Описание процесса обратного осмоса и нанофильтрации

    Установки обратного осмоса

Основной задачей, для решения которой применяются мембранные методы, является деминерализация воды до различной степени. Например, в питьевом водоснабжении данный процесс называется опреснением и проводится до определенной концентрации солей на выходе, что бы вода оставалась питьевой, а, например, для химической промышленности необходима дистиллированная вода для приготовления растворов заданного качества в больших объемах.

В основе деминерализации воды с помощью мембран лежит процесс обратного осмоса.

Осмос - процесс переноса растворителя из менее концентрированного раствора в более концентрированный раствор через полупроницаемую мембрану. Соответственно, обратный осмос - это перенос растворителя через полупроницаемую мембрану в менее концентрированный раствор путем приложения избыточного давления до мембраны.

  Проводят этот в процесс в устройствах, схематично изображенных на рисунке 1. Размер пор обратноосмотической мембраны около 0,0001 мкм.

Рисунок 1 - Схема осуществления процесса обратного осмоса:

1 – нагнетательный насос; 2 – мембранный аппарат;

3 – полупроницаемая мембрана; 4 – дроссель.

  С помощью насоса 1 повышают давление в растворе выше его осмотического, тогда через мембрану 3, размещенную в мембранном аппарате 2, происходит унос растворителя, и по мере продвижения раствора вдоль мембраны концентрация его повышается. С некоторой конечной концентрацией раствор постоянно выводится из аппарата в виде одного продукта – концентрата (ретентат), а проникший через мембрану пермеат  выводится в виде второго продукта.

Если сравнить процессы обратного осмоса и ультрафильтрации, то можно отметить, что высокая задерживающая способность мембран для обратного осмоса сопряжена с необходимостью применять высокие рабочие давления для достижения приемлемой производительности мембран. И наоборот, высокая удельная производительность мембран для ультрафильтрации сопровождается полным отсутствием задерживающей способности по неорганическим ионам.

  Поэтому, путем комбинации свойства полимеров, были получены мембраны с определенными параметрами:

  1 – высокая задерживающая способность по многозарядным ионам;

  2 – низкое рабочее давление за счет большого размера пор (4-6 атм, против 8-15 атм при обратном осмосе)

Данный промежуточный процесс назвали нанофильтрацией. Эффект разделения достигается за счет того, что на мембране создается постоянный электрический заряд, отталкивающий от поверхности частицы и ионы, несущие заряд того же знака. Размер пор нанофильтрационной мембраны 0,001 – 0,01 мкм.

Чем больше величина заряда у частицы, тем с большей силой она отталкивается мембраной. Это обстоятельство широко используется для фракционирования смесей. Например, можно задержать над мембраной двухзарядные ионы Са²⁺ и Mg²⁺, но пропустить ионы Na⁺ и К⁺ (эффект умягчения воды). Поэтому процессы неполной деминерализации воды весьма эффективны для получения питьевых вод в условиях засоленности поверхностных и подземных источников.

В последнее время большую популярность приобретают системы нанофильтрации для производства бутиллированной воды, так как на выходе нет необходимости в высокой степени подмеса исходной воды и прошедшей осмотическую установку, вода и так имеет жесткость от 0,5 до 1,5 мг-экв/л, что соответствует требованиям к полноценной питьевой воде.

         Процессы обратного осмоса и нанофильтрации позволяют получить воду с минимальным количеством солей в очищенной воде. По большинству многовалентных ионов (Ca²⁺, Mg²⁺, Al³⁺, Fe²⁺ и пр) обратноосмотические мембраны имеют селективность (эффективность задержания) порядка 95-99%, по моновалентным ионам (Na⁺, K⁺ и пр.) селективность всегда несколько ниже, так как ионы имеют меньший радиус, но в целом удается добиться селективности не ниже 95%. Так же осмотические мембраны позволяют задерживать крупные органические структуры, бактерии и вирусы. Нанофильтрационные мембраны, как говорилось ранее, имеют больший размер пор, поэтому обладают меньшей селективностью по отношению к моновалентным (зачастую 50-70%, реже до 90%) и поливалентным (до 80-90%) ионам, но сохраняют эффективность по отношению к органическим веществам, бактериям и вирусам.

         Области применения методов.

Обратный осмос:

- получение дистиллированной воды (химическая, машиностроительная промышленность, водоподготовка для теплоэнергетики)

- получение сверхчистой воды (фармацевтика, медицина, электронная и химическая промышленность)

- опреснение соленых подземных и поверхностных вод (промышленное и питьевое водоснабжение)

- умягчение и деминерализация воды (водоподготовка для теплоэнергетики, пищевая промышленность, производство бутиллированной воды, соков, пива, водки и пр.)

- очистка сточных вод от ионов тяжелых металлов, органических веществ

- концентрирование полезных веществ из разбавленных растворов

Нанофильтрация:

- опреснение соленых подземных и поверхностных вод (промышленное и питьевое водоснабжение)

- умягчение и деминерализация воды (водоподготовка для теплоэнергетики, пищевая промышленность, производство бутиллированной воды, соков, пива, водки и пр.)

Ниже приведена таблица возможностей фильтрационных процессов (рисунок 2):

Рисунок 2 – Сравнительная таблица фильтрационных процессов

         Процесс мембранного разделения воды на пермеат (очищенная вода) и концентрат (сбросная соленая вода) осуществляется на специальных установках.

         Схема процесса приведена ниже на рисунке 3.

Рисунок 3 – Упрощенная схема установки обратного осмоса (нанофильтрации)

Основными узлами установки являются:

1. Дозатор ингибитора солеотложений
2. Механический фильтр
3. Многоступенчатый насос
4. Мембранные элементы и их корпуса
5. Запорно-регулирующая аппаратура
6. Автоматика и КИП
7. Блок химической регенерации мембран
8. Бак-накопитель чистой воды

Дозатор ингибитора необходим для введения в очищаемую воду комплексов органических веществ на основе фосфоновых кислот, которые являются наиболее эффективными антискалантами для солей кальция и магния. В установках небольшой производительности возможно использование вместо фосфоновых ингибиторов – полифосфата натрия в виде порошка или гранул.

Механический фильтр позволяет защитить мембранные элементы от крупных взвешенных веществ, способных забивать каналы мембранного элемента и пор самой мембраны.

Далее вода поступает в многоступенчатый насос высокого давления, который подает воду на мембранные элементы.

Мембранный элемент имеет рулонное строение, что позволяет максимально эффективно использовать занимаемую площадь и повысить КПД самого процесса. Устройство мембранного элемента и корпуса представлено на рисунке 4.

Рисунок 4 – Устройство мембранного элемента и модуля

Из мембранного элемента выходят два потока – пермеат и концентрат. Пермеат (очищенная вода) отводится в бак-накопитель очищенной воды, а концентрат разделяется на два потока. Часть его возвращается на всасывающую линию насоса для повторного разделения, тем самым достигается максимально полное использование исходной воды и создаются необходимые скорости движения жидкости в каналах мембранного элемента. Оставшийся концентрат удаляется в канализацию или используется для технологических нужд, так как обладает в основном только повышенной минерализацией.

         При использовании обратноосмотических и нанофильтрационных мембран необходимо учитывать их технические характеристики и состав воды:

1. Мембраны очень чувствительны к наличию окислителей в воде (хлор, оксид хлора, гипохлорит, перманганат), так как в данном случае происходит разрушение поверхностного селективного слоя на мембранах, что приводит к снижению их селективности
2. Вода не должна содержать взвешенных веществ размером более 5 мкм, в идеале 0,01 мкм, так как они могут забивать каналы мембраны и изнашивать торцевые уплотнения насоса. Это относится и к соединения железа и марганца, а так же сероводорода, так как они могут образовывать коллоидные осадки непосредственно на самой мембране
3. Наличие в воде бактериального загрязнения приводит к появлению биопленки на поверхности мембран и потерям производительности установки, поэтому по возможности необходимо предусматривать меры по обеззараживанию воды
4. В большинстве случаев из 1 м³ исходной воды удается получить 0,5-0,75 м³ очищенной воды, в отдельных случаях 0,85 м³. В целом, чем больше сброс концентрата по отношению к получаемому пермеату, тем эффективнее и дольше будет работать мембранная установка
5. Основным условием долгой и безаварийной работы мембранных установок являются правильно подобранное оборудование и технология с учетом анализа исходной воды, а так же соблюдение всех требований производителя во время эксплуатации оборудования. Если оба этих условия будут выполнены, то установки могут работать долгие годы без капитальных ремонтов и аварийных ситуаций.

Функционал и технические характеристики установок обратного осмоса и нанофильтрации могут быть различны и более подробно представлены в спец. разделах каталога.