Основи обратноосмотічеськой обробки води

Метод зворотного осмосу полягає в фільтрації розчинів під тиском через спеціальні напівпроникні мембрани, пропускають молекули розчинника і повністю або частково що затримують молекули або іони розчинених речовин. В основі методу лежить явище осмосу - мимовільного переходу води через напівпроникну перегородку в розчин. Тиск, при якому настає рівновага, називається осмотичним. Якщо з боку розчину прикласти тиск, що перевищує осмотичний, то перенесення розчинника буде здійснюватися у зворотному напрямку.

Поділ методом зворотного осмосу здійснюється без фазових перетворень, і енергія в процесі витрачається, в основному, на створення тиску вихідної рідини (практично нестисливої середовища) і її продавлюванні через мембрану. Тому її витрата ближче до величиною мінімальної термодинамічної роботи поділу, ніж витрати енергії в інших процесах.

Процес зворотного осмосу слід відрізняти від процесу фільтрування. На очищення фільтр направляють рідина, що представляє собою гетерогенну (двофазну) систему з різною ступенем дисперсності зважених часток. Зворотною осмосом очищають, як правило, гомогенні (однорідні) системи - істинні розчини. Ця обставина обумовлює відмінності в типі фільтруючих матеріалів і в величинах тисків, під дією яких відбуваються процеси. При фільтруванні повинні затримуватися зважені частинки розміром не менше 100 - 200 А. Зворотно осмотична мембрана повинна бути настільки щільною, щоб служити бар'єром для речовин, які містяться в розчинах у вигляді молекул та іонів, що викликає значні гідравлічні опору при продавлюванні через мембрани чистого розчинника. Крім того, при обратноосмотічеськой розділенні розчинів виникає ще одна додаткова протидіюча процесу сила - різниця осмотичних тисків, величина якої дуже значна при високій концентрації розчинених речовин.

Іншим істотним розходженням цих процесів є те, що при фільтруванні затримуємо речовина залишається або на поверхні, або в обсязі фільтруючого матеріалу, який при забрудненні змінюють або очищають зворотним промиванням. При зворотному ж осмосу НЕ має відбуватися забруднення мембрани, тобто затримуваних речовини повинні відводиться від мембрани і не сорбувати ні на її поверхні, ні в її обсязі. Забруднення мембран є вторинним процесом, негативно впливає на обратноосмотичні розділення розчинів.

Якщо затримуємо речовина не відводити від мембрани, то за ідеальної її напівпроникливості процес фільтрування припинитися. Дійсно, збільшення концентрації розчинених речовин супроводжується підвищенням осмотичного тиску, і при досягненні останнім величини, що дорівнює додається гідростатичного тиску, рушійна сила процесу буде дорівнює нулю, а отже, швидкість фільтрування розчинника також звернутися в нуль. При неідеальної напівпроникливості накопичення розчиненої речовини у мембрани приводить до збільшення швидкості його проникнення через мембрану до значень, рівних швидкості підвода речовини до мембрані. У цьому випадку процес фільтрування не припиниться, але ефект стане рівним нулю.

З причини пріоритетним перенесення води через мембрану напівпроникну у її поверхні збільшується концентрація розчинених речовин в порівнянні з їх вмістом в розчині в даному перерізі напірної камери. При цьому встановлюється така величина градієнта концентрації, що забезпечує динамічну рівновагу між підведенням речовин до мембрани і видаленням їх внаслідок конвективної та молекулярної дифузії.

Явище виникнення градієнта концентрацій розчинених речовин перпендикулярно поверхні мембрани отримало назва концентраційної поляризації.

Поряд з описаним явищем в апаратах спостерігається також виникнення градієнта концентрацій, спрямованого вздовж поверхні мембран. Це пов'язано з тим, що при русі вздовж мембрани частина води фільтрується через неї і концентрація розчинених речовин в розчині збільшується. Це явище називається концентрування розчинів.

Таким чином, у обратноосмотічеськіх апаратах встановлюються поперечний (концентраційна поляризація) і поздовжній (концентрування) градієнти концентрацій розчинених речовин. Обидва ці явища обов'язково супроводжують обратноосмотічеськой розділення розчинів.

Вплив параметрів на процес зворотного осмосу

Тиск. Основним чинником, робить вплив на процес зворотного осмосу та ультрафільтрації, є робочий тиск. Зі збільшенням тиску збільшується ефективна рушійна сила процесу і, відповідно, зростає величина проникності мембрани. У тих випадках, коли мембрана не змінює своєї структури під дією тиску, проникність води лінійно зростає зі збільшенням ефективної рушійної сили, і оскільки проникність розчиненої речовини мала в порівнянні з проникності води. Загальна проникність добре описується рівнянням:

(2.1)

де G - проникність води;

A - константа для системи мембрана - розчин при певних зовнішніх умовах;

- різниця осмотичних тисків розчинів по обидва боки мембрани.

Проте при підвищених тисках реальні полімерні мембрани не зберігають свою первісну структуру та ущільнюються, що відбивається на величині константи А в рівнянні (™). У зв'язку з цим, починаючи з деякої величини робочого тиску, проникність знижується і при певних тисках досягає максимуму. При подальшому збільшенні тиску проникність знижується.

Подібний характер носить залежність селективності розділення від тиску.

Селективність в області малих тисків лінійно зростає із збільшенням тиску, потім швидкість зростання знижується і селективність досягає максимальної величини, яка визначається типом мембрани і природою розчиненої речовини. Такий характер залежності обумовлений тим, що в області невисоких тисків з збільшенням рушійної сили зростає лише потік води через мембрану, в той час як потік розчиненого речовини практично не змінюється. Те, що селективність залишається постійною навіть після досягнення максимуму проникності, пояснюється зниженням потоку розчиненого речовини через мембрану при значному її ущільненні.

Температура. Вплив температури розчину на процес має складний характер. Збільшення температури зменшує в'язкість і щільність розчину і одночасно збільшує його осмотичний тиск. Якщо зменшення в'язкості і щільності призводить до збільшення проникності, то збільшення осмотичного тиску знижує рушійну силу і зменшує проникність. Ступінь впливу тих чи інших факторів залежить від природи розчиненої речовини і концентрації розчину. Дослідження, проведені на чистій воді та водних розчинах NaCl, показали, що в діапазоні температур 10 -- 400 проникність і селективність зростають. Причому вплив температури на селективність ставати все більш помітним з підвищенням концентрації. Вплив температури на проникність при розділенні розчинів невисокої концентрації практично повністю визначається зміною в'язкості розчину і добре корелюється співвідношенням:

(2.2)

де G - проникність розчинника;

- в'язкість розчину.

Для більш концентрованих розчинів величина G * зменшується зі збільшенням температури.

Вплив температури на продуктивність мембранних установок практично однаково як для чистої води, так і для розведеного лугу, якщо його осмотичний тиск менше прикладеного на 70%. Це пояснюється тим, що осмотичний тиск розведеного лугу майже не залежить від температури в інтервалі 10 - 350. Умовно проникність мембрани при температурі 250 прийнята за 100. Цю залежність можна представити рівнянням:

(2.3)

У багатьох випадках підвищення температури сприяє розмивання обложеного на мембрані шару, тому в межах термостійкості мембран використання підвищених температур може бути виправдано.

Концентрація розчину. Збільшення концентрації розчину призводить до зменшення рушійної сили процесу, збільшенню в'язкості і щільності розчину, що знижує величину проникності.

Для обліку зміни проникності у зв'язку зі зміною концентрації запропоновано наступне емпіричне співвідношення:

(2.4)

k1, k2, n - Константи, що характеризують конкретну систему мембрана - розчин;

х - концентрація вихідного розчину;

- щільність розчину;

- в'язкість розчину.

Залежність селективності від концентрації носить більш складний характер. У разі поділу розчинів невисокої концентрації селективність істотно не змінюється зі зміною концентрації, а падіння концентрації можна вважати лінійним.

Проникність щільніших мембран нижче, ніж мембран середньої щільності. Це відбувається внаслідок забруднення мембран які облягають шаром деяких компонентів розчину (в різного ступеня для різних стоків). Відбувається проникнення сторонніх речовин в структуру напівпроникною мембрани, а що утворився шар, що працює як друга мембрана, змінює параметри процесу.

Осадкообразованіе на мембранах

Вітчизняний і зарубіжний досвід показав, що на тривалість і надійність роботи мембран великий вплив робить процес осадкообразованія. Утвориться шар осаду, який, як правило, є соленепроніцаемим, забиває поверхневі пори мембрани, створює додатковий опір потоку і массопередаче в граничному шарі, в внаслідок чого збільшується концентраційна поляризація на мембранах і знижується їх солезадержівающая здатність і продуктивність.

Хімічний склад опадів, що утворюються при опріснення і очищення вод різного типу, досить різноманітний. На процеси зворотного осмосу негативний вплив впливає освіта в апаратах відкладень малорозчинний солей кальцію, гідроксидів заліза і марганцю, а також зважених речовин і високомолекулярних сполук.

У підземних мінералізованих і морських водах кальцій знаходиться в рівновазі з двокарбонатний і сульфатними іонами і зміст його досить значно - зазвичай від 100-120 до 300-400 мг/л. в процесі обратноосмотічеськой обробки води відбувається переважний перенесення молекул Н2О через мембрану, що викликає порушення рівноважного стану і може призвести до випадання на мембранах опадів сульфату і карбонату кальцію. Причиною утворення осаду сульфату кальцію є швидке досягнення в граничному шарі концентрації СаSО4, перевищує межу його розчинності (близько 2-3 г/л при 200С).

Трохи інакше відбувається утворення відкладень карбонату кальцію. У ході обратноосмотічеського процесу при опріснення води відбувається видалення з розчину не тільки води, але й частини вільної вуглекислоти. У результаті вуглекислотні рівновагу у воді зсувається з утворенням надлишку карбонатних іонів, які реагують з іонами кальцію. Утворюється карбонат кальцію внаслідок малої розчинності випадає в осад.

Швидкість утворення сульфатних і карбонатних відкладень залежить від вмісту у вихідній воді солей жорсткості і від величини рН. Чим вище ці значення, тим швидше відбувається утворення осаду. Карбонатні відклади утворюють щільну, міцно скріплену з поверхнею мембрани плівку; для сульфатних відкладень характерні рихлість структури і нерівномірність розподілу в об'ємі камери.

Осад гідроксиду заліза також знижує ефективність роботи напівпроникних мембран. Відкладення гідроокису заліза на мембранах призводить до різкого зниження їхньої продуктивності.

Характеристика процесу

Процес зворотного осмосу характеризується наступними основними параметрами.

Питома продуктивність мембран q, м 3/(м2 * добу), пов'язана зі швидкістю фільтрування і співвідношенням:

(4.1)

затримує здатність мембран (їх селективність) по відношенню до якого-небудь речовини.

Рівень концентраційної поляризації Г залежить від гідродинамічних умов у обратноосмотічеськой апараті.

Для розуміння зв'язку між параметрами процесу розглянемо механізм селективної проникності обратноосмотічеськіх мембран.

Відповідно до гіперфільтраціонной гіпотезою в мембрані є пори, діаметр яких достатній, щоб пропускати молекули води, але малий для проходження іонів і молекул розчинених речовин. При розгляді ситовій моделі мембрани слід мати на увазі радіуси гідратної оболонок іонів, які рівні 2-15А, що значно більше радіусів молекул Н2О (1,38 А).

Обратноосмотічеськіє поділ розчинів електролітів тісно пов'язане з явищем осмосу. За відсутності робочого тиску в напірній камері апаратів спостерігається осмотичний перенесення води через мембрани, тобто механізм, що забезпечує солезадержівающую здатність мембран, викликає осмотичний перенесення води. У зв'язку з цим розгляд механізму селективності починається з дослідження осмотичного переносу через ацетілцеллюлозние обратноосмотичні мембрани.

Незважаючи на те, що осмотичний перенесення вперше спостерігався в 18 ст., до цих пір немає кінетичної теорії, описує механізм цього процесу і кількісно узгоджується з експериментальними результатами.

В основу даної моделі процесу осмотичного перенесення води через напівпроникні мембрани покладені такі подання.

У мембрані є пори діаметром, дещо більшим діаметрів молекул і гідратованих іонів розчинених речовин.

У відповідності з теорією Я. І. Френкеля молекули в рідинах знаходяться в коливальному русі околовременних положень рівноваги: Дифузія складається з окремих стрибків з одного тимчасового положення рівноваги в інше.

Для дифузійного (осмотичного) перенесення води через ці пори рушійною силою є різниця активних концентрацій води біля правого і лівого гирл пори. Але, як вже зазначалося, осмотичний перенесення через пори відбувається відповідно до розглянутої моделлю тільки в тому випадку, коли праве гирлі пори вільно від молекул води і різницю активних концентрацій води по різні сторони цих пір дорівнює концентрації води в дистильованої води.

На підставі викладеного для кількості води, що пройшла в результаті осмотичного перенесення через 1м2 площі мембрани, може бути написана наступна залежність:

Для випадку сильно розведених розчинів це рівняння набуде вигляду:

(4.8)

якщо ввести позначення:

(4.9)

і взяти до уваги рівняння (5), то формула (8) перетворюється на залежність (4). Звідси випливає, що формула (8) знаходиться у відповідності з експериментальними даними по осмотичного переносу води через напівпроникні мембрани. Запропонований механізм дозволяє кількісно точно описати процес осмотичного перенесення води не тільки з розведених, але і концентрованих розчинів, а також процес осмотичного перенесення дистильованої води в колоїдні розчини через Ультрафільтраційні мембрани.

напівпроникні мембрани

напівпроникні мембрани, з допомогою яких здійснюється процес розділення водних розчинів, є основною частиною будь-якого обратноосмотічеського апарату і значною мірою визначають не тільки технологічні показники процесу, але й технічні та експлуатаційні характеристики апаратів. Існує велика кількість різноманітних ме?? бран.

напівпроникні мембрани виготовляють з різних полімерних матеріалів, пористого скла, графітів, металевої фольги та ін від матеріалу мембрани залежать її властивості (хімічна стійкість, міцність), а також в значній мірі її структура.

Полімерні мембрани. Полімерні мембрани можуть бути пористими і непористий (поняття "непористий мембрани" умовно, оскільки вони можуть мати пори розміром 0,5 - 1 мм).

За типами структур мембрани можуть бути симетричними і асиметричними. З тим, що б досягти можливо більшою продуктивності при достатній чистоті пермеата (фільтрату), розділовий шар мембрани має бути можливо тонше і в той же час забезпечувати високу селективність. Будучи тонкою, мембрана повинна забезпечувати високу механічну міцність щодо деформацій у широкому діапазоні температур. У зв'язку з цим були розроблені асиметричні мембрани. В асиметричних мембранах мікропористий шар (99,5% товщини мембрани) є лише підкладкою для селективного непористий робочого шару, не створює опору переносу.

Класична асиметрична гомогенна мембрана виходить з однієї речовини. Однак створення достатньо тонких робочих шарів мембрани пов'язане з великими труднощами. Наявність навіть невеликої кількості дефектів в шарі у вигляді наскрізних пір через селективний шар асиметричною гомогенної мембрани помітно знижує селективність через проскакування небажаних компонентів. Вирішення цієї проблеми призвело до створення мембран композитного типу, що складаються з шарів різних речовин. Для ущільнення дефектів на асиметричну мембрану наноситься тонкий шар високопроніцаемого, але практично неселективного матеріалу, який перекриває наскрізні пори в селективному шарі, практично не впливаючи на її проникність. Можливо також нанесення селективного шару безпосередньо на окремо виготовлену пористу підкладку з більш дешевого і доступного неселективного матеріалу.

Практика показує. Що композитні матеріали мембран менше схильні до деформації під тиском. Для створення асиметричного селективного шару використовуються полімери з унікальними властивостями, так як із-за малої товщини селективних плівок вартість навіть дуже дорогих полімерів не є суттєвою перешкодою. Створення асиметричних мембран є основним напрямком в мембранної технології.

Рідкі мембрани. Під рідкими мембранами розуміють мембрани з рідиною, іммобілізованих всередині пор мікропористою підкладки. Якщо мембрана змочується рідиною, то остання може утримуватися в порах за рахунок капілярних сил. Тиск, необхідне для витіснення рідини з пір, називається капілярним тиском і змінюється обернено пропорційно діаметру пір, тому при достатньо малих порах рідина утримується на підкладці при різниці тисків під і над мембраною в кілька атмосфер. Використовуються рідкі мембрани двох типів. До першого типу відносяться пасивні рідкі мембрани, у яких звичайні рідини, що мають велику проникність за цільовим компоненту, наносяться на мембранну підкладку. Другий тип рідких мембран - мембрани з активним транспортом цільового компонента. У цьому випадку в якості рідини використовуються специфічні переносники цільового компонента, розчинені у відповідному розчиннику.

Керамічні мембрани. У останні роки успішно розвивається напрямок з використанням керамічних мембран. Отримані мембрани (одно-, семи-і девятнадцатіканальние) складаються з підкладки на основі оксидів алюмінію (з розмірами пор 10 - 15 мкм і загальної пористістю приблизно 45%) та селективного шару. Переваги керамічних мембран: висока робоча температура - 10000С і вище, висока механічна міцність і довговічність, стійкість до хімічно агресивних середах, зручність регенерації мембран.

Список літератури

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://www.promeco.h1.ru/l