Тема 7. Очищення води мембранними методами.

Питання теми:

7.1. Зміст мембранних методів та галузі їх застосування.

7.2. Установки, що працюють на принципі мембранного розділення забруднених вод.

7.3. Характеристика мембран.

Основні терміни: мембрана, осмос, напівпроникність, діаліз, первапорація, фільрування, модуль.

7.1. Зміст мембранних методів та галузі їх застосування.

Процеси розділення рідинних систем, до яких належить також очищення стічних вод, відіграють важливу роль практично в усіх сферах людської діяль­ності. Для здійснення цих процесів давно використовують такі способи, як пере­гонку і ректифікацію, абсорбцію та адсорбцію, екстракцію та ряд інших фізико-хімічних, хімічних, фізичних і механічних методів. Водночас уже давно було відо­мо, що завдяки еволюції живих організмів виробився найбільш універсальний і досконалий метод розділення рідинних систем крізь напівпроникні біологічні мембрани, які забезпечують спрямоване перенесення речовин у клітини і з клі­тин живих організмів. Ця унікальна властивість напівпроникних мембран про­пускати одні речовини і затримувати інші (причому цей процес відбувається з низькими енергетичними затратами) давно приваблювала дослідників з метою її використання для вирішення технологічних проблем, у тім числі й для очищення води від різних видів розчинних і нерозчинних домішок. Однак ідея, застосування мембран для технологічних потреб стала реальністю лише тоді, коли було досягнуто необхідного рівня знань про природу та структуру нату­ральних і синтетичних матеріалів, насамперед полімерів.

До основних мембранних процесів, що нині успішно використовуються для розділення рідинних систем, у тім числі й очищення вод, належать: зворотний осмос, нанофільтрування, ультрафільтрування, мікрофільтрування, діаліз, пер-вапорація, мембранна дистиляція, електродіаліз та ін.

У будь-якому з перелічених мембранних процесів розчин, що підлягає розділенню, обов'язково контактує з напівпроникною мембраною з одного її боку. Внаслідок напівпроникності мембрани розчин, що проходить крізь неї, збагачується на один із компонентів (як правило, розчинником — водою). Часом процес відбувається настільки ефективно, що отриманий фільтрат практично не містить домішок. Водночас, використовуючи той чи інший мембранний процес, можна отримати в розчині над мембраною концентрат без домішок речовин, здатних проникати крізь мембрану.

Рушійною силою мембранних процесів є різниця з обох боків мембрани:

- робочого тиску в так званих баромембранних процесах (зворотний осмос, ульт­рафільтрування, нанофільтрування, мікрофільтрування);

- парціального тиску пари розчинника (води) в мембранній дистиляції і первапорації;

- концентрації розчиненої речовини в діалізі;

- електричного потенціалу в електродіалізі.

Найважливішими функціональними характеристиками будь-яких синтетичних мембран є коефіцієнт затримування (селективності) розчиненої речовини

 

Та продуктивність (об'ємний потік) крізь мембрану

 

Обидві ці функціональні характеристики не є константами напівпроникних мембран, оскільки значною мірою залежать від зовнішніх умов проведення процесу розділення (тиску, температури, концентрації, гідродинамічних умов тощо). Тому часто для характеристики функціональних властивостей мембран, що застосовуються в баромембранних процесах, використовують ще два показники:

1. Коефіцієнт фільтрування Ір, який дорівнює об'ємному потоку, нормованому за градієнтом тиску АР.

 

2. Коефіцієнт відбиття мембрани (коефіцієнт Ставермена)

 

Який дорівнює нулю для повністю проникної для даної розчиненої речовини мембрани та одиниці—для ідеально напівпроникної мембрани. У рівнянні А л — різниця осмотичних тисків розчину з обох боків мембрани. Коефіцієнт відбиття мембрани характеризує її властивості без урахування умов використання мембрани. Однак на нього справляє значний вплив анізотропність внутрішньої будови мембрани (градієнт діаметра пор у перерізі мембрани), що значно ускладнює визначення "істинного" значення цього показника.

Зворотний осмос — це процес фільтрування розчинів під тиском крізь напівпроникні мембрани, які пропускають розчинник (воду) і повністю або частково затримують молекули чи іони розчинених речовин. В основі цього мембранного процесу лежить явище осмосу — самовільного проникнення розчинника крізь напівпроникну мембрану в розчин. Гідростатичний тиск, за якого встановлюється динамічна рівновага потоку розчинника крізь мембрану, відповідає осмотичному тиску розчину даної концентрації.

 

Схема виникнення осмосу.

А.), б.), в.) – етапи , що характеризуються різними співвідношеннями тисків у воді та розчині солі.