Текст лекций «Мировой и российский мембранный рынок». Содержание Раздел Введение. Рынок мембран в РФ. 3 Краткое описание рынка. 3 (стр. 13 из 21)
Таким образом, первая товарная группа сегмент рынка – газофазные диффузионные разделительные мембраны, изготовленные в виде полимерных капилляров. На рынке они присутствуют в виде мембранных модулей, представляющих собой пучок капилляров, концы которого загерметизированы в торцевых пробках ( рис. 9).
 |  |
Рис.9. Изображение мембранного модуля с капиллярными мембранами.
3.2. Мембраны для обратного осмоса.
Обратноосмотические мембраны являются нанопористыми структурами со средним размером пор 2,5-4,0 нм. Только такие поры позволяют извлечь из воды самые маленькие частицы растворенных веществ – ионы металлов. Качество мембран для обратного осмоса оценивается и паспортизуется величиной задерживающей способности по соли NaCl, составляющей основу морской воды. Современные мембраны способны понизить на 99,5% содержание соли в прошедшем через мембрану продукте – пермеате. Многочисленные попытки создать такого уровня нанопористые структуры из металла, керамики или графита окончились безрезультатно, поэтому на рынке представлены исключительно полимерные мембраны для обратного осмоса.
Процесс обратного осмоса протекает при достаточно высоком давлении – от 2,5 до 10,0 МПа, поэтому трубчатые мембраны, не выдерживающие такого давления, в классе обратного осмоса не представлены. Довольно активно лет 20 назад развивались капиллярные мембраны, но высокое рабочее давление требовало очень тонких капилляров – не более 100 мкм, в ином случае давление их сплющивало. В таких тонких капиллярах не удалось создать необходимой анизотропии и высокой солезадерживающей способности. К настоящему времени капиллярные обратноосмотические мембраны с рынка ушли.
Производители мембран изготавливают исключительно листовые полимерные мембраны в виде непрерывного полотна шириной 1 метр. Практически никто из них не предлагает купить собственно мембрану, которая является промежуточным продуктом. Конечным продуктом является мембранный модуль, т.е. устройство, в которое включены специальным образом уложенная мембрана, дренаж (материал, который обеспечивает механическую целостность мембраны и отвод проникшего через мембрану пермеата), герметик и узел вывода пермеата из модуля.
Результатом многочисленных попыток создать мембранный модуль стало устройство, запатентованное еще в 1968 году компанией Gulf General Atomic (патент США №3417870). Общий вид модуля представлен на рисунке 10.
Рис.10. Общий вид рулонного мембранного модуля.
Задачи такой конструкции были следующие:
1) достичь компактности модуля, которая измеряется площадью мембран в единичном объеме аппарата. В современных мембранных аппаратах с рулонными модулями этот параметр достигает 800 м2/м3;
2) обеспечить минимальное гидравлическое сопротивление потоку пермеата в слое дренажного материала. Для этого спиральную намотку делают многозаходной с небольшой длиной дренажа в каждом витке;
3) обеспечить минимальное гидравлическое сопротивление потоку разделяемого раствора, текущему параллельно оси модуля. Для этого при намотке обеспечивают гарантированный зазор между витками, размещая в нем дистанционирующую сетку (турбулизатор).
После истечения срока действия патента все мировые лидеры по производству мембран начали выпускать рулонные мембранные модули. Каждый производитель, видимо, имеет некоторые особенности изготовления, но потребитель их не ощущает. Более того, со временем произошла всеобщая унификация геометрических размеров и соединительных узлов мембранных модулей, так, что они стали взаимозаменяемы.
Теперь мы можем обозначить вторую товарную группу – рулонные мембранные модули для обратного осмоса на основе плоской полимерной мембраны в следующей номенклатуре:
- диаметр модуля 200 мм (8”), длина 1000 мм (40”), площадь мембран 45 м2, рабочая площадь 40 м2;
- диаметр модуля 100 мм (4”), длина 1000 мм (40”), площадь мембран 10 м2, рабочая площадь 8 м2;
- диаметр модуля 60 мм (2,5”), длина 1000 мм (40”), площадь мембран 3,5 м2, рабочая площадь 3,0 м2.
Спрос у пользователей имеют все три типоразмера модулей в связи с тем, что, во-первых, модули средние и малые нужны для мембранных установок небольшой производительности; во-вторых, в зависимости от требований Заказчика приходится разрабатывать многоступенчатые, каскадные, циклические и многостадийные технологические схемы, где необходимо использовать модули разного размера.
3.3. Мембраны для нанофильтрации.
Термин «нанофильтрация» появился сравнительно недавно, и формально он относится к промежуточному между обратным осмосом и ультрафильтрацией диапазону размера пор - 4-10 нм. Очевидно, что поры такого размера будут плохо задерживать соль NaCl – всего лишь на 20-60%. Но этого от них и не требуется, потому что главное назначение мембран для нанофильтрации – максимально задержать соли жесткости (СаСО3 и MgSO4) и другие большие ионы и молекулы, а NaCl оставить в пермеате. Этого достигают некоторыми изменениями в технологии мембран, а поскольку они близки к мембранам для обратного осмоса, здесь справедливы все предыдущие рассуждения.
Действительно, до появления на рынке мембран для нанофильтрации из керамики или графита еще весьма далеко, поэтому из нанофильтрационных полимерных листовых мембран изготавливают рулонные мембранные модули той же конфигурации, что и в случае обратного осмоса. Применение их достаточно широко, особенно в тех случаях, когда необходимо очищать водные растворы, содержащие малые количества солей Na и К, но много загрязнений с большой молекулярной массой. Рулонные мембранные модули на базе нанофильтрационных мембран также входят во вторую товарную группу.
3.4. Мембраны для ультрафильтрации.
Именно в этом секторе наблюдается основное разнообразие мембран – и по материалам, и по геометрическим формам. Это объясняется весьма широким спектром применения УФ мембран и в качестве основного, и в качестве вспомогательного предварительного метода очистки. Объектами приложения ультрафильтрации являются не только вода различного происхождения, но и химические, пищевые, биологические жидкости, различные промышленные и коммунальные стоки.
3.4.1. УФ мембраны листовые полимерные.
Процесс ультрафильтрации требует повышенных скоростей разделяемой жидкости над мембраной, что приводит и к соответствующим конструктивным решениям для мембранных модулей. Долгое время оптимальными считались модули с плоскими мембранами круглой или прямоугольной формы, поскольку в них легко создать необходимые скоростные режимы. Но большая трудоемкость их изготовления и невысокая компактность постепенно привели к вытеснению их с рынка. Предпочтение было отдано тем же рулонным модулям с небольшими изменениями в конструкции: величина межмембранного зазора, т.е. расстояние между витками увеличено в 1,5-2,0 раза по сравнению с модулями для обратного осмоса. Это привело к тому, что в стандартных по габаритам модулях площадь мембран уменьшилась до 30 м2, рабочая площадь – до 25 м2, в модулях 8″, соответственно до 8 м2 и 7 м2 в модулях 4″.
УФ рулонные мембранные модули составляют часть второй товарной группы.
Листовые УФ мембраны в виде мембранных модулей станут основным товаром в сегментах очистка сточных вод и использование в основной технологии продуктов, если будет произведен НИОКР для заказчиков. Потенциал рынка велик.
3.4.2. УФ мембраны капиллярные полимерные.
В настоящее время полимерные капиллярные УФ мембраны переживают второе рождение в связи с развитием концепции «Мембранный биореактор». Такие свойства полимерных капилляров, как гибкость, способность выдерживать внутреннее разрежение и очень высокая компактность, позволили им занять ведущее положение в этом секторе рынка. Мембранные модули биореактора имеют значительные конструктивные отличия от всех других модулей напорного типа, и прежде всего, отсутствием корпуса мембранного аппарата (рис.11).
Рис.11. Общий вид капиллярного мембранного модуля погружного типа.
У разных производителей модули различаются количеством капилляров и, соответственно, рабочей площадью фильтрования. Принципиального значения это не имеет, поскольку технологические схемы установок на базе этих модулей достаточно просты. Различия в габаритах скорее обусловлены особенностями монтажных работ при замене и регенерации модулей.
Таким образом, капиллярные модули погружного типа на основе УФ-мембран составляют третью товарную группу.
Вместе с тем не ушли с рынка и традиционные УФ-капилляры с мембранным внутренним слоем. Они применяются и в основных стадиях разделения, и во вспомогательных в качестве предварительной очистки перед обратным осмосом. В последние годы появился такой уникальный продукт, как многоканальные полимерные капилляры, что повысило механическую прочность, и, соответственно, надежность таких мембранных модулей. Именно это обстоятельство вызывало негативное отношение покупателей. Традиционные капиллярные модули для напорного фильтрования составляют 4 товарную группу.