Тангенциальное фильтрование воды

Мембраны, размер каналов которых не превышает 0,1 мкм, используемые для фильтрации воды крайне малых частиц (в диапазоне от ионов растворённых соединений до органических молекул), обладают очень малым проходным сечением и довольно значительным гидравлическим сопротивлением. Это означает, что для достижения нужного уровня производительности необходимы большие площади фильтрации, и стоимость их в расчёте на единицу производительности достаточно высока. Но экономическая сторона вопроса не является единственным ограничением: в технологическом плане мембраны такого рода не позволяют работать в «тупиковом» режиме. Речь идёт в первую очередь о накоплении задержанных молекул и взвесей, то есть о концентрационной поляризации мембраны. Полученный эффект сравним с забиванием отверстий взвесями. Если концентрация отфильтрованных из воды загрязнений на поверхности мембраны существенно превышает концентрацию их в растворе, который подвергается очистке, то фильтрация происходит медленнее за счёт эффекта осмоса.

С целью ликвидации этих ограничений мы используем схемы с непрерывным интенсивным током воды вдоль поверхности фильтрующей мембраны. Этот метод получил название «тангенциальное фильтрование воды». Он позволяет постоянно устранять из оборудования частицы извлечённых из воды загрязнений. Скорость тока воды вдоль мембраны должна быть не менее 2 метров в час, в связи с необходимостью обеспечения турбулентного режима движения. При такой схеме за однократный проход воды вдоль мембраны в фильтрат (он называется пермеат) поступает максимум одна пятая часть воды, содержащая частицы размером меньше диаметра отверстий мембраны. Для того, чтобы объём концентрата уменьшался, применяют методы, различные в случаях обратного осмоса, нанофильтрации, микро- и ультрафильтрации.

Конфигурации и содержание установок для микрофильтрации, обратного осмоса, ультрафильтрации и нанофильтрации в основном схожи, и отличаются в первую очередь по виду мембраны и величине рабочего давления начального раствора.

Исходя из вида применяемых мембран можно назвать несколько основных типов мембранного оборудования:

• Рулонные (мембраны в форме свёрнутой плёнки);
• Плоскорамные (мембраны в форме пленок и пластин);
• Половолоконные (мембраны в виде полого волокна);
• Трубчатые (мембраны в виде трубки).

Каждый тип оборудования оптимален для своей области использования.

Пластины из металлокерамики и полимерные пленки , содержащие или не содержащие слой разделителя, активно задействованы в плоскорамных и дисковых устройствах для мембранной фильтрации (от микрофильтрации до процессов обратного осмоса). В рулонных аппаратах для тех же самых процессов также с успехом используются полимерные плёнки.

Самый заметный результат был получен в развитии технологии изготовления полунепроницаемых плоских мембран из которых изготавливаются полипропиленовые трубы и фитинги. В его основе лежат два последовательных перехода. Первый из них: переход от изотропных (однородных, симметричных, равномерных по толщине и имеющих поры) пленок - к анизотропным (то есть асимметричным) мембранам, разделённым на два слоя (тонкий фильтрующий и относительно толстый основной). Последующий, второй переход - к многослойным сложносоставным мембранам. Эти мембраны состоят из полотна-основы (целлюлозной или полисульфоновой и др.) с довольно крупными порами и нанесённой на него очень тонкой фильтрующей прослойки. Описанный результат позволил резко понизить рабочее давление, требуемое для процесса отделения. Благодаря тонкому разделяющему слою мембран, они обладают высокой удельной производительностью. Они также могут похвастаться значительно более высокой селективностью, нежели их анизотропные аналоги, так как с новейшими технологиями появилась возможность изготавливать плёнки с практически одинаковыми порами. Материалы подложки и отделяющей прослойки могут быть выбраны с учётом их стабильности в самых разных химических средах.

На сегодняшний день сложносоставные тонкослойные мембраны низкого напора представляют собой следующее: на основу-арматуру с крупными порами наносится мембрана для ультрафильтрации, включающая промежуточную транспортную прослойку толщиной около 1 мкм с тонкими порами. Поверх этой прослойки наносится сверхтонкий (ок. 0,03 мкм) разделяющий слой, покрытый ещё одной защитной плёнкой. Мембраны такого рода являются композиционными и обладают выраженной анизотропностью. Каждый слой выполняет соответствующую задачу: основа противостоит механической нагрузке, а каждый из высокопористых слоёв поддерживает последующий слой с еще более мелким диаметром пор.

В процессах ультрафильтрации чаще всего применяются двухслойные мембраны, а для метода обратного осмоса в основном используются мембраны, состоящие из трёх и более слоёв.

Путём постоянного совершенствования конструкции мембран и уменьшения толщины селективной прослойки были изготовлены мембраны, применяемые в нанофильтрации, а также в методах обратного осмоса при низких и сверхнизких напорах.

Мембраны для нанофильтрации обладают крайне низкой селективностью по отношению к однозарядным Na⁺ - катионам. Работая при давлении 2 - 16 атмосфер (от 0,2 до 1,6 МПа), они способны задерживать исключительно катионы солей жесткости (в этом случае уровень селективности составляет 40–80%) и более тяжелых металлов.

Мембраны, применяемые в процессах обратного осмоса при низком напоре, работают при давлении 10–20 атмосфер (от 1 до 2 МПа). Их селективность относительно однозарядных Na+ - катионов достигает 99%, и они позволяют получать на выходе обессоленную воду высокого качества.

Мембраны, используемые в сверхнизконапорном обратном осмосе, довольно эффективно разделяют ионы при давлении воды в 2-3 и более атмосфер и часто применяются в фильтрах бытового назначения.

Ещё одним важным открытием стало создание малозагрязняемых мембран. Привычные для всех, обычные сложносоставные мембраны изготавливаются из ароматических полиамидов и обладают высокой гидрофобностью, что ведёт к смачиванию органическими веществами и «притягиванию» загрязнений из воды. Мембраны нового типа LFC отличаются невысоким поверхностным потенциалом, и их поверхность гидрофильна. Благодаря этим свойствам они мало загрязняются, так как их удельная производительность практически не зависит от заряда ионов. Например, при очистке воды за временной промежуток в 2000 часов с целью поддержания удельной производительности на отметке 17 л/м² ч на обычной мембране потребовалось повышение давления с 5 до 11 атмосфер, в то время как на мембране LFC сохранилась производительность 21 л/м²ч при давлении в 5–6 атмосфер. Её селективность при этом составила 99,6%.

Чаще всего плоские мембраны изготавливаются из следующих материалов: ацетатов целлюлозы (АЦ), фторопластов, полисульфонамида (ПС), поливинилиденфторида (ПВДФ), полиакрилонитрила (ПАН), полиэтилентерефталата (ПЭТФ), а также десятка других полимеров, которые используются сегодня для производства тех или иных составляющих частей мембран.

Ацетаты целлюлозы (АЦ) : из этого материала были выполнены самые первые мембраны для всех методов фильтрации. Его основные свойства – это невысокая стоимость и довольно высокая стойкость к воздействию свободного активного хлора, содержащегося в воде. АЦ мембраны достаточно гидрофильны, и они мало загрязняются.

У этих мембран есть также и недостатки: малая селективность, недостаточная химическая и биологическая стойкость и высокое рабочее давление. Их рабочий диапазон рН – 4-8, хотя для кратковременных промывок можно использовать и растворы, pH которых от 3 до 9. Температура воды - до 35°С. Со временем селективность таких мембран уменьшается, так как микроорганизмы имеют свойство питаться материалом мембраны и проходить сквозь нее, разрушая отверстия.

Особенности производства АЦ мембран не позволяют добиваться равномерности пор и получать достаточно тонкую разделительную прослойку. Соответственно, они обладают невысокой селективностью и требуют высокого рабочего давления – около 50 атмосфер (5 МПа), а это ведёт к большим затратам энергии. По всем вышеупомянутым причинам в настоящее время применение АЦ мембран сокращается, и особенно в процессах обратного осмоса - сегодня на мировом рынке их доля не выше 5%. Впрочем, АЦ мембраны оправданно используются в системах водоподготовки при обработке хлорированной воды, а именно с целью сохранения хлора в полученной воде.

Все применяемые сегодня мембраны являются композиционными и содержат несколько слоёв, каждый из которых выполнен из определенного материала. Их производительность и эффективность отделения обуславливает разделительная прослойка, а все остальные материалы обеспечивают химическую термостойкость. Все это позволяет изготавливать весьма долговечные полипропиленовые трубы и фитинги.

Рис. 1. Сравнение диапазона рН, допустимого для работы
и кратковременных химических промывок, для композиционных и ацетатцеллюлозных мембран

Например, полисульфоновые (ПС) мембраны, изготовленные на базе ароматического полисульфонамида, имеют основу из полипропиленовой или лавсановой бумаги. Полисульфон обладает хорошей химической стойкостью, рабочий диапазон рН у него от 2 до 12, он отличается высокой температурной стабильностью до 100 °С. Материал применяется самостоятельно при изготовлении мембран для процессов микро- и ультрафильтрации воды, а также в качестве материала основы - при производстве композитных мембран для обратного осмоса.

Листовые мембраны применяются в аппаратах нескольких типов, а также из них изготавливаются рулонные элементы для систем водоподготовки.

Самые первые аппараты с применением мембран состоят из набора мембранных элементов, отделённых друг от друга резиновыми прокладками, зажатыми между двумя плитами посредством стяжных болтов. На обеих сторонах прямоугольного мембранного элемента имеется сеть дренажных канавок. Аппарат содержит также прорези для размещения мембраны, отверстия для тока исходного раствора и концентрата, а также боковые штуцеры, необходимые для сбора и вывода пермеата. Каналы для дренажа покрыты пористым материалом, тканью. Элемент закрыт мембраной с обеих сторон таким образом, что её разделительная прослойка находится снаружи. Эластичные прокладки с каналами, расположенные между двумя мембранными элементами, способствуют турбулизации тока воды.

Исходная вода через штуцер подаётся в отверстие, расположенное в плите, и проходит через каналы, которые образуют совмещенные отверстия мембранных элементов и прокладок. Раствор равномерно заполняет всё пространство между элементами, а его ширину определяет толщина прокладок. Параллельные потоки воды движутся вдоль мембран. Часть раствора отфильтровывается в мембранный пакет, а дренажные каналы собирают содержимое и выводят его с торцевой части мембранного элемента. Через трубочки от каждого элемента пермеат переходит в прозрачный сборник (в форме стакана). В случае нарушения единичной мембраны место неисправности можно установить по помутнению пермеата, поступающего из данной ячейки. Это позволит произвести замену только одной (неисправной) мембраны. Весь отфильтрованный концентрат собирается с той стороны мембранного элемента, которая противоположна подаче, а затем он собирается по каналам в модулях и прокладках и окончательно выводится через штуцер, расположенный на стяжной плите.

На рис. 2 представлен мембранный аппарат А1-ОУС, разработанный НПО «Продмаш» и использующийся для различных процессов ультрафильтрации воды. Он представляет собой пакет из 53 мембранных эле­ментов, зажатых шпильками между верхней и нижней плитами.

В качестве примера подобного устройства можно рассмотреть аппарат для ультрафильтрации воды. Он представляет собой набор из 53 мембранных эле­ментов, зажатых между верхней и нижней плитой при помощи шпилек. Площадь фильтрации такого модуля - около 7,5 м², соответственно производительность при УФ достигает 1,5 м³/ч. Его масса 60 кг и размеры 60 x 40 x 50 см. Пространство между мембранами в 2–3 мм с лёгкостью обеспечивает высокую скорость тока воды вдоль мембраны.

Такие аппараты изготавливаются с применением самых простых и дешевых пленочных мембран, которые довольно легко заменить. Благодаря большому расстоянию между мембранами устройство способно перерабатывать растворы с более высокой степенью загрязнения (по сравнению с другими мембранными аппаратами). Но в данном случае плотность мембран в единице объема будет наименьшей. Высокая металлоемкость, резко увеличивающаяся с ростом рабочего давления, не позволяет активно использовать их в процессах ультрафильтрации воды. Ещё несколько недостатков подобного оборудования - это неравномерная усадка высоты мембран, большое количество уплотняемых стыков, а также вероятность протечки раствора.

а

б

Рис. 2. Схема плоскорамного аппарата типа фильтр-пресса ( а ) и вид установки с такими модулями ( б ):

1 – фланец; 2 – штуцер исходного раствора; 3 – мембранный элемент; 4 – прокладка; 5 – стяжная шпилька; 6 – коллектор фильтрата

Трубчатые аппараты – следующее поколение устройств, содержащих мембраны для разделения. Трубчатые элементы - это трубки, выполненные из пористой керамики, пористого металла, стекло- или графитопласта.

Мембранный элемент из стекло- или графитопласта – это пористая трубка с нанесённой на внутреннюю поверхность разделительной мембраной. Аппарат с трубчатыми мембранными элементами состоит из корпуса, представляющего собой металлическую или пластмассовую трубу со штуцерами для выведения пермеата. Внутри этой трубы параллельно расположены несколько прямых трубок, у которых открытые концы надёжно и герметично отделены от корпуса (на данном участке часто используются полипропиленовые трубы и фитинги). По краям корпуса размещены специальные камеры, гидравлически соединённые с внутренними частями труб. Устройство данных аппаратов схоже с конструкцией половолоконного оборудования. Очищаемый раствор подают в концевую камеру, из которой он распределяется по трубкам, проходит через них и выводится с противоположной части устройства в виде концентрата. Пермеат, в свою очередь, отводится из полости, расположенной между трубчатым модулем и корпусом аппарата.

Преимущества такого устройства заключаются в том, что оно допускает возможность фильтрации воды с высоким содержанием коллоидов, мелко- и крупнодисперсных взвесей и высокомолекулярных соединений; а вышедшие из строя модули в нём заменить достаточно легко. Его недостатком считают очень малую плотность компоновки мембран.

Рис. 3. Керамические элементы могут быть в виде тонкостенной трубки ( 1 ) или фигурного изделия с 7 или 19 продольными каналами ( 2 , 3 )

Поскольку в данных устройствах достаточно сложно достичь равномерного нанесения покрытия на внутреннюю поверхность трубки и получить высокую селективность разделения, трубчатые элементы используются преимущественно для микро- и ультрафильтрации воды.

Полое волокно - это микроскопические трубки анизотропного строения с внутренним диаметром волокон 0,5–0,8, а внешним 1,0–1,2 мм. Полые волокна отличаются от трубок не только диаметром, но и отсутствием слоя, который поддерживает разделяющую мембрану. Функцию разделительного слоя и основы в полом волокне выполняет материал достаточной толщины, из которого изготовлено волокно. В результате их удельная производительность оказывается значительно меньше, если сравнивать с современными мембранами-плёнками. Но одновременное использование огромного количества волокон в малом объёме и с большой площадью позволяет добиваться довольно высокой производительности процесса на единицу объема аппарата.

Аппарат на основе половолоконных мембранных элементов (рис. 4) состоит из пластикового корпуса со штуцерами, с уложенным в нём пучком из многих тысяч полых волокон. Кончики волокон герметизированы с обеих сторон таким образом, что открытые торцы выходят в камеры на концах устройства.

В этом устройстве вода фильтруется внутрь волокон или наружу. Первый вариант актуален для процесса обратного осмоса при высоком давлении, а второй вариант – в методах ультра- и микрофильтрации воды. Пожалуй это наиважнейшие преимущества, которые имеют полипропиленовые трубы и фитинги изготовленные из полого микро волокна.

Рис. 4. Элемент с полыми волокнами:

1 – патрубок подачи воды; 2 – крышки; 3 – патрубок пермеата; 4 – корпус; 5 – полые волокна; 6 – патрубок концентрата; 7 – герметизирующая заливка; 8 – концевые камеры

При использовании такой системы для ультрафильтрации воды фильтруемый раствор поступает в концевую камеру, из неё распределяется по внутренним полостям волокон и, продвигаясь по ним, фильтруется сквозь стенки пористой структуры. Фильтрат накапливается в полости корпуса и выводится из него, а концентрат отводится с противоположной стороны.

Богатый опыт в применении технологии склеивания плоских мембран в рулоны и их плотная упаковка привели к тому, что на сегодняшний день максимально эффективными в соотношении цена/эффективность считаются именно рулонные элементы. При этом под эффективностью следует понимать удельную или объемную производительность при заданной степени разделения и величине давления. Поэтому рулонные элементы больше всего распространены в методах обратного осмоса и нанофильтрации. В настоящее время производится их активное развитие и внедрение также в процессы микро- и ультрафильтрации воды..

Рулонный элемент - это перфорированная центральная труба, к которой герметично крепится внутренняя часть устройства, состоящая из двух мембран, склеенных между собой и разделенных дренажной прокладкой. Селективный слой мембран направлен наружу. Пакет мембран свернут в тугой рулон вместе с сепарирующей сеткой и защищён от разматывания.

а	б
в		Рис. 5. Рулонный элемент в размотанном виде (а); в поперечном разрезе (б); в корпусе (в): 1 – трубка отвода пермеата; 2 – мембрана; 3 – дренажный слой; 4 – сетка-сепаратор; 5 – область склейки; 6 – корпус

В ходе работы фильтруемый раствор поступает в торцевую зону корпуса и движется вдоль поверхности мембраны, проходя через сетку-сепаратор, нужную для поддержания заданного оптимального интервала между мембранами, а также для турбулентного движения раствора. Концентрат отводится с противоположного конца аппарата, а пермеат движется по дренажной прокладке между мембранами к центру элемента, затем выводится по отводной трубе.

Стоит заметить, что для оптимальной работы современных композиционных мембран количество загрязнений (коллоидные соединения, взвеси, нефтепродукты, активный хлор и др.) питающей воды не должно выходить за рамки определенных значений. В свою очередь, каждый вид разделительных элементов имеет свои собственные ограничения относительно предельного расхода питающего раствора и минимального количества расходуемого концентрата. Если работа проходит за пределами этих величин, возможно разрушение мембран или накопление на них различных отложений. Если скорость движения воды превышает указанную величину, в мембранном элементе появляются непредвиденные нерасчетные продольные усилия. Уменьшение расхода концентрата приводит к уменьшению тангенциальной скорости тока воды вдоль мембраны, а она, как упоминалось выше, должна быть не ниже 2 м/с, иначе на поверхности мембраны образуются осадки.