29. Мембранные аппараты для очистки сточных вод
Методы мембранного разделения условно делятся на: микро-, ультрафильтрацию, обратный осмос, испарение через мембраны, диализ, электродиализ. Наиболее эффективны обратный осмос, ультрафильтрация и электродиализ.
Обратный осмос – гиперфильтрация – непрерывный процесс молекулярного разделения раствора путем фильтрования раствора под давлением через полунепроницаемую мембрану. Такие мембраны задерживают полностью или частично ионы или молекулы растворенного вещества. Если р больше росм , то осуществляется перенос растворителя в обратном направлении: от раствора к чистому растворителю через мембрану, при этом обеспечивается достаточная селективность очистки (необходимое давление составляет 0,1-1МПа при концентрации солей 2-5 г/л и от 5-10 при 20-30 г/л).
Ультрафильтрация – мембранный процесс разделения растворов, осмотическое давление которых маленькое. Используется для выделения сравнительно высокомолекулярных веществ, колойдов и взвешенных частиц. По сравнению с обратным осмосом это более высокопроизводительный процесс, т. к. высокая проницаемость мембран достигается при р=0,2-1 МПа, применяется для очистки сточных вод предприятий целлюлозно-бумажной, нефтехимической промышленности; отличается невысокими электрозатратами, простотой и компактностью установок, возможностью полной автоматизации процесса.
Применяют аппараты с плоскими мембранными элементами. Они просты в изготовлении и сборке, но имеют высокую производительность.
Основа аппарата - мембранный элемент, состоящий из плоских листовых ммбран, уложенных по обе стороны пористого материала (дренаж). Межмембранное пространство, по которому протекает исходный раствор, находится в пределах 0,5-5 мм.
Разделяющий раствор последовательно проходит между всеми мембранными элементами, концентрируется и удаляется часть этого раствора из аппарата, прошедшая в дренаж и образует фильтрат. По форме мембранные элементы могут быть круглые, прямоугольные, квадратные. Форма элемента существенно влияет на организацию потока разделяемого раствора и организацию процесса.
С
хема
распределения потоков в аппарате с
мембранами элипсической формы
1 мембранные элементы,
2 фланцы
3 направляющие штанги,
4 опорные пластины,
5 мембраны ( на опорных пластинах с внешней стороны)
6 заглушка.
Для аппаратов с трубчатыми мембранными элементами характерной особенностью является то, элементы представляют пористые трубы – пластмассовые или керамические, на трубы нанесены мембраны.
Достоинства аппаратов: применение мембран, возможность эффективной очистки воды.
Недостаток: низкая плотность упаковки мембран до 100 м2/м3 аппарата.
Наибольшее применение получили мембраны внутри трубки.
Бывают с рулонными мембранными элементами. Эти аппараты имеют высокое гидравлическое сопротивление.
Аппараты с полыми волокнами нашли применение для разделения растворов обратным осмосом и ультрафильтрацией. Мембраны в виде полых волокон для обратного осмоса имеют наружный диаметр 45-500 мкм, толщина стенки 10-50 мкм. Для ультрафильтрации наружный диаметр 200-1000 мкм, толщина стенки 50-200 мкм. Так обеспечивается необходимая прочность волокон под действием рабочих давлений (до 10 МПа).
Эти аппараты просты по устройству, технологичны в изготовлении, удобны в эксплуатации. Вследствие малых диаметров волокон обеспечивается высокая удельная поверхность мембран, которая достигает 30000 м2 на 1 м3 аппарата. Они применяются в крупнотоннажных химических производствах, производстве чистой воды и пищевой промышленности. Но использование аппаратов требует предварительной очистки сточных вод от взвешенных веществ, т. к. даже засорение (выход из строя) части полых волокон ведет за собой замену всего пучка волокон. Применяют аппараты с У-образным расположением пучка полых волокон. Длина 1,5 – 2 м пучка полых волокон.
Такие аппараты имеют сложную структуру герметизации. Исходную воду нужно предварительно защищать от взвешенных веществ, цветности жидкости, щелочности. Мембраны со временем загрязняются, их технологические характеристики ухудшаются. Для восстановления первоначальных свойств используют гидродинамические, физические, химические способы очистки мембраны. Чтобы рассчитать необходимую поверхность мембран необходимо знать расход исходной воды, концентрацию загрязнения, концентрацию конечного раствора. Рабочую поверхность мембран находят из проницаемости мембран. Она определяется экспериментально на лабораторной ячейке. При заданных на лабораторных данных величинах проницаемость определяется гидродинамическим режимом раствора и концентрацией раствора в данном сечении.
Перепад рабочего давления на мембране обычно составляет 5-7 МПа. Для процессов обратного осмоса меньше, для ультрафильтрации 0,3-0,8 МПа. Эти величины основные для определения давления в насосе.