Общей особенностью всех мембранных процессов является то, что разделение происходит чисто физическим образом, что означает, что разделенные компоненты не подвергаются химическим или биологическим изменениям.
Мембранные процессы все чаще встречаются при очистке воды, предназначенной для многократного применения, а иногда даже при очистке сточных вод. Устройства, в которых используется эта методика, работают как независимые устройства или являются частью технологических систем, например, очистки воды, являясь одним из их ключевых элементов, определяющих эффективность процесса очистки, а также его экономическую ценность. Они используются в основном для опреснения воды, для получения питьевой воды, но также и во многих отраслях (химическая, нефтехимическая, энергетическая, машиностроительная, электронная, пищевая, фармацевтическая, косметическая, биотехнологическая и другие). По этой причине представляется целесообразным ознакомить читателей «Журнала Установщика», заинтересованных в мембранных процессах, с принципами этой техники.
Общей особенностью всех мембранных процессов является то, что разделение происходит чисто физическим способом, что означает, что разделенные компоненты не подвергаются химическим или биологическим изменениям. Сами мембраны можно определить как тонкопленочные перегородки, способные к селективному или преимущественному переносу смесей [1, 2]. В мембранном процессе поток жидкости, доставляемый на поверхность мембраны, называется отправителем. Эта часть, прошедшая через мембрану, называется пермеатом, а остаток, оставшийся на мембране, является ретентатом. В случае очистки воды, пермеат (фильтрат) является продуктом процесса, а ретентат является отходами. С другой стороны, в других процессах, в которых мембранные методы используются, например, для извлечения металлов из гальванических ванн или концентрирования фруктовых соков, продукт процесса представляет собой ретентат, а фильтрат - отходы.
Техника разделения
Среди многих методов мембранного разделения для различных целей в технологии очистки воды использовались, в основном, методы давления и, в меньшей степени, современные методы.
В случае очистки воды в мембранных процессах под давлением, когда движущей силой является перепад давления (ΔP) на обеих сторонах мембраны, можно выделить четыре типа растворов, различающихся механизмами разделения и типом удерживаемых веществ [1,2]:
* микрофильтрация (MF): механизм разделения - сито, (ΔP) <0,3 МПа, диаметр пор мембраны 0,1-10 мкм, задерживает частицы суспензии и некоторые бактерии> 0,1 мкм;
* ультрафильтрация (УФ): механизм разделения - сито, (ΔP) 0,1-1,0 МПа, диаметр пор 1-100 нм, задерживает взвешенные частицы, растворенные макромолекулы, коллоидные частицы, бактерии и вирусы от 2 нм до 0 1 мкм;
* нанофильтрация (NF): механизм разделения, основанный на растворении и диффузии, (ΔP) 0,5-3,0 МПа, диаметр пор <2 нм, сохраняет многовалентные ионы и органические соединения <2 нм;
* обратный осмос (RO): механизм разделения, основанный на растворении и диффузии, (ΔP) 1-8 МПа, сохраняет одновалентные соли, недиссоциированные кислоты, органические соединения, бактерии и вирусы.
Механизмы разделения
В дополнение к вышесказанному следует посвятить несколько предложений механизмам разделения. В случае микрофильтрации для удержания частиц в двухфазных системах используется механизм разделения сит, что означает, что мембрана отделяет частицы, диспергированные (суспендированные), от дисперсионной среды, которой является вода. Следовательно, относительно низкие трансмембранные давления являются достаточными для обеспечения того, чтобы процесс разделения проходил с достаточно высокими выходами.
Размер пор в случае ультрафильтрации меньше, что позволяет удерживать не только частицы суспензии небольшого размера, но также растворенные макромолекулы и даже патогенные микроорганизмы, в то время как растворитель (вода) и растворенные соединения с малым размером частиц переходят в пермеат.
В свою очередь, механизм разделения в процессе нанофильтрации определяется как косвенный между ультрафильтрацией и обратным осмосом, поскольку он позволяет удерживать многовалентные ионы (например, SO42-) и некоторые органические соединения, бактерии и вирусы.
Механизм процесса обратного осмоса принципиально отличается от того, что обсуждалось до сих пор.
Это механизм, противоположный естественному осмосу, который представляет собой явление диффузии частиц растворителя (в нашем случае воды) через полупроницаемую мембрану - разделяющую два раствора с различной концентрацией - от раствора с более низкой концентрацией до раствора с более высокой концентрацией с целью достижения равновесной концентрации растворенного вещества. с обеих сторон мембраны. Это явление можно остановить, применяя на стороне раствора более высокую концентрацию внешнего давления, равную так называемому осмотическое давление. Дальнейшее повышение приложенного давления вызывает поток растворителя (воды) из раствора с более высокой концентрацией в раствор с более низкой концентрацией, и это явление называется обратным осмосом. Процесс обратного осмоса состоит в концентрировании раствора с более высокой концентрацией и разбавлении раствора на противоположной стороне мембраны.
электродиализ
Наконец, необходимо упомянуть текущий мембранный процесс, который используется в технологии очистки воды, а именно электродиализ [1, 2]. Его механизм основан на явлении переноса ионов через ионоселективную мембрану и состоит в переносе анионов и катионов из солевого раствора к соответствующим электродам: катоду и аноду. Если пространство электродиализного сосуда разделено на камеры от чередующихся ионообменных мембран, анионы будут перемещаться только через анионообменные мембраны и катионообменные катионы, что, в свою очередь, приведет к альтернативной концентрации и разбавлению ионных составляющих растворителя (воды). Этот метод используется в основном при обработке солоноватой воды с низкой соленостью.
преимущества
Подводя итог преимуществам представленных мембранных технологий, прежде всего обратите внимание на низкое энергопотребление и химическое потребление (их использование необходимо лишь в некоторых случаях для предварительной очистки воды), постоянное качество производимой воды, а также простоту масштабирования и автоматизации. К недостаткам относятся легкое осаждение примесей на поверхности мембран и связанное с этим снижение производительности и несовершенство мембран, выражающее ограниченную устойчивость к высоким температурам или изменениям pH очищенной воды. В случае опреснения воды методом обратного осмоса существенным недостатком является высокая степень опреснения и связанная с этим реминерализация очищенной воды (если она предназначена для питья). С другой стороны, недостатком метода электродиализа является его низкая эффективность при удалении нейтральных частиц (бесплатно) и ограничение применения в водах с низкой соленостью.
Мембранные методы широко используются в технологиях очистки воды для различных применений. Основное назначение методов обратного осмоса - производство питьевой воды, обычно используемой в установках различного размера, из морской или соленой воды [1, 2, 3]. В другом случае обратный осмос может представлять собой заключительную стадию процесса подготовки воды для медицинских целей - для диализных станций [4]. Установки этого типа широко распространены и в очень разнообразных масштабах. Микрофильтрация или ультрафильтрация используется в сложных процессах очистки питьевой воды, являясь эффективной и экономически привлекательной альтернативой удалению некоторых специфических загрязнителей воды. Примером здесь является использование технологии УФ для одновременного удаления органических и микробных загрязнений ( колиподобных бактерий ) на одном из французских гидротехнических сооружений или для удаления устойчивых к дезинфицирующим средствам ооцист простейших Cryptosporidium на гидротехнических сооружениях в Милуоки (США) [1, 2, 3] ,
д-р Славомир Белозор
литература
[1] J. Nawrocki, S. Biłozor (ed.), «Водоподготовка. Химические и биологические процессы ", Wyd. Scientific PWN, Варшава-Познань 2000.
[2] Дж. Навроцки (ред.), «Водоподготовка», Wyd. Научный УАМ - Издательство Scientific PWN, Варшава 2010.
[3] М. Бодзек, К. Конечны, «Применение мембранных методов удаления органических загрязнителей из водной среды», матем. конференции «Водоснабжение, качество и охрана воды» Познань 2012.
[4] А. Прусс, Я. Войцеховский, М. Марциниак, Р. Качмарек, «Обработка водопроводной воды для нужд диализотерапии», матем. конференции «Поставка воды, качество и охрана воды», Познань 2012.
