Баромембранные методы очистки воды.

Основные группы баромембранных методов включают в себя ультрафильтрацию, нанофильтрацию и обратный осмос.

Ультрафильтрация (UF) — это мембранный процесс, по своей природе занимающий промежуточное положение между микрофильтрацией и нанофильтрацией. Процесс подобен тонкому просеиванию на сите с порами практически одинакового размера. Любая частица, размер которой превышает размер пор, отсекается.

Ультрафильтрация воды происходит под давлением от 2-х до 4 бар, через полый волокнистый ультрафильтрационный модуль, состоящий из тонких капилляров, внутренний размер которых варьируются от 0,01 мкм до 0,1 мкм. Мембранный УФ-элемент содержит тысячи волокон-капилляров, состоящих, как правило, из полиэфирсульфона (PES) - в меру гидрофильного (не "любящего" воду) материала, устойчивого к органическому осадку, со специальными добавками.

В производстве полимерных мембран также используются такие материалы, как ацетат целлюлозы, полисульфон, полиэтерсульфон, полиамид, полиимид, поливинилиденфторид, полиакрилонитрил.

Обычно исходная вода вводится внутрь капилляров волокон, при этом фильтрат отводится с их внешней стороны (режим "in-out"). Однако, подача исходной воды может осуществляться снаружи мембран, при этом фильтрат будет выходить из капилляров.

Для эффективного удаления загрязнений с поверхности и из каналов мембраны, используют метод обратных промывок, при котором очищенную (фильтрат) воду пропускают через мембрану в направлении, обратном фильтрованию. Промывка, как правило, проводится чистой водой с добавлением моющих и обеззараживающих присадок (реагентов).

Керамические UF-мембраны могут служить очень долго, т.к. они легко отмываются, не боятся агрессивных моющих присадок и вреда от деятельности бактерий. Поэтому, если есть возможность, лучше использовать керамические мембраны ультрафильтрации. Если нет, то приходится выбирать из более доступных, но менее долговечных полимерных мембран.

Типичное применение ультрафильтрации — это предварительная очистка для дальнейшего обессоливания, а также отделение макромолекулярных компонентов (с молекулярными массами в несколько тысяч) от раствора. Ультрафильтрация сохраняет все растворимые минеральные вещества, при этом позволяя фильтровать тонкодисперсные и коллоидные примеси, бактерии и вирусы. Ультрафильтрация обеспечивает высокое качество очистки воды поверхностных и подземных источников, оборотной и технологической воды, с минимальными эксплуатационными затратами... но !... для применения этой технологии, как правило, потребуется предварительное укрупнение частиц путем коагуляции.

Нанофильтрация (NF) — это мембранный процесс, по своей природе более близок к обратному осмосу. Нанофильтрация воды происходит под давлением от 4 до 16 бар, через специальный мембранный модуль, состоящий из рулонных полупроницаемых мембран.

Нанофильтрация удаляет органические вещества и может быть использована в качестве умягчителя, с одновременным устранением крупных растворимых двухвалентных и четырехвалентных ионов. Номинально отсекаемая молекулярная масса (НОММ) выше 400. Размер пор - от 0,001 до 0,01 мкм. NF-мембрана не является абсолютным барьером для ионов растворенных солей.

Степень пропускания ионов может быть низкой или высокой в зависимости от типа иона и типа мембраны. NF-мембраны с низкой проницаемостью имеют почти такое же рабочее давление, что и обратный осмос (RO-мембраны). NF-мембраны с высокой проницаемостью работают при более низком давлении. С помощью насоса высокого давления исходная вода непрерывно подается в систему мембран при повышенном давлении.

Внутри мембранной системы исходная вода разделяется на поток с низким солесодержанием – очищенный продукт, называемый пермеатом, и высококонцентрированный поток, называемый концентратом. Клапан регулирования потока, называемый клапаном концентрата, регулирует выход пермеата.

Обратный осмос (RO) заключается в фильтровании растворов под давлением, превышающем осмотическое, через полупроницаемые мембраны. Термин "полупроницаемая" означает, что мембрана является проницаемой для одних частиц и непроницаемой для других.

Если использовать мембрану проницаемую только для молекул воды, то она не будет пропускать через себя растворенные в воде ионы солей. Спустя некоторое время можно будет заметить, что концентрации в обеих частях сосуда выравниваются. Таким образом происходит явление осмоса – чистая вода проходит через полупроницаемую мембрану в сторону концентрированного раствора и концентрации выравниваются. Это явление естественно, т.к. любая система стремится к равновесию.

Из рисунка видно, что в результате осмоса увеличивается высота столба жидкости в той части сосуда, где находился соленый концентрированный раствор. Высота будет увеличиваться до тех пор, пока давление столба жидкости (соляного раствора) не будет достаточно высоким, чтобы поток воды остановился. Прилагаемое давление, при котором поток воды через мембрану остановится, называется осмотическим давлением.

Если к жидкости приложить давление больше осмотического, поток воды через мембрану может развернуться в обратном направлении. На этом и основан термин "обратный осмос". В результате воздействия давления из соляного раствора через мембрану будет выходить только чистая вода, так как ионы солей (а также бактерии и вирусы) мембрана не пропускает.

Обратный осмос принципиально отличается от обычной фильтрации. Если при фильтрации продукт откладывается в виде кристаллического или аморфного осадка на поверхности фильтрата, то при осмосе образуются два раствора (пермеат и концентрат), один из которых обогащен растворенным веществом (концентрат). Таким образом, загрязнения не накапливаются на поверхности мембраны, а сливаются в дренаж.

Разделение воды обратным осмосом осуществляется без фазовых превращений, и энергия расходуется в основном на создание давления исходной жидкости и ее продавливание через мембрану. Эта энергия сравнительно не велика. Например, расход энергии на опреснение морской воды обратным осмосом составляет всего 2 – 2,5 кВт×ч/м³, в то время как на этот же процесс дистилляцией требуется затратить энергии в 10 – 15 раз больше.

Обратный осмос происходит под давлением воды от 6 (солоноватые воды) до 84 бар (соленая морская вода), через специальный мембранный модуль, состоящий из рулонных полупроницаемых мембран, размеры пор которых сопоставимы с размером молекулы воды (0,0001 мкм).

Наиболее важным свойством любой обратноосмотической мембраны является селективность - способность иметь различную проницаемость для разных компонентов раствора. Обратный осмос применяется, в основном, для деминерализации (опреснения) воды, а также для отделения растворителя от низкомолекулярных веществ, таких, например, как глюкоза.