Ультрафильтрация - новая технология. Результат разделения - два раствора, один из которых является обогащенным, а другой - обедненным растворенным веществом, содержащимся в исходном, подлежащем разделению веществе. Большое значение имеет использование этого процесса при разделении веществ, чувствительных к температурному режиму, так как при ультрафильтрации растворы не нагреваются и не подвергаются химическому воздействию. Отсюда очень низкие энергетические затраты, примерно в 20 - 60 раз ниже, чем при дистилляции.
Из всех видов мембранного разделения ультрафильтрация нашла наиболее разнообразное применение. Важное промышленное применение ультрафильтрации - разделение эмульсии масла и воды.
Ультрафильтрационные системы за счет поверхностей фильтрации и прочной структуры материала мембран обеспечивают разделение растворов без потерь и отделение чистого фильтрата от взвесей. Поэтому ультрафильтрацию часто используют для улавливания волокон и частиц из фильтрата после использования волокнистых и зернистых фильтров ионообменных и сорбционных систем. Область использования ультрафильтрации постоянно расширяется. Причина - возможность восстановления из сточных вод ценных компонентов, которые другим способом восстановить очень трудно или вообще невозможно.
Стойкость материала, из которого изготовлены мембраны, определяет их долговечность и работоспособность.
Мембраны на основе производных целлюлозы неустойчивы к действию кислот и щелочей. Ацетатные мембраны наиболее устойчивы в области pH=4,5-5; при pH=6 срок службы этих мембран сокращается почти вдвое, а при pH=10 составляет всего несколько дней. Ацетатные мембраны неустойчивы к действию органических растворителей и активных веществ, так как они образуют сольваты с ацетатами целлюлозы, вызывая их набухание.
Таблица 12. Условия и характеристики материалов, используемых для изготовления мембран
| Материал | pH | Макс. температура при pH=7,(° С) | Устойчивость к воздействию | |
| хлора | растворителей | |||
| Ацетат целлюлозы | 4,5-9 | 55 | Хорошая | Плохая |
| Полиамид | 3-12 | 80 | Плохая | Хорошая |
| Полисульфен | 0-14 | 80 | Хорошая | Хорошая |
| Полиакрилонитрил | 2-12 | 60 | Хорошая | Плохая |
| Полифуран | 2-12 | 90 | Плохая | Хорошая |
На селективность мембран, кроме соотношения размеров молекул, частиц и размеров пор, влияет обменное взаимодействие между растворенным веществом и веществом мембраны. Ультрафильтрация позволяет производить очистку сточных вод от примесей нефтепродуктов, когда гидрофобные молекулы углеводородов задерживаются гидрофильными полярными ацетатцеллюлозными мембранами (АЦМ) с размерами пор, превышающими размеры молекул задерживаемых веществ.
Эксплуатационные характеристики мембран во многом зависят от гидродинамических условий у поверхности мембраны. Характеристики мембран могут изменяться и при длительном хранении.
В мембранном аппарате размещают мембранные модули, включающие в себя один или несколько соединенных мембранных элементов.
По способу укладки мембран модули для разделения методами ультрафильтрации и обратного осмоса подразделяют на четыре основных типа: плоскорамные типа фильтр-пресс, трубчатые, рулонные, капиллярные (в виде полых волокон).
Конструкции мембранных модулей различаются между собой распределением исходного потока, рабочим давлением, капитальными и эксплуатационными расходами.
К недостаткам трубчатых систем можно отнести сравнительно высокие капитальные и эксплуатационные расходы. Аппараты с трубчатыми фильтрующими элементами применяют для процесса ультрафильтрации.
Таблица 13. Ультрафильтрационные мембранные модули, используемые при ультрафильтрации
| Тип модуля | Уд. поверхность, м2/м3 | Капзатраты | Экспл. расходы | Регулирование потока | Легкость очистки |
| Трубчатый | 25-50 | Высокие | Высокие | Хорошее | Хорошая |
| Плоскорамный | 400-600 | Высокие | Низкие | Среднее | Плохая |
| Рулонный | 800-1000 | Очень низкие | Низкие | Плохое | Плохая |
| Полые волокна | 600-1200 | Низкие | Низкие | Хорошее | Средняя |
Рулонный модуль представляет собой систему плоских рам и плит, свернутых в виде спирали. Аппараты рулонного типа широко применяют в технике разделения и концентрации растворов.
Высокоэффективно использование ультрафильтрационных аппаратов для очистки и обесцвечивания высокоцветных маломутных природных вод от растворенных органических веществ и микроорганизмов.
Таблица 14. Показатели качества исходной высокоцветной маломутной воды, обработанной ультрафильтрационным методом
| Показатель | До установки | После установки |
| Мутность, мг/л | 0,1-4 | 0 |
| Перманганатная окисляемость, мг О2/л | 15-20 | 3,4-5,5 |
| Жесткость общая, мг.экв/л | 0,44 | 0,18 |
| Щелочность, мг.экв/л | 0,29 | 0,22 |
| Сульфаты, мг/л | Следы | Следы |
| Температура, °С | 0,2-0,5 | 0,3-0,6 |
| Коли-индекс | 2380 | < 3 |
Процессы ультрафильтрации хорошо сочетаются с различными методами разделения и концентрирования жидких сред: обратный осмос, диализ, электродиализ и др. При этом создаются высокоэффективные технологические цепи с замкнутым водоснабжением и возвратом в производство ценных продуктов в концентрированном виде.
Технико-экономические показатели мембранных методов разделения характеризуют процесс ультрафильтрации как малоэнергоемкий с рядом преимуществ по сравнению с другими методами.
Таблица 15. Сравнительные технико-экономические показатели методов на стадии предварительной очистки природных вод
| Показатель | Очистка | |
| электрокоагуляция | ультрафильтрация | |
| Степень очистки от орг. веществ, % | 50-60 | 40-70 |
| Степень очистки от коллоидов железа, % | 30-40 | 70-90 |
| Обескремнивание, % | 20-30 | 20-30 |
| Степень задержания микрочастиц размером > 0,5 мкм, % | - | 99,9 |
| Расход электроэнергии, кВт/м3 | 0,6 | 1,1 |
| Расход железа, г/м3 | 30 | 0 |
| Удельная производительность, м2/(м3.ч) | 2 | 0,7 |
| Металлоемкость, кг/м3 | 0,8 | 0,2 |
Осмотическое давление, возникающее при диффузионном процессе самопроизвольного перехода растворителя через разделительную полупроницаемую мембрану в область более концентрированного раствора, называют осмосом. Обратный осмос - процесс мембранного разделения жидких растворов путем преимущественного проникновения через полупроницаемую мембрану растворителя под действием приложенного к раствору давления, превышающего его осмотическое давление. Осмос - самопроизвольный переход растворителя через полупроницаемую перегородку в раствор.
Обратный осмос используют для разделения растворов без фазовых превращений. Растворитель диффундирует через мембрану, а растворенное вещество задерживается. Как и при ультрафильтрации, при обратном осмосе не требуется повышения температуры и химического воздействия.
Процесс обратного осмоса отличается от ультрафильтрации областью применения и аппаратами. Недостатки метода обратного осмоса - процессы концентрационной поляризации и повышенное требование к уплотняющим устройствам аппаратов. Для удаления концентрационного слоя используют различные устройства, турбулизирующие поток ближней зоны раствора у мембраны. При обратном осмосе размер молекул отделяемого растворителя соизмерим с размером молекул вещества в растворе (при ультрафильтрации различие было значительным).
Существенным преимуществом обратного осмоса перед всеми другими методами очистки сточных вод является одновременная очистка от неорганических и органических примесей, что особенно важно в системах оборотного водоснабжения. Обеспечивается возможность получения наиболее чистой воды, так как мембраны могут задерживать практически все растворенные вещества и взвеси минерального и органического характера, в том числе вирусов, бактерий, микробов и т.д. Такую очистку воды в настоящее время широко применяют при водоподготовке для промышленных целей.
Характерные требования, предъявляемые к обратимосмотическим мембранам - высокие проницаемости и селективность, а также способность противостоять значительной разности давления по обеим сторонам мембраны. Характеристики различных мембран приведены в таблице.
Таблица 16. Характеристика ацетатцеллюлозных мембран различных типов
| Показатель | МГА-80 | МГА-90 | МГА-95 | МГА-100 |
| Дефектность в структуре | - | - | Отсутствие поперечных и долевых полос | |
| Общая пористость,% | 75±3 | 75±3 | 75±3 | 75±3 |
| Водопроницаемость при давлении 5 МПа, л/(м2.сут), не менее | 600 | 350 | 250 | 150 |
| Солезадержание, %, не менее | 80 | 90 | 95 | 97,5 |
Помимо уплотняющихся мембран из различных полимеров используют мембраны с жесткой структурой, полученные плазменной полимеризацией. Их способность - стабильное увеличение селективности и проницаемости в течение длительного времени (первые 6-8 сут), отличные характеристики при сравнительно высокой концентрации исходного раствора. К мембранам с жесткой структурой относятся металлические, из пористого стекла, динамические и др. Большое развитие получают динамические мембраны.