Мембранные процессы очистки производственных сточных вод

Методы мембранного разделения, используемые в технологии очистки воды условно делятся на микрофильтрацию, ультрафильтрацию, обратный осмос, испарение через мембраны, диализ, электродиализ. Наибольшие успехи в отношении эффективности и технологичности очистки сточных вод от растворенных примесей достигнуты при использовании обратного осмоса, ультрафильтрации и электродиализа.

Обратным осмосом и ультрафильтрацией называют процессы фильтрования растворов через полупроницаемые мембраны под давлением, превышающим осмотическое давление. Мембраны пропускают молекулы растворителя, задерживая растворенные вещества. При обратном осмосе отделяются частицы (молекулы, гидратированные ионы), размеры которых не превышают размеры молекул растворителя. При ультрафильтрации размер отделяемых частиц на порядок больше, но максимальные их размеры не превышают 0,5 мкм.

Таким образом, обычной фильтрации такие процессы отличаются отделением частиц меньших размеров. Давление, необходимое для проведения процесса обратного осмоса (6-10 МПа), значительно больше чем для процесса ультрафильтрации (0,1-0,5 МПа).

Обратный осмос и ультрафильтрацию применяют в системах локальной обработки сточных вод при небольших их расходах для концентрирования и выделения относительно ценных компонентов и очистки воды.

Достоинства метода – отсутствие фазовых переходов при отделении примесей, что позволяет вести процесс при небольшом расходе энергии; возможность проведения процесса при комнатных температурах без применения или с небольшими добавками химических реагентов; простота конструкций аппаратуры.

Недостатки метода: возникновение явления концентрационной поляризации, которое заключается в росте концентрации растворенного вещества у поверхности мембраны. Это привод к уменьшению производительности, степени разделения и срока службы мембран; проведение процесса при повышенных давлениях, что вызывает необходимость специальных уплотнений аппаратуры.

Эффективность процесса зависит от свойств применяемых мембран. Они должны обладать следующими достоинствами:

- высокой разделяющей способностью (селективностью);

- большой удельной производительностью (проницаемостью);

- устойчивостью к действию среды;

- неизменностью характеристик в процессе эксплуатации;

- достаточной механической прочностью;

- низкой стоимостью.

Для проведения процесса применяют непористые – динамические и диффузионные мембраны, представляющие собой квазигомогенные гели, и пористые – мембраны в виде тонких пленок, изготовленные из полимерных материалов.

Наибольшее распространение получили полимерные мембраны из ацетатцеллюлозы. Разрабатываются мембраны из полиэтилена, фторированного этиленпропиленового сополимера, пористого стекла и др.

Процесс мембранного разделения зависит

- от давления

- гидродинамических условий и конструкции аппарата

- природы и концентрации сточных вод, содержания в них примесей

- а также температуры.

Влияние концентрации раствора приводит к росту осматического давления растворителя, повышению вязкости раствора и росту концентрационной поляризации. Это приводит к снижению проницаемости и селективности.

Обратный осмос рекомендуется использовать при следующей концентрации электролитов: для одновалентных солей – не более 5-10%; для двухвалентных – 10-15%; для многовалентных – 15-20%. Для органических веществ указанные пределы несколько выше.

Для уменьшения влияния концентрационной поляризации организуют рециркуляцию раствора и турбулизацию прилегающего к мембране слоя жидкости, применяя мешалки, вибрационного устройства и увеличение скорости.

Аппараты для проведения процессов обратного осмоса и ультрафильтрации по способу укладки мембран подразделяются на 4 основные типа:

1 – типа фильтр-пресс с плоскопараллельными фильтрующими устройствами;

2 – с трубчатыми фильтрующими элементами;

3 – с рулонными или спиральными элементами;

4 – с мембранами в виде полых волокон.

В фильтрующих элементах аппарата типа фильтр-пресс (рис.) мембраны уложены с обеих сторон плоских пористых дренажных пластин, которые расположены на расстоянии 0,5-5,0 мм друг от друга. Фильтрующие элементы зажаты между двумя фланцами, стянутыми болтами. Сточная вода последовательно проходит через все элементы, концентрируется и удаляется из аппарата. Фильтрат, прошедший через мембраны, уходит через дренажные слои. Аппараты имеют невысокую производительность, т.к. суммарная площадь мембран изменяется в пределах 60-300 м² на 1 м³ объема.

Основным достоинством аппаратов с трубчатыми элементами является большая скорость воды (0,9-12 м/с), что сводит к минимуму концентрационную поляризацию и загрязнение поверхности мембран. Производительность аппаратов при давлении 3,0-4,0 МПа = 400-1000 л/(м²×ч). Схема такого аппарата представлена на рис. В качестве фильтрующих элементов используются пористые трубы (металлические, керамические, пластмассовые) Æ 6-30 мм, на внутреннюю или внешнюю поверхность которых наносится мелкопористая подложка, а на нее полупроницаемая мембрана.

Недостаток аппаратов: более сложная замена мембран, чем в аппаратах типа фильтр-пресс, высокая стоимость нестандартных трубок, наличие застойных зон, неэффективность работы в ламинарном режиме, повышенный расход сточной воды и, следовательно, расход электроэнергии на подачу ее в элементы.

Аппараты с фильтрующими элементами рулонного типа (рис.) отличаются большой плотностью упаковки мембран (300-800 м²/м³). Производительность до 4 тыс.м³/сут.

При изготовлении аппарата пакет, состоящий из двух мембран, гибкой пористой пластины и гофрированного сепарационного листа, навивается в виде спирали на трубу, имеющую продольные прорези. Сточная вода движется в каналах гофрированного листа. Проникающий через мембраны фильтрат заполняет объем пустот в пористой пластине и проходит по ним к трубе, откуда удаляется. Ширина навивающего пакета = 300-500 мм, а длина – 0,6-2,5 м. В аппарате имеется несколько пакетов. Недостаток этих аппаратов – сложность монтажа и смены мембран, трудность обеспечения герметичности аппарата.

Аппарат с мембранами в виде полых волокон (рис.).

Волокна из ацетатцеллюлозы, нейлона или др. материалов собираются в пучки длиной 2-3 м, которые прикрепляются к стенкам аппарата. Æ волокон = 45-200 мкм. Удельная поверхность волокон достигает до 20000 м²/м³. Расположение волокон может быть линейным (концы закрепляются в двух трубных решетках) или U-образным (с одной решеткой). Аппараты компактны и высокопроизводительны. Недостаток – большое сопротивление и сложность замены поврежденных волокон.

Дата добавления: 2014-01-03