Мембранные технологии и их применения

Мембранные технологии и их характеристики

Современные мембранные технологии, применяемые для водоснабжения и водоотведения, включают четыре вида: микрофильтрацию, ультрафильтрацию,  нанофильтрацию  и  гиперфильтрацию (обратный осмос). Мембраны этих видов отличаются размером пор мембран и соответственно размером задерживаемых примесей.

В отличие от традиционных методов (насыпные фильтры, аэрация, химобработка, обеззараживание), требующих больших площадей, многошаговой технологии обработки, значительного количества эксплуатационного персонала, мембранные технологии имеют следующие преимущества:

компактность оборудования (например, один модуль ультрафильтрации диаметром 250 мм и длиной 1700 мм имеет производительность от 2,5 до 7 м3/час);

простота наращивания мощностей ввиду модульной конструкции оборудования;

надежная барьерная фильтрация;

достаточно низкое энергопотребление;

возможность получения качественной фильтрации на одном шаге обработки воды (получение питьевой воды из поверхностной и подземной воды);

получение питьевой и индустриальной воды из морской воды;

минимальное использование химикатов;

возможность полной автоматизации процессов обработки и контроля качества воды;

бурно развивающаяся технология (появление новых механически и химически стойких мембран).

Затраты на 1 м3 воды, обработанной мембранной технологией, по сравнению с традиционными технологиями неуклонно снижаются. Если десять лет назад они были в несколько раз больше, то в настоящее время не только сравнялись, но стали меньше. На примере мембран ультрафильтрации фирмы "ZENON" приведен График 1, иллюстрирующий темпы снижения затрат на 1 м3 обработанной воды в период с 1995 по 2003 годы.

График 1. Темпы снижения затрат на 1 м3 обработанной воды.
 

Все виды мембранной фильтрации выполняются под давлением. Чем меньше размеры пор мембран, тем выше давление (размеры пор мембран микрофильтрации до 1 мкм - давление меньше 2 бар; размеры пор мембран обратного осмоса до 0,0001 мкм - давление от 17 до 70 бар). Процесс прохождения примесей через мембраны микрофильтрации и ультрафильтрации является процессом просеивания. В мембранах нанофильтрации и обратного осмоса процесс прохождения ионов и молекул через мембраны является более сложным процессом диффузии, и поэтому этот процесс зависит от ряда факторов, таких как состав исходной воды, загрязнение мембран, заряд мембран и коэффициент концентрации солей.

Все виды мембран имеют определенные требования к качеству входной воды. Наименее требовательны к составу входной воды мембраны микро- и ультрафильтрации. Эти мембраны допускают обработку хлорированной воды, высокое содержание взвешенных частиц (от 50 до 40 000 мг/л в зависимости от типа мембран) и работают в широком диапазоне рН (от 1 до 13). Мембраны нанофильтрации и обратного осмоса предъявляют достаточно высокие требования к качеству входной воды. Обычно требуется предварительная обработка воды, которая заключается в удалении взвешенных частиц, растворенного железа и нейтрализации окислителей.

Установки мембранной фильтрации удобны в эксплуатации ввиду их достаточно высокого уровня автоматизации, но требуют тщательного соблюдения технологии их эксплуатации.

Все виды мембран нуждаются в периодической промывке и очистке, в том числе химически усиленной очистке. Несоблюдение технологии эксплуатации может привести к необратимым процессам загрязнения и порчи мембран.

Ниже в Таблице 3 приведены области применения мембранной фильтрации.

       К настоящему времени в мире реализованы десятки крупных проектов по подготовке питьевой воды и обработке муниципальных и индустриальных вод (производительность станций от 1000 до 100 000 м3/сутки). Во Франции реализован уникальный проект одношагового получения питьевой воды для региона населением 800 000 человек непосредственной из речной воды с помощью системы, использующей мембраны нанофильтрации. Этот проект гарантирует высокое качество (в том числе, умягченную воду) и безопасность воды без применения химических средств обеззараживания воды.

        Мембранные аппараты

Мембранные аппараты подразделяют на плоскокамерные, трубчатые, рулонные, с полыми волокнами, а также электродиализаторы. В плоскокамерных аппаратах (рис. 2) разделительный элемент состоит из двух плоских (листовых) мембран, между которыми расположен пористый дренажный материал. Элементы размещены на небольшом расстоянии один от другого (0,5-5 мм), в результате чего между ними образуются мембранные каналы, по которым циркулирует разделяемая смесь. Образовавшийся концентрат выводится из аппарата, а пермеат отводится по дренажному материалу в коллектор. Для турбулизации потока путем поперечного перемешивания и предотвращения соприкосновения проницаемых элементов применяют сетку - сепаратор. В случае необходимости значительного концентрирования исходного раствора в аппарате устанавливают несколько последовательно работающих секций. Поверхность разделительной мембраны, приходящаяся на единицу объема аппарата, т.е. плотность упаковки мембраны, для плоскокамерных аппаратов низка (60-300 м2/м ), поэтому их используют в установках небольшой производительности для разделения жидких и газовых смесей.

Рис. 2. Плоскокамерный многосекционный аппарат типа "фильтр - пресс": 1-мембрана; 2-дренажный материал.

Трубчатые аппараты (рис. 3) состоят из набора пористых дренажных трубок диаметром 5-20 мм, на внутренней или наружной поверхности которых расположены мембраны. В соответствии с этим исходный поток направляют в трубное либо межтрубное пространство. Трубчатые аппараты, в которых плотность упаковки мембран составляет 60-200 м2/м3, используются для очистки жидких сред от загрязнений, опреснения воды с высокой концентрацией солей, а также для разделения газовых смесей.

Рис. 3. Трубчатый аппарат: 1-мембрана; 2-дренажный материал; 3-трубчатый фильтрующий элемент.

В рулонных, или спиральных, аппаратах (рис. 4) мембранный элемент имеет вид пакета; три его кромки герметизированы, а четвертая прикреплена к перфорированной  трубке для отвода пермеата, на которую накручивается пакет вместе с сеткой - сепаратором. Разделяемый поток движется в осевом направлении по межмембранным каналам, а пермеат - спиралеобразно по дренажному материалу и поступает в отводящую трубку. Аппараты этого типа отличаются высокой плотностью упаковки мембран (300-800 м2/м3), но сложнее, чем плоскокамерные, в изготовлении. Они используются в установках средней и большой производительности для разделения жидких и газовых смесей.

Рис. 4. Рулонный аппарат: a-корпус, б-фильтрующий элемент; 1-мембрана; 2-дренажный материал; 3-фиксатор; 4-сепаратор; 5-отводная трубка.

В аппаратах с волокнистыми мембранами (рис. 5) рабочий элемент обычно представляет собой цилиндр, в который помещен пучок полых волокон с наружным диаметром 80-100 мкм и толщиной стенки 15-30 мкм. Разделяемый раствор, как правило, омывает наружную поверхность волокна, а по его внутреннему каналу выводится пермеат. Благодаря высокой плотности упаковки мембран (до 20000 м2/м3) эти аппараты применяют в опреснительных установках большой производительности (десятки тыс. м3/сут).

Для обратного осмоса, как правило, используют  плоскокамерные, трубчатые и рулонные аппараты; для ультрафильтрации - плоскокамерные и трубчатые; для микрофильтрации - те же аппараты, а также обычные патронные фильтры; для электродиализа - кроме электродиализаторов, иногда плоскокамерные и с полыми волокнами, снабженные подводкой электропитания; для мембранного газоразделения-рулонные, плоскокамерные и трубчатые;  для испарения через мембрану - те же аппараты, что и для баромембранных процессов, снабженные системами подогрева,  вакуумирования,  подачи инертного газа и конденсаторами паров; для диализа - плоскокамерные и др. мембранные.

Мембранные процессы разделения осуществляют, как правило, при температуре окружающей среды без фазовых превращений и применения хим. реагентов, что наряду с простотой аппаратурного оформления и его обслуживания определяет их экономичность и широкие перспективы для создания принципиально новых, малоэнергоемких и экологически чистых производств.

Рис. 5. Аппарат с волокнистой мембраной: 1-трубная решетка с открытыми концами волокон; 2 полое волокно.

          Тенденции технического развития мембран

Развитие и совершенствование мембран идет в следующих направлениях:

создание механически, химически и температурно стойких мембран (новые полимерные материалы, материалы на основе целюллозы, керамика, серебро, композитные материалы);

создание мембран низкой степени загрязнения для работы в биореакторах;

создание широкого спектра мембран, предназначенных для работы в условиях низкого, среднего и высокого давлений;

повышение срока службы мембран до 7 и более лет;

снижение стоимостных показателей мембран.

Заключение

Значение процессов фильтрования возрастает с увеличением масштабов

производства химической и родственных ей отраслей промышленности.

В данной области знаний известно много научно-технических достижений, которые используются на ограниченном количестве фильтровальных станций и очень медленно распространяются в подотрасли. Одной из причин этого является недостаточное теоретическая и специальная подготовка инженеров технологов водоочистных станций, не имеющих высшего образования.

Поэтому основными тенденциями развития фильтровального оборудования в

современную жизнь общества являются повышение квалификации персонала и специальная подготовка инженеров. Внедрение перспективных конструкций фильтров в практику позволит резко повысить технический уровень фильтровальных станций, обеспечить высокое качество питьевой воды, подаваемой населению.

В основном течение процессов фильтрования происходит согласно

закономерностям, но в результате искажающих влияний конструктивных

особенностей фильтра иногда происходит отклонение от закономерного течения.

Быстрый же рост популярности мембран объясняется из великолепными

технологическими и пользовательскими качествами: полимерные мембраны

исключительно долговечны, просты в эксплуатации, нетребовательны к погодным и температурным условиям, что позволяет работать с ними круглый год. Мембраны могут найти применение в микроэлектронике, биотехнологии, медицине, фармацевтической, пищевой и парфюмерной промышленности, экологии.

Обобщая вышеизложенное, можно сделать вывод о том, что:

Основные факторы, стимулирующие внедрение мембранных технологий: безопасность питьевой воды, возросшие требования к качеству обработки сточных вод, стремительный рост водопотребления и необходимость модернизации существующего оборудования водоснабжения.

Мембранные технологии являются реальной альтернативой традиционным технологиям подготовки питьевой и индустриальной воды, а также в обработке муниципальных и индустриальных сточных вод.