НПЦ СКЭ - центр практической экологии
Ультрафильтрация
По материалам сайта http://duplo-sova.narod.ru
При ультрафильтрации происходят разделение, фракционирование и концентрирование растворов. Один из растворов обогащается растворенным веществом, а другой обедняется. Мембраны пропускают растворитель и определенные фракции молекулярных соединений. Движущая сила ультрафильтрации - разность давления по обе стороны мембраны. Эта сила затрачивается на преодоление сил трения и взаимодействия между молекулами жидкой фазы и полимерными молекулами мембраны. Обычно процесс ультрафильтрации проводят при сравнительно низких рабочих давлениях 0,3 - 1 МПа. Увеличение давления выше указанного приводит к уплотнению мембраны, уменьшению диаметра пор, изменению селективности разделения и, как правило, к снижению производительности.
Ультрафильтрации обычно подвергаются вещества, в которых молекулярная масса растворенных компонентов намного больше молекулярной массы растворителя. Эффективность разделения зависит от структуры мембран, скорости течения и концентрации разделяемого раствора, формы, размера и диффузионной способности растворенных молекул.
Недостаток процесса - сильная концентрационная поляризация, т.е. на поверхности мембраны может образовываться плотный осадок - слой геля. Гидравлическое сопротивление этого слоя в ряде случаев может быть выше, чем сопротивление самой мембраны. Способы снижения концентрационной поляризации различны: увеличение скорости омывания поверхности мембраны потоком разделяемой жидкости, работа в пульсирующем режиме подачи раствора, турбулизация потока. Точка гелеобразования зависит от его химических и физических свойств.
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.
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.
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.
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.
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 |
По материалам сайта http://duplo-sova.narod.ru
