обратного осмоса Спектр применения технологии обратного осмоса очень широк. Условно его можно классифицировать на две основные группы: 1. Очистка растворителя. В этом случае продуктом является пермеат. 2. Концентрирование растворенного вещества. В этом случае продукт — концентрат. Основное направление, в котором применяется обратный осмос, — очистка воды, главным образом обессоливание (в т.ч. морской) для получения воды, пригодной к употреблению в пищу. Другая важная область — использование обратноосмотических установок на стадии предварительного обессоливания воды при производстве ультрачистой воды для полупроводниковой, медицинской и теплоэнергетической отраслей промышленности. На стадии концентрирования обратный осмос широко используется в пищевой промышленности (концентрирование фруктовых соков, сахара, кофе) и в молочной промышленности (для концентрирования молока на начальной стадии сыроделия), а также при очистке сточных вод (в гальванике для концентрирования гальваностоков). Состав установки обратного осмоса Теперь давайте остановимся на назначении отдельных составляющих установки обратного осмоса. На рис. 1 представлена принципиальная технологическая схема типовой одноступенчатой обратноосмотической установки. На рис. 2 приведен общий вид установки. Первая стадия процесса обратного осмоса — тонкая очистка исходной воды от механических примесей. Обычно для этого используются фильтры патронного типа, размещаемые в однопатронных или мультипатронных фильтродержателях, в зависимости от производительности обратноосмотической установки. По типу такие фильтры относятся к фильтрам периодического действия, работающим под давлением. Механизм работы патронных фильтрующих элементов представляет собой глубинную и/или поверхностную фильтрацию, т.е. механические примеси, задерживаемые фильтрующим элементом, накапливаются внутри слоя фильтрующей перегородки. Вода, очищенная при помощи патронных фильтров, подается на насос высокого давления, назначение которого— достижение расчетного давления для осуществления массообменных процессов, протекающих на полупроницаемых обратноосмотических мембранах. Подбор высоконапорного насоса производится исходя из его рабочих характеристик. При этом рабочая точка насоса должна находиться в диапазоне 0,6–0,7 его максимальной производительности. При невозможности установить «паритет» между давлением и производительностью насоса высокого давления (а это бывает чаще всего) между всасывающим и нагнетающим патрубками насоса устанавливается байпасный вентиль, с помощью которого (по показаниям ротаметра и манометра исходной воды, поступающей на установку обратного осмоса) и достигается требуемый эффект. Регулировка процесса повышения давления исходной воды производится один раз в процессе пусконаладочных работ. Во время эксплуатации обратноосмотической установки только контролируются указанные параметры исходной воды. После того как давление исходной воды повышено, она поступает на модули, в которых размещены обратноосмотические мембраны, где собственно и происходит разделение исходной воды на пермеат и концентрат. У концентрата на выходе из установки обратного осмоса достаточно высокое давление, и его транспортировка к месту сброса или утилизации не вызывает особых трудностей. А давление пермеата редко превышает 1 атм. Поэтому чаще всего его приходится подавать в накопительную емкость, откуда с помощью повышающего насоса он транспортируется для дальнейший очистки. Несколько отдельных обратноосмотических модулей, размещенных параллельно или последовательно по отношению друг к другу, образуют каскад. Задача инженера, проектирующего обратноосмотическуюустановку — собрать модули таким образом, чтобы оптимизировать систему при минимальной себестоимости продукта. Схема потоков в модуле — один из главных факторов, определяющих степень достигаемого разделения. В принципе, в одностадийном или многостадийном процессах обратного осмоса используются две базовые конфигурации потоков: однопроходная система и система с рециркуляцией (рис. 3). В однопроходной системе сырьевой раствор проходит через единственный модуль (одностадийная система) или систему модулей (многостадийная система) только один раз, т.е. рециркуляция отсутствует. Другими словами, объемная скорость потока над мембраной уменьшается по мере продвижения от входа в модуль к выходу из него. В многостадийных однопроходных процессах это снижение потока компенсируется определенной сборкой модулей — так называемая коническая каскадная схема («елочка», рис. 4, а). При такой конфигурации установка может быть спроектирована таким образом, что скорость потока будет фактически постоянной. Для этой системы характерны резкое падение давления и большая общая длина пути над мембраной. Фактор уменьшения объема, т.е. отношение начального объема сырья и объема концентрата, определяется главным образом конфигурацией «елочка», а не приложенным давлением. Другая конфигурация — это рециркуляционная система (рис. 4, б). В этом случае сырье компримируется и прокачивается несколько раз через одну и ту же ступень, состоящую из нескольких модулей. Каждая ступень снабжена рециркуляционным насосом, что позволяет оптимизировать гидродинамические условия. При этом наблюдается лишь небольшое падение давления в каждой ступени и сохраняется возможность регулировать скорость потока и давление. Система рециркуляции гораздо более гибкая, чем однопроходная. Ей отдают предпочтение в процессах микрофильтрации и ультрафильтрации, когда возможны сильная концентрационная поляризация и быстрое отложение осадков на мембранах. В то же время для более простых задач, например, обессоливания морской воды, экономически оправдано применение однопроходной системы. Обратноосмотические мембраны В отличие от микрофильтрации и ультрафильтрации, размеры примесей, задерживаемых в процессе обратного осмоса, ничтожно малы — на уровне молекул, ассоциатов, ионов, кислотных остатков. Благодаря этому растворенные вещества свободно проходят через любые ультрафильтрационные мембраны. Поэтому для процессов обратного осмоса используют более плотные мембраны, с гораздо большим гидродинамическим сопротивлением. Мембраны для обратного осмоса могут рассматриваться как промежуточный тип между мембранами с открытыми порами (микрофильтрационными и ультрафильтрационными) и плотными непористыми (газоразделительными). В противоположность ультрафильтрации и микрофильтрации выбор материала мембраны для обратного осмоса прямо влияет на эффективность разделения. Другими словами, материал, из которого изготовлена мембрана, должен иметь высокое сродство к растворителю (главным образом к воде) и низкое сродство к растворенному компоненту. Под понятием «сродство» имеется в виду высокая проницаемость растворителя через мембрану и низкая проницаемость растворенных соединений. Именно поэтому мембраны, используемые в процессах обратного осмоса, называют полупроницаемыми. Это подчеркивает, что процесс выбора материала мембраны для обратного осмоса становится чрезвычайно важным, поскольку свойства материал-растворитель определяют характеристики (селективность) мембраны. Здесь отчетливо проявляется разница между мембранами для обратного осмоса и микрофильтрационными или ультрафильтрационными мембранами, поскольку эффективность очистки последних определяется в основном размерами пор мембраны, а выбор материала зависит в большей степени от его устойчивости к химическим реагентам или фильтруемой среде. Величина потока, проходящего через обратноосмотическую мембрану,— не менее важная характеристика, чем ее селективность по отношению к различным типам растворенного вещества. Если выбор материала для мембраны основывался на качественных разделительных свойствах материал-растворитель, то величину потока, проходящего через выполненную из этого материала мембрану, можно повышать/ снижать за счет уменьшения/увеличения толщины мембраны. При этом зависимость величины потока будет практически обратно пропорциональна толщине мембраны. По этой причине большинство мембран обратного осмоса — асимметричные, с плотным верхним слоем (толщиной до 1 мкм) и пористой подложкой снизу (толщиной 50–150 мкм). Сопротивление потоку в таких мембранах определяется в основном плотным верхним слоем. Важный класс асимметричных мембран для обратного осмоса, получаемых методом инверсии фаз, — эфиры целлюлозы, в частности, диацетат и триацетат целлюлозы. Эти материалы отлично подходятдля обессоливания, поскольку они высокопроницаемы для воды, но соли через них практически не проходят. Однако, если качественные свойства мембран из этих материалов достаточно хороши, их стабильность по отношению к химическим реагентам, температуре и бактериям довольно низка. Во избежание гидролиза полимера такие мембраны, как правило, используются лишь при рН = 5–7 и температуре ниже 30°С. Среди других материалов, часто используемых для обратного осмоса, выделяются ароматические полиамиды. Они также обладают высокой селективностью по отношению к солям, но поток воды через них немного ниже. Интервал использования полиамидов по рН более широкий — 5–9. Главный недостаток полиамидов (или полимеров с амидной группой вообще) — их чувствительность к свободному хлору (Cl), который вызывает разрушение амидной группы. При этом пленки из таких материалов достаточно толстые — до 150 мкм, что приводит к резкому снижению скорости массопереноса. Однако этот эффект компенсируется чрезвычайно высокой поверхностью мембраны в расчете на единицу объема — удельная поверхность достигает 30 000 м2/м3. Третий класс применяемых мембранных материалов включает полибензимидазолы, полибензимидазолоны, полиамидогидразиды и полиимиды. Однако они весьма специфичны и используются при производстве мембран с определенными свойствами. Различают два типа мембран с асимметричной структурой: ❏интегральные или асимметричные; ❏композиционные. В асимметричных мембранах как верхний слой, так и подложка состоят из одного и того же материала. Производятся такие мембраны методом инверсии фаз. В связи с этим важно, чтобы полимерный материал был растворим в каком-либо растворителе или смеси растворителей. Так как большинство полимеров удовлетворяют этому условию, в принципе можно изготовить асимметричную мембрану почти из любого материала. Однако это не означает, что она окажется пригодной для обратного осмоса. В композиционных мембранах верхний рабочий слой и подложка под ним состоят из разных полимерных материалов, что позволяет оптимизировать каждый слой по отдельности. Первая стадия получения композиционной мембраны — приготовление пористой подложки, важные характеристики которой— ее поверхностная пористость и распределение пор по размерам. В качестве подложки часто используют ультрафильтрационные мембраны. В настоящее время на рынке представлены мембраны двух основных типов: из ацетилцеллюлозы (смесь моно-, ди- и триацетата) и ароматических полиамидов. Краткие физико-химические характеристики указанных мембран приведены в табл. 1. Мембраны собираются в обратноосмотические модули (элементы). По своим конструктивным особенностям обратноосмотические элементы различаются на спирально навитые и половолоконные. В настоящее время наиболее востребованы спирально навитые модули. Конструктивно они представляют собой две мембраны, навивающиеся на центральную трубу, по которой отводится фильтрат (рис. 5). Раствор, подлежащий деминерализации, протекает параллельно центральной трубе через щель, образованную прокладкой (обычно из пластиковых сеток) между двумя активными поверхностями мембран. Фильтрат (пермеат) собирается внутри пористого материала и по нему движется к центральной трубе. Модули из полых волокон. Полые волокна соединяются в толстостенный пористый цилиндр (рис. 6), прочность которого зависит от соотношения наружного и внутреннего диаметров. При условии, что это соотношение остается постоянным по мере того, как оба диаметра увеличиваются, механическая прочность цилиндра сохранится вопреки снижению толщины стенок, что увеличивает расход воды, проходящей через стенку. Благодаря этому свойству создана мембрана с максимальной площадью поверхности на единицу объема, которая в то же время способна противостоять высокому давлению без механического усиления. Несколько сотен тысяч волокон,сложенных в виде буквы U, монтируют внутри напорного резервуара из стекловолокна. Очищаемая вода под давлением распределяется радиально внутри модуля с помощью пористого или перфорированного коллектора, проходящего по всей длине модуля. Под действием давления снаружи волокон чистая воды поступает сквозь стенки волокон в центральный канал, по которому она проходит через непроницаемую пластину из эпоксидной смолы, где закреплены свободные концы волокон. Затем вода собирается пористым диском и выводится из модуля. Концентрат оседает в пространстве между наружными поверхностями волокон и выводится через отверстие, расположенное с той же стороны модуля, где вход исходной воды. Обратноосмотические модули собираются в пакеты внутри специальных держателей, обеспечивающих как герметизацию торцов модулей, так и их «работу». Конструктивно модуль представляет собой полый цилиндр с рядом уплотнительных элементов, изготовленных из армированного стекловолокна или нержавеющей стали. Поляризационные явления и отложения на поверхности Следует учитывать, что в процессе функционирования производительность мембраны, или, правильнее сказать, производительность всей системы, со временем может очень сильно измениться, часто наблюдается уменьшение потока (рис. 7). Основная причина снижения производительности связана с возникновением явления концентрационной поляризации у поверхности мембраны, забиванием пор мембраны и отложением осадков на ее поверхности. Уменьшение скорости потока оказывается особенно критичным в процессах микрофильтрации и ультрафильтрации, в которых очень часто используется тупиковый метод фильтрации. В этом случае достаточно часто возникает ситуация, когда поток фильтрата составляет менее 5% от потока исходной воды. В общем, поток фильтрата через мембрану определяется отношением движущей силы процесса к произведению вязкости фильтруемой среды и общему сопротивлению транспорту. Снижение потока фильтрата может быть вызвано несколькими причинами — концентрационной поляризацией, адсорбцией, образованием слоя геля и забиванием пор. Все эти факторы создают дополнительное сопротивление прохождению через мембрану. Вклад этих эффектов в общее сопротивление транспорту через мембрану в основном определяется типом мембранного процесса и свойствами фильтруемой среды, подающейся на мембрану. На рис. 8 схематически изображены все типы дополнительных сопротивлений, возникающих на мембране. В идеальном случае на скорость потока фильтрата должно сказываться только мембранное сопротивление Rm. Однако если мембрана пропускает преимущественно какой-то из компонентов, а в некоторых случаях полностью удерживает растворенные вещества, это приводит к накоплению молекул, неспособных проникать через мембрану, вблизи ее поверхности. Таким образом около мембраны возникает высококонцентрированный слой растворенных веществ, препятствующий массопереносу. Такое сопротивление называют сопротивлением концентрационной поляризации Rcp. Поляризационные явления наблюдаются во всех мембранных процессах. Со временем концентрация накапливающихся у поверхности мембраны растворенных веществ может стать очень высокой и вызывать образование слоя геля. Этот гелеподобный слой (даже очень тонкий) создает огромное дополнительное сопротивление потоку исходной жидкости (Rg), порой приводящее к полному прекращению процесса разделения. Такое явление весьма характерно для высокомолекулярных органических веществ (например, для растворов белков). Особенность возникновения гелеподобных отложений на поверхности мембраны — процесс выпадения в осадок на поверхности мембран некоторых малорастворимых солей в результате их концентрирования. С такими явлениями чаще всего сталкиваются при обратноосмотической фильтрации солоноватых вод из глубоких артезианских скважин (отложения малорастворимых солей кальция, магния, например, карбонатов или сульфатов). При использовании пористых мембран некоторые компоненты могут проникать внутрь и блокировать поры. Это дополнительное сопротивление называют сопротивлением блокированных пор Rр. И, наконец, к возникновению сопротивления может приводить адсорбционная способность материала мембраны Ra, возникающая как на поверхности мембраны, так и на стенках пор. Как правило, вклад этого фактора в общее сопротивление невелик (исключение — процессы разделения высокомолекулярных веществ с ассиметричным строением и наведенным дипольным моментом). Снижение скорости фильтрации отрицательно сказывается на техникоэкономических показателях как каждой мембранной операции, так и работы установки в целом. Поэтому необходимо предпринимать определенные меры для устранения причин, связанных с этим явлением. Эксплуатация системы В начале этого раздела надо отметить тот факт, что не существует ни одной обратноосмотической установки, которая устойчиво бы работала без надлежащего выполнения всех регламентированных работ. Даже правильная эксплуатация не всегда может предотвратить образование застойных зон воды. Давайте разберемся с термином «надлежащая или правильная эксплуатация». Применительно к обратному осмосу это понятие включает в себя не только тщательное выполнение операций по поддержанию технологических параметров работы самой установки, но и системы предварительной подготовки исходных растворов, замену фильтрующих элементов, и пр. и пр. При правильной эксплуатации обратноосмотических систем нельзя обходить вниманием такие операции, как стандартная очистка и дезинфекционная обработка мембран. Ключом к определению циклов очистки и дезинфекционной обработки должны служить следующие критерии: перепад давления на установке, производительность, скорости потоков, температура, и уровень микробиологического загрязнения. Существуют два общих правила для того, чтобы определить необходимость проведения промывки и дезинфекции обратноосмотической системы: ❏когда производительность установки уменьшается на 10–15 %; ❏при проявлении тенденции к уменьшению скорости потоков и росту перепада давления. В случае если система работает не постоянно, необходимо запрограммировать автоматическое включение циркуляции потока в течение 15 мин через каждые 4 часа простоя. Это поможет предотвратить формирование отложений (прежде всего, биопленки). Дозирование химических реагентов для обратноосмотических систем обязательно. Резервуары подачи таких химикатов, как антискалат, коагулянт, хлор, или восстановителей (например, метабисульфит натрия) могут самостоятельно стать источниками загрязнения. Чтобы предотвратить это тщательно изучите все рекомендации поставщиков системы и изготовителя химических реагентов, тем самым вы определите оптимальные условия эксплуатации резервуаров. Наиболее рациональными подходами решения данной проблемы часто становятся использование постоянных поставщиков, полная замена запасов реагента и полная очистка резервуаров. Способы борьбы с засорением мембран Для определения способа (способов) борьбы с отложениями на поверхности мембран, прежде всего следует проанализировать причины падения потока. Надо суметь отличить, вызвано ли снижение производительности явлением концентрационной поляризации или отложением осадков на мембранах. И хотя эти явления, как правило, связаны (второе часто оказывается результатом первого), возможны варианты, когда отложения осадков на мембранах являются результатом процессов, напрямую не связанных с явлением концентрационной поляризации. Все отложения загрязнений, возникающих на мембранах, грубо можно подразделить на три вида: 1. Осадки органических веществ (макромолекулы, биологические вещества, микробиологические пленки и др.); 2. Осадки неорганических веществ (гидрооксиды металлов, кальциевые соли и т.д.); 3. Твердые частицы и коллоидные примеси. Способы борьбы с возникновением отложений на мембранах в силу своей сложности и необходимости индивидуального анализа каждой ситуации будут рассмотрены в самом общем виде. Подготовка исходных фильтруемых растворов Методы обработки исходных растворов могут включать: тепловую обработку, регулирование рН, добавление комплексообразующих агентов, биоцидов, коагулянтов, адсорбцию на активированном угле, химическое осветление растворов, катионирование, предварительные микрофильтрацию и ультрафильтрацию. Правильный выбор метода подготовки растворов — первый шаг к снижению забивания мембран. Часто много времени и усилий затрачивается на очистку мембран, тогда как о стадии предварительной обработки исходного раствора просто забывают. Как мы уже убедились, степень насыщения пермеата ингредиентами, присутствующими в исходной воде, зависит от типа используемого мембранного обратноосмотического элемента, а также от материала самой мембраны. Обычно если вода подготовлена достаточно корректно, степень ее обессоливания в процессе обратного осмоса составляет 95–98 %, то есть электрическая проводимость пермеата находится в пределах от 20 до 50 ⋅S или в пересчете на удельное сопротивлениеводы 20–50 кОм⋅cм. Что означает термин «корректно подготовленная вода»? Хочу обратить ваше внимание на показатели содержания отдельных ингредиентов в исходной воде, значения которых определяют эксплуатационные характеристики установок и надежность их работы. Величины содержания указанных веществ приведены в табл. 2. Для сравнения там же даны значения этих же веществ согласно требованиям СанПиН 2.1.4.1074. Различия в требованиях, предъявляемых к исходной воде СанПиНом и обратноосмотическими установками, затрагивают только органолептические показатели качества, наличие взвешенных веществ и цветности воды. Поэтому большое внимание следует уделить процессам предварительной подготовки исходной воды перед тем, как она будет направлена в обратноосмотическую установку. Особое внимание следует сосредоточить на содержании активного хлора. Как было отмечено выше, он весьма отрицательно воздействует на обратноосмотические мембраны и вызывает их деструкцию (разрушение). Поэтому, если в процессе предварительной очистки воды используются хлорсодержащие агенты, следует обязательно вводить стадию адсорбционной очистки воды на активном угле. Этот же процесс поможет снизить такой показатель, как окисляемость воды, отвечающий за общее содержание органических соединений в исходной воде. Изменение свойств мембран Склонность к образованию осадков зависит от свойств мембраны. Так, забивание пористых мембран (микрофильтрационных, ультрафильтрационных) выражено значительно сильнее, чем для плотных или непористых мембран (обратноосмотических). Гидрофильные мембраны менее склонны к засорению по сравнению с гидрофобными. В частности высокомолекулярные органические соединения, как правило, сильнее адсорбируются на гидрофобных поверхностях, с которых их труднее удалить, чем с гидрофильных. Заряженные (особенно отрицательно) мембраны также менее склонны к забиванию, особенно в присутствии отрицательно заряженных коллоидных частиц в исходной воде. Изменение режимных параметров При снижении концентрационной поляризации степень засорения мембран также снижается. Концентрационнуюполяризацию можно снизить, увеличивая коэффициенты массопереноса, т.е. за счет роста скорости потока, его турбулизации, или используя мембраны меньшей производительности. Очистка мембран Следует различать три типа процессов очистки поверхности мембран: гидравлическую, механическую и химическую. Выбор метода очистки зависит главным образом от конфигурации мембранного модуля, химической стабильности мембраны и типа загрязнений. 1) Гидравлическая очистка. Включает в себя обратную промывку, которая пригодна только для микрофильтрационных и крупнопористых ультрафильтрационных мембран; 2) Механическая очистка применима только для трубчатых мембранных систем; в ней используются губчатые шары большего диаметра, чем у трубчатой мембраны; 3) Химическая очистка — наиболее действенный и важный метод борьбы с засорами обратноосмотических мембран. В этом случае используется целый ряд химических реагентов, как в индивидуальном виде, так и в различных комбинациях. В зависимости от химической устойчивости мембран здесь очень важно правильно выбрать реагент, его концентрацию и время очистки. 4) Дезинфекционная очистка — один из методов химической обработки мембран. Реагенты для очистки В табл. 3 приведены химические реагенты, обычно используемые для химической обработки обратноосмотических мембран. Перед проведением химической обработки следует проверить совместимость мембраны с выбранным для проведения дезинфекции химическим реагентом, а также определить рекомендуемое время контакта между ними (табл. 3). Все растворы готовятся на пермеате, вырабатываемом обратноосмотической установкой. Обычная процедура очистки включает в себя рециркуляцию химического агента в течение 20–30 мин, экспозицию раствора в течение 20–30 мин, дополнительную рециркуляцию в течение 15–20 мин, смыв раствора с внутренней поверхности установки очищенной водой. Такая операция проводится для каждого из применяемых химических агентов. Одновременное использование двух и более реагентов в одном растворе недопустимо, т.к. они могут вступить между собой в химическую реакцию и/или образовывать соединения, которые вызывают деструкцию обратноосмотических мембран. Сверхчистая вода Известно, что в некоторых отраслях промышленности предъявляются особые требования к качеству воды, которым не соответствует даже питьевая вода. Из воды должны быть удалены ионы, бактерии, органические вещества и любые загрязнения в коллоидном состоянии максимально возможной степени, и для этой цели часто используются мембранные процессы. Это типичный пример, когда один мембранный процесс не дает продукта требуемого высокого качества и необходима комбинация процессов (гибридные процессы). При проектировании процесса разделения необходимо знать требования к конечному продукту. В этом случае важными параметрами, характеризующими чистоту воды, являются электропроводность, общий органический углерод (ООУ), а также число частиц и бактерий в единице объема. Для получения воды необходимого качества для таких производств используется гибридная сепарационная система, а именно комбинация обратного осмоса и ионного обмена или обратного осмоса и электродеионизации. Об особенностях получения сверхчистой воды мы расскажем вам в наших дальнейших публикациях. РИСУНКИ:1~1~; 2~2~;3~3~;4~4~;5~5~; 6~6~;7~7~;8~8~; ТАБЛИЦЫ:1~9~;2~10~;3~11~;