МЕМБРАННЫЕ МЕТОДЫ l Диализ l Электродиализ l Обратный

МЕМБРАННЫЕ МЕТОДЫ l Диализ l Электродиализ l Обратный осмос (гиперфильтрация) l Нанофильтрация l Ультрафильтрация l Микрофильтрация Шубницина Е. И. ТОСВ 1

Мембранные методы - Это методы, основанные на процессах массопереноса через полупроницаемые перегородки, в результате которых происходит отделение примесей от растворителей или дисперсионной среды. Шубницина Е. И. ТОСВ 2

Диализ Применяют для очистки вод от растворенных солей без применения давления и электрического тока. При диализе растворенные ионные примеси отделяют от примесей коллоидных размеров. Шубницина Е. И. ТОСВ 3

Растворенное вещество проходит через мембрану, а более крупные коллоидные частицы не способны проникать через полупроницаемую перегородку и остаются в виде очищенного коллоидного раствора. Материалы (бычий пузырь, пергамент, целлофан). Шубницина Е. И. ТОСВ 4

Электродиализ Диализ значительно ускоряется наложением электрического тока. Такой вариант называется электродиализом. Шубницина Е. И. ТОСВ 5

Сущность метода заключается в выделении электролитов из воды под действием постоянного электрического тока при использовании электрохимически активных ионитовых мембран. Шубницина Е. И. ТОСВ 6

Электродиализ Перед электродиализом требуется предварительная очистка воды от взвешенных и коллоидных частиц. Шубницина Е. И. ТОСВ 7

Схема процесса электродиализа (цифры в кружках – номера камер) А – анионитовые мембраны К – катионитовые мембраны 1 – выход газообразного водорода 2 – подача сточной воды; 3 – выход газообразных кислорода и хлора 4 – выпуск обессоленной воды 5 – выпуск концентрированного рассола Шубницина Е. И. ТОСВ 8

Ионитовые мембраны • Гомогенные • Гетерогенные - тонкие пленки из измельченной в порошок ионообменной смолы, в который также в виде порошка добавляют пластичный неэлектропроводный материал (полиэтилен, полистирол, фторопласт и др. ). Шубницина Е. И. ТОСВ 9

Ионитовые мембраны имеют ряд преимуществ: избирательную проницаемость (селективность), высокую электропроводность, низкую водопроницаемость Шубницина Е. И. ТОСВ 10

Применение электродиализа дает возможность получать из солесодержащих сточных вод растворы кислоты и щелочи, которые могут быть использованы для регенерации ионитовых фильтров при совместном применении электродиализа и ионного обмена. Шубницина Е. И. ТОСВ 11

Аппаратурное оформление процесса электродиализные аппараты фильтр-прессной конструкции разделяют на два типа, различающиеся направлением оси электрического поля : • Прокладочные (ось горизонтальна) • Лабиринтные (ось вертикальна) Напряжение на электродах составляет 400500 В при расстоянии между мембранами 12 мм. Шубницина Е. И. ТОСВ 12

Области применения электродиализа удаление растворенных солей и органических примесей • получение из солоноватых вод питьевой воды с низким содержанием солей • обессоливание коллоидных и органических растворов, в частности с целью деминерализации сыворотки • очистка сточных вод химических, целлюлознобумажных и других производств Шубницина Е. И. ТОСВ 13

Баромембранные методы массоперенос осуществляется под влиянием градиента давления В зависимости от радиуса пор мембран эти методы разделяют на: • обратный осмос (гиперфильтрацию) радиус пор мембран менее 1 нм • нанофильтрация (1 -20 нм) • ультрафильтрацию (20 -200 нм) • микрофильтрацию (200 -10000 мкм). Шубницина Е. И. ТОСВ 14

Фильтрование воды через мембраны Шубницина Е. И. ТОСВ 15

Классификация баромембранных методов в зависимости от размера пор и давления Наименование процесса Диаметр пор, нм (10 -9 м) Микрофильтрация 200 – 10000 Внешнее давление, атм 0, 1 – 1, 0 Ультрафильтрация 20 – 200 2– 8 Нанофильтрация 1 – 20 3 – 10 Обратный осмос (гиперфильтрация) 0, 1 – 1 10 – 25 Шубницина Е. И. ТОСВ 16

Обратный осмос и ультрафильтрация Имеют много общего - в конструктивном оформлении аппаратов. Различия: • Величина прилагаемого давления (для ультрафильтрации Р = 0, 2 -0, 8 МПа, а для обратного осмоса Р = 1 -2, 5 Мпа) • Молекулярная масса отделяемых примесей (для ультрафильтрации М 500, для обратного осмоса М 500). Шубницина Е. И. ТОСВ 17

Обратный осмос (гиперфильтрация) - процесс удаления ионных, органических и взвешенных примесей из воды при помощи мембраны. Обратный осмос основан на применении мембран с очень малыми порами, размер которых не превышает 1 нм. Шубницина Е. И. ТОСВ 18

Осмотическое давление Между чистым растворителем (водой) и раствором устанавливают полупроницаемую мембрану, которая пропускает растворитель, но задерживает растворенное вещество. Это явление, т. е. самопроизвольный переход растворителя в раствор, отделенный от него полупроницаемой перегородкой, называется осмосом. Шубницина Е. И. ТОСВ 19

осмос равновесие обратный осмос р>H Н – осмотическое давление 1 – мембрана 2 – менее концентрированный раствор 3 – более концентрированный Шубницина Е. И. раствор. ТОСВ 20

Обратный осмос Если к раствору соли приложить гидростатическое давление, превышающее осмотическое, то чистая вода начнет протекать в направлении, противоположном описанному выше, т. е. из раствора, а растворенное вещество будет задерживаться мембраной. Шубницина Е. И. ТОСВ 21

Обратный осмос Скорость переноса воды через мембрану в процессе обратного осмоса прямо пропорциональна эффективному давлению, т. е. разности между приложенным и осмотическим давлением. Шубницина Е. И. ТОСВ 22

Осмотическое давление Давление, которое отвечает такому равновесию, может служить количественной характеристикой явления осмоса и называется осмотическим. Таким образом: осмотическое давление равно давлению, которое нужно приложить к раствору, чтобы привести его в равновесие с чистым растворителем, отделенным от него полупроницаемой перегородкой. Шубницина Е. И. ТОСВ 23

Схема работы полупроницаемой мембраны P h а б a. начало осмотического переноса, b. равновесное состояние, Шубницина Е. И. c. обратный осмос в ТОСВ 24

Мембраны обратного осмоса Шубницина Е. И. ТОСВ 25

Движущая сила обратного осмоса – градиент давления Р: Р = Р – (П 1 – П 2), где Р – рабочее давление обрабатываемой воды; П 1 – осмотическое давление обрабатываемой воды; П 2 – осмотическое давление обработанной воды. Шубницина Е. И. ТОСВ 26

Обратноосмотические мембраны Мембранные материалы Мембранная пленка – это активный поверхностный слой толщиной 0, 25 – 0, 5 мкм, нанесенный на инертную подложку толщиной 100 – 200 мкм. • Органические - полимеры • Неорганические - керамика Шубницина Е. И. ТОСВ 27

Обратноосмотические мембраны • Органические - полимеры (ацетилцеллюлоза, ароматические полиамиды) Достоинства: дешевые, отлаженная технология Недостатки: низкая механическая прочность, малая химическая стойкость, возможность разрушения активного слоя мембран микроорганизмами, узкий диапазон рабочих температур. Шубницина Е. И. ТОСВ 28

Обратноосмотические мембраны Неорганические Получили распространение в последние годы (США, Япония, Франция). Для их производства используются: • Керамика • Металлокерамика • Нержавеющая сталь • Оксиды алюминия, циркония, титана • Сплавы никеля и т. п. Шубницина Е. И. ТОСВ 29

Достоинства неорганических мембран • химическая стойкость: обладают большой устойчивостью в химически агрессивных средах практически при любых значениях р. Н среды и в различных растворителях • термическая стойкость (выдерживают рабочие температуры до 1000 С˚) • радиолитическая, биохимическая стойкость • механическая прочность (в том числе и к воздействию абразивных частиц). • многолетний срок эксплуатации • возможность стерилизации водяным паром. • возможность регенерировать без использования Шубницина Е. И. ТОСВ 30 реагентов (например, воздухом при давлении) и, следовательно, без образования сточных вод

Свойства обратноосмотических мембран Селективность ( %) С= (Ссв- Сф)*100/Ссв= (1 - Ссв/Сф)*100 где Ссв и Сф — концентрации растворенного вещества соответственно в исходной сточной воде и фильтрате. Селективность увеличивается при повышении давления. мембраны. Шубницина Е. И. ТОСВ 31

Свойства обратноосмотических мембран Проницаемость - количество фильтрата Уф, полученного в единицу времени с единицы рабочей поверхности: Уф= к(ΔР —ΔРо) где ΔР - разность давлений воды до и после мембраны ΔРо - разность осмотических давлений k - коэффициент, зависящий от проницаемости мембраны. Шубницина Е. И. ТОСВ 32

Свойства мембран Природа растворенного вещества сказывается как на величине осмотического давления раствора, так и на параметрах ведения процесса. При разделении растворов сильных электролитов с помощью одной и той же мембраны одновалентные ионы задерживаются хуже, чем двух- и многовалентные. Ионы в порядке увеличения задержания располагаются в ряд, совпадающий в основном с рядом увеличения энергии гидратации: Шубницина Е. И. ТОСВ H+<NO -<I-<Br-<Cl-<K+<F-<Na+<S 0 2 -<Ba 2+<Ca 2+ 33

Требования к мембранам • высокая разделяющая способность (селективность) • большая удельная производительность (проницаемость) • устойчивость к действию среды • неизменность характеристик в процессе эксплуатации • механическая прочность • низкая стоимость. • высокое сродство к растворителю (главным образом к воде) Шубницина Е. И. ТОСВ 34 • низкое сродство к растворенному компоненту.

Эффективность метода • Удаление растворенных неорганических соединений - 90 -99%, • Удаление органических веществ - 95 -99% • Удаление коллоидных примесей (бактерий, вирусов, коллоидной кремниевой кислоты и т. д. ) – 100 %. • Удаление металлов (цинк, никель, медь и шестивалентный хром) - 96 -99%. • Удаление маслопродуктов, свободных и связанных жиров (при использовании неорганических мембран) - 99, 8% Шубницина Е. И. ТОСВ 35

Области применения обратного осмоса • опреснение солоноватых (морских) вод и получение ультрачистой воды • обессоливание воды в системах водоподготовки ТЭЦ и предприятий различных отраслей промышленности (полупроводников, кинескопов, медикаментов и др. • получение особо чистых сред для электронной промышленности и энергетики. ) • очистка некоторых промышленных и городских сточных вод • удаление низкомолекулярных органических веществ, ПАВ, красителей, особенно ценных или весьма опасных (радиоактивных) ионов Шубницина Е. И. ТОСВ 36 металлов.

Установки обратного осмоса Мембраны являются основной частью технологических элементов, называемых модулями. Простейшая система состоит из насоса высокого давления и модуля, соединенных последовательно. Сточная вода насосом подается на мембрану, чистая вода (фильтрат) проходит через нее, а сбросная вода удаляется через выпускной клапан. Шубницина Е. И. ТОСВ 37

Аппаратурное оформление процесса обратного осмоса Одноступенчатая Параллельная все модули работают в одинаковых условиях: при одном и том же давлении и коэффициенте выхода фильтрата Многоступенчатая Последовательная (раствор концентрата из первой ступени служит исходной водой для второй ступени ) Шубницина Е. И. ТОСВ 38

Установки обратного осмоса В обратноосмотическую установку включают несколько модулей, которые собирают параллельно или последовательно. При параллельной схеме все модули работают в одинаковых условиях: при одном и том же давлении и коэффициенте выхода фильтрата (отношение расходов очищенной и поданной вод). Такая система пригодна для большинства установок низкой производительности. Защита мембран и насосов высокого давления от загрязнения взвешенными веществами осуществляется фильтрами патронного типа. Последовательное соединение модулей применяют, чтобы увеличить коэффициент выхода фильтрата. В данном случае раствор концентрата из первой ступени служит исходной водой для второй ступени. В двухтрехступенчатых установках коэффициент выхода фильтрата 70 -90%. Шубницина Е. И. ТОСВ 39

Конструкции обратноосмотических аппаратов 1. типа фильтр-пресс с плоскопараллельными фильтрующими устройствами 2. с трубчатыми фильтрующими элементами 3. с рулонными или спиральными элементами 4. с мембранами в виде полых волокон. Шубницина Е. И. ТОСВ 40

Шубницина Е. И. ТОСВ 41

Элемент рулонный обратноосмотический (ЭРО) Получают намоткой на перфорированную винипластовую трубку пакетов, каждый из которых состоит из сложенной вдвое полосы мембраны с помещенной внутрь полосой турбулизатора – разделителя. Мембрана может быть обернута U-образной полосой подложки. Между смежными пакетами прокладывается полоса дренажного материала. Движение исходного раствора над мембраной осуществляется параллельно оси фильтрат отводящей трубки, а 42 отвод фильтрата – по спиральному. Шубницина Е. И. ТОСВ дренажному каналу в фильтратотводящую трубку.

Ультрафильтрация имеет много общего с обратным осмосом, в частности в конструктивном оформлении. Различия обусловлены более крупными радиусами пор мембран (3 -100 нм). Это предопределяет меньшее давление, прилагаемое при ультрафильтрации (до 1, 5 МПа) и его использование для отделения примесей с молекулярной массой более 500, т. е. , как правило, высокомолекулярных соединений. Шубницина Е. И. ТОСВ 43

Области применения ультрафильтрации • осветление вин и соков • разделение систем белок — соли (плазма крови) • извлечения из молока белка, солей и сахара (при изготовлении жидких сыров) • выделение ферментов и т. п. При очистке промышленных сточных вод: • удаление органических примесей: пигментов, окрасочных смол, технических масел, жирных кислот, фекалий • удаление неорганических частиц, например кремния. Шубницина Е. И. ТОСВ 44

• • Преимущества методов обратного осмоса и ультрафильтрации отсутствуют реагенты энергозатраты невелики установки просты и компактны легко автоматизируются не требуется квалифицированный персонал фильтрат достаточно чист для подачи в оборотную систему водоснабжения сконцентрированные вещества легко Шубницина Е. И. ТОСВ 45 утилизировать или уничтожать.

Достоинства • отсутствие фазовых переходов при отделении примесей, что позволяет вести процесс при небольшом расходе энергии • возможность проведения процесса при комнатных температурах без применения или с небольшими добавками химических реагентов • простота конструкций аппаратуры. Шубницина Е. И. ТОСВ 46

Недостатки метода • возникновение явления концентрационной поляризации, которое заключается в росте концентрации растворенного вещества у поверхности мембраны. Это приводит к уменьшению производительности установки, степени разделения компонентов и срока службы мембран • проведение процесса при повышенных давлениях, что вызывает необходимость специальных уплотнений аппаратуры 47 Шубницина Е. И. ТОСВ