Мембранные методы очистки воды

Министерство образования и науки Республики Казахстан

Карагандинский государственный университет им. Е. А. Букетова

 

 

 

Физико-технический факультет

     Кафедра Инженерной теплофизики им. профессора Акылбаева Ж.С. 

 

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

 

Тема: Мембранные методы очистки воды  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                                                         Проверил:Кутум Б.Б.

 

                                                                                                  Выполнил:Тосекбай А.А.

                                                                                                                 

                                                                                                                Группа ТЭК-210

 

 

 

 

 

 

 

КАРАГАНДА 2014

 

                                                 План:

 

Введение

1. Мембранная  технология очистки воды

2. Классификация  мембранных процессов

3 Основные методы очистки мембран

4. Универсальные  мембранные системы очистки питьевой  воды

Выводы

Список используемой литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

Традиционные способы очистки воды - механические, химические или реагентные - не обеспечивают в большинстве случаев необходимую эффективность очистки. Особый интерес вызывают мембранные методы разделения - обратный осмос, ультрафильтрация и микрофильтрация, позволяющие очищать воду от солей, органических веществ, коллоидов и взвесей.

Мембранные системы водоподготовки, промышленное освоение которых началось примерно с 1985 года, в настоящее время применяются практически во всех отраслях, потребляющих очищенную воду.

Первые искусственные мембраны были изготовлены в XIX веке из обработанной в азотной кислоте клетчатки (целлюлозы) – сырья, которое является ничем иным как оболочками растительных клеток, то есть природными мембранами. Из нитрата целлюлозы научились делать целлулоид, а позднее целлофан, но с обнаруженной у них микропористостью активно боролись, так как хотели получить в первую очередь защитные материалы, непроницаемые для воздуха и влаги. И только в 1960 году Лоэбом и Соурираджаном была изобретена мембрана из другого вида модифицированной целлюлозы – ацетата, которая была уже пригодна для практического применения.

 Мембраны, как и другие фильтрующие материалы, можно рассматривать как полупроницаемые  среды: они пропускают воду, но  не пропускают, точнее, хуже пропускают  некоторые примеси. Однако если  обычное фильтрование применяют  для удаления из воды относительно  крупных образований – дисперсных  и крупных коллоидных примесей, то мембранные технологии –  для извлечения мелких коллоидных  частиц, а также растворенных  соединений. Для этого мембраны  должны иметь поры очень малого  размера.

Движущей силой, заставляющей жидкость проникать через препятствие в виде тонкой перегородки, может быть:

 а) приложенное давление;

 б) разница концентраций растворенных  веществ;

 в) разница температур по  обе стороны перегородки;

 г) электродвижущая сила.

Основное отличие мембран от обычных фильтрующих сред состоит в том, что они тонкие, и удаляемые примеси задерживаются не в объеме, а только на поверхности мембраны.

 Грязеемкость поверхности, очевидно, гораздо меньше, чем у объема. Казалось бы, мембрана должна из-за этого очень быстро засориться и перестать пропускать воду. Так бы оно и было, если бы в мембранном фильтре не происходило постоянного самоочищения мембраны.

Для этого применяется так называемая «тангенциальная» схема движения воды в аппарате, при которой собирают воду с обеих сторон мембраны: одна часть потока проходит через мембрану и образует фильтрат (или пермеат), то есть очищенную воду, а другую направляют вдоль поверхности мембраны, чтобы смывать задержанные примеси и удалять их из зоны фильтрации. Эта часть потока называется концентратом или ретентатом, и обычно ее либо сбрасывают в дренаж, либо (например, при очистке гальванических стоков) отводят для дальнейшей обработки и выделения нужных компонентов. Таким образом, узел мембранной фильтрации имеет один вход и два выхода, и часть воды постоянно расходуется на очистку мембраны.

  Мембранная технология очистки  воды

   Если по разные стороны полупроницаемой мембраны находятся солесодержащие растворы с разной концентрацией, молекулы воды будут перемещаться через мембрану из слабо концентрированного раствора в более концентрированный, вызывая в последнем повышение уровня жидкости. Из за явления осмоса процесс проникновения воды через мембрану наблюдается даже в том случае, когда оба раствора находятся под одинаковым внешним давлением. Было установлено, что процесс этот продолжается до тех пор, пока между растворами не установится определенная разница в давлении, так называемое осмотическое давление — сила, под действием которой вода проходит через мембрану. В 60-е годы ХХ в. было обнаружено, что если искусственно к концентрированному раствору приложить давление, больше осмотического, то будет протекать обратный процесс: молекулы воды будут переходить из концентрированного раствора в разбавленный. Этот процесс называется «обратным осмосом». В процессе обратного осмоса вода и растворенные в ней вещества разделяются на молекулярном уровне, при этом с одной стороны мембраны накапливается практически идеально чистая вода, а все загрязнения остаются по другую ее сторону. Тогда ученые пришли к выводу, что явление обратного осмоса можно использовать для очистки воды от различных примесей, так как обратный осмос обеспечивает гораздо более высокую степень очистки, чем большинство традиционных методов фильтрации, основанных на фильтрации механических частиц и адсорбции ряда веществ с помощью активированного угля. Кроме того, метод обратного осмоса гораздо проще и дешевле в эксплуатации по сравнению с ионообменными системами. Первоначально обратный осмос применялся для опреснения морской воды. Постепенно стали изготавливаться мембраны с различным диаметром пор, соответственно обеспечивающие разную чистоту воды на выходе.

      Мембранные фильтры являются фильтрами, удерживающими частицы на своей поверхности, что означает отсутствие удерживания частиц на внутренней ткани фильтра. Благодаря равномерному и однородному распределению пор на поверхности легко определить максимальный размер частиц, которые могут пройти через фильтр, так что можно говорить об абсолютном уровне фильтрования. Эти фильтры не меняют природу фильтрата и почти не адсорбируют жидкость внутри себя.

 

Классификация мембранных процессов

     Мембранные процессы можно классифицировать по размерам задерживаемых частиц на следующие типы:

     Ультрафильтрационные мембраны имеют наиболее крупные поры диаметром от 1 до 0,05 микрон (1 мкм=10-6 м) и работают обычно при давлениях 2-5 бар. Они применяются, например, для доочистки питьевой водопроводной воды от коллоидных и высокомолекулярных загрязнений, если не требуется корректировка ее солевого состава.

       Нанофильтрационные элементы (поры 5-50 нм, или 0,05-0,005 мкм)- это процесс фильтрации воды через полупроницаемую ультратонкую мембрану, которая задерживает различные растворенные загрязнители на молекулярном уровне, используют для умягчения воды с повышенной жесткостью, для удаления ионов тяжелых металлов и хлороорганики. Одновалентные ионы, такие как Na, K, Cl, NO3 задерживаются слабо – в среднем не более 10-30%. Рабочее давление нанофильтрации обычно не превышает 5-7 бар. Установки для нанофильтрации воды используются в основном для полного обессоливания воды, то есть для получения технической воды, которая может быть использованы в промышленности для самых разнообразных нужд.

       Обратноосмотические мембраны имеют поры диаметром менее 10 нанометров (менее 0,01 мкм), работают при давлениях до 100 бар и позволяют осуществлять глубокое обессоливание, или деминерализацию. Они задерживают все бактерии и вирусы, бoльшую часть растворенных солей и органических веществ (в том числе железо и гумусовые соединения, придающие воде цветность и патогенные вещества), пропуская лишь молекулы воды небольших органических соединений и легких минеральных солей. Обратный осмос применяют для получения сверхчистой воды для производственных нужд, а также для опреснения морской и солоноватых подземных вод, причем степень обессоливания (селективность) составляет обычно не менее 92-97%.

       Обратноосмотическую воду можно пить без кипячения, поскольку в ней нет ни только вирусов, микробов и бактерий, но и органических веществ - гербицидов, пестицидов и т.п. Однако, при использовании очистки основанной на принципе обратного осмоса, предварительно необходима механическая очистка и абсорбция.

       Обратноосмотические мембраны используются во многих отраслях промышленности, где есть необходимость в получении воды высокого качества (разлив воды, производство алкогольных и безалкогольных напитков, пищевая промышленность, фармацевтика, электронная промышленность и т. д.).

 

Типы мембранных элементов

Мембраны могут иметь различную геометрическую форму: трубчатые, половолоконные и плоские.

Трубчатые мембраны представляют собой трубки диаметром от нескольких миллиметров до 1-2 см, изготовленные из пористого материала, например керамики. При этом они могут быть симметричными или асимметричными. Симметричная мембрана имеет одинаковую пористость по всему объему материала. У асимметричной же трубки на одной из поверхностей – наружной или внутренней – при изготовлении формируют тонкий слой такого же или другого материала с гораздо большей плотностью. Этот слой и является работающим, так как именно он определяет задерживающую способность мембраны. Более крупнопористый материал играет роль подложки-носителя с дренажными свойствами. Подача очищаемой воды осуществляется со стороны рабочей поверхности.

Мембраны в виде полых волокон (Hollow Fibre) тоже имеют трубчатую форму, но их диаметр составляет обычно от 0,1 до 0,5 мм. Из-за такого малого размера в единицу объема фильтровального аппарата можно поместить огромное количество волокон, и их суммарная рабочая поверхность будет в десятки и даже сотни раз выше, чем у трубчатых мембран большого диаметра.

Плоские мембраны -  производят в виде пленок (thin film), которые могут быть бесподложечными (однородное вещество), армированными (с тканевой основой и нанесенным пористым материалом) и подложечными (с подложкой из крупнопористого материала и нанесенным рабочим слоем).

Загрязнение мембран и их промывка

Чем больше в исходной воде веществ с низкой растворимостью или взаимодействующих с материалом мембраны, тем больше вероятность ее загрязнения.

Главная причина такого рода проблем – так называемая концентрационная поляризация, то есть локальное повышение концентрации примесей вблизи рабочей поверхности мембраны. Механические и коллоидные частицы в таких условиях имеют тенденцию к укрупнению и образованию агрегатов, которые могут отлагаться на мембране, блокируя ее. Для солей с относительно низкой растворимостью повышение концентрации тоже может вызвать образование осадка.

Для того чтобы снизить интенсивность загрязнения, оптимизируют конструкцию мембранных элементов и схему их подключения друг с другом, если установка многоступенчатая. При этом добиваются как можно большей линейной скорости движения воды вдоль поверхности мембраны, в том числе за счет рециркуляции концентрата, и максимальной турбулентности потока.

 

Основные методы очистки мембран

1. Гидравлическая  очистка обратным потоком пермеата. Речь идет о периодической подаче пермеата из-под мембраны в камеру исходного раствора. При этом в камере снимают давление, но продолжают прокачивать раствор. Схема такой очистки показана на рисунке (Способ применим для мембран с высокой механической прочностью.)

2. Гидравлическая  очистка реверсивным потоком  концентрата. Здесь речь идет  о периодической смене направления  движения исходного потока вдоль  мембраны.

3. Механическая  очистка мембран с помощью  мягких губчатых тел, которые  проталкиваются вдоль мембраны  потоком исходного раствора, снимая  с поверхности гелевые и осадочные образования.

4.Химическая  очистка мембран периодическим  заполнением межмембранных каналов  химическими реагентами, растворяющими  образовавшиеся отложения. Очень  важно правильно выбрать моющее  средство, которое не должно растворять  мембрану, а также подобрать его  концентрацию и режим мойки.

Очистка заключается в промывке мембран различными моющими растворами. Эффективность такой очистки обусловлена правильностью подбора реагентов, действие которых заключается в переводе отложений в растворимую форму. Для правильного подбора реагента надо знать структуру и состав загрязнений, а также стойкость мембран по отношению к этому реагенту и ее адсорбционные свойства.

Как правило, эффективная мойка проходит при сочетании нескольких реагентов. Рассмотрим их далее.

Используют соляную, серную и азотную кислоты, а также лимонную, винную, щавелевую, глюконовую и другие органические кислоты. Некоторые из них работают как растворяющие вещества, некоторые как комплексоны, способствующие растворению. Поэтому кислотная мойка – это всегда сложный, многоступенчатый процесс с различными добавками: карбометилцеллюлоза, ПАВ, растворители органические, фториды аммония и натрия и др.

Обычно последовательность операций такая: раствор кислоты – чистая вода – раствор кислоты с комплексоном – чистая вода – раствор кислоты с ПАВ – чистая вода – раствор щелочи – чистая вода. Часто промывку проводят с повышением температуры, увеличенной скоростью циркуляции, с барботированием воздуха, длительное время. Практикуют промывку под высоким давлением для очистки пор, тогда растворившиеся загрязнения проходят в дренажные каналы. Это надо учитывать при конструировании установок.

Сильнодействующие растворители. Ограничения на их применение связаны с хим. стойкостью мембран. Поэтому хорошо отмываются керамические мембраны диоксаном, этилацетатом. Фенол, крезол, гидрохинон годятся для отмывки ацетатцеллюлозных мембран, но надо соотносить их с санитарными требованиями к получаемому продукту.