Глава 2. Технологии мембранного разделения

2.1. Основные виды технологий мембранного разделения в очистке воды

Описанию мембранных технологий посвящено огромное количество зарубежных и отечественных публикаций, как фундаментальных и прикладных трудов [46–85], так и статей, детально описывающих нюансы поведения мембран в различных процессах. В связи с быстрым развитием данного направления ряд положений устарел. Представленные ниже сведения более соответствуют современному этапу развития мембранных технологий и основаны на большом практическом опыте их использования в разных отраслях промышленности и проведенных научных и исследовательских работах.

Как видно из табл. 1.3, практически все задачи в водоподготовке и водоочистке могут быть решены на основе мембранного разделения, что объясняется универсальностью используемого принципа. Несмотря на различия, все процессы мембранного разделения характеризуются наличием специального селективно проницаемого барьера между двумя фазами, которым является мембрана (рис. 2.1).

В простейшем (хоть и не совсем корректном) представлении мембрана – это пористая перегородка, имеющая близкие по размерам поры. В процессе фильтрования происходит задержание частиц с размерами большими, чем размер пор, в то время как фильтрат (или пермеат), содержащий частицы меньшего размера, включая молекулы растворителя, способен проходить через поры. Следует отметить, что простота этого подхода – во многом кажущаяся. Переход мембранного разделения от идеи к области практического применения стал возможным только относительно недавно после прорыва в технологиях производства мембран, разработки мембранных модулей с большой поверхностью фильтрации, усовершенствования их компоновки, организации эффективных технологий разделения и создания систем автоматического управления.

Рис. 2.1. Схема типичного мембранного процесса

Рис. 2.2. Очистка воды мембранными методами

В соответствии с таким представлением, исторически установилось деление мембранных технологий, исходя из размера и характера отделяемых примесей (рис. 2.2).

Микрофильтрация задерживает частицы размером более 0,1–1 мкм (крупные коллоиды, взвеси, бактерии). Рабочее давление – как правило, до 1–2 атм.

Ультрафильтрация отделяет частицы размером на порядок мельче – 0,01–0,1 мкм, к ним относятся коллоиды, протеины; на 4–6 порядков снижается микробиологическое загрязнение воды, задерживаются крупные органические молекулы (с молекулярной массой свыше 1000 Да).

Нанофильтрация эффективно задерживает компоненты веществ размером 0,001–0,01 мкм, органику с молекулярным весом от 500 Да. Нанофильтрация получила свое название от единицы измерения – нанометр: 1 нанометр = 10 – 9 м = 0,001 мкм. Рабочее давление – от 3 до 20 атм. Нанофильтрация удаляет цветность, органику, пестициды, соли жесткости, микробиологические загрязнения.

Обратный осмос применяется для удаления растворенных солей (рейтинг фильтрации 0,0001–0,001 мкм), органики (с молекулярным весом менее 500 Да). Рабочее давление – до 150 атм.

Электродиализ – процесс удаления из раствора ионов путем избирательного переноса их через мембраны, селективные к этим ионам, в постоянном электрическом поле.

Электродеионизация является развитием электродиализа с заполнением межмембранного пространства смешанным слоем ионитов. Применяется для глубокой доочистки воды с исходным солесодержанием не более 20–25 мг/л, что соответствует ее электропроводности 50 мкСм/см. При этих условиях можно получать воду с электрическим сопротивлением 10–18 МОм·см.

Мембранная дегазация – удаление из воды растворенных газов (О2 , СО2 и др.). Используются специфические мембраны, которые пропускают газы, но не пропускают воду. За мембраной создается вакуум, с помощью которого газы и отделяются. Используется в микроэлектронике и энергетике.

Как видно из рис. 1.4 для ряда процессов мембранного разделения размеры отделяемых примесей сравнимы с межатомными расстояниями. Соответственно, в этих случаях мембрана является, по существу, сплошной, и представление о процессе мембранного разделения как о фильтровании, становится некорректным. В силу этого в последнее время все большее признание получает деление процессов мембранной очистки по типу используемых мембран – пористых или сплошных. О первых говорят как о процессах мембранного осветления, а о вторых – как о процессах мембранного обессоливания . Такое деление отражает принципиальное различие в физике процессов переноса через мембрану .

При правильной организации процесса мембранные технологии водоподготовки обладают рядом преимуществ по сравнению с традиционными (табл. 2.1), что и обусловливает их все более широкое применение.

2.1. Преимущества мембранной технологии водоподготовки по сравнению с традиционными

Процесс	Мембранный	Альтернативный	Преимущества МТ
Удаление взвесей	Микрофильтрация	Механическая фильтрация	Качество очистки. Меньшие размеры
Умягчение воды	Нанофильтрация	Реагентное умягчение Ионный обмен	Без реагентов Кондиционные отходы
Обессоливание воды	Обратный осмос Электродиализ	Термический Ионообменный Комбинированные методы	Минимум энергозатрат Без реагентов Кондиционные отходы
Опреснение морской воды	Ультрафильтрация + обратный осмос	Термический	Без реагентов Кондиционные отходы
Удаление органических загрязнений	Ультрафильтрация (реагентная)	Окисление озоном Сорбция	Минимум реагентов Кондиционные отходы
Обеззараживание питьевой воды	Микрофильтрация Ультрафильтрация	Окисление озоном, хлором Облучение ультрафиолетом Ультразвуковая обработка	Без реагентов
Удаление нитратов	Обратный осмос	Ионный обмен	Без реагентов
Удаление растворенных газов	Мембранная дегазация	Химические реагенты Термические, вакуумные, атмосферные деаэраторы	Без реагентов Минимум энергозатрат Меньшие размеры

Несмотря на кажущуюся простоту мембранных процессов, их практическое использование стало возможным только после разработки необходимых материалов, технологий изготовления мембран, специальных насосов и клапанов, систем автоматизации и т.п. В результате для реализации идеи потребовалось несколько десятков лет (рис. 2.3). Причем первыми в промышленном масштабе были применены, казалось бы, более сложные технологии электродиализа и обратного осмоса, для которых уровень технологии тех лет оказался достаточным. Более «простые» технологии ультрафильтрации потребовали принципиально нового уровня систем автоматизации и надежности запорной арматуры, а также отказа от привлекательного имиджа полностью безреагентных и малосточных процессов.

Наряду с неоспоримыми достоинствами, мембранные технологии в водоподготовке имеют значительные недостатки в сравнении с традиционными технологиями.

Высокие расходы воды на собственные нужды.

Относительно высокая (на начало XXI века) стоимость мембран.

Высокие требования к уровню автоматизации.

Узкий диапазон раздельного применения мембранных технологий.

Наличие довольно жестких требований к качеству и составу воды, очищаемой с помощью мембран каждого типа.

Преодоление этих проблем стимулирует как производителей мембранных элементов, так и инжиниринговые компании к улучшению параметров мембран, развитию и совершенствованию мембранных технологий.

Рис. 2.3. Разработка и применение мембранных методов в промышленности