Обратный осмос и ультрафильтрация

Методы обратного осмоса и ультрафильтрации заключают­ся в фильтровании растворов через специальные полупроница­емые мембраны. При этом либо мембрана пропускает только молекулы растворителя (воды), либо частично с растворителем проходят ионы и молекулы задерживаемых веществ. При обратном осмосе осуществляется отделение частиц (молекул, гидратированных ионов), размеры которых сопоставимы с раз­мерами молекул растворителя, тогда как при ультрафильтрации минимальные размеры задерживаемых частиц на порядок больше, причем максимальные их размеры не должны пре­вышать 0,5 мкм.

Если частицы имеют размеры более 0,5 мкм, для их отделения необходимо применять собственно фильтрование. Иногда нижний предел частиц, удаляемых ультрафильтрацией, характеризуют их молекулярной массой, равной 500.

В основу процесса обратного осмоса положено явление осмоса — самопроизвольного перехода растворителя через специальную полупроницаемую перегородку (мембрану) в рас­твор. Если какую-либо ячейку разделить мембраной и залить левую часть чистой водой, а правую раствором (рис. 4.1), то будет наблюдаться самопроизвольный переход молекул воды из левой части в правую. Движущей силой процесса при •ном является разность концентраций воды в левой и правой частях ячейки. При этом уровень воды в левой части ячейки будет понижаться, а в правой повышаться. Вследствие воз­никновения гидравлического напора за счет разности уровней воды в обеих частях ячейки вода будет переходить из правой части ячейки в левую, причем скорость перехода воды слева направо будет падать вследствие убывания разности концен­траций примесей по обе стороны мембраны (разбавление раствора в правой части ячейки), а скорость перехода воды справа налево будет возрастать из-за увеличения разности уровней по обе стороны мембраны. Естественно, что при определенном гидроста­тическом давлений наступит равновесие такой системы, когда уровни в обеих частях ячейки не будут изменяться. Гидростатичес­кое давление, соответствующее равновесному состоянию такой системы, называется осмотическим давлением.

Если со стороны раствора приложить внешнее давление, превышающее осмотическое, то скорость перехода через мем­брану воды из раствора будет большей, чем воды в раствор.

Таким образом, движущая сила процесса обратного осмоса с учетом того, что мембраны обычно пропускают некоторое количество ионов вместе с водой и фильтрат представляет собой раствор, но значительно менее концентрированный, чем исходный, будет равна

∆Р=Р-(π₁- π ₂), (1)

где Р —избыточное давление над исходным раствором; π ₁ и π₂ — осмотическое давление сответственно исходного рас­твора и раствора, прошедшего через мембрану.

Осмотическое давление раствора в общем случае определя­ется согласно уравнению Вант-Гоффа

(2)

где i=1—а — коэффициент Вант-Гоффа (а —степень диссоци­ации растворенного вещества); R —универсальная газовая по­стоянная, равная 8,3143 Дж/(моль- К); Т —абсолютная тем­пература раствора, К; С—концентрация растворенного вещест­ва, кг/м³; М —масса 1 моля растворенного вещества, кг.

Эмпирический коэффициент Вант-Гоффа равен среднему суммарному числу частиц, образующихся цри электролитичес­кой диссоциации одной молекулы:

i=1 + (v-l)a, (3)

где v — общее число ионов, образующихся при диссоциации одной молекулы.

В достаточно разведенных растворах или сильнораствори­мых веществах можно считать диссоциацию полной, и тогда коэффициент Вант-Гоффа можно брать как целую величину в зависимости от числа ионов, образующихся при диссоциации молекулы вещества (например, для NaCl = 2).

Из (2) видно, что осмотическое давление зависит от химической природы растворенного вещества и его концент­рации. Например, для раствора NaCl концентрацией 35 кг/м³ (примерно равной солесодержанию океанской воды) при Т= 293 К осмотическое давление

.

При разделении воды и растворенных в ней примесей требуются затраты энергии не менее определенного минималь­ного ее количества, равного необходимому (согласно термо­динамическому расчету) для обратимого отделения воды. Минимальная энергия, требующаяся для обратимого переноса I моля воды через мембрану, например, при разделении морской воды, оценивается 45,2 Дж/моль, или 0,58 кВт•ч/моль. Это значение получено термодинамическим расчетом, и по­этому оно справедливо для любых процессов разделения морской воды.

Однако при затрате минимального значения свободной энергии скорость разделения раствора практически равна нулю. Поскольку в реальных процессах производитель­ность установок должна быть технологически приемлемой, то и рабочее давление в них должно значительно превосходить осмотическое. Обычно рабочее давление поддерживается в ин­тервале 5—8 МПа.

В растворах, содержащих высокомолекулярные вещества с максимальным диаметром частиц 0,5 мкм (или молекулярной массой не более 500), осмотическое давление пренебрежимо мало. Для их разделения применяют процесс ультрафильтрации на специальных мембранах, пропускающих лишь воду, ионы и молекулы низкомолекулярных соединений. В этом случае рабочее давление в аппарате не превышает 0,5 МПа.

Обратный осмос и ультрафильтрация принципиально от­личны от процессов фильтрования, так как при их осу­ществлении образуется не осадок, как при фильтровании, а лишь два раствора с разными концентрациями примесей.

Образование же осадка на мембранах недопустимо во из­бежание их засорения и снижения эффективности работы.

Несмотря на кажущуюся простоту процесса обратного осмоса и ультрафильтрации до настоящего времени нет единого взгляда на механизм перехода воды через мембраны.

Суще­ствует несколько гипотез, объясняющих процесс отделения воды от солей при фильтровании воды через мембрану: гиперфильтрационная (ситовая), сорбционная, диффузионная, электростатическая и др. Среди них наибольшее применение имеют две первые гипотезы.

Согласно сорбционной модели механизм перехода воды. через мембрану заключается в адсорбировании на поверхности мембраны и в ее порах молекул воды. В результате этого на поверхности мембраны образуется слой пресной воды (толщиной). Считается, что вода в этом слое обладает аномальными свойствами: почти полной потерей растворяющей способности, пониженной подвижностью и т. п. При диаметре пор мембраны d < 2 l через них будет проходить только вода, а растворенные вещества будут задерживаться.

Эта модель хорошо описывает процесс разделения воды и растворенных примесей при фильтровании растворов через мембраны из гидрофильных веществ, в частности через ацетилцеллюлозные мембраны.

Большинство советских исследователей придерживаются ги­перфильтрационной гипотезы, согласно которой в полупроница­емой мембране имеются поры с диаметром, достаточным, чтобы пропускать молекулы воды (d_H20 =0,276 нм), но малым для прохождения гидратированных ионов (d > 0,4 нм) и моле­кул растворенных веществ.

Однако в реальных мембранах невозможно практически создать поры одинакового размера, и поэтому всегда имеются более крупные поры, через которые могут проходить кроме молекул воды также и гидратированные ионы, что и объясняет явление селективности.

Кроме наличия в мембране пор определенных размеров при рассмотрении гиперфильтрационной модели учитывается также, что молекулы (частицы) в жидкости колеблются (каждая) около временных положений равновесия, т. е. переходят из одного временного положения равновесия в другое. Таким образом, если мембрана разделяет чистую воду и раствор, то в какой-то момент времени растворенная в воде частица может перекрыть полно­стью пору в мембране для прохода воды, но в другой момент времени частица скачком откроет пору для молекулы воды.

Эффективность процессов обратного осмоса и ультрафиль­трации в значительной мере определяется свойствами применя­емых мембран, которые должны отвечать следующим требова­ниям: он должен обладать высокой разделяющей способностью (селективностью), высокой удельной проницаемостью, устойчивостью к действию среды, неизменностью характеристик в процессе эксплуатации, достаточной механической прочностью, иметь низкую стоимость.

На практике пользуются понятием «проницаемость мембраны», которая выражается количеством фильтрата V, получаемого с единицы поверхности мембраны F в единицу времени τ:

G=V/(Fτ).

Проницаемость зависит от состава раствора, внешнего давления и типа мембраны.

При эксплуатации под влиянием высокого давления воды и засорения мембран их проницаемость снижается. Лучшие свежие мембраны имеют проницаемость при давлении 5 МПа свыше 15м³/(м²-с). Так как стоимость мембран составляет около 20% стоимости очистки воды в процессе обратного осмоса, вопрос о продолжительности их работы является крайне важным. В настоящее время некоторые типы мембран успешно эксплуатируются 2—3 года.

Селективность мембран в процессе разделения определяется выражением

С ₁ и С₂ —концентрация растворенного вещества соответ­ственно в исходной воде и фильтрате. Селективность возрастает с увеличением доли мелких пор в мембране.

Селективность разделения зависит как от свойств мембраны, так и от свойств разделяемых веществ, в частности от диаметров ионов в гидратированном состоянии. Она увеличива­ется с возрастанием этих диаметров.

Установлено также, что селективность мембраны улучшается с увеличением заряда ионов. Таким образом, удержание ионов мембранами может быть представлено рядами селективности (как при ионном обмене): для катионов Са²⁺ >Mg²⁺ >Na ⁺, а для анионов СО₃^2- >SO₄^2->C1^-. Обычно селективность мембраны определя­ется по раствору NaCl, и ее величина входит в марку мембраны (например, МГА-80—мембрана гиперфильтрацион­ная, ацетатная с селективностью по NaCl не менее 80%). Селективность некоторых типов мембран достигает 95—99%.

При движении раствора над мембраной происходит не­прерывный отток воды через нее и концентрация примесей в потоке возрастает. При этом максимальная концентрация наблюдается у поверхности мембраны. Повышение концент­рации солей у поверхности мембраны (концентрационная поляризация) приводит к увеличению осмотического давления и возможности образования осадка на мембране согласно закономерностям, изложенным в гл. 2

Следует подчеркнуть, что увеличение селективности мемб­раны неизбежно приводит к снижению ее проницаемости (табл. 4.1), поэтому на практике приходится создавать марки мембран с высокой селективностью и малой проницаемостью и наоборот для различных условий проведения процесса обратного осмоса.

В последнее время в промышленности применяются сле­дующие аппараты для обратного осмоса и ультрафильтрации: с плоскими мембранами (фильтр прессового типа); с труб­чатыми мембранами диаметром 10—60 мм, которые укладыва­ются внутри перфорированных трубок; со спиралевидными (рулонными) мембранами; с мембранами в виде полых волокон с внутренним диаметром 24—80 мкм. Разнообразие фильтру­ющих элементов и аппаратов объясняется прежде всего стремлением упаковать в единицу объема аппарата как можно большую фильтрующую поверхность, чтобы снизить его га­бариты, а также желанием учесть эксплуатационные возмож­ности для проведения процесса обратного осмоса.

Дата добавления: 2014-01-13