Обратный осмос

Осмотическое давление, возникающее при диффузионном процессе самопроизвольного перехода растворителя через разделительную полупроницаемую мембрану в область более концентрированного раствора, называют осмосом. Обратный осмос - процесс мембранного разделения жидких растворов методом преимущественного проникания через полупроницаемую мембрану растворителя под действием приложенного к раствору давления, превышающего его осмотическое давление. Осмос - самопроизвольный переход растворителя через полупроницаемую перегородку в раствор.

Обратный осмос употребляют для разделения растворов без фазовых перевоплощений. Растворитель диффундирует через мембрану, а растворенное вещество задерживается. Как и при ультрафильтрации, при обратном осмосе не требуется повышения температуры и химического действия.

Процесс обратного осмоса различается от ультрафильтрации областью внедрения и аппаратами. Недочеты способа обратного осмоса - процессы концентрационной поляризации и завышенное требование к уплотняющим устройствам аппаратов. Для удаления концентрационного слоя употребляют разные устройства, турбулизирующие сгусток ближней зоны раствора у мембраны. При обратном осмосе размер молекул отделяемого растворителя соизмерим с размером молекул вещества в растворе (при ультрафильтрации различие было значимым).

Существенным преимуществом обратного осмоса перед всеми другими способами очистки сточных вод является одновременная очистка от неорганических и органических примесей, что в особенности принципиально в системах оборотного водоснабжения. Обеспечивается возможность получения более незапятанной воды, так как мембраны могут задерживать фактически все растворенные вещества и взвеси минерального и органического характера, в том числе вирусов, микробов, микробов и т.Д. Такую очистку воды в настоящее время обширно используют при водоподготовке для промышленных целей.

Характерные требования, предъявляемые к обратимосмотическим мембранам - высокие проницаемости и селективность, а также способность противостоять значимой разности давления по обеим сторонам мембраны. Свойства разных мембран приведены в таблице.

Таблица 16. черта ацетатцеллюлозных мембран разных типов

Показатель	МГА-80	МГА-90	МГА-95	МГА-100
Дефектность в структуре	-	-	Отсутствие поперечных и долевых полос
общественная пористость,%	75±3	75±3	75±3	75±3
Водопроницаемость при давлении 5 МПа, л/(м2.сут), не менее
Солезадержание, %, не менее				97,5

кроме уплотняющихся мембран из разных полимеров употребляют мембраны с твердой структурой, полученные плазменной полимеризацией. Их способность - стабильное увеличение селективности и проницаемости в течение долгого времени (первые 6-8 сут), хорошие свойства при сравнимо высокой концентрации исходного раствора. К мембранам с твердой структурой относятся металлические, из пористого стекла, динамические и др. Огромное развитие получают динамические мембраны.

На установках обратного осмоса используют предварительную фильтрацию исходной воды от жестких частиц и загрязнений. Количества концентрата составляет традиционно 25-50% от количества поступающего раствора.

2.2. Осмотическое давление равно:

Где V₁⁰ – мольный объем воды; а₁ = γ₁·х₁ – активность воды; γ₁ – коэффициент активности.

Примем коэффициент активности равным 1. Тогда а₁ = х₁= 1- х₂, подставляя в уравнение получаем:

Где х₂ – мольная доля масляной кислоты в водном растворе. Для предельно разбавленного раствора уравнение упрощается:

Где С – молярность раствора масляной кислоты (моль/м³)

Получен раствор с концентрацией х_аб = 0,978% (Саб = 0,51 моль/л = 0,51·10³ моль/м³). Осмотическое давление такого раствора определим в приближении бесконечно разбавленного и идеального раствора

Вычислим мольный объем воды через её плотность d=1 г/см³:

Так как концентрация достаточно велика, то получилось некоторое расхождение в результатах по двум уравнениям.

Произведем концентрирование этого раствора до такой концентрации, при которой раствор можно повторно использовать в производстве или будет экономически целесообразно разделить его на компоненты, например ректификацией. Примем эту концентрацию равной х_н = 0,11. При такой концентрации осмотическое давление будет равно

Рассчитаем материальные потоки, если необходимо получить G_н = 150 кг концентрированного раствора. В точном расчете необходимо учесть селективность мембраны, здесь для упрощения принята 100% селективность, т. е. через мембрану проходит чистая вода и концентрация масляной кислоты в ней х_в = 0.

Целесообразно массу раствора G_н представить в молях, для этого рассчитываем среднюю молекулярную массу раствора с х_н = 0,11

Общий материальный баланс:

Баланс по МК:

Тогда:

Задание 3.6. Разделение растворов электролитов

1. Выделить из разбавленного раствора кристаллы вещества А (AgNO₃), если количество раствора G_a = 400 кг, начальная концентрация равна m_a = 5 (г/1000г Н₂О), температура вымораживания растворителя t_a = -3˚C, концентрация раствора, подаваемого на кристаллизацию при температуре t_кр = 10˚C, равна m_в = 7000.

1.1. Дать характеристики процессов вымораживания, выпаривания растворителей и кристаллизации растворенного вещества, рассчитать материальные потоки.

Изобразить на диаграмме состояния процессы, перечисленные в п. 1.1.

2. Как изменится процесс разделения, если произвести начальное концентрирование раствора методом обратного осмоса при давлении π =100 атм.

2.1. Дать характеристику мембранных процессов.

2.2. Рассчитать процесс обратноосмотического концентрирования раствора.

Решение:

Рассмотрим, как можно выделить нитрат серебра из разбавленного раствора с концентрацией m_a = 5 (г/1000г Н₂О), находящегося при начальной температуре t_кр = 10˚C. Строим фазовую диаграмму состояния системы AgNO₃ – H₂O.

m
tкрист	-2	-3,5	-7,19
tкип				103,5	(105)	(108)	(111)	(114)	(115)

Концентрирование исходного раствора методом вымораживания растворителя.

Сточные воды в большинстве своем имеют очень низкую концентрацию. Поэтому, если ставить цель выделить из них ценный или вредный компонент, то первой операцией должно быть концентрирование раствора. Это может быть достигнуто тремя путями: обратным осмосом, выпаркой и вымораживанием растворителя. Последний упомянутый метод связан с тем, что при концентрациях ниже эвтектической при охлаждении раствора из него кристаллизуется только растворитель, а концентрация раствора повышается вдоль линии ликвидуса. Метод вымораживания растворителя в отечественной технологии кристаллизации применяется редко, вероятно из-за низкого уровня развития холодильной техники.

Если в отстойнике сточные воды имеют ПДК или близкую к ним концентрацию, то замерзание отстойника в зимнее время ведет к вымораживанию растворителя и возможному повышению ПДК в десятки раз.

Охладим исходный разбавленный раствор (точка а), тогда в точке в начнут выделяться кристаллы воды. Температуру начала кристаллизации воды определяем по криоскопической формуле:

Для этого вычисляем входящие в неё величины. Нитрат серебра – сильный электролит:

Молярность раствора:

Криоскопическая константа для воды

Где Т₀ = 273 К – температура кристаллизации воды; М₁ – молекулярная масса воды; ∆Н⁰_пл – энтальпия плавления льда, Дж/моль.

Таким образом,

При дальнейшем охлаждении раствора до заданной температуры t_a = -3˚С из него будут выделятся кристаллы воды (лед), а концентрация раствора будет увеличиваться по линии ликвидуса bdE и в точке d достигнет m_d = 377 г/кг = 377/170 = 2,2 моль/кг.

Пусть на концентрирование поступает G_a= 400 кг раствора AgNO₃, переводим рабочие концентрации в массовые доли г/кг раствора:

Тогда схема материальных потоков будет:

Исходный

раствор

G_a=400 кг

ω_а = 4,975 г/кг

Лед Конц. раствор

G_л, ω_л = 0. G_d, ω_d = 273,78 г/кг

Общий материальный баланс:

Материальный баланс по AgNO₃

Тогда

Таким образом, методом вымораживания растворителя масса сточных вод снизилась с 400 кг до 7 кг, а концентрация их повысилась в 298,78/4,975= 60 раз.

Концентрирование исходного раствора методом обратного осмоса

Рассмотренный тепло-массообменный процесс концентрирования разбавленного раствора требует затраты большого количества энергии, более экономичными являются мембранные процессы. Осмотическое давление разбавленного раствора AgNO₃ можно вычислить по формуле:

При этом концентрация (С) должна быть отнесена к 1 м³ раствора. Принимая плотность раствора равной плотности воды, получаем:

Тогда при температуре Т = 283К

Осмотическое давление концентрированного раствора (m_d=377г/кг) нельзя рассчитать по такому уравнению, так как введенные упрощения при его выводе корректны только для бесконечно разбавленного раствора. Для раствора любой концентрации в приближении идеального раствора:

Где V⁰₁ = 18·10^-6 м³/моль – мольный объем воды; x₂ – мольная доля AgNO₃ в растворе

Тогда:

Схему материальных потоков при обратноосмотическом разделении раствора можно представить в следующем виде:

G_a, ω_a G_d, ω_d Концентрат

Мембрана

Исходный

раствор

Вода G_л, ω_л

Концентрирование раствора AgNO₃ методом испарения растворителя (выпаривание)

Полученный после вымораживания или мембранного разделения раствор в количестве G_d = 7,27 кг с концентрацией m_d =377 г/кг направим на выпаривание. Для этого по линии нагреваем раствор до температуры кипения t_e. Приближенно эту температуру можно вычислить по эбулоскопической формуле.

Эбулоскопическая константа равна:

Где ∆Н⁰_исп = 40630 Дж/моль – энтальпия испарения воды при температуре кипения Т₀ = 373 К

Эта температура несколько ниже экспериментальной величины tв = 101,33˚С, приведенной на графике.

При выпаривании концентрация раствора и температура кипения возрастают по линии еf. В точке f температура кипения составляет 12,5˚ и концентрация раствора достигает заданной величины m_f = 7000 г/кг растворителя.

Составляем схему материальных потоков и рассчитываем количества концентрированного раствора G_f и пара:

Исходный раствор

G_d = 7,27 кг

ω_d = 273 г/кг

Пар Концентрат

W, ω_n = 0 G_f; ω_f = 0,875

Кристаллизация AgNO₃ из концентрированного раствор

Полученный после выпаривания концентрированный раствор AgNO₃ в количестве G_f=2,26 кг с концентрацией ω_f = 0,875 (m_f = 7000 г/кг Н₂О) при охлаждении становится насыщенным. Дальнейшее его охлаждение по линии hg сопровождается кристаллизацией AgNO₃, а концентрация раствора соответственно понижается по линии ликвидуса hlE. Если кристаллизацию проводить при температуре t_g = 10˚C то конечную концентрацию маточного насыщенного раствора найдем на пересечении изотермы (10˚C) и линии ликвидуса: m_l = 1740 г/кг

Составим схему материальных потоков и вычислим количества выделенных кристаллов AgNO₃ и маточного раствора

Концентрат

G_f=2,26 кг

ω_f = 0,875

Кристаллы Маточный раствор

G_кр, ω_кр = 1 G_l, ω_l = 0,635

Маточный раствор можно добавить к раствору, полученному после вымораживания и направить на выпаривание. Тогда на выпаривание будет направлено G кг раствора с концентрацией ω.

G_d = 7,27 кг G_l= 0,774 кг

ω_d = 0,273 ω_l = 0,635

G = 7,81кг

ω = 0,287

Таким образом, в результате проведенных операций из исходного раствора G_a = 400кг (ω_а = 4,975) получен чистый растворитель в виде льда G_л =392,73 кг и пара W = 5,01 кг и кристаллы AgNO₃ Gкр =7,27 кг.

В последнем процессе при кристаллизации AgNO₃ необходимо отводить теплоту кристаллизации. Мольную теплоту кристаллизации можно определить по приближенному уравнению

Где х_а, х_в - концентрации (мольные доли) насыщенного раствора при температурах Т_а и Т_в. Для AgNO₃ находим параметры насыщенных растворов при температурах, близких к выбранной температуре кристаллизации: m_a = 2000 г/кг, t_a =15˚С; m_в = 1220 г/кг, t_в =0˚С.

Переводим концентрации m_i раствора в мольные доли:

И подставляем их в уравнение:

Дата добавления: 2015-06-28