Мембранные технологии очистки воды

1. Презентация на тему мембранные технологии очистки воды

2.

Традиционные способы очистки воды - механические,
химические или реагентные - не обеспечивают в большинстве
случаев необходимую эффективность очистки. Особый интерес
вызывают мембранные методы разделения - обратный осмос,
ультрафильтрация и микрофильтрация, позволяющие очищать
воду от солей, органических веществ, коллоидов и взвесей.

3.

Мембранные системы водоподготовки, промышленное освоение
которых началось примерно с 1985 года, в настоящее время
применяются практически во всех отраслях, потребляющих
очищенную воду.

4.

5.

Технологический процесс
Эффективность,
р./м2 мембран
Опреснение солоноватых вод
326
Получение сверхчистой воды
230
Комплексная переработка обезжиренного молока и молочной 600
сыворотки
Хранение сельскохозяйственной продукции
400–2500
Экспресс-анализ белков сыворотки крови
80
Стерилизующая фильтрация медпрепаратов
72
Очистка сточных вод гальванических производств
140
Утилизация коллоидного серебра в производстве и обработке 1500
кинофотоматериалов
Утилизация лакокрасочных материалов в машиностроении
1430

6.

Первые искусственные мембраны были изготовлены в XIX веке из
обработанной в азотной кислоте клетчатки (целлюлозы) – сырья,
которое является ничем иным как оболочками растительных клеток, то
есть природными мембранами. Из нитрата целлюлозы научились делать
целлулоид, а позднее целлофан, но с обнаруженной у них
микропористостью активно боролись, так как хотели получить в первую
очередь защитные материалы, непроницаемые для воздуха и влаги. И
только в 1960 году Лоэбом и Соурираджаном была изобретена мембрана
из другого вида модифицированной целлюлозы – ацетата, которая была
уже пригодна для практического применения

7.

Мембраны, как и другие фильтрующие материалы, можно рассматривать
как полупроницаемые среды: они пропускают воду, но не пропускают,
точнее, хуже пропускают некоторые примеси. Однако если обычное
фильтрование применяют для удаления из воды относительно крупных
образований – дисперсных и крупных коллоидных примесей, то
мембранные технологии – для извлечения мелких коллоидных частиц, а
также растворенных соединений. Для этого мембраны должны иметь
поры очень малого размера.

8.

Единственным недостатком мембран для очистки воды является
невозможность удаления ГАЗОВ. Для этого исользуются уже другие
мембраны для разделения газов ( из других материалов и с применением
других технологий и давления (порядка 6,5 Мпа))

9.

Движущей силой, заставляющей жидкость проникать через препятствие в
виде тонкой перегородки, может быть:
• а) приложенное давление;
• б) разница концентраций растворенных веществ;
• в) разница температур по обе стороны перегородки;
• г) электродвижущая сила.
В этой части мы ограничимся рассмотрением баромембранных явлений –
процессов разделения под действием давления.

10.

Основное отличие мембран от обычных фильтрующих сред состоит в том, что они
тонкие, и удаляемые примеси задерживаются не в объеме, а только на поверхности
мембраны.
Грязеемкость поверхности, очевидно, гораздо меньше, чем у объема. Казалось бы,
мембрана должна из-за этого очень быстро засориться и перестать пропускать воду.
Так бы оно и было, если бы в мембранном фильтре не происходило постоянного
самоочищения мембраны.
Для этого применяется так называемая «тангенциальная» схема движения воды в
аппарате, при которой собирают воду с обеих сторон мембраны: одна часть потока
проходит через мембрану и образует фильтрат (или пермеат), то есть очищенную
воду, а другую направляют вдоль поверхности мембраны, чтобы смывать
задержанные примеси и удалять их из зоны фильтрации. Эта часть потока называется
концентратом или ретентатом, и обычно ее либо сбрасывают в дренаж, либо
(например, при очистке гальванических стоков) отводят для дальнейшей обработки и
выделения нужных компонентов. Таким образом, узел мембранной фильтрации имеет
один вход и два выхода, и часть воды постоянно расходуется на очистку мембраны.

11.

С точки зрения технологических возможностей различают мембраны для
ультрафильтрации, нанофильтрации и обратного осмоса.
В этом ряду размер пор уменьшается, а рабочее давление растет.

12.

Виды мембран по размерам пор
1 атм =0,98бар=10^5 Па
Ультрафильтрационные мембраны
имеют наиболее крупные поры диаметром от 1 до 0,05 микрон (1 мкм=10-6 м) и
работают обычно при давлениях 2-5 бар. Они применяются, например, для
доочистки питьевой водопроводной воды от коллоидных и высокомолекулярных
загрязнений, если не требуется корректировка ее солевого состава.

13.

Нанофильтрационные элементы
(поры 5-50 нм, или 0,05-0,005 мкм) используют для умягчения воды с
повышенной жесткостью, для удаления ионов тяжелых металлов и
хлороорганики. Одновалентные ионы, такие как Na, K, Cl, NO3 задерживаются
слабо – в среднем не более 10-30%. Рабочее давление нанофильтрации обычно не
превышает 5-7 бар.

14.

Обратноосмотические мембраны
имеют поры диаметром менее 10 нанометров (менее 0,01 мкм), работают при
давлениях до 100 бар и позволяют осуществлять глубокое обессоливание, или
деминерализацию. Обратный осмос применяют для получения сверхчистой воды
для производственных нужд, а также для опреснения морской и солоноватых
подземных вод, причем степень обессоливания (селективность) составляет обычно
не менее 92-97%.

15.

Типы мембранных элементов
Мембраны могут иметь различную геометрическую форму: трубчатые,
половолоконные и плоские.

16.

Трубчатые мембраны представляют собой трубки диаметром от нескольких
миллиметров до 1-2 см, изготовленные из пористого материала, например
керамики. При этом они могут быть симметричными или асимметричными.
Симметричная мембрана имеет одинаковую пористость по всему объему
материала. У асимметричной же трубки на одной из поверхностей – наружной
или внутренней – при изготовлении формируют тонкий слой такого же или
другого материала с гораздо большей плотностью. Этот слой и является
работающим, так как именно он определяет задерживающую способность
мембраны. Более крупнопористый материал играет роль подложки-носителя с
дренажными свойствами. Подача очищаемой воды осуществляется со стороны
рабочей поверхности.

17.

Мембраны в виде полых волокон (Hollow Fibre) тоже имеют трубчатую форму, но их
диаметр составляет обычно от 0,1 до 0,5 мм. Из-за такого малого размера в единицу
объема фильтровального аппарата можно поместить огромное количество волокон, и
их суммарная рабочая поверхность будет в десятки и даже сотни раз выше, чем у
трубчатых мембран большого диаметра

18.

Плоские мембраны - производят в виде пленок (thin film), которые могут быть
бесподложечными (однородное вещество), армированными (с тканевой основой и
нанесенным пористым материалом) и подложечными (с подложкой из крупнопористого
материала и нанесенным рабочим слоем).

19.

ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПРОЦЕССОВ МЕМБРАННОГО РАЗДЕЛЕНИЯ
1.Поток очищенной воды прямо пропорционален площади мембраны.
2. Поток воды через мембрану тем больше, чем выше приложенное давление.
3. Производительность мембраны тем выше (при прочих равных условиях), чем тоньше мембрана. Для
многослойных мембран учитывают толщину самого плотного рабочего слоя.
4. Повышение температуры воды уменьшает ее вязкость и вследствие этого повышает пропускную
способность мембраны. Увеличение потока составляет примерно 3% на каждый градус Цельсия.
5. Производительность мембраны снижается при увеличении концентрации примесей.
6. Фильтрование воды через крупнопористые мембраны можно проводить при любом давлении.
Однако, когда размер отверстий мембранной перегородки становится столь мал, что приближается к
размерам молекул, картина принципиально меняется.

20.

ЗАГРЯЗНЕНИЕ МЕМБРАН И ИХ ПРОМЫВКА
Чем больше в исходной воде веществ с низкой растворимостью или
взаимодействующих с материалом мембраны, тем больше вероятность ее
загрязнения (fouling).
Главная причина такого рода проблем – так называемая концентрационная
поляризация, то есть локальное повышение концентрации примесей вблизи рабочей
поверхности мембраны. Механические и коллоидные частицы в таких условиях
имеют тенденцию к укрупнению и образованию агрегатов, которые могут
отлагаться на мембране, блокируя ее. Для солей с относительно низкой
растворимостью повышение концентрации тоже может вызвать образование
осадка.
Для того чтобы снизить интенсивность загрязнения, оптимизируют
конструкцию мембранных элементов и схему их подключения друг с
другом, если установка многоступенчатая. При этом добиваются как можно
большей линейной скорости движения воды вдоль поверхности мембраны,
в том числе за счет рециркуляции концентрата, и максимальной
турбулентности потока.

21.

Основные методы очистки мембран
1) Гидравлическая очистка обратным потоком пермеата. Речь идет о
периодической подаче пермеата из-под мембраны в камеру исходного раствора.
При этом в камере снимают давление, но продолжают прокачивать раствор.
Схема такой очистки показана на рисунке (Способ применим для мембран с
высокой механической прочностью.)

22.

Основные методы очистки мембран
2) Гидравлическая очистка реверсивным потоком концентрата.
Здесь речь идет о периодической смене направления движения исходного потока
вдоль мембраны. Принципиальная схема осуществления способа показана на
рисунке
3) Механическая очистка мембран с помощью мягких губчатых тел, которые
проталкиваются вдоль мембраны потоком исходного раствора, снимая с
поверхности гелевые и осадочные образования.

23.

Химическая очистка
Химическая очистка мембран периодическим заполнением межмембранных каналов
химическими реагентами, растворяющими образовавшиеся отложения. Очень важно
правильно выбрать моющее средство, которое не должно растворять мембрану, а
также подобрать его концентрацию и режим мойки.
Очистка заключается в промывке мембран различными моющими растворами.
Эффективность такой очистки обусловлена правильностью подбора реагентов,
действие которых заключается в переводе отложений в растворимую форму. Для
правильного подбора реагента надо знать структуру и состав загрязнений, а также
стойкость мембран по отношению к этому реагенту и ее адсорбционные свойства.
Как правило, эффективная мойка проходит при сочетании нескольких реагентов.
Рассмотрим их далее.

24.

Неорганические и органические кислоты.
Используют соляную, серную и азотную кислоты, а также лимонную, винную, щавелевую,
глюконовую и другие органические кислоты. Некоторые из них работают как растворяющие
вещества, некоторые как комплексоны, способствующие растворению. Поэтому кислотная
мойка – это всегда сложный, многоступенчатый процесс с различными добавками:
карбометилцеллюлоза, ПАВ, растворители органические, фториды аммония и натрия и др.
Обычно последовательность операций такая: раствор кислоты – чистая вода – раствор кислоты
с комплексоном – чистая вода – раствор кислоты с ПАВ – чистая вода – раствор щелочи –
чистая вода. Часто промывку проводят с повышением температуры, увеличенной скоростью
циркуляции, с барботированием воздуха, длительное время. Практикуют промывку под
высоким давлением для очистки пор, тогда растворившиеся загрязнения проходят в дренажные
каналы. Это надо учитывать при конструировании установок.

25.

Сильнодействующие растворители.
Ограничения на их применение связаны с хим. стойкостью мембран. Поэтому хорошо
отмываются керамические мембраны диоксаном, этилацетатом. Фенол, крезол, гидрохинон
годятся для отмывки ацетатцеллюлозных мембран, но надо соотносить их с санитарными
требованиями к получаемому продукту.

26.

Спирты.
Метиловый, этиловый, изопропиловый спирты практически не
взаимодействуют с полимерами, моют быстро и хорошо сами
отмываются водой. Их моющая активность еще более усиливается,
когда их смешивают с эфирами, алкиламинами, аминоспиртами и
ПАВ. Сами спирты – еще и гидрофилизирующие вещества, в то
время как почти все остальные средства уменьшают
гидрофильность мембран, ее надо восстанавливать.
Поверхностно-активные вещества.
Выбор ПАВ сложен из-за их различной адсорбционной способности на поверхности мембран.
В любом случае после мойки надо проводить их десорбцию, которая не всегда проходит до
конца. Поэтому не рекомендуется использовать для промывки катионные ПАВ и амфолиты.
Сложно работать с сильно пенящимися ПАВ. Выбор ПАВ опять же определяется
требованиями к продукту.
Другие моющие средства.
Широко применяют растворы каустической соды, гипохлорид Na, щелочи, аммиачную воду,
гексаметафосфат Na, суспензию активированного угля, полиэтиленгликоль и другие.

27.

В Таблице приведены химические реагенты, обычно использующиеся для химической обработки
Обратно Осмотических-мембран. Перед проведением химической обработки следует проверить
химическую совместимость мембраны с выбранным для проведения дезинфекции химическим
реагентом, а также определить рекомендуемое время контакта между ними.
Все растворы готовятся на пермеате, вырабатываемом ОО-установкой. Обычная процедура очистки
включает в себя рециркуляцию химического агента в течение 20-30 минут, экспозицию раствора в течение
20-30 минут, дополнительной рециркуляцию в течение 15-20 минут, смыв раствора с внутренней
поверхности установки очищенной водой. Такая операция проводится для каждого из применяемого
химического агента. Одновременное использование двух и более реагентов в одном растворе не допустимо,
т.к. они могут вступать между собой в химическую реакцию и/или образовывать соединения, которые
вызывают деструкцию ОО-мембран.

28.

Стерилизация мембран.
Стерилизация необходима как очистка от
микробного загрязнения при обработке
медицинских и пищевых продуктов, а также при
консервации аппаратов на срок более 5 суток.
Стерилизующих агентов много, лучший из них –
водяной пар с температурой 120оС. Однако очень
немного мембран и конструкционных элементов
выдерживают эту температуру. Поэтому для
химической стерилизации используют формалин
(0,5-2%-ный раствор формальдегида), а также
слабые растворы (рН 4,5-6) органических кислот –
муравьиной, лимонной, фумаровой, уксусной, а
также борной.
Эффективно действует раствор перекиси водорода
(0,5-1,5%), аммиака. В зависимости от материала
мембраны можно использовать различные
окислители – озон, хлор и др.
Многие ПАВ обладают бактерицидным действием,
поэтому от них можно получить двойной эффект.
Надо только помнить, что стерилизующее действие
растянуто во времени, однако имеется специальная
методика расчета времени стерилизующего
действия.

29.

Основные методы очистки мембран
В Таблице 3 приведены химические реагенты, обычно использующиеся для химической обработки ОО-мембран. Перед
проведением химической обработки следует проверить химическую совместимость мембраны с выбранным для проведения
дезинфекции химическим реагентом, а также определить рекомендуемое время контакта между ними.
2) Гидравлическая очистка реверсивным потоком концентрата.
Здесь речь идет о периодической смене направления движения исходного потока
вдоль мембраны. Принципиальная схема осуществления способа показана на
рисунке

30.

Применяют как механические противоточные
промывки, так и химические, с использованием
моющих средств. Механическая промывка
обычно непродолжительна и может проводиться
достаточно часто, причем она легко
автоматизируется и не требует участия
обслуживающего персонала.
Так, в обратноосмотических аппаратах серии ARO, выпускаемых
AquaPro Industrial Co, с мембранами производства Osmonics или Hydranautics,
механическая промывка пульсирующим потоком длится 1,5 мин и проводится
автоматически при каждом включении установки и через каждые 12 часов работы.
Такая процедура не решает, конечно, всех проблем с загрязнением, но позволяет
проводить химическую очистку гораздо реже.

31.

Моющие растворы
Моющие растворы для химической промывки выбирают исходя, в первую
очередь, из соображений химической стойкости мембраны. Моющие рецептуры
делятся на кислотные и щелочные, что связано с химическими свойствами
загрязнений. Кислотные используются для удаления неорганических осадков,
таких как соли жесткости (карбонаты и сульфаты Ca и Mg), гидроксиды Fe и Al.
Щелочные растворы применяются для удаления биологических и органических
пленок, соединений кремния.
Для полимерных мембран основными компонентами моющих растворов
являются неорганические и органические кислоты (соляная, фосфорная,
сульфаминовая, лимонная, щавелевая), а также щелочи, органические и
неорганические комплексообразователи. Серная и азотная кислоты не
применяются: азотная кислота способна разрушать материал мембраны, а
использование серной способствует образованию осадков сульфата кальция,
удалить который без повреждения мембраны практически невозможно.
Оптимальная температура промывки – около +40°С, скорость потока должна быть
близка к максимальной для данного типа мембран. Критерием окончания промывки
может служить стабилизация рН моющего раствора, но при этом его величина не
должна отличаться от начального больше чем на 30-40%.

32.

ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ ПОДГОТОВКА ВОДЫ
Перед подачей на мембрану воду, как правило,
очищают от грубодисперсных примесей, а
также от тех растворенных веществ, которые
могут либо повредить мембрану (активный
хлор), либо стать причиной отложений на ее
поверхности (соли жесткости). Такая
предварительная подготовка воды позволяет
значительно увеличить срок службы
мембраны и продолжительность ее работы
между химическими промывками.
Для удаления активного хлора обычно используют сорбционные фильтры с активным
углем, а для снижения жесткости воды – ионообменные фильтры с Na-катионитом.
Существуют также специальные приемы предварительной обработки воды, которые
позволяют существенно повысить эффективность очистки, выйти на более удобный
режим работы мембранной установки. Примером такого подхода является метод КОУФ –
комплексообразование-ультрафильтрация. Сущность метода заключается в том, что в
раствор вводят добавки, образующие водорастворимые комплексные соединения с
компонентами, которые необходимо удалить. Это приводит к увеличению размеров вновь
образуемых частиц, что позволяет осуществлять разделение на более крупнопористых
мембранах. Затем сконцентрированный комплекс разрушают, и комплексообразователь
возвращается на повторное использование.

33.

Технология обратного осмоса
Мембранное разделение - это процесс продавливания воды через полупроницаемую
мембрану под давлением. Мембраны отличаются друг от друга конструкционными
материалами, размером пор, при этом, чем меньше размер пор, тем выше степень очистки и
тем большее давление надо приложить.
Обратный осмос - это процесс фильтрации водных растворов под давлением,
превышающее осмотическое, через полупроницаемую мембрану. Процесс обратного осмоса,
как правило, протекает под давлением 2,8-5 МПа.

34.

В основе очистки воды лежит физический процесс, известный как обратный осмос.
Если при осмосе вода, разделяемая на две части полупроницаемой перегородкой,
равномерно распределяется и содержит одинаковое количество растворенных веществ,
то при обратном осмосе дело обстоит иначе:
вода при фильтрации разделяется на две неравные части, каждая из которых содержит
разные доли растворенных веществ — меньшая часть будет представлять собой
концентрированный солевой раствор, а большая — кристально чистую воду.

35.

Рулонный мембранный элемент для установки
обратного осмоса состоит из :
трубки с прорезями для прохода пермеата и
герметично присоединенного к ней пакета
мембран, расположенного между ними
дренажного листа и сетки-сепаратора,
образующей межмембранные каналы. В процессе
скручивания пакета для герметичного разделения
напорной полости и полости сбора пермеата
кромки дренажного листа пропитывают
специальным клеем.

36.

Вода, прошедшая процесс предварительной очистки, подается на мембранную установку
обратного осмоса. Обратноосмотические мембранные элементы задерживают все загрязнения
диаметром более 0,1 нм.
Мембрана пропускает молекулы растворителя (воды) и задерживает ионы растворимых солей:
Са2+, Mg2+, Na+, К+, Fe2+, Cu2+, Zn2+, Ni2+ S042-, Cl- и полный спектр органических веществ и
коллоидов с размером, значительно превышающим диаметр пор мембран, в том числе вирусы и
бактерии.
Установки обратного осмоса эффективно извлекают из воды гуминовые кислоты и их соединения,
которые практически невозможно полностью удалить другими технологиями.

37.

Ультрафильтрационные мембраны (Ультрафильтрация).
Бытовой модуль ультрафильтрации в корпусе из
нержавеющей стали
Ультрафильтрация воды – это способ очистки воды, при котором вода под давлением
продавливается сквозь мембрану с величиной пор 0,002…0,1 мкм. Широкое
распространение получили ресурсосберегающие капиллярные
ультрафильтрационные мембраны (половолоконные ультрафильтрационные
мембраны), обладающие следующими параметрами:
•эффективная фильтрация воды(ультратонкая фильтрация при рабочем давлении до 6 атм;
•пониженное количество используемых реагентов;
•простая автоматизация;
•полное удаление взвешенных веществ;
•дезинфекция (удаление 99,99% бактерий и вирусов);
•осветление воды (снижение мутности и цветности воды);
•высокая степень очистки воды от железа и марганца;
•эффективное удаление коллоидного кремния и органических веществ;
•ультратонкая очистка питьевой воды (степень фильтрации 0,01 микрон);
•ультрафильтрация позволяет сохранить солевой состав природной воды.

38.

Нанофильтрационные керамические
мембраны
Нанофильтрация — это процесс фильтрации воды через полупроницаемую
ультратонкую мембрану, которая задерживает различные растворенные
загрязнители на молекулярном уровне.
Установки для нанофильтрации воды используются в основном для полного
обессоливания воды, то есть для получения технической воды, которая может быть
использованы в промышленности для самых разнообразных нужд.
От промывки металлического оборудования, контакт с неочищенной водой которых
приводит к их выходу из строя, для пищевой промышленности, где техническая вода
используется для производства той или иной продукции. Широко распространены
установки для нанофильтрации воды в химической промышленности, где зачастую
чистота воды имеет решающее значение для тех или иных процессов.

39.

Обратно осмотические мембраны.
Обратно осмотическая система очистки воды с насосом...
Обратноосмотические мембраны содержат самые узкие поры, и потому являются самыми
селективными. Они задерживают все бактерии и вирусы, бoльшую часть растворенных солей и
органических веществ (в том числе железо и гумусовые соединения, придающие воде
цветность и патогенные вещества), пропуская лишь молекулы воды небольших органических
соединений и легких минеральных солей. В среднем RO мембраны задерживают 97-99 % всех
растворенных веществ, пропуская лишь молекулы воды, растворенных газов и легких
минеральных солей.
Материал мембранных фильтров – нитрат целлюлозы. Как показала многолетняя практика, этот
материал обеспечивает оптимальные условия роста задержанных микроорганизмов, исключая
получение ложного отрицательного результата.

40.

Обратноосмотическую воду можно пить без кипячения, поскольку в ней нет ни только
вирусов, микробов и бактерий, но и органических веществ - гербицидов, пестицидов и т.п.
Однако, при использовании очистки основанной на принципе обратного осмоса,
предварительно необходима механическая очистка и абсорбция
Обратноосмотические мембраны используются во многих отраслях промышленности, где есть
необходимость в получении воды высокого качества
(разлив воды, производство алкогольных и безалкогольных напитков, пищевая промышленность,
фармацевтика, электронная промышленность и т. д.).

41.

42.

43.

44.

Заключение
Основные факторы, стимулирующие внедрение мембранных технологий:
безопасность питьевой воды, возросшие требования к качеству обработки сточных вод, стремительный рост
водопотребления и необходимость модернизации существующего оборудования водоснабжения.
Мембранные технологии являются реальной альтернативой традиционным технологиям подготовки питьевой и
индустриальной воды, а также в обработке муниципальных и индустриальных сточных вод.
Удельные затраты на обработку воды мембранами не только стали сопоставимы с традиционными методами, но
и неуклонно снижаются.
Интенсивно ведутся работы по созданию новых механически, химически и термостойких мембран.
Рынок мембранных технологий стремительно растет и только в Европе в период с 2003 г. до 2010 г. оценивается
в несколько десятков миллиардов долларов США.