CC BY
94
УДК 663.63.067
Современное мембранное фильтрование воды
И. Л. Славская, канд. техн. наук, доц.; С. Ю. Макаров, канд. техн. наук, доц.; Е. В. Ильина, канд. техн. наук, доц.
Московский государственный университет технологий и управления
Мембранные фильтры применяются на всех стадиях водоподготовки: для механического фильтрования (микрофильтры), обеззараживания (ультрафильтры), умягчения и обес-соливания, удаления органических веществ (обратный осмос и нано-фильтрация)и пр.
Мембранное разделение — это процесс преимущественного отделения определенного компонента (компонентов) смеси при помощи полупроницаемой мембраны, в результате которого исходная смесь разделяется на концентрат и пер-меат. Концентрат образуют компоненты, задерживаемые мембраной, а пермеат (фильтрат, ультрафильтрат) — компоненты, проходящие через нее.
В настоящее время на заводах бродильной отрасли эксплуатируется более 150 установок обратного осмоса. Это основной блок в системах заводской водоподготовки, обеспечивающий высокое качество технологической воды.
Способ мембранного разделения смоделирован с биологических процессов, происходящих в живой клет-ке,оболочка которой — полупроницаемая мембрана. Поэтому очищенная вода в полной мере сохраняет естественные свойства. С помощью мембранных систем водоподготовки удаляется до 99,9 % всех растворенных веществ и до 100 % микрофлоры, при этом изменения состава исходной воды практически не влияют на стабильность параметров очищенной воды. Разработанная технология регулируемой деминерализации (кондиционирования) позволяет получать очищенную воду с любым солевым составом, при этом его колебания не превышают 1,0 %, а органолептические показатели существенно выше, чем у воды, полученной методом ионообмена. Мембранный способ водоподготов-ки дает ряд важных преимуществ
Ключевые слова:
ингибиторы, мембранные фильтры, ситовое разделение
технологического и экономического порядка:
• очищенная вода сохраняет свое «естественное» качество;
• минеральный состав очищенной воды, ее рН и соотношение основных микроэлементов можно регулировать в довольно широком диапазоне, т. е. можно получать технологическую воду с заданными свойствами;
• очищенная вода полностью освобождается от микрофлоры, в том числе от бактерий и вирусов;
• преимущественный график эксплуатации — непрерывный в автоматическом режиме;
• мембранная система проектируется из расчета покрытия всех технологических нужд производства.
Сейчас мембранные системы водо-подготовки применяются практически во всех отраслях, потребляющих очищенную воду, экономя при этом более 99 % химических реагентов. Так, производство 20 м3/ч очищенной воды при солесодержании исходной воды 250 мг/дм3 ежегодно потребляет не более 500 кг кислотных рецептур и 600 кг щелочных рецептур.
Несмотря на то, что осмотический перенос впервые наблюдали в XVIII в., до сих пор нет кинетической теории, описывающей механизм этого процесса и количественно согласующейся с экспериментальными результатами.
Процесс очистки воды через полупроницаемую мембрану заключается в следующем. В сосуд между пресной и соленой водой помещали полупроницаемую перегородку (мембрану), которая способна пропускать воду
и задерживать ионы растворимых в воде солей. Для установления термодинамического равновесия вода начинает поступать в отсек с соленой водой. Соль по размеру не проходит через отверстия мембран и остается в правой части сосуда (рис. 1). Через некоторое время уровень пресной воды станет заметно ниже уровня солевого раствора. Разница уровней после установившегося равновесия характеризует осмотическое давление растворенного вещества. Если в соленом растворе создается давление, превышающее осмотическое, возникает перетекание молекул пресной воды в направлении, обратном ее естественному движению. Вода из раствора начинает перетекать через перегородку в пресную воду, соленая вода становится более концентрированной, жидкость за перегородкой обогащается водой (концентрация солей за счет разбавления снижается) и становится более чистой. Такой процесс известен под названием обратного осмоса.
Обычная вода имеет осмотическое давление около 3 атм. Осмоти-
Рис. 1. Схема очистки воды через
полупроницаемую мембрану: НОСМ — осмотическое давление раствора; Р — обратно-осмотическое противодавление;
1 — концентрация воды слева меньше, движение молекул идет по градиенту концентрации, разбавляя раствор справа,
что повышает давление, так как удары молекул растворенного вещества неуравновешенны;
2 — равновесие, концентрация воды выравнялась, справа создалось осмотическое давление неуравновешенных молекул растворенного вещества;
3 — справа приложили давление (плотность упаковки молекул воды повысилась), вода начала идти по градиенту концентрации влево, разбавляя воду и делая
ее более чистой, справа за счет обеднения водой происходит концентрирование примесей
ческое давление морской воды около 20 атм.
В зависимости от размеров пор в настоящее время различают мембраны с ситовым разделением смеси под действием приложенного давления: микрофильтрование (0,1-1,0 мкм) — удаление бактерий, вирусов, механических примесей и ультрафильтрование (0,01-0,1 мкм) — удаление высокомолекулярных веществ (белки, крахмал, жиры и пр.), вирусов. При нанофильтровании и обратном осмосе (0,0001-0,001 мкм) из растворов извлекаются молекулы и ионы низкомолекулярных веществ, т.е. разделение происходят на молекулярном уровне.
Основные характеристики мембранного процесса:
проницаемость, или удельная производительность G:
G = W/F,
где ^ — расход фильтрата; F — поверхность мембраны;
селективность (избирательность), %:
Ф = (1 - С2/С1)^100,
где С1 и С2 — концентрация рассматриваемого компонента в исходной смеси и фильтрате.
По способу организации процесса фильтрования различают (рис. 2) фронтальную (тупиковую) и тангенциальную (режим кросс-флоу) фильтрацию.
При тупиковой фильтрации фильтруемая жидкость подается на поверхность мембраны с образованием на ней слоя осадка и постепенным снижением скорости фильтрации. Как правило, регенерацию мембраны не проводят (одноразовое использование), поэтому тупиковую фильтрацию применяют преимущественно для слабозагрязнен-ных сред. Большинство картриджных (сменных) фильтров работает именно в этом режиме.
В режиме кросс-флоу для ослабления явления концентрационной поляризации и снижения производительности над поверхностью мембраны создают турбулизованный поток жидкости при помощи механической мешалки или циркуляционного насоса.
В зависимости от вида используемых мембран различают основные типы аппаратов: пленки и пластины — плоскорамные (типа фильтра-пресса); трубки — трубчатые; свер-
г г &
4
о
ИЛ
^ ^
Рис. 2. Организация процесса фильтрования через полупроницаемую мембрану: а — фронтальная (тупиковая); б — тангенциальная (кросс-флоу)
б
а
12 3 4
Плоская мембрана на носителе
Рис. 4. Мембранный аппарат типа фильтр-пресса
нутые пленки — рулонные; полое волокно — половолоконные.
Основные требования к аппаратам: большая удельная рабочая поверхность мембран в единице объема аппарата; равномерное распределение разделяемой смеси вдоль поверхности мембраны; создание относительно высоких скоростей ее движения относительно мембраны с целью уменьшения влияния эффекта поляризационной концентрации; герметичность; прочность; простота сборки и монтажа; надежность в эксплуатации.
В России мембраны выпускают только два предприятия: ЗАО НТЦ «Владипор» и ООО «Экофил».
Типовая аппаратурная схема состоит из нескольких частей (рис. 3):
емкости фильтруемого раствора 1, циркуляционного насоса 2, фильтрационного модуля 3, состоящего из нескольких фильтрующих контуров, которые могут быть соединены как последовательно, так и параллельно, и емкости для фильтрата 4.
Организация потоков в плоскорамном модуле и типичная конструкция модуля с плоскими мембранными элементами (типа фильтра-пресса) показаны на рис. 4. В корпусе аппарата на трубчатом коллекторе герметично закреплены мембранные плоские элементы. Во фланцах находятся отверстия для ввода исходной смеси и отвода транзита (концентрата) соответственно. Между элементами параллельно расположены вставки, изго-
товленные из отрезков проволоки, сваренных в местах пересечения под углом 60°, или же из ткани.
Преимущества трубчатых разделительных элементов: возможность их использования для разделения систем, содержащих взвешенные частицы; невысокие требования к предварительной очистке разделяемых систем; возможность предотвращения образования осадка в процессе разделения и легкость очистки поверхности мембран от осадков.
По конструкции и способам изготовления трубчатые разделительные элементы делят на три типа: с подачей разделяемых систем внутрь трубки; с подачей разделяемых систем снаружи трубки; с подачей разделяемых систем одновременно внутрь и снаружи трубки.
Элементы первого типа представляют собой трубки с нанесенными на внутренней поверхности мембранами (рис. 5). Оптимальный диаметр трубчатой мембраны в таких элементах находится в пределах 8,5-25 мм. Трубки в аппарате уложены в виде блоков, концы которых залиты герметизирующим компаундом.
Недостатки такой конструкции: небольшая плотность укладки мембран и высокие требования к точности изготовления внутреннего диаметра каркаса.
Мембранная упаковка разделительного модуля рулонного типа (рис. 6) состоит из гибких ленточных элементов. Основной элемент представляет собой непрерывную полосу проницаемой мембраны. Элемент, являющийся опорой для мембраны и служащий для разделения потоков, выполнен в виде гибкой пластмассовой ленты. Продольные каналы предназначены для подвода перерабатываемой смеси, а поперечные — для отвода пермеата (фильтрата). Мембрана вместе с гибкой опорой наматывается на перфорированную трубу.
Мембранная рулонная упаковка помещается в корпус, в котором может быть размещено несколько таких упаковок.
Модули рулонного типа отличаются простотой изготовления. Их общий недостаток — сложность коллектирования (разделения) потоков.
Модули из полых волокон (рис. 7) представляют наибольший интерес по сравнению с мембранными моду-
лями других видов, так как с их помощью можно создавать разделяющую поверхность 30 тыс. м2 в 1 м3 поло-волоконной упаковки. Применение в качестве мембранных элементов полых волокон обеспечивает наибольшую удельную поверхность мембран в единице объема модуля, что способствует созданию компактных и высокопроизводительных аппаратов.
Вертикальный вариант модуля с безопорной укладкой полых волокон может содержать до 1 млн волокон в зависимости от их толщины и требуемой производительности модуля. Один конец каждого волокна в пучке заделан в трубной решетке, и каналы полых волокон сообщаются с нижним (выходным) штуцером. Трубная решетка (заделка) пучка полых волокон может формоваться заливкой герметизирующего материала вокруг пучка или путем пропитки концов волокон герметизирующим материалом в процессе компоновки полых волокон с образованием пучка. В качестве герметизирующихся материалов используют отверженные жидкие составы полимеров (эпоксидные смолы, уретаны и т.д.), припои, клеи, воски.
Верхний конец каждого волокна заделывается так же, как и в трубчатой решетке, за исключением того, что каналы полых волокон не сообщаются через заглушку (заперты). Данное уплотнение может свобод-
но перемещаться в продольном направлении и собственной массой обеспечивает продольное уплотнение пучка волокон на 0,5 %. Наружный диаметр волокон составляет 150-800 мкм, а толщина стенки волокон зависит от прочностных характеристик материала и может составлять 50-300 мкм. Эффективная длина полых волокон может варьироваться в широких пределах — от 0,2 до 20 м.
Ввод исходного потока высокого давления осуществляется через питательный штуцер вблизи днища с внешней стороны волокон, поскольку полое полимерное волокно обычно лучше противостоит давлению сжатия, чем внутреннего расширения. Поток смеси распределяется радиально в направлении от питательной зоны и поднимается вдоль оси, обтекая полые волок-
Г
Рис. 5. Схема аппарата с подачей
разделяемого раствора внутрь трубки: 1 — разделяемая система; 2 — разделительный элемент; 3 — корпус аппарата; 4 — концентрат; 5 — фильтрат; 6 — герметизирующий компаунд
Уплотнитель
Отверстие коллектора пермеата
Мембрана
Прокладка
канала исходного потока
Адгезионная линия
Рис. б. Схема аппарата с рулонной укладкой мембраны: 1 — внешняя сетка;
2 — полупроницаемая мембрана; 3 — мембрана; 4 — поддерживающий материал; 5 — линия склейки; 6 — сетка; 7 — полиэстерная ткань; 8 — полиэтиленовая подложка; 9 — полиэстерное волокно
6
на. Компоненты, проникшие через мембрану (пермеат), проходят вниз по полости внутри волокон, противотоком к течению исходной смеси. Поток (транзит), который не проникает через мембраны, выходит из модуля сверху при давлении, почти равном давлению в питающем потоке.
Разработаны также варианты горизонтального модуля, в которых для плотного продольного прилегания пучка волокон к внутренней поверхности корпуса между заглушкой и днищем устанавливают неупругую вставку или пружину.
Для обеспечения длительной бесперебойной работы мембранной установки необходима предварительная очистка воды. Она обычно включает: механическое фильтрование, совмещенное с обезжелези-ванием; ионообменное умягчение, а также дозирование ингибитора, обеззараживание ультрафиолетом (для предотвращения «зарастания» мембраны микроорганизмами и водорослями).
Сильные окислители (хлор, озон и др.) способны повредить поверхность мембраны, поэтому в случае применения такой воды обязательно ее дехлорирование на фильтрах с активным углем.
7 1 4 7 2 8 9 9 9
Рис. 8. Обратноосмотическая установка производительностью 50 м3/ч:
1 — повысительный насос (он же промывочный); 2 — высоконапорный насос; 3 — дозирующий насос; 4 — микрофильтр; 5 — бачок для ингибитора; 6 — бачок промывки; 7 — защита насоса по сухому ходу; 8 — защита трубопроводов по давлению; 9 — блок патронных мембранных модулей
В случае фильтрования воды с повышенной жесткостью на поверхности мембраны возможно отложение солей жесткости, что приводит к резкому уменьшению производительности установки. Для устранения этого эффекта можно использовать уже умягченную воду (самый дорогой способ) либо проводить подкисление питающей воды соляной или серной кислотой с помощью насосов-дозаторов.
Иногда для снижения кристаллизации растворенных солей и засорения поверхности мембраны применяют ингибиторы — комплексные соединения высокомолекулярных кислот, отводимые с концентратом.
В случае снижения производительности установки по фильтрату проводят ее отмывку и санацию.
Кристаллические отложения отмывают растворами кислот, органического происхождения — щелочей.
Санация производится для очистки поверхности мембраны от возможного «зарастания» микроорганизмами и водорослями. Если уровень микробного обсеменения мембранного контура не контролируется, то на поверхности мембран формируется устойчивая пленка биогеля. Большинство находящихся в воде бактерий выделяют содержащую полисахариды слизь, которая помогает им прикрепляться к поверхности мембран. Рост бактерий происходит быстрее в прикрепленном состоянии, чем в потоке воды. Кроме того, к слою слизи прилипа-
ют колонии микрофлоры, а также питательные вещества из потока воды; он оказывает защитное действие, препятствуя проникновению молекул дезинфектанта. Размеры, сложность и устойчивость к дезин-фектантам колоний микрофлоры возрастают в пределах этой биопленки. Для санации мембран используют обычно перекись водорода или надуксусную кислоту.
В качестве примера на рис. 8 показана обратноосмотическая установка, разработанная ЗАО «Национальные водные ресурсы» для пивоваренного завода «Красный Восток» производительностью 50 м3/ч.
Предварительно примеси удаляются на микрофильтрах 4 с рейтингом не более 5 мкм. Затем насосом 2 вода подается на блоки мембранных элементов, которые соединены параллельно по фильтрату (пермеату) и последовательно — по концентрату. Количество элементов по ходу воды уменьшается.
ЛИТЕРАТУРА
1. Давыдов В. В. Мембранные технологии и установки микрофильтрации и стабилизации вин и виноматериалов//Ликеро-водочное производство и виноделие. 2003. № 6. С. 10-11.
2. Лукашук С. А., Федоренко В. И. Заводская система водоподготовки ОАО «Московский завод «Кристалл»«//Ликероводоч-ное производство и виноделие. 2000. № 10. С. 6-8.
3. Рябчиков Б. Е. Современные методы подготовки воды для промышленного и бытового использования. — М.: ДеЛи принт, 2004. &
