Мембранные технологии в промышленной водоподготовке. Физико-химические основы мембранных процессов

1. Мембранные технологии в промышленной водоподготовке

Физико-химические основы
мембранных процессов
1

2.

Движущей силой мембранных
процессов может быть:
• Температура
первапорация)
(мембранная
дистилляция,
• Концентрация (диализ, осмос, газоразделение)
• Электрический
потенциал
электродеионизация)
(электродиализ,
• Градиент давления
2

3.

Для изопористых мембран функциональная
связь диаметра пор и необходимого давления
следует из капиллярной модели ХагенаПуазейля, представляющей поры в виде
цилиндров,
проходящих
через
мембрану
перпендикулярно ее поверхностям
N r p r p
J
8 d
8 d
4
2
Где J - объемный поток через мембрану, N - число пор
на единицу поверхности, r - радиус поры, p - разность
давлений на сторонах мембраны, - вязкость раствора,
d - толщина мембраны, - пористость.
3

4.

Принцип действия прямого
осмоса
Полупроницаемая
4

5.

Осмотическое давление
10 c R T
M
3
Где π – осмотическое давление раствора, Па; Δс – разность
концентраций растворенного вещества по обе стороны
полупроницаемой мембраны, г/дм3; R – универсальная газовая
постоянная, 8,314 Дж/(моль·К); Т – абсолютная температура
раствора, 0К;М – молярная масса растворенного вещества,
г/моль.
5

6. Коэффициент Вант-Гоффа

Коэффициент Вант-Гоффа равен среднему суммарному числу
частиц, образующихся при электролитической диссоциации
одной молекулы:
i 1 1
Где – общее число ионов, образующихся при диссоциации
одной молекулы; α – степень диссоциации растворенного
вещества.
6

7.

Зависимость осмотического давления
раствора хлорида натрия в области
малых концентраций
7

8. Для сильных электролитов, полностью диссоциирующих на ионы, используется уравнение:

ФcRT
Где Ф – практический осмотический
коэффициент
В разбавленных растворах Ф очень близок к единице и
осмотическое давление пропорционально концентрации.
С увеличением концентрации Ф может меняться
произвольным
образом
(увеличиваться,
снижаться,
проходить через экстремумы) и быть как больше, так и
меньше единицы.
8

9. Зависимость осмотического давления различных веществ в больших концентрациях

9

10. Примеры расчета осмотических давлений для различных водных растворов

1.Для раствора NaCl концентрацией 35 г/дм3 (примерно
равной солесодержанию океанской воды) и молекулярной
массе 58,5 г/моль при Т = 298 К:
103 2 35 8,3 298
29, 6 105 Па = 29,6 бар
58,5
2.Для раствора вещества концентрацией
молекулярной массе 500 г/моль при Т = 298 К
35
г/дм3
и
103 2 35 8,3 298
3,5 105 Па = 3,5 бара
500
3.Для раствора альбумина концентрацией 35 г/дм3 и
молекулярной массе 65000 г/моль при Т = 298 К
103 2 35 8,3 298
2,7 103 Па = 0,027 бар
65000
10

11.

Принцип действия обратного
осмоса
11

12. Коэффициенты очистки для обратного осмоса и нанофильтрации

Обратный осмос
Коэффициенты очистки по
одновалентным ионам Na+, K+,
Cl–, NO3–, HCO3–
50–100
Коэффициенты очистки по
более 100
двухвалентным Ca2+, Mg2+, SO42–
Нанофильтрация
Коэффициенты очистки по
одновалентным ионам
10 - 50
Коэффициенты очистки по
70 -100
двухвалентным Ca2+, Mg2+, SO42–
12

13. Тупиковое фильтрование

«Тупиковое» или фронтальное фильтрование (“dead-end
filtration”). При тупиковом фильтровании поток раствора
подается перпендикулярно поверхности мембраны и
фильтруется через нее. Все загрязнения собираются на
поверхности или в объеме мембраны, образуя слой
твердых отложений.
13

14.

Зависимость количества воды, очищенной на
одном патроне серии ЭФМ, от размера его пор
14

15. Графики зависимости производительности элементов ЭПМ.К от давления по дистиллированной воде

15

16.

График зависимости производительности
элементов ЭПМ.К от давления по
дистиллированной воде
16

17. Регенерация обратным током фильтрата

17

18. При тангенциальном фильтровании (“cross-flow filtration”) входящий поток исходной воды подается вдоль поверхности мембраны;

Тангенциальное фильтрование
При тангенциальном фильтровании (“cross-flow filtration”)
входящий поток исходной воды подается вдоль
поверхности мембраны; прошедший через мембрану
очищенной раствор (фильтрат, пермеат) непрерывно
отводится из системы. Выходящий со стороны,
противоположной вводу воды, раствор не прошедший
через мембрану и содержащий основную часть
18
загрязнителей, называется концентрат.

19. Концентрационная поляризация

Концентрационной поляризацией называется
формирование у поверхности мембраны тонкого
пограничного слоя, в котором, вследствие
преимущественного переноса через мембрану
молекул воды, концентрация растворенного
вещества оказывается больше, чем в исходном
растворе.
Это приводит к падению производительности вследствие
уменьшения эффективного давления, так как в этом слое
возрастает осмотическое давление раствора, а также к
ухудшению качества фильтрата.
Концентрационная
поляризация
способствует
пересыщению раствора по солям у поверхности мембраны
и отложению на ней малорастворимых солей.
19

20.

20

21.

Rист
Rнабл
Cm Cф
Cm
Свх Сф
Свх
1
1
Cф
Сm
Сф
Свх
1
2
21

22. Схема распределения концентраций у поверхности мембраны в условиях концентрационной поляризации при турбулентном течении

разделяемого раствора
Сm 1 набл
3
КП
Св х 1 ист
22

23.

dc
dc
D
G c G cф 4 D
G c cф 5
dy
dy
dc
G
dy 6
c cф
D
сm
dc
G
G
сm
c c cф D dy ln c cф cвх D 7
вх
0
cm cф
G
G 9
ln
8
exp
св х сф D
св х сф
D
cm cф
23

24.

Полагая, что ,
cm , cв х сф из (9) и (3):
G 10
сm
КП
exp
cвх
D
Преобразования из (8), (1) и (2) дают:
Rист 1 Rнабл G
ln
ln
св х сф
Rнабл 1 Rист D
cm cф
11
1 Rнабл G
1 Rист
ln
Rнабл
Rист
24

25. Зависимость величины концентрационной поляризации от критерия Рейнольдса, для мембран с различной удельной производительностью

1 – G=1л/м2 ·час, 2 – G=10-30 л/м2*час, 3 – G> ~40л/м2*час
25

26. Способы снижения концентрационной поляризации

1. Перемешивание
2.Изменение конфигурации межмембранных каналов
3.Повышение температуры
26

27. Принципиальная схема мембранной установки с рециркуляцией концентрата

Питательная
вода
4
5
Концентрат
1
2
3
Фильтрат
1 – Емкость; 2 – Насос; 3 – Мембранный элемент (модуль);
4 – Клапан регулирующий рециркуляцию концентрата; 5 –
27
Клапан регулирующий вывод концентрата.

28. Коллоидный индекс

Коллоидный индекс Silt Density Index (SDI) индекс плотности взвешенных частиц в единице
объема воды, (индекс «забивания» мембраны) определяет
снижение
производительности
мембран за счет образования на их поверхности
загрязнений, состоящих из взвешенных и
коллоидных микрочастиц.
Коллоидный индекс (SDI) - это расчетная
величина,
вычисляемая
по
результатам
тестирования скорости засорения мембранного
фильтра с рейтингом 0,45 мкм в строго
определенных условиях.
28

29.

Методика определения коллоидного индекса основана на
замере времени фильтрования заданного объема
исходной воды через калиброванную мембрану с
диаметром поровых каналов 0,45 мкм при давлении 2 атм
(30 psi) 10.
При определении SDI-индекса производятся замеры:
•время фильтрования первых 500 мл исходной воды (t1);
•время фильтрования следующих 500 мл исходной воды,
которое замеряется через 5, 10 и 15 мин после окончания
первого замера (t5, t10, t15), в зависимости от качества исходной
воды.
Коллоидный индекс, общее время измерения которого обычно
составляет 15 минут, вычисляется по формуле:
t1
1 100
t15
КИ15
15
29

30. Установка для измерения коллоидного индекса

Е1 – Емкость с раствором;
Е2 – Градуированная емкость на 500 мл;
Н1, Др1, Р1, М1, В1 - Система поддержания
давления 2,5-3,0 бар (вентили, манометры,
редукторы и др.);
Ф1 - Фильтродержатель с мембранным фильтром
с размером пор 0,45 диаметром 47 мм.
30

31. Значения SDI - индекса для типичных природных источников вод

Тип исходной
воды
Максимум Минимум
SDI
SDI
Артезианская
5
2
Поверхностная
175
5
31