентрацией, т.е. в отсек солевого раствора, объем которого постепенно увеличивается, раствор разбавляется, разность давлений уменьшается, тормозя дальнейший перенос молекул H₂O. В состоянии равновесия уровни в обеих частях ячейки не будут изменяться, а установившееся гидростатическое давление определяется как осмотическое давление раствора (рис. 5.1, б).

Рис. 5.1. Принципиальная схема прямого и обратного осмоса:
а - начало осмотического переноса; б - равновесное состояние; в - обратный осмос; 1 - пресная вода; 2 - соленая вода; 3 - мембрана; p - осмотическое давление раствора

Осмотическое давление раствора p определяется согласно закону Вант-Гоффа:

,

(5.1)

где i - коэффициент Вант-Гоффа, R - универсальная газовая постоянная, равная 8.31 Дж/(моль·К); T - температура раствора, К; C - концентрация растворенного вещества, г/дм³; M - масса 1 моля растворенного вещества, г.

Коэффициент Вант-Гоффа равен среднему суммарному числу частиц, образующихся при электролитической диссоциации одной молекулы:

где n - общее число ионов, образующихся при диссоциации одной молекулы, a - степень диссоциации растворенного вещества. Для хорошо растворимых веществ в разведенных растворах диссоциацию можно считать полной, и в этих случаях коэффициент Вант-Гоффа можно использовать как целую величину, соответствующую числу образовавшихся ионов (например, для NaCl i = 2).

Из (5.1) следует, что осмотическое давление раствора зависит от химической природы растворенного вещества и его концентрации. Например, для раствора NaCl концентрацией 35 г/дм³ (примерно равной солесодержанию океанской воды) при T = 293 К осмотическое давление:

, МПа

Если со стороны раствора приложить внешнее давление, превышающее осмотическое, то скорость перехода молекул воды из раствора через полупроницаемую мембрану будет большей, чем в раствор. Это приведет к получению чистой воды в отсеке за мембраной и концентрированию примесей в растворе, к которому приложено внешнее давление (рис. 5.1, в). Принципиальная схема процесса обратного осмоса приведена на рис. 5.2.

Рис. 5.2. Принципиальная схема обратноосмотической установки:
1 - высокоминерализованная обрабатываемая вода; 2 - очищенная вода; 3 - концентрат (сбросная вода); 4 - насос высокого давления; 5 - модуль обратного осмоса; 6 - полупроницаемая мембрана; 7 - выпускной клапан

В растворах, содержащих высокомолекулярные вещества с максимальным размером молекул 0.5 мкм и их массой не более 500 г/моль, осмотическое давление составляет 0.5 МПа при концентрации раствора 100 г/дм³. Для разделения таких растворов применяют процесс ультрафильтрации на специальных мембранах, пропускающих не только молекулы воды, но также ионы и молекулы низкомолекулярных соединений. На практике применяют давление от 1.2 до 8.0 МПа при обратном осмосе и от 0.2 до 0.6 МПа при ультрафильтрации.

Обратный осмос и ультрафильтрация принципиально отличны от процессов фильтрования, так как при их реализации образуется не осадок, как при фильтровании, а лишь два раствора с различными концентрациями примесей, однако для достижения длительного срока службы полупроницаемых мембран необходима предварительная достаточно полная очистка воды от коллоидных и грубодисперсных примесей.

Механизм осмотических и ультрафильтрационных процессов базируется на капиллярно-фильтрационной модели, согласно которой в полупроницаемой мембране имеются поры диаметром, достаточным для прохода молекул воды (d_H2O = 0.276 нм), но недостаточным для прохождения гидратированных ионов (d > 0.5 нм) и молекул растворенных веществ. Из-за невозможности создания мембран с одинаковыми размерами пор (изопористых), в промышленных мембранах имеется часть более крупных пор, через которые могут проникать гидратированные ионы, что снижает селективность (избирательность) процессов переноса. Опыт эксплуатации установок обратного осмоса (табл. 5.1) показал, что порядок задержки ионов полупроницаемыми мембранами соответствует ряду селективности обмена ионов на ионитах, т.е. связан с возрастанием степени гидратации ионов.

Эффективность технологии обратного осмоса определяется свойствами полупроницаемых мембран, которые должны характеризоваться высокими разделяющей способностью (солезадержанием) и удельной проницаемостью, быть химически стойкими и механически прочными, иметь низкую стоимость и достаточный (до 5 лет) срок службы без ухудшения технологических характеристик. Этим требованиям удовлетворяют полимерные мембраны, изготовляемые из ацетилцеллюлозы или из ароматических полиамидов. Последние характеризуются более низкой удельной производительностью, но более устойчивы к воздействию химических и биологических факторов, что обеспечивает их большую долговечность (табл. 5.2).

Обратноосмотические мембраны имеют асимметричную структуру и состоят из двух слоев (рис. 5.3) верхнего, активного толщиной до 0.30 мкм, представляющего собой собственно разделяющую часть мембраны, и нижнего, крупнозернистого толщиной 100 - 200 мкм, который является подложкой и обеспечивает механическую прочность мембраны. Среди важнейших технологических показателей полупроницаемых мембран используются следующие: проницаемость (удельная производительность) и селективность. Условия работы обратноосмотических установок определяются коэффициентом выхода фильтрата.

Рис. 5.3. Строение полупроницаемой мембраны:
1 - активный слой; 2 - поддерживающий слой

Проницаемость мембран G, дм³/(м²·сут), (выражается количеством фильтрата V_ф, получаемого с единицы поверхности мембраны F в единицу времени t):

Проницаемость зависит от состава обрабатываемого раствора, внешнего давления и типа мембраны.

Селективность мембран j, %, в процессе разделения определяется выражением:

,

(5.4)

где C₁ и C₂ - концентрации растворенного вещества соответственно в обрабатываемой и обработанной водах.

Следует отметить, что увеличение селективности мембран, как типов МГА на основе ацетилцеллюлозы, так и типов МГП на основе ароматических полиамидов, неизбежно приводит к снижению их проницаемости (табл. 5.3) поэтому при практическом использовании мембран учитываются эти их альтернативные свойства.

Для ультрафильтрации применяются полиэлектролитные мембраны, которые по структуре аналогичны обратноосмотическим мембранам, но имеют относительно большой диаметр пор (более 150 нм).

Коэффициент выхода фильтрата k_в.ф. характеризует работу обратноосмотических установок и представляет собой отношение расхода очищенной воды Q_ф к расходу воды, поданной на установку Q_исх:

.

(5.5)

Значение k_в.ф. выбирается исходя из следующих положений. При обработке воды обратным осмосом происходит концентрирование примесей. Поэтому необходимо избегать осаждения любых растворенных веществ, содержащихся в концентрате, иначе в системе могут быстро образоваться отложения. Содержание веществ в концентрате непосредственно связано с k_в.ф.. Если пренебречь содержанием солей, прошедших через мембрану, то содержание веществ в концентрате C_к будет определятся как:

,

(5.6)

Поэтому, если k_в.ф. = 75%, то C_к = 4 · C₁. Оптимальное значение k_в.ф. может быть определено на основе химического анализа исходной воды, выбора метода ее предочистки, характеристик и технологии очистки собственно мембран.

Современные промышленные обратноосмотические установки выпускаются двух типов: со спиралевидными (рулонными) мембранами и с мембранами в виде полых волокон с внутренним диаметром от 25 до 80 мкм. Установки состоят из большого числа модулей, которые соединяют в блоки по определенной схеме. В аппарате рулонного типа (рис. 5.4) мембраны размещаются по границам слоев поропластов (рис. 5.5), один из которых 5 предназначен для подвода исходной воды к мембране, а другой 4 - для отвода фильтрата. Каждый такой рулон образует рулонный фильтрующий элемент (РФЭ). Такие РФЭ располагаются в кожухе, по оси которого установлена перфорированная трубка для отвода фильтрата. Из таких модулей собирается аппарат заданной производительности. Исходная вода под давлением подается через распределительное устройство в кожух к разделяющим слоям поропласта, просачивается через мембрану и стекает по внутреннему слою поропласта (дренажи) к перфорированной трубке. Для исключения попадания концентрата в фильтрат концы каждых двух мембран склеивают.

Рис. 5.4. Обратноосмотический аппарат рулонного типа:
1 - корпус; 2 - рулонный фильтрующий элемент; 3 - уплотняющее; 4 - водоотводная трубка; 5 - муфта; I - исходная вода; II - фильтрат; III - концентрат

Рис. 5.5. Рулонный фильтрующий элемент:
1 - водоотводящая трубка; 2 - щель; 3 - мембраны; 4 - дренажное устройство; 5 - турболизатор - разделитель

Рис. 5.6. Модуль с U-образной укладкой полых волокон:
1 - сборная камера; 2 - перфорированная трубка; 3 - пучок полых волокон; 4 - корпус; 5 ,8 - патрубки; 6 - фланец; 7 - концевой блок; 9 - вход обрабатываемой воды; 10 - выход концентрата; 11 - выход фильтрата

Модуль с U-образной укладкой полых волокон, являющихся полупроницаемыми мембранами (рис. 5.6), состоит из цилиндрического корпуса, имеющего штуцера для подвода исходной воды и отвода фильтрата и концентрата. Концы волокон, находящиеся в эпоксидном замке, открыты, и через них из центрального канала фильтрат попадает в сборную камеру и выводится из модуля. Сырая вода под давлением распределяется радиально и по всей длине модуля. Характеризуя модуль типа "Пермасен В-9", отметим, что при длине корпуса 1.2 м и диаметре 0.25 м он содержит несколько сотен тысяч полых волокон из полиамида с наружным/внутренним диаметром 85/42 мкм, которые при селективности 90% обеспечивают производительность 2.2 м³/ч при коэффициенте выхода фильтрата 75%.

Установки обратного осмоса используются как в схемах ВПУ, так и для очистки сточных вод. Для работы таких аппаратов требуется тщательная очистка воды от коллоидных и грубодисперсных примесей, для чего на предочистке используются кроме насыпных также и другие типы механических фильтров (сетчатые, намывные, гильзовые и т.п.). Установки комплектуются также системой химической и биологической очистки мембран, приборами и устройствами автоматики.