Основы обратноосмотической обработки воды (стр. 1 из 2)
Метод обратного осмоса заключается в фильтрации растворов под давлением через специальные полупроницаемые мембраны, пропускающие молекулы растворителя и полностью или частично задерживающие молекулы либо ионы растворенных веществ. В основе метода лежит явление осмоса – самопроизвольного перехода воды через полупроницаемую перегородку в раствор. Давление, при котором наступает равновесие, называется осмотическим. Если со стороны раствора приложить давление, превышающее осмотическое, то перенос растворителя будет осуществляться в обратном направлении.
Разделение методом обратного осмоса осуществляется без фазовых превращений, и энергия в процессе расходуется, в основном, на создание давления исходной жидкости (практически несжимаемой среды) и ее продавливании через мембрану. Поэтому ее расход ближе к величине минимальной термодинамической работы разделения, чем затраты энергии в других процессах.
Процесс обратного осмоса следует отличать от процесса фильтрования. На очистку фильтрованием направляют жидкость, представляющую собой гетерогенную (двухфазную) систему с различной степенью дисперсности взвешенных частиц. Обратным осмосом очищают, как правило, гомогенные (однородные) системы – истинные растворы. Это обстоятельство обуславливает различия в типе фильтрующих материалов и в величинах давлений, под действием которых идут процессы. При фильтровании должны задерживаться взвешенные частицы размером не менее 100 – 200 А. Обратно осмотическая мембрана должна быть настолько плотной, чтобы служить барьером для веществ, находящихся в растворах в виде молекул и ионов, что вызывает значительные гидравлические сопротивления при продавливании через мембраны чистого растворителя. Кроме того, при обратноосмотическом разделении растворов возникает еще одна дополнительная противодействующая процессу сила – разность осмотических давлений, величина которой весьма значительна при высокой концентрации растворенных веществ.
Другим существенным различием этих процессов является то, что при фильтровании задерживаемое вещество остается либо на поверхности, либо в объеме фильтрующего материала, который при загрязнении меняют или очищают обратной промывкой. При обратном же осмосе не должно происходить загрязнения мембраны, т.е. задерживаемые вещества должны отводится от мембраны и не сорбироваться ни на ее поверхности, ни в ее объеме. Загрязнение мембран является вторичным процессом, отрицательно влияющим на обратноосмотическое разделение растворов.
Если задерживаемое вещество не отводить от мембраны, то при идеальной ее полупроницаемости процесс фильтрования прекратиться. Действительно, увеличение концентрации растворенных веществ сопровождается повышением осмотического давления, и при достижении последним величины, равной приложенному гидростатическому давлению, движущая сила процесса будет равна нулю, а следовательно, скорость фильтрования растворителя также обратиться в нуль. При неидеальной полупроницаемости накопление растворенного вещества у мембраны приводит к увеличению скорости его проникания через мембрану до значений, равных скорости подвода вещества к мембране. В этом случае процесс фильтрования не прекратится, но эффект станет равным нулю.
В виду предпочтительного переноса воды через полупроницаемую мембрану у ее поверхности увеличивается концентрация растворенных веществ по сравнению с их содержанием в растворе в данном сечении напорной камеры. При этом устанавливается такая величина градиента концентрации, которая обеспечивает динамическое равновесие между подводом веществ к мембране и удалением их вследствие конвективной и молекулярной диффузии.
Явление возникновения градиента концентраций растворенных веществ перпендикулярно поверхности мембраны получило название концентрационной поляризации.
Наряду с описанным явлением в аппаратах наблюдается также возникновение градиента концентраций, направленного вдоль поверхности мембран. Это связано с тем, что при движении вдоль мембраны часть воды фильтруется через нее и концентрация растворенных веществ в растворе увеличивается. Это явление называется концентрированием растворов.
Таким образом, в обратноосмотических аппаратах устанавливаются поперечный (концентрационная поляризация) и продольный (концентрирование) градиенты концентраций растворенных веществ. Оба эти явления обязательно сопутствуют обратноосмотическому разделению растворов.
Влияние параметров на процесс обратного осмоса
Давление. Основным фактором, оказывающим влияние на процесс обратного осмоса и ультрафильтрации, является рабочее давление. С увеличением давления увеличивается эффективная движущая сила процесса и, соответственно, возрастает величина проницаемости мембраны. В тех случаях, когда мембрана не изменяет своей структуры под действием давления, проницаемость воды линейно возрастает с увеличением эффективной движущей силы, и поскольку проницаемость растворенного вещества мала по сравнению с проницаемости воды. Общая проницаемость хорошо описывается уравнением:
(2.1)где G – проницаемость воды;
A – константа для системы мембрана - раствор при определенных внешних условиях;
- разность осмотических давлений растворов по обе стороны мембраны.Однако при повышенных давлениях реальные полимерные мембраны не сохраняют свою первоначальную структуру и уплотняются, что отражается на величине константы А в уравнении (™). В связи с этим, начиная с некоторой величины рабочего давления, проницаемость снижается и при определенных давлениях достигает максимума. При дальнейшем увеличении давления проницаемость снижается.
Сходный характер носит зависимость селективности разделения от давления.
Селективность в области малых давлений линейно возрастает с увеличением давления, затем скорость возрастания снижается и селективность достигает максимальной величины, определяемой типом мембраны и природой растворенного вещества. Такой характер зависимости обусловлен тем, что в области невысоких давлений с увеличением движущей силы возрастает лишь поток воды через мембрану, в то время как поток растворенного вещества практически не меняется. То, что селективность остается постоянной даже после достижения максимума проницаемости, объясняется снижением потока растворенного вещества через мембрану при значительном ее уплотнении.
Температура. Влияние температуры раствора на процесс имеет сложный характер. Увеличение температуры уменьшает вязкость и плотность раствора и одновременно увеличивает его осмотическое давление. Если уменьшение вязкости и плотности приводит к увеличению проницаемости, то увеличение осмотического давления снижает движущую силу и уменьшает проницаемость. Степень влияния тех или иных факторов зависит от природы растворенного вещества и концентрации раствора. Исследования, проведенные на чистой воде и водных растворах NaCl, показали, что в диапазоне температур 10 – 400 проницаемость и селективность возрастают. Причем влияние температуры на селективность становиться все боле заметным с повышением концентрации. Влияние температуры на проницаемость при разделении растворов невысокой концентрации практически полностью определяется изменением вязкости раствора и хорошо коррелируется соотношением:
(2.2)где G – проницаемость растворителя;
- вязкость раствора.Для более концентрированных растворов величина G*
уменьшается с увеличением температуры.Влияние температуры на производительность мембранных установок практически одинаково как для чистой воды, так и для разбавленного щелока, если его осмотическое давление меньше приложенного на 70%. Это объясняется тем, что осмотическое давление разбавленного щелока почти не зависит от температуры в интервале 10 – 350. Условно проницаемость мембраны при температуре 250 принята за 100. Эту зависимость можно представить уравнением:
(2.3)Во многих случаях повышение температуры способствует размыванию осажденного на мембране слоя, поэтому в пределах термостойкости мембран использование повышенных температур может быть оправдано.
Концентрация раствора. Увеличение концентрации раствора приводит к уменьшению движущей силы процесса
, увеличению вязкости и плотности раствора, что снижает величину проницаемости.Для учета изменения проницаемости в связи с изменением концентрации предложено следующее эмпирическое соотношение:
(2.4)k1, k2, n – константы, характеризующие конкретную систему мембрана – раствор;
х – концентрация исходного раствора;
- плотность раствора; - вязкость раствора.Зависимость селективности от концентрации носит более сложный характер. В случае разделения растворов невысокой концентрации селективность существенно не меняется с изменением концентрации, а падение концентрации можно считать линейным.
Проницаемость более плотных мембран ниже, чем мембран средней плотности. Это происходит вследствие загрязнения мембран осаждающимся слоем некоторых компонентов раствора (в различной степени для различных стоков). Происходит проникновение инородных веществ в структуру полупроницаемой мембраны, а образовавшийся слой, работающий как вторая мембрана, изменяет параметры процесса.