Полная версия

Главная arrow Строительство arrow Водоснабжение

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

МЕМБРАННЫЕ МЕТОДЫ ОПРЕСНЕНИЯ ВОДЫ

К мембранным методам опреснения воды относятся обратный осмос (гиперфильтрация), ультрафильтрация и электродиализ. В основе всех мембранных технологий лежит перенос примесей или растворителя (воды) через мембраны. Природа сил, вызывающих такой перенос, и строение мембран в названных процессах различны. При использовании сил давления при гипер- и ультрафильтрации мембраны должны пропускать молекулы воды, задерживая в максимальной степени ионы и молекулы примесей. При использовании электрических сил в электродиализном методе мембраны должны быть проницаемы для ионов и не должны пропускать молекулы воды.

Расход электроэнергии, необходимой для осуществления мембранных процессов, обычно не превышает 6,5 кВт ч на 1 м3 обрабатываемой воды.

Опреснение воды обратным осмосом

Явление осмоса — это самопроизвольный переход растворителя через полупроницаемую мембрану в раствор. Понятие «обратный осмос» показывает обратимость естественного (прямого) осмоса. Проиллюстрируем процессы прямого и обратного осмоса схемой, приведенной на рис. 36.4. Если чистую воду и водный раствор какого-либо неорганического вещества поместить в два отсека по обе стороны полупроницаемой мембраны, способной пропускать только молекулы воды (рис. 36.4, а), то в такой системе будет наблюдаться следующее. Из-за разности давлений (концентраций) 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 Н20. В состоянии равновесия уровни в обеих частях ячейки не будут изменяться, а установившееся гидростатическое давление определяется как осмотическое давление раствора (рис. 36.4, б).

Осмотическое давление раствора п определяется согласно закону Вант-Гоффа:

где / коэффициент Вант-Гоффа; R — универсальная газовая постоянная, равная 8,31 Дж/(моль-К); Т — температура рас-

Принципиальная схема прямого и обратного осмоса

Рис. 36.4. Принципиальная схема прямого и обратного осмоса: а — начало осмотического переноса; б — равновесное состояние; в — обратный осмос; 7 — пресная вода; 2 — соленая вода; 3 — мембрана; п — осмотическое давление

раствора твора, К; С—концентрация растворенного вещества, г/л; М — масса 1 моля растворенного вещества, г.

Для хорошо растворимых веществ в разведенных растворах диссоциацию можно считать полной, и в эти случаях коэффициент Вант-Гоффа можно использовать как целое число, соответствующее числу образовавшихся ионов (например, для NaCl / = 2).

Из (36.1) следует, что осмотическое давление раствора зависит от химической природы растворенного вещества и его концентрации. Например, для раствора NaCl с концентрацией 35 г/л (примерно равной солесодержанию океанской воды) при Т = 293 К осмотическое давление

Если создать в солевом растворе давление Р, превышающее осмотическое, то молекулы воды будут перетекать в направлении, обратном ее естественному движению, т.е. вода из раствора будет переходить через полупроницаемую мембрану в чистую воду, а значит будет проходить процесс обратного осмоса (рис. 36.4, в).

Поскольку размер ионов солей примерно в 1,5 раза больше молекулы воды, то это осуществить (в техническом смысле) вполне возможно. Так как молекулы воды способны протекать через поры, слишком узкие для прохождения ионов солей, то это явление называется также гиперфильтрацией (сверхфильтрацией).

Ультрафильтрация является частным случаем обратного осмоса и заключается в фильтровании водных растворов органических веществ и коллоидных растворов через более крупнопористых полупроницаемые мембраны с размером пор радиусом более 15А.

Ультрафильтрация является промежуточным звеном между фильтрованием и обратным осмосом. Ультрафильтрационные мембраны по размеру пор занимают промежуточное положение между обычными фильтрующими средами и обратноосмотическими мембранами. Фильтрование обычно применяют для извлечения из воды дисперсных и крупных коллоидных примесей; ультрафильтрацию — для извлечения мелких коллоидных частиц и высокомолекулярных органических соединений; обратный осмос — для извлечения истинно растворенных веществ и средне- и низкомолекулярных органических соединений. Обычное фильтрование происходит при давлении до 0,15—0,30 МПа; ультрафильтрация — при давлении 0,3— 0,6 МПа; обратный осмос — при давлении свыше 0,6 МПа.

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 предварительную ная, 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, но недостаточным для прохождения гидратированных ионов и молекул растворенных веществ. Из-за невозможности создания мембран с одинаковыми размерами пор (изо- пористых) 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 показал, что порядок задержания 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 высокой 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 показателей. 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. 36.2).

Обратноосмотические мембраны имеют асимметричную структуру и состоят из двух слоев: верхнего активного толщиной до 0,3 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.

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

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

Таблица 36.2

Физико-химические свойства полупроницаемых мембран

Показатель

Мембраны из ароматического полиамида

Мембраны из ацетилцеллюлозы

Давление, МПа:

нормальное рабочее

2,8

3,0-4,2

максимальное обработанной воды

0,35

-

Максимальная температура, °С

рабочая

35

30

хранения

40

30

Допустимое значение pH

4—11

4,5-6,5

Подверженность гидролизу

Не подвержены

Очень чувствительны

Степень воздействия бактерий

То же

То же

Непрерывная доза свободного хлора при pH < 8, мг/л

0,25

0,5-1,0

Степень воздействия других окислителей

Очень чувствительны

Средне чувствительны

Срок службы, лет

3-5

2-3

Солезадержание,%

90-95

90-95

Селективность мембран ср,%, в процессе разделения определяется выражением

где С, и С2 — концентрации растворенного вещества соответственно в обрабатываемой и обработанной водах.

Следует отметить, что увеличение селективности мембран как типа МГА на основе ацетилцеллюлозы, так и типа МГП на основе ароматических полиамидов неизбежно приводит к снижению их проницаемости (табл. 36.3), поэтому при практическом их использовании учитываются эти альтернативные свойства.

Таблица 36.3

Технологические характеристики полупроницаемых мембран

Марка

Селективность по NaCl (5 г/дм3),%

Проницаемость при р = 5 МПа, дм3/(м2-сут)

М ГА-80

80

600

М ГА-90

90

350

МГА-100

97,5

250

МГП-80

75

490

МГП-90

90

290

МГП-100

98

150

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

Коэффициент выхода фильтрата кв ф,%, характеризует работу обратноосмотических установок и представляет собой отношение расхода очищенной воды ?>ф к расходу воды, поданной на установку 0исх:

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 соединяются в блоки по определенной схеме.

Аппараты рулонного типа [рис. 36.5 (8, с. 174)] состоят из корпуса 1, представляющего собой трубу, в которую вставляют рулонные фильтрующие элементы (РФЭ) 2. Из таких модулей собирается аппарат заданной производительности. РФЭ соединяют между собой муфтами. Изготовляют РФЭ накручиванием вокруг центральной водоотводящей трубки со щелями 4 полупроницаемых мембран, разделенных дренажными устройствами и турбулизаторами-разделите- лями. В процессе накручивания материалы, образующие мембранные пакеты, пропитывают клеевой композицией, в результате чего получаются напорные и дренажные полости, отделенные друг от друга. Поступающая в корпус аппарата 1 соленая вода попадает в напорные каналы фильтрующих элементов, движется вдоль их образующих, опресняется и в виде концентрата отводится. Опресненная вода направляется по спиралевидным каналам к центру фильтрующего элемента и по водоотводящей трубке 4 выводится из аппарата. Попадание соленой воды в зазор между РФЭ 2 и корпусом аппарата 1 предотвращается установкой уплотняющих колец 3.

Наиболее перспективны аппараты с мембранами из полых волокон. Модуль с U-образной укладкой полых волокон [рис. 36.6 (8, с. 175)], являющихся полупроницаемыми мембранами, состоит из цилиндрического корпуса, имеющего штуцера для подвода исход-

Обратноосмотический аппарат рулонного типа

Рис. 36.5. Обратноосмотический аппарат рулонного типа:

  • 7 — корпус; 2 — рулонный фильтрующий элемент; 3 — уплотняющее кольцо;
  • 4 — водоотводная трубка; 5 — муфта; I — исходная вода; II — фильтрат; III — концентрат
Модуль с U-образной укладкой полых волокон

Рис. 36.6. Модуль с U-образной укладкой полых волокон:

/ — сборная камера; 2 — перфорированная трубка; 3 — пучок полых волокон; 4 — корпус; 5,8 — патрубки; б — фланец; 7 — концевой блок; 9 — вход обрабатываемой воды; 10 — выход концентрата; / / — выход фильтрата

ной 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, например, 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 на- ружным/внутренним диаметром 85/42 мкм, которые при селективности 90% обеспечивают производительность 2,2 м3/ч при коэффициенте выхода фильтрата 75%.

Для работы аппаратов обратного осмоса требуется тщательная очистка воды от коллоидных и грубодисперсных примесей, для чего в системе предочистки используются механические фильтры с зернистой загрузкой, а также сетчатые, намывные и др. Установки комплектуются системами химической и биологической очистки мембран, приборами и устройствами автоматики.

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>