Очистка и повторное использование технической воды и промышленных стоков (стр. 4 из 5)

Ультрафильтрацию применяют для разделения систем, где молекулярная масса компонентов больше молекулярной массы растворителя, например, для водных систем, в которых один из компонентов имеет молекулярную массу выше 500. Осмотическое давление высокомолекулярных соединений мало, что позволяет проводить ультрафильтрацию при невысоком давлении. С помощью ультрафильтрации разделяют растворы высокомолекулярных и низкомолекулярных соединений.

Процесс выделения из раствора коллоидных частиц размером 0,1–10 мкм при давлении порядка десятых и сотых долей мегапаскалей относится к микрофильтрации и занимает промежуточное положение.

В отличие от обычной фильтрации, при которой продукт в виде осадка откладывается на поверхности мембраны, при обратном осмосе и ультрафильтрации образуются два раствора, один из которых обогащен растворенным веществом.

Баромембранные процессы позволяют разделить частицы по размерам, мкм: обратный осмос – 0,0001–0,001, ультрафильтрация – 0,001–0,02 и микрофильтрация – 0,02–10.

При деминерализации сточных вод и различных смесей используют диализ и электродиализ,

Диализ является диффузионным процессом разделения веществ в результате их неодинаковой диффузии через мембрану. По существу диализ является разновидностью ультрафильтрации.

Более широкое применение при обработке воды и растворов находит в последние годы электродиализ. Электродиализные аппараты, использующие биполярные и ионообменные мембраны, применяют для выделения отдельных компонентов из сточных вод, регенерации и вторичного использования фтористоводородной и азотной кислот, щелочей из травильных растворов и из жидкостей после скрубберов для очистки газов, сульфата натрия, серной кислоты и т.д.

Для очистки сточных вод применяют мембранную установку, включающую наряду с мембраной и фильтр-держателем, образующими мембранный модуль, емкости, насосы, контрольно-измерительную аппаратуру и системы очистки мембран.

При выборе и разработке мембранных установок необходимо учитывать следующие факторы: характер фильтруемой среды; выбор целевого продукта: фильтрата или задержанных мембраной частиц; минимальный размер выделяемых частиц и размер пор мембраны.

Выбор оптимального размера пор производят на основе данных по селективности мембран от размера пор при максимально возможной производительности; объем перерабатываемой жидкости; вид раствора. В последнем случае агрессивность жидкой среды требует применения мембран и опорных элементов, стойких к действию растворителя.

Установки должны отвечать ряду требований.

1. Материалы разделительной системы должны работать под высоким давлением и быть устойчивыми к коррозии.

2. Компактность установки, простота обслуживания и возможность быстрой разборки и сборки установки при ремонте и транспортировании.

3. Возможность периодического промывания установки для восстановления производительности мембран.

4. Возможность предотвращения отложения осадка на мембранах и снижения влияния концентрированной поляризации. Для этого необходимо обеспечить высокую скорость течения жидкости над мембраной и ее равномерное распределение по секциям и элементам мембранного модуля.

5. Возможность нагрева или охлаждения обрабатываемых жидкостей.

При создании мембранных модулей необходимо обеспечить их механическую прочность, герметичность и другие условия.

В настоящее время мембранные модули классифицируют по способу укладки мембран, по типу корпусов, по условиям демонтажа, по положению мембранных элементов и по режиму работы.

По способу укладки мембран используют разделительные элементы четырех типов: 1) аппараты с плоскими мембранными элементами; 2) аппараты с трубчатыми элементами; 3) аппараты с элементами рулонного типа; 4) аппараты с мембранами в виде полых волокон.

Пленочные мембраны входят в состав разделительного элемента и размещаются на пористой опоре-дренаже с подложкой. Иногда подложка играет роль опоры, и в этом случае мембраны размещаются с обеих сторон подложки.

Аппараты с плоскими мембранными элементами выпускают корпусными и бескорпусными, периферийными, с общим или отдельным из каждого элемента выводом пермеата. Элементы выполняют круглыми и квадратными.

Аппарат с плоскими мембранными элементами фирмы ДДС, работающий с растворами при давлении Р = 2 МПа, рН – 14 и температуре до 100 °С. Аппарат представляет собой пакет мембранных элементов 9 эллиптической формы, находящийся между круглыми фланцами 11. Соосность элементов и их затяжка обеспечиваются направляющими штангами 8. Элементы состоят из пластин 7, покрытых с обеих сторон мембранами 6. Отверстия в пластинах и мембранах точно совмещаются и герметизируются со стороны входа разделяемого раствора в отверстие 10 проточным кольцом 5 и со стороны выхода из него – замковым кольцом 4. В проточных кольцах 5 выполнены прорези в радиальном направлении, обеспечивающие подачу раствора из отверстия одного элемента в межмембранный канал и отвод в другое отверстие следующего элемента. Для распределения разделяемого раствора по секциям одно из отверстий на соответствующих элементах перекрывают заглушкой 1. Пер-меат отбирается из мембранных элементов по гибким капиллярным шлангам 2 и собирается в общий коллектор 3. Опорная пластина выполнена в виде двух склеенных пластмассовых дисков с разветвленной сетью внутренних каналов разного сечения для сбора пермеата. Недостатками аппаратов с эллиптическими элементами являются нерациональный раскрой мембран, опорных пластин, конструктивная и монтажная сложность.

В конструкции РХТУ им. Д.И. Менделеева использован секционный модульный метод сборки: секции соединены параллельно, а элементы внутри секций – последовательно. Аппараты имеют следующие характеристики:

Рабочая поверхность мембран, м2	2	80
Производительность по фильтрату, м3/сут.	0,5	20
Рабочее давление, МПа	10	10
Плотность укладки мембран, м2/м3	180	270
Рабочий диаметр мембран, мм	250	370
Число мембран	50	750
Габаритные размеры, мм	350x350x300	600x1000x1200
Масса с водой, кг	50	1000

Аппараты с трубчатыми мембранными элементами можно использовать для разделения систем со взвешенными частицами, где не требуется высокая степень предварительной очистки разделяемых систем.

По конструкциям и способам изготовления элементы делят на три типа: 1) с подачей разделяемых сред внутрь трубки; 2) с подачей разделяемых сред снаружи трубки; 3) с подачей разделяемых сред одновременно внутрь и снаружи трубки.

Основными достоинствами трубчатых мембранных элементов являются низкое гидравлическое сопротивление, равномерное движение потока раствора над мембраной с высокой скоростью, отсутствие застойных зон, возможность механической очистки мембранных элементов от осадка без разборки аппарата, малая металлоемкость при бескорпусном выполнении, компактность установки.

К недостаткам устройств относятся малая удельная поверхность мембран и повышенная точность при изготовлении дренажного каркаса.

Каркасом обычно являются перфорированные металлические трубки, пористые трубки из керамических, металлокерамических, пластмассовых и графитовых композиций и стеклопластиков.

Конструкция блока стеклопластиковых каркасов из семи трубок представлена на р и с. 9. Для уменьшения расхода материалов наружная поверхность труб может быть выполнена в виде шестигранника. Это также придает жесткость корпусу.

Аппараты с элементами рулонного типа имеют высокую удельную поверхность, малую металлоемкость, удобны при монтаже и демонтаже элементов. К недостаткам элементов можно отнести высокое гидравлическое сопротивление межмембранных каналов и сложность монтажа.

Аппараты могут содержать мембранные элементы с несколькими пакетами и одной пермеатотводящей трубкой, совместно навитые рулонные мембранные элементы и рулонные мембранные элементы с несколькими пермеатотводящими трубками или с каналами для сбора пермеата.

В этих аппаратах пермеат поступает под давлением в напорный канал элемента параллельно оси трубки.

Аппараты с мембранами в виде полых волокон благодаря развитой удельной проницаемости и удельной поверхности нашли широкое применение при разделении сред обратным осмосом и ультрафильтрацией.

Полые волокна диаметром 45–900 мкм и толщиной стенки 10–50 мкм применяют в обратном осмосе, а диаметром 200–2000 мкм и толщиной 50–200 мкм – при ультрафильтрации.

В аппарате с параллельным расположением полых волокон волокна собраны в один пучок спирально навитой нитью. Она же обеспечивает зазор между отдельными волокнами. Раствор может подаваться как вдоль поверхности полых волокон, так и по капиллярным каналам этих волокон.

Недостатком таких аппаратов является малая интенсивность перемешивания раствора, жесткое крепление полых волокон в трубных решетках и, следовательно, трудность обработки растворов, содержащих взвешенные частицы.

При непрерывном процессе раствор проходит мембранный аппарат только раз и выходит из установки с заданной концентрацией. Применяют также схемы проточно-циркуляционного типа, где часть концентрата возвращается в исходный раствор, а остальная часть с требуемой концентрацией выводится из системы потребителю.

Из схем соединения модулей одноступенчатые соединения аппаратов используют при разделении низкоконцентрированных растворов, а многоступенчатые – при очистке более концентрированных растворов. В этом случае исходным раствором для следующей ступени служит фильтрат предыдущей ступени, которая работает при более низком давлении.