Баромембранные процессы

Баромембраные процессы – это такие процессы очистки воды, которые основаны на фильтровании растворов через полупроницаемые мембраны под давлением. К баромембранным процессам относят:

- обратный осмос;

- ультрафильтрование;

- нанофильтрование;

- микрофильтрование.

Эти методы отличаются между собой пористостью мембран и рабочим давлением. А также размерами молекул веществ, которые отделяются.

Обратный осмос – это процесс фильтрования растворов под давлением сквозь полупроницаемые мембраны, которые пропускают растворитель (воду) и полностью или частично задерживают ионы растворенных веществ. Как правило, обратный осмос используют для изъятия ионов и низкомолекулярных веществ.

В основе данного метода очистки воды лежит явление осмоса - самопроизвольное проникновение растворителя сквозь полупроницаемую мембрану в более концентрированный раствор.

Когда С₀ = 0, а С = К (фиксированная концентрация) и мембрана проницаема для растворителя, то растворитель переходит (мигрирует) из емкости А в емкость В. Процесс перехода раствора из емкости А в емкость В проходит пока гидростатическое давление (h) не уравновесит осмотическое давление, которое возникает между двумя растворами.

Гидростатическое давление, при котором установлено динамическое равновесие, соответствует осмотическому давлению мембраны для раствора данной концентрации.

Если со стороны растворителя приложить давление, которое большее осмотического, то растворитель будет переноситься в обратном направлении. Этот процесс называется обратным осмосом или гиперфильтрацией.

Движущей силой процесса обратного осмоса является разность рабочих давлений с обеих сторон мембраны. В случае идеальной полупроницаемой мембраны, если через нее проходит лишь растворитель и полностью задерживается компонент рабочее давление можно рассчитать по формуле:

DР – рабочее давление;

Р- давление приложено со стороны концентрированного раствора;

π - осмотическое давление.

По мере концентрирования раствора осмотическое давление будет возрастать. Поэтому рабочее давление должно быть достаточно большим, чтобы компенсировать рост осмотического давления.

В практике водоочистки редко реализуются идеальные процессы. Т.е., как правило, часть вещества проникает через мембрану и фильтрат представляет собой разбавленный раствор. В этом случае со стороны фильтрата также возникает осмотическое давление. Вследствие того, что концентрация в фильтрате меньше чем в растворе, это осмотическое давление будет значительно меньше чем осмотическое давление основного раствора.

Для случая неидеальной мембраны рабочее давление будет рассчитываться:

,

где π₁ – осмотическое давление раствора;

π₂ – осмотическое давление фильтрата.

Осмотическое давление можно рассчитать по уравнению состояния идеального газа (уравнению Вант Гоффа):

,

где С – концентрация раствора;

R – универсальная газовая постоянная;

Т – идеальная температура.

Для электролитов вводится коэффициент, который учитывает диссоциацию:

,

при этом:

.

α - степень диссоциации электролита.

Для сильных электролитов, которые полностью диссоциируют в воде осмотическое давление рассчитывается

,

где υ - число ионов, которые образовались при диссоциации электролитов;

Ф – фактический осмотический коэффициент, который определяется из уравнения:

и равняется .

Осмотическое давление реальных растворов достигает очень больших значений на уровне десятков МПа (сотен атм).

Рабочее давление в обратном осмосе должно быть значительно больше чем осмотическое для обеспечения необходимой производительности процесса. Так морская вода, которая содержит 3.5% солей имеет осмотическое давление 2.45 МПа (24.5атм). Рабочее давление при ее опреснении поддерживается на уровне 7-8 МПа (70-80 атм).

В случае обратного осмоса рабочие давление может достигать 10-25 МПа, что значительно ограничивает его использование. Несмотря на это обратный осмос по затратам энергии значительно преобладает другие методы. Так при опреснении морской воды в обратном осмосе энергозатрата достигала 13 МДж/м³ воды, при опреснении вымораживанием – 24 МДж/м³, при термической дистилляции – 230 МДж/м³.

К недостаткам обратного осмоса относят сложную технологию предварительной подготовки воды перед опреснением.

Обратный осмос является довольно перспективным при обессоливании естественных вод и перспективным при очистке сточной воды.

Особенностью баромембранных процессов является то, что раствор, из которого отделяется растворитель может уплотняться до определенной границы. Существуют критические концентрации растворов, выше которых процесс проходить не может. При весьма высоких концентрациях в рабочих растворах происходит образование осадков на поверхности мембраны, что приводит к резкому снижению их производительности.

В случае очистки природной воды отработанный концентрированный раствор можно сливать в природный водоем, особенно морскую воду. Значительно более сложная ситуация возникает при очистке сточной воды. Концентрированные растворы с токсичными загрязнениями нельзя сбрасывать в природные водоемы, так как они, как правило, имеют значительные превышения по допустимым сбросам по целому ряду компонентов. Например, на Киевской городской свалке при очистке загрязненных фильтратов методом обратного осмоса образовывались целые озера концентрированных растворов, которые на сегодня не перерабатываются.

Одним из способов переработки таких концентратов является выпаривание. Но этот процесс технически сложный и экономически дорогой.

Ультрафильтрование – это процесс баромембранного разделения, а также концентрирования и фракционирования высокомолекулярных веществ (молекулярная масса большая 500 у.е.).

Процесс проводится при применении рабочего давления на уровне 0.05-0.5 МПа. Ультрафильтрование в отличие от обратного осмоса применяется для разделения систем, в которых молекулярная масса раскрытых компонентов значительно больше молекулярной массы растворителя.

Движущей силой процесса ультрафильтрования является разность давлений с обеих сторон мембраны. Как правило, осмотическое давление разбавленных растворов высокомолекулярных веществ значительно меньше по сравнению с рабочим давлением. Поэтому при расчетах рабочего давления учитывается лишь осмотическое давление концентрированных растворов и не учитывается осмотическое давление фильтратов

Особенностью процесса ультрафильтрования является то, что в следствие низкого диффузного перенесения высокомолекулярных соединений и коллоидов происходит концентрирование компонентов на поверхности ультрафильтрационных мембран. Этот процесс называется гелеобразованием. Гелеобразование существенно изменяет структуру пор и свойства мембран, что сопровождается резким снижением производительности мембраны. Т.е. снижением объемного потока раствора сквозь мембрану. При этом, как правило, возрастает селективность мембраны.

Для предотвращения гелеобразования на поверхности мембраны или откладывания осадка применяют перемешивание раствора или его рециркуляцию. В отличие от обратноосмотических мембран, которые должны быть гидрофильными, что связано с механизмом фильтрования, ультрафильтрационные мембраны могут иметь низкую гидрофильность или могут быть гидрофобными.

Нанофильтрование – это процесс баромембранного разделения веществ, при рабочем давлении 1-2 МПа с молекулярными массами до 300-500 у.е. - это органические вещества средней и низкой молекулярной массы.

В процессе нанофильтрования частично задерживаются и низкомолекулярные неорганические электролиты. Хлорид натрия задерживается на 40-60%, соли с двухзарядными ионами на 80-98%, органические соединения удаляются практически полностью (степень изъятия достигает 98-99.9%).

Нанометрические мембраны имеют поры нанометричного диаметра - 1...3 нм. Как правило, поры такого диаметра находятся в ультратонком разделительном слое, который находится на поверхности основного слоя мембраны.

Детальные исследования показали, что данный процесс по механизму разделения является обратноосмотическим. Т.е. процесс нанофильтрования является отдельным случаем обратного осмоса и относится к процессам, которые осуществляются с использованием мембран с нанометрическими порами.

Микрофильтрование – это баромембранный процесс, который используется для выделения из воды взвешенных и коллоидных частиц размерами от 0.1 до 10 мкм. Рабочее давление составляет от 0.01 до 0.05 МПа.

Микрофильтровальные мембраны со средним размером пор от 0.05 до 10 микрон изготавливают в виде полимерных пленок, трубок или полостных волокон из гидрофильного или гидрофобного материала. В последнее время все чаще используют керамические микрофильтрационные мембраны в виде пластин или трубок, которые получают спеканием высокодисперсных порошков оксидов алюминия, титана, циркония или им подобных.

Неорганические микрофильтры получают также методом золь-гель технологии во время гидролиза соответствующих алкооксидов металлов с дальнейшим нанесением полученных золей на пористую керамическую подкладку с дальнейшей термообработкой при температуре 400-800 ⁰С.