Мембранные технологии и их применения

Вант-Гофф получил это уравнение, исследуя осмотическое давление растворов сахара. Позднее было установлено, что в такой форме уравнение применимо к ограниченному числу недиссоциирующих растворенных веществ.

Электролиты, как известно, в той или иной степени диссоциируют, и для расчета их осмотических давлений в настоящее время используют следующие уравнения.

Для слабых электролитов:

, Па (13)

где

,

α – степень диссоциации растворенного вещества, ν – число ионов, образующихся при диссоциации одной молекулы.

π = νФcRT, Па (14)

где Ф – практический осмотический коэффициент.

В разбавленных растворах Ф очень близок к единице и осмотическое давление пропорционально концентрации. С увеличением концентрации Ф может меняться произвольным образом (увеличиваться, снижаться, проходить через экстремумы) и быть как больше, так и меньше единицы.

Надежных методов расчета осмотических давлений многокомпонентных растворов нет. Однако в разбавленных растворах сильных электролитов без существенной погрешности можно считать осмотическое давление равным сумме осмотических давлений составляющих компонентов.

В практике обратного осмоса осмотические давления растворов варьируются от нескольких килопаскалей до нескольких мегапаскалей, а рабочее давление от десятков долей мегапаскаля до 5 – 7 МПа.

Несмотря на сравнительно высокие рабочие давления, обратный осмос оказывается энергетически выгоднее большинства других массообменных процессов и даже многокорпусного выпаривания.

Работу, необходимую для продавливания воды через мембрану, А, можно представить как произведение рабочего давления на объем прошедшей через мембрану воды V. Посмотрим, какова будет работа на продавливание 1м3 воды при сравнительно высоком рабочем давлении 5 МПа:

(Дж) (15)

Это – теоретическая работа продавливания. С учетом коэффициентов полезного действия насоса и двигателя, потерь энергии с отходящим концентратом, затрат на преодоление трения и местных сопротивлений в установке обратного осмоса реальный расход энергии составит (10-20)·106 Дж. Это на полтора порядка меньше, чем при выпаривании 1 м3 воды в многокорпусной выпарной установке с оптимальным числом корпусов.

Сравнительно малые затраты энергии в обратном осмосе объясняются тем, что разделение осуществляется без фазовых превращений и почти всегда при температуре окружающей среды. Последнее обстоятельство помимо экономии энергии на подогрев раствора обеспечивает еще одно важное достоинство – возможность разделения нетермостойких растворов.

Следует отметить и простоту конструкции установок обратного осмоса, которые включают только два основных элемента – мембранный аппарат и насос. Простейшая установка обратного осмоса имеет следующий вид:

Рисунок 7. Схема установки обратного осмоса.

Исходный раствор подается насосом в напорный канал мембранного аппарата, где разделяется на два потока – прошедший через мембрану (пермеат, или фильтрат) и задержанный мембраной (ретант, или концентрат). Необходимое рабочее давление в системе поддерживается с помощью вентиля на линии концентрата и контролируется по манометру.

Промышленное значение обратный осмос приобрел в 60-х годах 20-го века, когда были созданы анизотропные ацетатцеллюлозные мембраны. Ацетатцеллюлозные мембраны для обратного осмоса состоят из активного слоя с порами размером порядка 15-25 Ǻ и толщиной в десятые доли микрона и крупнопористого подслоя толщиной порядка 100 мкм. Слои эти слиты в единое целое и между ними имеется переходная область. Активный слой контактирует с разделяемым раствором и обеспечивает селективные свойства мембраны, а толстый подслой придает мембране прочность, практически не оказывая гидравлического сопротивления потоку пермеата. Благодаря этому ацетатцеллюлозные мембраны характеризуются приемлемо высокими значениями селективности и удельной производительности.

Селективность выражается в долях единицы (или процентах) и характеризует долю (процент) растворенного вещества, задержанного мембраной.

Различают наблюдаемую и истинную селективность.

Наблюдаемая селективность φ:

       , (16)

где x1 – концентрация растворенного вещества в объеме разделяемого раствора в некотором произвольном сечении аппарата, x2 – концентрация растворенного вещества в пермеате в том же сечении.

Истинная селективность φи:

, (17)

где x3 – концентрация растворенного вещества у поверхности мембраны со стороны разделяемого раствора в упомянутом сечении.

Удельная производительность G выражается как количество жидкости, проходящей в единицу времени через единицу рабочей поверхности мембраны. При этом под рабочей поверхностью понимается поверхность, контактирующая с разделяемым раствором (часть общей поверхности мембран находится под герметизирующими прокладками или в области склейки мембранных элементов и не участвует в процессе обратного осмоса).

Удельная производительность обычно представляется в следующих размерностях:

[л/м2 ·час], [л/м2 ·сутки], [кг/м2 ·час].

Порядок величин в этих размерностях – десятки и сотни.

В системе СИ размерность G [м/с] или [кг/м2·с]. Здесь получаются величины малых порядков, поэтому чаще пользуются указанными выше внесистемными размерностями.

Ниже в таблице приведены характеристики первых отечественных промышленных мембран для обратного осмоса, изготовленных в НПО «Полимерсинтез» (Г. Владимир). Данные получены при температуре t = 20˚С и рабочем давлении p = 5МПа.

Таблица 4. Паспортные данные мембран серии МГА.

Аббревиатура МГА означает «мембрана гиперфильтрационная ацетатцеллюлозная». Связано это с тем, что в 70-х годах прошлого века, когда эти мембраны были разработаны, обратный осмос иногда называли гиперфильтрацией.

Позднее начали выпускать ацетатцеллюлозные мембраны на подложках, у которых при такой же селективности удельная производительность в 2-4 раза выше. Например, мембрана МГА 95 П-Т (МГА – 95 на тканой подложке) имеет при температуре 23±2˚С и рабочем давлении 5 МПа на 0,5 % растворе NaCl удельную производительность 1400 л / м2 · сутки (58 л / м2 ·час).

В настоящее время все большее распространение получают композитные мембраны, состоящие обычно из 3, а иногда – 4 слоев. Например, композитная обратноосмотическая полиамидная мембрана ОПАМ–К имеет следующее строение:

Благодаря небольшой толщине активного слоя в таких мембранах и отсутствию переходной области между микропористым и макропористыми слоями, такие мембраны имеют удельную производительность порядка 100 л / м2 ·час.

Кроме полимерных мембран в обратном осмосе иногда используют мембраны из неорганических материалов, например, стекла. Важно лишь, чтобы мембрана была гидрофильной и пористой.

Рисунок 8. Схема строения композитной мембраны.

Мембраны из стекла, а также полимерные мембраны в некотором диапазоне давлений, ведут себя как жесткие – не деформируются, не уплотняются при увеличении давления. При больших давлениях полимерные мембраны сначала подвергаются упругой деформации – т.е. при работе под давлением сжимаются, при сбросе давления – расширяются до первоначальной величины. При высоких давлениях полимерные мембраны подвергаются усадке (необратимой деформации). При этом размер пор и удельная производительность уменьшаются.

В промышленных условиях столь высокие давления обычно не применяются. При проведении лабораторных исследований полимерные мембраны иногда специально подвергаются усадке, чтобы в дальнейшем при пониженных давлениях они вели себя как жесткие.

С каждым годом обратный осмос все шире используется в промышленности и быту. Этот вопрос подробно рассматривается в другом курсе. Поэтому мы лишь кратко коснемся основных сфер применения обратного осмоса.

1. Подготовка питьевой воды.

Наиболее распространен процесс получения питьевой воды из речной воды, пресных озер и водоемов. При этом обратный осмос проводится при невысоких давлениях, что делает его особенно экономичным.

Пока менее распространено получение питьевой воды из морских и океанических вод. Они имеют осмотическое давление порядка 2,5 МПа, поэтому рабочее давление должно быть 3 МПа и выше. К тому же, требуются высокоселективные (а значит – менее производительные) мембраны. Однако с ростом дефицита пресной воды способ получения питьевой воды из соленых вод непрерывно расширяется.

2. Получение воды повышенного качества.

Очень высокие требования предъявляются к воде, которая используется для промывки деталей при изготовлении изделий микроэлектроники, и к воде, направляемой в котлы, где производится водяной пар. Здесь обратный осмос находит широкое применение. В качестве исходной обычно берется вода из артезианских скважин или водопроводов.

3. Обработка сточных вод.

Обратный осмос применяется при обработке сточных вод в химической, пищевой, целлюлозно-бумажной, атомной и других отраслях промышленности. При этом одновременно происходит очистка воды до санитарных норм на сбрасываемую воду или пригодную для технических нужд и концентрирование ценных компонентов, часто содержащихся в сточных водах, что облегчает их утилизацию.

4. Концентрирование и фракционирование растворов.

Типичные примеры – это концентрирование фруктовых и овощных соков, молока и молочной сыворотки, концентрирование обработанных технологических растворов электролитов в химической промышленности, реактивов для повторного использования в фото- и кинопромышленности. Выделение отдельных компонентов из многокомпонентных растворов путем фракционирования.

Говоря о применении обратного осмоса, нельзя не упомянуть о том, что как единственно необходимый процесс он используется при решении ограниченного числа задач – например, при получении питьевой воды из природных вод, где концентрат может сбрасываться в тот же водоем, откуда забирается вода.

В большинстве же случаев наибольшая эффективность достигается при сочетании обратного осмоса с другими методами разделения. Так, при концентрировании растворов целесообразно бывает на первой стадии использовать обратный осмос, а окончательное концентрирование провести выпариванием. При получении особо чистой воды пермеат со стадии обратного осмоса обычно направляется на ионный обмен, где вода окончательно очищается от солей.

Выбор той или иной схемы разделения является задачей технико–экономического анализа. Важнейшей составляющей, необходимой для его выполнения, является знание теоретических основ обратного осмоса.