Обратный осмос и нанофильтрацияПромышленная водоподготовка и очистка сточных вод

logo

EnglishGermanItalianRussian

Установка обратного осмоса высокого давленияС момента разработки обратного осмоса (RO) и ультрафильтрации (UF) в качестве практических операций в конце 1950-х — начале 1960-х годов, сфера их применения постоянно расширялась. Первоначально обратный осмос применялся для опреснения морской и солоноватой воды, а так же для концентрирования растворов при добыче редкоземельных элементов.

Возросшие требования к промышленности по экономии воды, снижению энергопотребления, контролю загрязнения и регенерации воды, сделали и новые области применения обратного осмоса экономически привлекательными. Кроме того, достижения в области биотехнологии и фармацевтики в сочетании с достижениями в разработке мембран, делают мембраны важным этапом разделения, который, по сравнению с дистилляцией, обеспечивает экономию энергии и не приводит к термической деградации продуктов.
Фундаментальные исследования мембран ведутся многими компаниями и научно-исследовательскими учреждениями мира. С момента создания мембраны были разработаны новые продукты, а существующие продукты были усовершенствованы с целью улучшить качество фильтрата (пермеата) и снизить общую стоимость воды.
В целом, мембраны обратного осмоса теперь предлагают возможность более высокого отвода солей при значительно сниженном рабочем давлении и, следовательно, снижении затрат. Технология нанофильтрационных мембран обеспечивает возможность некоторой селективности в отклонении определенных солей и соединений при относительно низком рабочем давлении.
Обратный осмос — один из самых совершенных уровней фильтрации. Мембрана обратного осмоса обычно действует как барьер для всех растворенных солей и неорганических молекул, а также органических молекул с молекулярной массой более 100. Молекулы воды, с другой стороны, свободно проходят через мембрану, создавая очищенный поток продукта. Отсечка растворенных солей обычно составляет от 95% до более чем 99%, в зависимости от таких факторов, как тип мембраны, состав сырья, температура и конструкция системы.
Области применения обратного осмоса многочисленны и разнообразны и включают опреснение морской или солоноватой воды для питьевых целей, регенерацию сточных вод, очистку воды для питьевых целей, переработку пищевых продуктов и напитков, биомедицинское разделение, очистку питьевой воды для домашних нужд и промышленной технологической воды.
Кроме того, обратный осмос часто используется при производстве сверхчистой воды для использования в полупроводниковой промышленности, энергетике (котловая вода) а также в медицине и лабораториях. Использование обратного осмоса перед ионным обменом может существенно сократить эксплуатационные расходы и частоту регенерации систем ионообменного умягчения. Трансмембранное давление для обратного осмоса обычно составляет от 5 бар для солоноватой воды до более чем 84 бар для морской воды.

СУТЬ ПРОЦЕССА ОБРАТНОГО ОСМОСА

Суть обратного осмоса заключается в фильтровании растворов под давлением, превышающем осмотическое, через полупроницаемые мембраны, пропускающие молекулы воды, но задерживающие молекулы или ионы растворенных низкомолекулярных веществ.

Отчего обратный осмос получил такое название?

Если отделить воду от водного раствора полупроницаемой мембраной (перегородкой), то вода будет самопроизвольно переходить в сторону раствора. Это обычный, или, как стали говорить в последние годы, прямой осмос:

прямой осмос

 

 

 

 

 

 

Если приложить к раствору давление, равное осмотическому, то наступает равновесие: сколько воды переходит слева направо, столько же и справа налево:

Осмотическое равновесие

 

 

 

 

 

 

 

Если давление, прилагаемое к раствору, больше осмотического, то будет происходить течение воды из раствора в сторону чистой воды, т.е. в направлении, обратном направлению течения воды в прямом осмосе:

Обратный осмос

 

Исходя из такой слегка упрощенной схемы следует, что движущей силой обратного осмоса является разница между приложенным гидростатическим давлением и осмотическим давлением раствора. В реальной практики фильтрации на мембранах обратного осмоса мы сталкиваемся с тем, что почти никогда мембраны не обладают идеальной полупроницаемостью, то есть не полностью задерживают молекулы и ионы растворенных веществ. К тому же, со стороны раствора возникает явление концентрационной поляризации, из-за которой концентрация растворенных веществ у поверхности мембраны больше, чем в объеме раствора. Наконец, давление со стороны воды может быть больше атмосферного из-за гидравлического сопротивления дренажного канала. Поэтому запись выражения для движущей силы обратного осмоса Δp принимает следующий вид:

движущая сила обратного осмоса

Здесь p – разность гидростатического давления над раствором и пермеатом, π3 – осмотическое давление разделяемого раствора у поверхности мембраны, π2 – осмотическое давление пермеата, т.е. воды (с некоторой примесью растворенных веществ), перешедшей через мембрану.

Величину p называют рабочим давлением.
Для расчета движущей силы необходимо уметь правильно определять осмотическое давление.
Надежных методов расчета осмотических давлений многокомпонентных растворах нет. Однако в разбавленных растворах сильных электролитов без существенной погрешности можно считать осмотическое давление равным сумме осмотических давлений составляющих компонентов.
В практике обратного осмоса осмотические давления растворов варьируются от нескольких килопаскалей до нескольких мегапаскалей, а рабочее давление от десятков долей мегапаскаля до 5 – 7 МПа.
Несмотря на сравнительно высокие рабочие давления, обратный осмос оказывается энергетически выгоднее большинства других массообменных процессов и даже многокорпусного выпаривания.

Работу, необходимую для продавливания воды через мембрану, А, можно представить как произведение рабочего давления на объем прошедшей через мембрану воды V. Посмотрим, какова будет работа на продавливание 1м3воды при сравнительно высоком рабочем давлении 5 МПа:

Работа на продавливание воды в осмосеэто величина в Джоулях (Дж).
Это – теоретическая работа продавливания. С учетом коэффициентов полезного действия насоса и двигателя, потерь энергии с отходящим концентратом, затрат на преодоление трения и местных сопротивлений в установке обратного осмоса реальный расход энергии составит (10-20)·106 Дж. Это на полтора порядка меньше, чем при выпаривании 1 м3 воды в многокорпусной выпарной установке с оптимальным числом корпусов.
Сравнительно малые затраты энергии в обратном осмосе объясняются тем, что разделение осуществляется без фазовых превращений и почти всегда при температуре окружающей среды. Последнее обстоятельство помимо экономии энергии на подогрев раствора обеспечивает еще одно важное достоинство – возможность разделения нетермостойких растворов.
Следует отметить и простоту конструкции установок обратного осмоса, которые включают только два основных элемента – мембранный аппарат и насос.
Исходный раствор подается насосом в напорный канал мембранного аппарата, где разделяется на два потока – прошедший через мембрану (пермеат, или фильтрат) и задержанный мембраной (ретант, или концентрат). Необходимое рабочее давление в системе поддерживается с помощью вентиля на линии концентрата и контролируется по манометру.
Промышленное значение обратный осмос приобрел в 60-х годах 20-го века, когда были созданы анизотропные ацетатцеллюлозные мембраны. Ацетатцеллюлозные мембраны для обратного осмоса состоят из активного слоя с порами размером порядка 15-25 Ǻ и толщиной в десятые доли микрона и крупнопористого подслоя толщиной порядка 100 мкм. Слои эти слиты в единое целое и между ними имеется переходная область. Активный слой контактирует с разделяемым раствором и обеспечивает селективные свойства мембраны, а толстый подслой придает мембране прочность, практически не оказывая гидравлического сопротивления потоку пермеата. Благодаря этому ацетатцеллюлозные мембраны характеризуются приемлемо высокими значениями селективности и удельной производительности.
Селективность выражается в долях единицы (или процентах) и характеризует долю (процент) растворенного вещества, задержанного мембраной.
Удельная производительность G выражается как количество жидкости, проходящей в единицу времени через единицу рабочей поверхности мембраны. При этом под рабочей поверхностью понимается поверхность, контактирующая с разделяемым раствором (часть общей поверхности мембран находится под герметизирующими прокладками или в области склейки мембранных элементов и не участвует в процессе обратного осмоса).
Удельная производительность обычно представляется в следующих размерностях:
[л/м2 ·час], [л/м2 ·сутки], [кг/м2 ·час].
Порядок величин в этих размерностях – десятки и сотни.
В системе СИ размерность G [м/с] или [кг/м2·с]. Здесь получаются величины малых порядков, поэтому чаще пользуются указанными выше внесистемными размерностями.

СУТЬ ПРОЦЕССА НАНОФИЛЬТРАЦИИ

Если к столбу воды приложить силу, направление потока воды через мембрану может измениться на противоположное. Это основа термина «обратный осмос». Обратите внимание, что при таком обратном потоке из солевого раствора получается чистая вода, поскольку мембрана не проницаема для соли. Нанофильтрационная мембрана не является полным барьером для растворенных солей. В зависимости от типа соли и типа мембраны, солевая проницаемость может быть низкой или высокой. Если солевая проницаемость низкая, разница осмотического давления между двумя отсеками может стать почти такой же высокой, как при обратном осмосе. С другой стороны, высокая солевая проницаемость мембраны не позволит концентрации соли в двух отделениях оставаться очень разной. Поэтому при высокой солевой проницаемости осмотическое давление играет незначительную роль.

КАК ИСПОЛЬЗОВАТЬ ОБРАТНЫЙ ОСМОС И НАНОФИЛЬТРАЦИЮ НА ПРАКТИКЕ

На практике обратный осмос и нанофильтрация применяются как процесс тангенциальной (это значит поток очищаемой среды движется перпендикулярно очищенному потоку) фильтрации. С помощью насоса высокого давления исходная вода непрерывно подается под повышенным давлением в мембранную систему. В мембранной системе исходная вода разделяется на низкосолевой или очищенный продукт, называемый пермеатом, и высокосолевой или концентрированный рассол, называемый концентратом.
Регулирующий поток клапан, называемый клапаном концентрата, контролирует процентное соотношение исходной воды, направляемой в поток концентрата, и пермеата, который будет получен из исходной воды.
Ключевые термины, используемые в процессе обратного осмоса / нанофильтрации, определяются следующим образом.

  • СТЕПЕНЬ ИЗВЛЕЧЕНИЯ (Recovery) — процент питательной воды мембранной системы, которая выходит из системы в виде воды или продукта «пермеат». Проектирование мембранной системы основывается на ожидаемом качестве питательной воды, а регенерация определяется путем первоначальной
    регулировки клапанов на потоке концентрата. Степень извлечения часто фиксируется на самом высоком уровне, который максимизирует поток пермеата при этом предотвращая осаждение пересыщенных солей в мембранной системе.
  • СЕЛЕКТИВНОСТЬ — процент концентрации растворителя, удаляемого мембраной из питательной воды системы. В обратном осмосе важно высокая селективность общего количества растворенных твердых веществ (TDS), в то время как в нанофильтрации интерес представляет например, низкое отклонение для солей жесткости и высокое отклонение для органических веществ.
  • ПРОНИЦАЕМОСТЬ — противоположность селективности, проницаемость — это процент растворенных компонентов (загрязняющих веществ) который пропускается через мембрану.
  • ПЕРМИАТ — очищенная вода, производимая мембранной системой.
  • ПОТОК — поток исходной воды — это скорость подачи исходной воды на мембранный элемент или мембранную систему, обычно измеряется в галлонах в минуту (gpm) или кубических метрах в час (m3/h).
  • ПОТОК КОНЦЕНТРАТА — это скорость потока питательной воды, которая выходит из мембранного элемента или мембранной системы. Этот концентрат содержит большую часть растворенных компонентов, первоначально перенесенных в элемент или в систему из источника питания. Обычно она измеряется в галлонах в минуту (gpm) или кубических метрах в час (m3/h).
  • ПОТОК ПЕРМИАТА (FLUX) — скорость транспортировки пермеата на единицу площади мембраны, обычно измеряется в галлонах на квадратный фут в день (gfd) или литрах на квадратный метр в час (L/m2h).

СФЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ ОБРАТНОГО ОСМОСА

Подготовка питьевой воды.

Наиболее распространен процесс получения питьевой воды из речной воды, пресных озер и водоемов. При этом обратный осмос проводится при невысоких давлениях, что делает его особенно экономичным.

Пока менее распространено получение питьевой воды из морских и океанических вод. Они имеют осмотическое давление порядка 2,5 МПа, поэтому рабочее давление должно быть 3 МПа и выше. К тому же, требуются высокоселективные (а значит – менее производительные) мембраны. Однако с ростом дефицита пресной воды способ получения питьевой воды из соленых вод непрерывно расширяется.

Получение воды повышенного качества.

Очень высокие требования предъявляются к воде, которая используется для промывки деталей при изготовлении изделий микроэлектроники, и к воде, направляемой в котлы, где производится водяной пар. Здесь обратный осмос находит широкое применение. В качестве исходной обычно берется вода из артезианских скважин или водопроводов.

Обработка сточных вод.

Обратный осмос применяется при обработке сточных вод в химической, пищевой, целлюлозно-бумажной, атомной и других отраслях промышленности. При этом одновременно происходит очистка воды до санитарных норм на сбрасываемую воду или пригодную для технических нужд и концентрирование ценных компонентов, часто содержащихся в сточных водах, что облегчает их утилизацию.

Концентрирование и фракционирование растворов.

Типичные примеры – это концентрирование фруктовых и овощных соков, молока и молочной сыворотки, концентрирование обработанных технологических растворов электролитов в химической промышленности, реактивов для повторного использования в фото- и кинопромышленности. Выделение отдельных компонентов из многокомпонентных растворов путем фракционирования.

Говоря о применении обратного осмоса, нельзя не упомянуть о том, что как единственно необходимый процесс он используется при решении ограниченного числа задач – например, при получении питьевой воды из природных вод, где концентрат может сбрасываться в тот же водоем, откуда забирается вода.

В большинстве же случаев наибольшая эффективность достигается при сочетании обратного осмоса с другими методами разделения. Так, при концентрировании растворов целесообразно бывает на первой стадии использовать обратный осмос, а окончательное концентрирование провести выпариванием. При получении особо чистой воды пермеат со стадии обратного осмоса обычно направляется на ионный обмен, где вода окончательно очищается от солей.

Выбор той или иной схемы разделения является задачей технико–экономического анализа. Важнейшей составляющей, необходимой для его выполнения, является знание теоретических основ обратного осмоса.