Мембранные системы. 
Периферийное оборудование заводов пластмасс

Устройство и принцип действия мембранных систем

В зависимости от назначения очищенной воды и потребности в ней, а также качества исходной воды (необходимости предварительной очистки) все стадии очистки после механической очистки могут быть реализованы мембранными методами очистки в едином аппаратном решении. После удаления механических нерастворенных примесей с помощью механической очистки, называемой также предварительной очисткой, проводится корректировка ионного состава воды, т. е. удаление из нее отдельных, растворенных в ней ионов железа (обезжелезивание), кальция и магния (умягчение) и пр.

Мембранные методы высокоэффективны, оборудование имеет меньшие габариты по сравнению с ионообменными методами очистки, экологичны (практически не требует реагентов), однако менее производительны по сравнению с ионообменными методами, оборудование имеет более высокую стоимость при той же производительности [8].

По типу задерживаемых частиц мембранные системы очистки воды можно разделить на два вида: ультрафильтрация и обратный осмос.

Микро-, ультра-, нанофильтрационные мембраны осуществляют очистку жидкости от коллоидных и тонкодисперсных примесей и органических веществ с высокой производительностью, сохраняя солевой состав. В свою очередь, системы промышленного осмоса имеют более низкую производительность. Однако обратноосмотические мембранные фильтры наиболее селективны благодаря наличию узких пор.

Явление осмоса наблюдается, когда два соляных раствора с разными концентрациями разделены полупроницаемой мембраной.

Мембрана, работающая на основе обратного осмоса, пропускает молекулы и ионы определенного размера, но служит барьером для веществ с молекулами большего размера. Таким образом, молекулы воды способны проникать через мембрану, а молекулы растворенных в воде солей — нет.

Если по разные стороны полупроницаемой мембраны находятся солесодержащие растворы с разной концентрацией, то молекулы воды будут перемещаться через мембрану из слабо концентрированного раствора в более концентрированный, вызывая в последнем повышение уровня жидкости (рис. 2.5).

Разница в высоте уровней двух растворов разной концентрации пропорциональна силе, под действием которой вода проходит через мембрану. Эта сила называется «осмотическим давлением», и для заданных условий и типа применяемых мембран оно составляет для слабоминерализованных вод от 8 до 12 бар. При таком давлении через поры синтетических композитных мембран проходят молекулы чистой воды и задерживаются гидратированные солеобразующие ионы: НСО^3-, SO^2-, Ch, Са²⁺, Mg²⁺, Na⁺, К⁺, Fe²⁺, Cu²⁺ и ряд других микроэлементов, имеющих значительно больший размер [4].

Рис. 2.5. Принцип действия обратного осмоса

В случае когда на раствор с большей концентрацией воздействует внешнее давление, превышающее осмотическое, молекулы воды начнут двигаться через полупроницаемую мембрану в обратном направлении, т. е. из более концентрированного раствора в менее концентрированный.

Этот процесс называется «обратным осмосом». По этому принципу и работают все установки обратного осмоса (рис. 2.6).

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. Таким образом, обратный осмос обеспечивает гораздо более высокую степень очистки, чем большинство традиционных методов, основанных на фильтрации механических частиц и адсорбции ряда веществ с помощью активированного угля.

Рис. 2.6. Принцип работы установки обратного осмоса

В зависимости от типа применяемой мембраны (ацетатцеллюлозная или тонкопленочная композитная) степень очистки составляет по большинству неорганических элементов 85—98%. Мембрана обратного осмоса также удаляет из воды и органические вещества. Органические вещества с молекулярным весом более 100—200 удаляются полностью; а с меньшим — могут проникать через мембрану в незначительных количествах.

Наиболее часто в технологии обратного осмоса используется процесс, известный как перекрестное течение, что позволяет мембране самоочищаться: в то время как часть жидкости проходит через мембрану, другая ее часть двигается в обратном направлении, вымывая из мембраны обратного осмоса задержанные частички.

В процессе обратного осмоса требуется движущая сила, которая будет проталкивать жидкость через мембрану, наилучшим вариантом является давление, создаваемое помпой. Чем выше давление, тем больше движущая сила.

В современной водоподготовке используются три основных типа мембран обратного осмоса: целлюлозные и из смеси триацетата целлюлозы с ацетатом целлюлозы, из ароматического полиамида и тонкопленочные композитные мембраны.

Ацетат целлюлозы может использоваться в листах или в виде полых волокон. Мембраны из ацетата целлюлозы недороги и просты в изготовлении, но имеют ряд ограничений. Асимметричная структура делает их восприимчивыми к уплотнению при высоких давлениях, и особенно при повышении температуры. Мембраны из ацетата целлюлозы подвержены гидролизу и могут использоваться только в ограниченном диапазоне pH (от 3 до 8, в зависимости от производителя). При температуре выше 35 °C они начинают разрушаться. Мембраны из ацетата целлюлозы имеют высокую проницаемость для воды, но плохо задерживают загрязнения с низким молекулярным весом.

Мембраны из армированного полиамида с полой конфигурацией имеют асимметричную структуру с тонкой (от 0,1 до 1,0 мкм), плотной пленкой и пористой подложкой.

Полиамидные мембраны, в отличие от целлюлозных, менее восприимчивы к воздействию гидролиза. Они могут работать даже выше диапазона pH от 4 до 11. Оболочка этих мембран может выдерживать более высокие температуры, чем у целлюлозных. Однако, как и целлюлозные, они уплотняются при высоких давлениях и температурах.

Основным недостатком полиамидных мембран является то, что они подвержены разрушению под воздействием окислителей.

Тонкопленочные композитные мембраны изготавливаются путем формирования тонкой и плотной поверхностной пленки (с большим сопротивлением по потоку для растворенных веществ) поверх пористой подложки. Конструкционные материалы и технологические процессы для изготовления этих двух слоев могут быть различными и оптимизируются с целью получения лучшего сочетания большого потока воды и низкой проницаемости для растворенных в ней веществ. Характеристики потока пропускаемой воды и сопротивляемости растворенным в ней веществам в основном определяются тонким поверхностным слоем, толщина которого колеблется в пределах от 0,01 до 0,1 мкм [9].

Установка обратного осмоса состоит:

• — из патронного или мультипатронного фильтра тонкой очистки (тонкость фильтрации 5 мкм);
• — насоса высокого давления;
• — мембранной группы;
• — средств автоматики и регулирующих элементов;
• — КИП;
• — пульта управления;
• — опорной рамной конструкции;
• — системы промывки мембранных элементов.

Конструктивное исполнения установки обратного осмоса определяется качественным составом исходной воды, уровнем общего солесодержания и количеством мембранных элементов, необходимых для получения требуемой производительности установки. По конструктивному исполнению можно выделить три основные группы установок. В основе конструктивного и компоновочного решения лежит способ организации мембранной группы, который, в свою очередь, определяет процентное отношение очищенной воды и концентрата.

К первой группе относят установки малой производительности (от 0,1 до 5 м³/ч).

Основным отличием установок этой группы является то, что один или несколько мембранных элементов установлены в одном напорном корпусе. Такое решение позволяет разрабатывать и изготавливать простые и не дорогие системы обратного осмоса. Компоновка установок может быть вертикальной — в случае использования одного мембранного элемента или горизонтальной — когда используется несколько элементов.

Ко второй группе относят установки малой и средней производительности.

Для установок этой группы характерно то, что несколько мембранных элементов установлены в два, параллельно подключенные напорные корпуса. Такое решение позволяет разрабатывать и изготавливать более сложные системы обратного осмоса с высоким выходом очищенной воды. Компоновка — горизонтальная. Количество корпусов в мембранной группе может быть кратным двум.

И наконец, третья группа установок высокой производительности. Особенностью этих установок является то, что концентрат с основной группы подается на дополнительную группу мембран, чем достигается высокий процент выхода чистой воды с установки. Такое решение позволяет доводить отношение фильтрата к концентрату до 75%, что в конечном счете уменьшает общее энергопотребление установки, сброс в канализацию и стоимость очищенной воды. Однако необходимо учитывать, что дополнительная группа мембранных элементов работает в более тяжелых условиях, чем основная, а это вынуждает принимать дополнительные меры по восстановлению или промывке мембран [10].

В общем виде технологическая схема очистки воды по принципу обратного осмоса представлена на рис. 2.7.

Рис. 2.7. Принципиальная технологическая схема установки обратного осмоса:

• 1 — фильтр тонкой очистки; 2 — насос высокого давления;
• 3 — модули обратного осмоса; 4 — емкость для химической промывки;
• 5 — насос химической промывки; 6 — ротаметр; 7 — байпас

Первая стадия процесса обратного осмоса — тонкая очистка исходной воды от механических примесей. Обычно для этого используются фильтры патронного типа, размещаемые в фильтродержателях. Данный фильтр относится к фильтрам периодического действия, работающим под давлением. Механизм работы патронных фильтрующих элементов относится к глубинной и/или поверхностной фильтрации, т. е. механические примеси, задерживаемые фильтрующим элементом, накапливаются внутри слоя фильтрующей перегородки.

Вода, очищенная на патронных фильтрах, подается на насос высокого давления, назначением которого является достижение давлением исходной среды расчетного давления для осуществления массообменных процессов, протекающих на полупроницаемых обратноосмотических мембранах. После того как давление исходной воды повышено, она поступает на модули, в которых размещены обратноосмотические мембраны, где собственно и происходит разделение исходной воды на фильтрат (пермеат) и концентрат.

Концентрат, выходящий из установки обратного осмоса, транспортируется к месту сброса или утилизации, а фильтрат чаще всего подается в накопительную емкость, откуда с помощью повышающего насоса он транспортируется на дальнейшие стадии очистки [11].