Очищення води гиперфильтрацией
Процеси розділення рідких систем грають важливу роль в багатьох галузях народного господарства. Для здійснення цих процесів вже давно застосовують різноманітні способи: перегонку і ректифікацію, абсорбцію і адсорбцію, екстракцію та ін. Однак природа за мільйони років еволюції живих організмів виробила найбільш універсальний і довершений метод розділення з використанням напівпроникних мембран. Дійсно, біологічні мембрани забезпечують спрямований перенесення необхідних організму речовин із зовнішнього середовища в клітку, і навпаки. Без мембран неможливі були б подих, кровотворення, синтез білка, засвоєння їжі, видалення відходів та інші процеси.
Вчені давно прагнули пізнати і звернути на користь людини чудова властивість напівпроникних мембран - пропускати одні речовини і затримувати інші. Однак ідея застосування мембран для технологічних цілей стала реальною лише останнім часом у зв'язку з розвитком наших знань про природу і структурі речовин, з новими досягненнями в різних областях науки, а також у виробництві синтетичних полімерних матеріалів.
До основних мембранним методам поділу рідких систем відносяться: зворотний осмос, нанофільтрація, ультрафільтрація, мікрофільтрація, макрофільтрація. У будь-якому з цих процесів розділяється розчин вводиться в зіткнення з напівпроникною мембраною з одного її боку. Внаслідок особливих властивостей напівпроникних мембран пройшла через них суміш збагачується одним з компонентів. У ряді випадків процес проходить настільки повно, що продукт практично не містить домішок, затриманих мембраною. І навпаки, застосовуючи той чи інший мембранний метод поділу, можна отримати в розчині перед мембраною компонент або компоненти практично без домішок речовини, що проходить через мембрану. Області застосування мембранних методів розділення рідких систем представлені на малюнку 1.
Поряд з іншими мембранними методами розділення рідких систем, широке поширення в промисловості і лабораторній практиці отримав зворотний осмос.
Гіперфільтрація - найдосконаліша на сьогоднішній день технологія, яка використовується для очищення води на молекулярному рівні без хімічних реагентів рис.2. Адже зворотний осмос - це природний процес, запозичений у природи, в результаті якого вода під тиском просочується через пори напівпроникною мембрани, що пропускає тільки молекули води і кисню. Діаметр пор мембрани - 0,0009 мікрон. Тому системи, засновані на принципі зворотного осмосу, мають найвищу ступінь очищення води - 95 # 63; 99% за всіма показниками.
Рис.2. Робота мембрани зворотного осмосу
Даний метод очищення заснований на використанні осмотичного перенесення молекул через напівпроникну мембрану. Така мембрана проникна для молекул води, але не пропускає молекули і іони розчинених у воді речовин. Явище осмосу полягає в тому, що при неоднакових концентраціях розчину з різних сторін напівпроникною мембрани молекули води будуть дифундувати через неї з розчину з меншою концентрацією в розчин з більшою концентрацією (рис. 3, а). Величина виникає осмотичного тиску залежить від різниці концентрацій розчинів по обидва боки мембрани: чим вона більше, тим вище осмотичний тиск. Тиск, при якому настає рівновага (рис. 3, б), називається осмотичним. При різниці концентрацій розчинів, відповідних змісту морської води (35 г / кг) і дистильованої (10 мг / кг), осмотичний тиск становить 24 · 10 2 кПа. Зворотний процес - дифузію молекул води через мембрану в розчин з меншою концентрацією можна здійснити, подаючи концентрований розчин на мембрану під тиском, що перевищує осмотичний (див. Рис 3, в).
Перенесення молекул води через напівпроникну мембрану, з розчину з більшою концентрацією в розчин з меншою концентрацією під дією зовнішнього тиску, що перевищує осмотичний тиск, називається зворотним осмосом або гиперфильтрацией.
Рушійну силу процесу зворотного осмосу в разі ідеально напівпроникною мембрани можна визначити наступним чином [1] стор.15:
де Р - надлишковий (робочий) тиск над вихідним розчином; р1 - осмотичний тиск розчину.
Рис.3. Умови виникнення зворотного осмосу [1] стор.15
Існує ряд гіпотез для опису транспортних процесів в мембранах:
- Дифузійна теорія: передбачається, що і молекули води, і іони солей дифундують через мембрану, але коефіцієнт дифузії у іонів набагато нижче.
- Капілярна теорія: вода проходить через мембрану як через систему капілярів, причому всередині капіляра вона знаходиться у зв'язаному стані за рахунок утворення водневих зв'язків з поверхневими атомами; рух води супроводжується розривом одних зв'язків і утворенням нових. Оскільки іони не утворюють водневі зв'язки, то для них такий спосіб проходження капіляра неможливий.
- Для гідрофільних мембран (поверхня яких добре змочується водою) в результаті адсорбції на стінках пір з'являється шар чистої води, і якщо діаметр пор не перевищує подвоєної товщини такого шару, то іони розчинених сполук не можуть пройти через них.
- Внаслідок структурування води в тонких порах зменшується її розчиняє здатність і відбувається як би виштовхування частинок розчиненої речовини з пори.
Найбільш переконлива полягає в тому, що пори цієї мембрани проникні тільки для молекул води. Гідратівние іони, що володіють великими розмірами, проходити через пори мембрани не можуть. Рушійною силою процесу зворотного осмосу є різниця між прикладеним зовнішнім робітникам і осмотичним тиском. Зрозуміло, що при збільшенні вмісту солі вихідної води зворотний перенос молекул води через мембрану зменшується внаслідок підвищення осмотичного тиску. Знижується і ефект знесолення, так як при збільшенні концентрації розчину зменшується ступінь гідратації іонів, розміри їх стають порівнянними з розмірами пор напівпроникною мембрани.
Визначальними характеристиками напівпроникних мембран є селективність, проникність по воді, стабільність показників за часом. Селективність мембран S характеризує ступінь затримання розчинених компонентів і розраховується за формулою [3] стор.93:
де, СІСХ - концентрація розчинених солей в опріснюваної воді;
Упоряд - залишкова концентрація солей в опріснення води.
Селективність мембран залежить від вмісту солі вихідної води. В інтервалі концентрацій розчину від 0,5 до 10 г / л селективність змінюється незначно.
Проникність по воді визначається швидкістю фільтрації опріснення води через одиницю площі мембрани. Селективність мембран підвищується при зменшенні проникності по воді. Для мембран високої якості селективність досягає 98%.
Важливим показником якості мембран служить стійкість їх роботи в часі. Зазвичай термін служби мембран визначається декількома місяцями і знаходиться в залежності від багатьох факторів (концентрації, сольового складу опріснюваної води, режиму роботи установки). При терміні роботи мембран більше 9-ти місяців на витрати з опріснення води майже не впливає вартість мембран.
Для опріснення води методом гіперфільтрації застосовуються мембрани з ацетатцелюлози. Вони можуть бути виконані у вигляді плівки, трубки, тонких порожнистих волокон. Ступінь затримання різних компонентів оброблюваної води ацетатцеллюлозное мембранами неоднакова:
Ацетілцеллюлозние мембрани мають велику селективність по відношенню до полівалентним іонів. У лужному середовищі вони піддаються гідролізу і тому менш стійкі. Оптимальні значення рН, при яких мінімально позначається дію гідролізу, 4,0-5,0.
Ефективність опріснення гиперфильтрацией, знижується якщо вихідна вода містить іони, що сприяють утворенню нерозчинних опадів на мембранах. Метод гіперфільтрації може бути застосований, не тільки для опріснення природних вод, а й для обробки води в системах оборотного водопостачання, для очищення виробничих стічних вод.