Нанофильтрация и обратный осмос в чем разница

Обратный осмос и нанофильтрация

История

С тех пор, как были разработаны методы обратного осмоса (ОО) и ультрафильтрации (УФ) в конце 50-х – начале 60-х гг прошлого века, спектр их применения постоянно расширялся. Изначально обратный осмос использовался для обессоливания морской и солоноватой воды. Повышение требований к промышленным предприятиям по сбережению воды, снижению расхода электроэнергии, контролю загрязнений и переработке отходов с целью повторного использования сделали новые применения обратного осмоса экономически привлекательными. Кроме того, благодаря прогрессу в биотехнологии и фармацевтике, вместе с продолжающимся прогрессом в развитии мембран, мембраны в настоящее время представляют собой важный этап для сепарации воды и примесей, который является более энергосберегающим, чем дистилляция, и не приводит к разрушению продуктов под действием температуры.

В целом, в настоящее время мембраны обратного осмоса делают возможным более интенсивное удаление солей при значительно меньшем рабочем давлении и, следовательно, меньших затратах. С помощью нанофильтрационной мембранной технологии можно удалять определённые соли и соединения при сравнительно низких рабочих давлениях.

Технологии мембранной очистки и их применение

Мембранные технологии обратного осмоса (ОО) и нанофильтрации (НФ) получили широкое признание в качестве наиболее эффективных и экономичных из доступных в настоящее время процессов. Обратный осмос и нанофильтрация способны очищать пресную, солоноватую, морскую воду из большинства естественных источников. Комбинация различных типов фильтрации и их ступеней очистки позволяет получать фильтрат, соответствующий большей части требований разных отраслей промышленности и питьевому качеству.

Различают по качеству воду, используемую для хозяйственно-питьевых нужд, для пищевой промышленности, орошения полей, для животноводства и др. отраслей народного хозяйства; для охлаждения элементов технологических агрегатов, пара, жидких и газообразных продуктов в холодильниках и конденсаторах; для нужд энергообеспечения населения и предприятий (питание паровых котлов); технологических целей промышленности; заводнения нефтяных пластов и т. д. За счёт применения ОО и НФ по отдельности, в сочетании друг с другом или с другими процессами, например, ионным обменом, можно снизить эксплуатационные затраты на реагенты, количество и качество сбрасываемых стоков. ОО занял свое место для производства сверх чистой воды, применяющейся в производстве полупроводников, энергетике (вода для подпитки котлов) и для медицинских/ лабораторных целей.

Различные технологии фильтрации, существующие в настоящий момент, можно классифицировать по размеру частиц, удаляемых из потока исходной воды. Традиционная макрофильтрация предназначена для очистки от взвешенных веществ и представляет собой пропуск исходной воды через фильтрующую загрузку. Очищаемая вода проходит через весь слой загрузки, а взвешенные вещества и грубодисперсные примеси оседают на поверхности или в объеме загрузки. Примерами такой фильтрации служат патронные фильтры, мешочные фильтры, песчаные фильтры и многослойные фильтры (фильтры с разнородной загрузкой). Разделяющая способность макрофильтрации обычно ограничивается удалением нерастворенных частиц крупнее 1 мкм. Для удаления мелких частиц и растворенных солей используются разные виды мембранной очистки.

При мембранной очистке исходная вода подается под давлением, поток воды проходит параллельно мембранной поверхности. Часть этого потока проходит через мембрану, оставляя задержанные частицы на поверхности или же задержанные примеси в концентрированном виде выводятся с отдельным потоком, называемым концентратом. Так как поток через мембранную поверхность проходит непрерывно, задержанные частицы не скапливаются, а отводятся с потоком концентрата. Таким образом, один поток исходной воды разделяется на два: поток очищенной воды (пермеат) и поток, насыщенный примесями (концентрат). По рейтингу фильтрации мембранная очистка делится на: микрофильтрацию, ультрафильтрацию, нанофильтрацию, обратный осмос.

Микрофильтрация (МФ)

Микрофильтрация позволяет удалять частицы в диапазоне приблизительно 0,1–1 мкм. В целом, взвешенные частицы и крупные коллоидные частицы задерживаются, в то же время макромолекулы и растворенные твёрдые частицы проходят через МФ мембрану. МФ применяется для удаления бактерий, хлопьевидных материалов или общей взвеси. Рабочее давление обычно составляет около 0,7 бар.

Ультрафильтрация (УФ)

Ультрафильтрация позволяет удалять частицы в диапазоне приблизительно от 20 до 1000 Ангстрем (до 0,1 мкм). Все растворенные соли и более мелкие молекулы проходят через мембрану. Вещества, задерживаемые мембраной, включают коллоиды, белки, микробиологические загрязнения и крупные органические молекулы. Большая часть УФ мембран имеет рейтинг по молекулярной массе между 1000 и 100 000 Ангстрем. Рабочее давление обычно составляет около 1–7 бар.

Нанофильтрация (НФ)

Нанофильтрация позволяет удалять частицы в размером в нанометры, отсюда и термин «нанофильтрация». Нанофильтрация представляет собой средний процесс между ультрафильтрацией и обратным осмосом. Молекулы органических веществ с молекулярной массой 200–400 задерживаются. Кроме того, задерживаются растворенные соли на 20–98 %. Соли, содержащие одновалентные ионы (например, хлорид натрия или кальция), задерживаются на 20–80 %, в то время как соли с двухвалентными анионами (например, сульфат магния), задерживаются в большей степени (90–98 %). НФ используется для удаления цветности и общего органического углерода из поверхностных вод, удаления жёсткости или радия из артезианской воды, общего снижения содержания растворенных веществ. Рабочее давление обычно составляет около 3,5–16 бар.

Обратный осмос (ОО)

Обратный осмос представляет собой самый тонкий уровень фильтрации. ОО мембраны служат барьером для всех растворенных солей, а также для веществ с молекулярным весом более 100. Молекулы воды, наоборот, свободно проходят через мембрану, благодаря чему на выходе создаётся поток чистой воды. Задержание растворенных солей обычно составляет 95 %–99,9 %. Рабочее давление ОО обычно варьируется от 5 бар для солоноватой воды и до 84 бар для морской воды.

Принципы работы обратного осмоса и нанофильтрации

Как работает обратный осмос

Явление осмоса можно увидеть, если в одну часть сосуда, разделенного полупроницаемой мембраной, налить чистую воду, а в другую — соленую. Термин «полупроницаемая» означает, что мембрана является проницаемой для одних частиц и непроницаемой для других. Если использовать мембрану проницаемую только для молекул воды, то она не будет пропускать через себя растворенные в воде соли. Спустя некоторое время можно будет заметить, что концентрации в обеих частях сосуда выравниваются. Таким образом происходит явление осмоса — чистая вода проходит через полупроницаемую мембрану в сторону концентрированного раствора и концентрации выравниваются. Это явление естественно, т. к. любая система стремится к равновесию.

Из рисунка видно, что в результате осмоса увеличивается высота столба жидкости в той части сосуда, где находился соленый концентрированный раствор. Высота будет увеличиваться до тех пор, пока давление столба жидкости (соляного раствора) не будет достаточно высоким, чтобы поток воды остановился. Прилагаемое давление, при котором поток воды через мембрану остановится, называется осмотическим давлением. Если к жидкости приложить ещё большее давление, поток воды через мембрану может развернуться в обратном направлении. На этом и основан термин «обратный осмос». В результате воздействия давления из соляного раствора через мембрану будет выходить только чистая вода, так как соли мембрана не пропускает.

Как работает нанофильтрация

Нанофильтрационная мембрана не является абсолютным барьером для растворенных солей. Степень пропускания солей может быть низкой или высокой в зависимости от типа соли и типа мембраны. Нанофильтрационные мембраны с низкой проницаемостью имеют почти такое же рабочее давление, что и обратный осмос. Нанофильтрационные мембраны с высокой проницаемостью работают при более низком давлении. На практике обратный осмос и нанофильтарция применяются с тангенциальным процессом фильтрации. С помощью насоса высокого давления исходная вода непрерывно подается в систему мембран при повышенном давлении. Внутри мембранной системы исходная вода разделяется на поток с низким содержанием солей — очищенный продукт, называемый пермеатом, и высококонцентрированный поток, называемый концентратом. Клапан регулирования потока, называемый клапаном концентрата, регулирует выход пермеата.

При описании процессов обратного осмоса/ нанофильтрации обычно используются следующие термины.

Выход пермеата — процент получаемой очищенной воды (пермеата) от исходной воды, поступающей на мембранную очистку. Определенное значение выхода достигается регулированием расхода концентрата с помощью вентиля на концентрате. Выход пермеата фиксируется на максимальном уровне, при котором расход по пермеату является максимальным, но при этом исключается осаждение солей на поверхности мембран.

Степень очистки — процент растворённых веществ, удалённых на мембране из исходной воды. При обратном осмосе важно, чтобы степень удаления общего растворённого вещества была высокой, в то время как при нанофильтрации степень очистки от разных веществ может быть различной, например, возможна низкая степень удаления жёсткости и высокая степень удаления органического вещества.

Проскок — термин, противоположный термину «степень задержания», т. е. процентная доля растворенных (загрязняющих) веществ, содержащихся в — исходной воде, пропускаемых мембраной.

Пермеат — очищенная вода, полученная в результате мембранной очистки.

Расход (производительность) — расходом по исходной воде называется скорость потока исходной воды в м 3 /ч, подаваемой в мембранный элемент или систему мембран. Производительность по концентрату — скорость концентрированного потока в м 3 /ч на выходе из мембранного элемента или мембранной системы. Производительность по пермеату — скорость потока по фильтрату (пермеату) в м 3 /ч на выходе из мембранного элемента или мембранной системы.

Удельная производительность — скорость потока пермеата, проходящего через единицу мембранной площади, обычно измеряется в литрах на квадратный метр (л/м 2 ×ч).

Факторы, влияющие на работу обратного осмоса и нанофильтрации

Удельная производительность по пермеату и степень очистки — ключевые параметры, на которые обращают внимание при проектировании установок обратного осмоса или нанофильтрации. В основном на удельную производительность и степень очистки мембранной системы влияют несколько параметров, а именно:

Для предоставления технико-коммерческого предложения необходимо заполнить форму заказа.

В этом разделе:

©АО Ионообменные технологии, 2015

+7 (495) 627–57–59
г. Москва, ул. Барклая, д. 13, стр. 2, этаж 5, ком. 37

Источник

Обратный осмос и нанофильтрация в водоочистке

Историческая справка: Трапеза монаха

Все началось с того, что в 1748 году французский ученый, монах Нолле, решил пообедать. Перед трапезой он поместил бычий пузырь с вином в воду, задавшись целью охладить напиток, и стал размещать на столе все, что послал Бог. Но вина, к сожалению, в тот день отведать ему не довелось: то ли Бог хотел видеть монаха трезвым, то ли решил наказать его за какие-то грехи, но пузырь с вином увеличился в объеме и лопнул. Выяснилось, что вода проникла в пузырь через его стенку.

Почти два столетия изучались удивительные осмотические явления и свойства пленок-мембран, пока в Германии, после первой мировой войны, не была изготовлена первая искусственная мембрана для продажи и промышленного использования.

Секрет индивидуальности

Последними технологическими разработками в области обратноосмотических и нанофильтрационных мембран являются композитные мембраны с селективным полиамидным слоем.

Нанофильтрационные и обратноосмотические мембраны аналогичны по принципу работы, а отличаются размером пор и соответственно размером задерживаемых примесей. Так нанофильтрационные мембраны характеризуются размером пор до 10 нм и удаляют молекулы и многозарядные ионы, имеющие размер от 0,001 мкм, органические молекулы с молекулярной массой выше 300 и все бактерии и вирусы. Обратноосмотические мембраны характеризуются минимальным размером пор (до 1 нм), соизмеримым с размером одиночных ионов, поэтому извлекаются 99% всех растворенных в воде примесей.

В процессе фильтрации происходит концентрирование веществ, которые не проходят через мембрану, у поверхности мембраны. В результате возможно осадкообразование на мембране, что существенно снизит ее производительность. Для того чтобы избежать подобных проблем, мембранная система должна быть правильно спроектирована и укомплектована соответствующими блоками предварительной очистки.

Более сложной проблемой является локальное концентрирование у поверхности мембраны (так называемая концентрационная поляризация), когда очень трудно предсказать, будет ли превышена растворимость определенных веществ. Чтобы решить эту проблему, необходимо обеспечить хорошее перемешивание концентрата, что зависит от конструкции мембранного модуля. Наиболее эффективное перемешивание концентрата достигается в рулонных мембранных модулях. В них у поверхности мембраны расположена тонкая сетка, которая препятствует образованию стационарного слоя жидкости в процессе фильтрации и способствует перемешиванию концентрата. Такая конфигурация также позволяет производить более компактные установки по сравнению с установками с плоскими мембранными элементами.

При производстве мембранных установок ООО «Осмос» использует рулонные полиамидные мембранные элементы.

О применении мембран

В последние годы начался новый бум в мембранной технологии. Мембранные установки стали все больше и больше использоваться в быту. Это стало возможным благодаря научным и технологическим достижениям: мембранные аппараты стали дешевле, возросла удельная производительность, и снизилось рабочее давление. Обратноосмотические мембраны незаменимы для снижения общей минерализации воды (обессоливании) и широко используются для очистки пресной, в том числе водопроводной, воды.

Источник

Нано мембрана для обратного осмоса

Воду различают по качеству:
— для хозяйственно-питьевых нужд или техническую;
— для пищевой промышленности;
— для орошения полей;
— для животноводства;
— для охлаждения;
— для питания паровых котлов;
— для технологических целей промышленности;
Применяя мембраны ОО и НФ совместно и в отдельности, в сочетании очистки воды с другими процессами, такими как ионный обмен, достаточно серьезно можно снизить затраты на обслуживание всей установки, снизить количество дренажа. Обратный осмос завоевал своё место место для очистки воды наивысшего качества, такая вода применяется для производства полупроводников, для лабораторных и фармацептических целей.

Все существующие настоящий момент методы очистки классифицировать можно по размеру очищаемых частиц. Стандартная макрофильтрация воды служит для очистки от взвешенных частиц это пропуск неочищенной воды через фильтрационную загрузку. Исходная вода проходит через все слои такой загрузки, а вот взвешенные и грубодисперсные частички и примеси оседают на её поверхности, в объеме загрузки. Хорошим и наглядным примером такой фильтрации будут колбовые фильтры, многослойные фильтры (фильтры с разнородной загрузкой), мешочные фильтры, песчаные фильтры. Способность очищать при макрофильтрации ограничивается удалением частиц крупнее 2 мкм. А вот для удаления из воды более мелких частиц и /или растворенных солей на практике применяются несколько видов мембранной фильтрации.

Микрофильтрация (сокращенно «МФ»)

Микрофильтрация воды позволяет удалять частицы в диапазоне приблизительно 0,1-1 мкм. В целом, нерастворенные и взвешенные частицы, крупные коллоидные вещества задерживаются, в тоже время макромолекулы и твёрдые растворенные частицы проходят через «МФ» мембрану. Микрофильтрация применяется для очищения воды от бактерий, хлопьевидных материалов или общей взвеси. Рабочее давление обычно составляет около 0.7 бар.

Ультрафильтрация (сокращённо «УФ»)

Очистка воды методом Ультрафильтрации может удалять частицы в рабочем диапазоне от 20 до 1000 Ангстрем (до 0.1 мкм). Все растворенные в воде соли и более мелкие молекулы проходят через ультрафильтрационную мембрану. Список веществ которые задерживает мембрана: коллоиды, белки, микробиологические загрязнения и крупные органические молекулы. Большая часть «УФ» мембран имеет рейтинг по молекулярности между 1000 и 100 000 Ангстрем. Рабочего давления достаточно от 1 до 7 бар. Фильтры на ультрафильтрации.

Нанофильтрация (сокращённо «НФ»)

В чём основное преимущество очистки воды наномембранами? В большей степени тем, что вода очищается на 85%, т.е. в ней остаются п

олезные для организма микроэлементы и минералы, а вредоносные удалены! Если судить по цифрам, то, исходная вода, например у нас с жесткостью 5.1, после наномембраны она будет иметь остаточную жесткость 0,75, а после обратноосмотического фильтра 0,17.

Обратный осмос (сокращенно «ОО»)

Фильтрация воды Обратным осмосом, это самый высококачественный уровень фильтрации. Обратноосмотические мембраны это барьер для всех без исключения растворенных солей, и для всех веществ с молекулярным весом более 98 единиц. Только молекулы воды, могут свободно проходить через «ОО» мембрану, благодаря этому факту и происходит фильтрация. Очистка от растворенных солей на практике составляет от 96% до 99%. Но вот рабочее давление для систем «ОО» варьируется от 4 бар для стандартной воды и аж до 84 бар систем очистки морской воды.

Источник

Отличия мембранных методов очистки. Микрофильтрация, ультрафильтрация, нанофильтрация и обратный осмос

Обратный осмос – один из самых эффективных методов очистки воды от любых загрязнений. Но он задерживает практически все растворенные в воде частицы. А на практике часто нужна не полная, а селективная фильтрация частиц, также называемая фракционированием. Целью фракционирования является сохранение растворенных в воде полезных веществ. Поэтому существует сразу несколько методов мембранной фильтрации нужной степени тонкости.

Механизм работы мембранных фильтров

Модель работы мембранных фильтров не отличается в зависимости от выбранного метода. Вода под давлением подается на полупроницаемую мембрану. Молекулы воды ее легко проходят, а сторонние примеси остаются по ту сторону мембраны в виде концентрата, который потом просто сливается в дренаж. Микрофильтрация, ультрафильтрация, нанофильтрация и обратный осмос (именно в таком порядке) имеют разные размеры пор, и обеспечивают степень фильтрации, требуемую под определенную задачу.

Микрофильтрация

Мембранный фильтр в установке микрофильтрации имеет средний размер пор 0,1 мкм. Диапазон размеров, в зависимости от вида фильтра и целей фильтрации может варьироваться от 0,05 мкм, до 5 мкм. Микрофильтрация эффективна для удаления из воды микрочастиц и некоторых макромолекул. Способна отфильтровать простейшие живые организмы, бактерии и вирусы. По сути, микрофильтрация – просто очень тонкая механическая фильтрация.

Чаще всего ее используют на водозаборных сооружениях в качестве ступени механической очистки (для удаления взвешенных примесей). Микрофильтрация также эффективна в качестве дополнительной ступени очистки после засыпных и сорбционных фильтров.

Ультрафильтрация

Средний размер пор мембраны ультрафильтрации в 10 раз меньше, чем у микрофильтрации и составляет 0,01 мкм. Может варьироваться от 0,001 мкм, до 0,05 мкм. Ультрафильтрация применяется для полного удаления из воды макромолекул сторонних примесей. Очень эффективна против простейших живых организмов, бактерий и большинства вирусов.

Установки ультрафильтрации могут выступать в качестве основного фильтрующего элемента на производствах без особых требований к качеству воды. Ее часто применяют для очистки поверхностных и сточных вод, а также как предварительную ступень очистки перед обратным осмосом.

Нанофильтрация

Нанофильтрация по степени селективности мембран и тонкости очистки воды уступает только обратному осмосу. Поры фильтрационной мембраны, в среднем, имеют размер около 0,001 мкм. Может варьироваться от 0,0008 мкм, до 0,01 мкм. Нанофильтрация способна убрать все примеси из воды, кроме ионов металлов и некоторых растворимых солей. Против всех остальных примесей показывает очень высокую эффективность, включая бактерии, вирусы, кислоты, растворенные пестициды и гербициды.

Нанофильтрация используется в тех областях производства, которым нужна тонкая очистка воды, но при этом допускается (или необходимо) сохранение определенного содержания солей. К примеру, ультрафильтрация часто используется в нефтяной и пищевой промышленности.

Обратный осмос

Самый эффективный метод мембранной очистки. Поры обратноосмотической полупроницаемой мембраны имеют размер 0,0001 мкм. Через исправную мембрану обратного осмоса могут пройти только молекулы воды (с погрешностью в 1%). На выходе получается вода очень близкая к дистиллированной по своим свойствам.

Обратный осмос – отличное решение для производственных линий, которым требуется максимальная очистка воды: фармацевтическое производство, парфюмерия, ТЭС и т.д.

Выбор вида мембранной фильтрации сводится к трем ключевым показателям:

Получите консультацию по подбору систем мембранной очистки воды от нитратов у наших специалистов. Для этого свяжитесь с нашими менеджерами по номеру 8 800 775-57-20 или оставьте номер телефона в форме обратной связи.

Источник

Нанофильтрация и обратный осмос: сравнение и области оптимального применения

Рассмотрены составляющие механизма переноса веществ в обратном осмосе и нанофильтрации. Исследовано влияния основных факторов (физико-химическая природа полимера, качественный и количественный состав разделяемого раствора, возможные взаимодействия в системе «мембрана-раствор», рабочие температура и градиент давления) на селективность и удельную производительность мембран. Предложены области оптимального и перспективного применения обратного осмоса и нанофильтрации.

Ключевые слова: нанофильтрация, обратный осмос, селективность, удельная производительность, механизм разделения, применение.

Среди баромембранных процессов, движущей силой которых является разность гидростатических давлений между раствором и пермеатом, наиболее известным и часто применяемым в задачах очистки и обессоливания вод различного происхождения является обратный осмос. Многие инжиниринговые фирмы научились эффективно применять данный процесс и проектировать на его основе системы водоподготовки.

Относительно малоисследованной и необоснованно редко применяемой остается нанофильтрация. Не существует четкого понимания физико-химических основ данного процесса, поэтому каждая научная, промышленная и инжиниринговая организация пытается описать его по-своему, и не всегда точно и грамотно.
Так, например:
«Нанофильтрация (НФ) – это процесс разделения водных сред при помощи мембраны, имеющей менее плотный и более проницаемый селективный слой, чем для обратного осмоса» [1].
«Нанофильтрация – баромембранный процесс очень близкий к процессу обратного осмоса по механизму разделения, схеме организации, типам мембран и применяемому оборудованию» [2] и пр.

Многие понимают нанофильтрацию как низконапорный обратный осмос. Однако у этих процессов, наряду со схожими характеристиками, очень много различий. Попробуем в них разобраться. Для начала дадим определения, принятые на кафедре мембранной технологии РХТУ им. Д.И. Менделеева:

Нанофильтрация (НФ) – это баромембранный процесс разделения, эффективность которого определяется как размером пор, так и зарядом мембраны [3]. Обратный осмос (ОО) – баромембранный процесс разделения растворов низкомолекулярных неорганических веществ под давлением, превышающем осмотическое.

Теоретические основы

Основные характеристики, определяющие эффективность любого баромембранного процесса и находящиеся в диалектическом
взаимодействии, – селективность и удельная производительность мембран.

Удельная производительность (q [м3/(м2•сек.)]) – количество вещества, проходящее в единицу времени через единицу рабочей поверхности мембраны. При этом под «рабочей» понимают поверхность, непосредственно участвующую в процессе разделения (очистки).

Профиль изменения концентрации вещества при переходе через мембрану описывается следующими упрощенными представлениями (рис. 1).

Селективность – доля (или процент) вещества, задержанного мембраной. Различают наблюдаемую и истинную селективность.
Явление повышения концентрации вблизи поверхности мембраны называют концентрационной поляризацией, а отношение (3) – величиной концентрационной поляризации (КП).

Толщину слоя вблизи поверхности мембраны измерить практически невозможно, ее определяют косвенным путем.

Рассмотрим механизм переноса в обратном ОО и НФ. Определяющими являются следующие составляющие:
1. Конвективно-фильтрационная.
Растворитель – вода, переносится через мембрану вязким (пуазейлевским) потоком под действием движущей силы – градиента давления.
2. Внешняя и внутренняя диффузия.
Интенсификация внешнедиффузионной составляющей (например, увеличение скорости движения жидкости в напорном канале мембранного модуля) приводит к уменьшению толщины слоя КП, тем самым увеличивая значение наблюдаемой селективности практически до величины истинной. Перенос растворенного вещества через селективные поры мембраны осуществляется диффузионным путем. Поэтому увеличение внутридиффузионной составляющей переноса приводит к уменьшению селективности мембраны.
3. Электростатическая или зарядовая.
Обусловлена наличием диссоциированных функциональных групп в структуре полимера, образующего селективный слой мембраны. При увеличении их количества возрастает плотность заряда на поверхности мембраны, растет емкость двойного электрического слоя, селективность мембраны увеличивается.

Влияние основных параметров на эффективность ОО и НФ

На эффективность ОО и НФ влияет природа полимера, образующего селективный слой мембраны и ее подложки, их физико-химические и механические свойства, производными которых являются знак, величина и плотность поверхностного заряда.
Селективные слои ОО и НФ мембран могут быть выполнены из одного и того же материала, например, пиперазинамида (рис. 2).

Различаться же они будут «степенью сшивки» полимера, а, следовательно, размером пор (ОО – 20-50 ангстрем, НФ – 50-80 А) и количеством диссоциированных функциональных групп (в частности, СОО-), определяющим плотность заряда на поверхности и внутри пор селективного слоя.

Характеристикой мембран, имеющих заряженные функциональные группы, является точка нулевого заряда (ТНЗ) – величина рН-разделяемого раствора, при которой взаимно скомпенсированы заряды функциональных групп селективного слоя мембраны (например, карбоксильных и амино-групп). ТНЗ – характеристика «самой мембраны».

Важным фактором является качественный и количественный состав разделяемого раствора и возможные физико-химические взаимодействия в системе «мембрана-раствор».

Соли натрия – непременный компонент воды любого происхождения. Проиллюстрируем различия в механизмах задержания ОО и НФ на примере зависимостей селективности мембран по двухвалетному катиону никеля (концентрация которого оставалась постоянной и равной 10 мг/л) от концентрации катиона натрия, которая пошагово увеличивалась в диапазоне 0-200 мг/л (по катиону).

Как видно из рис. 3, селективность ОО очистки с увеличением концентрации хлорида натрия после небольшого возрастания остается практически постоянной. Данное явление, очевидно, объясняется различием в величинах теплот гидратации исследуемых компонентов. Одновалентный катион натрия по сравнению с двухвалентным никелем имеет существенно меньшую теплоту гидратации, а, следовательно, и меньший радиус гидратной оболочки. Натрий легче проникает в упорядоченную структуру слоя связанной воды у поверхности и внутри пор мембраны, тем самым увеличивая (в момент введения добавки) селективность по целевому компоненту (катиону никеля). Дальнейшее увеличение концентрации хлорида натрия не оказывает влияния на величину селективности ОО мембран.

В случае НФ селективность по целевому компоненту возрастает с увеличением концентрации катионов натрия в исходном растворе и достигает максимума при СNa+=50-75 мг/л. Возрастание селективности, вероятно, связано с различиями теплот гидратации компонентов. Падение селективности может быть объяснено сжатием двойного электрического слоя, что связано с ростом ионной силы исходного раствора. Это явление приводит к снижению вклада электростатического механизма в общую задерживающую способность НФ мембран. Аналогичные зависимости получены при изучении влияния концентрации ионов натрия на селективность по катионам кадмия. [4]

Для более полного изучения ОО и НФ мембран было проведено исследование влияния величины рН разделяемого раствора на эффективность процессов очистки (рис. 4).

В процессе НФ зависимости селективности мембран от величины рН проходят через минимум, который отмечается при рН

5,4 (для катионов цинка и кадмия). При уменьшении рН раствора происходит подавление диссоциации карбоксильных групп и одновременная протонизация >NH групп, что приводит к перезарядке и, далее, к росту положительного заряда (первоначально отрицательно заряженной) мембраны. Обнаруженные минимумы величины «задержки» солей мембраной могут быть интерпретированы как результат снижения химического потенциала поверхности пор мембраны в изоэлектрической точке. Однако амфотерная поверхность мембраны в ИЭТ является нейтральной лишь в макромасштабе, где положительные и отрицательные заряды взаимно скомпенсированы. В то же время на поверхности пор мембраны существуют микроучастки, обладающие как положительным, так и отрицательным зарядами. Эти локальные заряды и наличие слоя «связанной воды» обеспечивают селективность мембраны в ИЭТ 6.

Зарядовые явления в ОО играют меньшую роль. Однако селективный слой обеих мембран состоит из полиамида, поэтому и в ОО наблюдается небольшое снижение селективности мембран в области ИЭТ при рН

Изоэлектрическая точка (ИЭТ) характеризуется величиной рН разделяемого раствора, при которой взаимно скомпенсированы как заряды функциональных групп селективного слоя мембраны, так и заряды сорбированных на ее поверхности многовалентных ионов. ИЭТ – характеристика системы «мембрана-раствор».

Среди технологических параметров на эффективность работы обоих процессов влияют:
— температура разделяемого раствора;
— градиент давления.

Температура разделяемого раствора. Удельная производительность ОО и НФ обратно пропорциональна вязкости исходной жидкости. Но материал селективного слоя имеет «температурный предел», выше которого селективный слой начинает деформироваться, его поры уменьшаются, вплоть до исчезновения. Обычно эта величина составляет 35 0С, но существует ряд «термостойких» мембран, сохраняющих свои характеристики до 80 0С. Повышение температуры снижает селективность мембраны. При этом происходит увеличение диффузионной составляющей переноса растворенных веществ и уменьшается плотность заряда двойного электрического слоя. Однако положение ИЭТ не изменяется [8].

Градиент давления. При возрастании рабочего давления увеличивается движущая сила массопереноса и логично возрастает удельная производительность мембран. Условием проведения ОО является приложение давления, превышающего осмотического. Например, при обессоливании воды Баренцева моря (общее солесодержание

34 г/л, осмотическое давление при температуре воды

50С составляет величину порядка 26,5 атм), ОО «требует» рабочее давление порядка 50 атм, в то время как для осуществления НФ достаточно 30 атм.

Области применения ОО и НФ

ОО довольно успешно применяется в задачах водоподготовки и обессоливания.

Nanofiltration and reverse osmosis. Comparison of their mechanisms and optimal application areas

Components of mass-transfer mechanism and their roles during reverse osmosis and nanofiltration are analyzed. Influence of main parameters (physico-chemical nature of membrane polymer, quantitative and qualitative composition of initial solution, presumable interaction in the “membrane – initial solution” system, working temperature and applied pressure) on membrane flux and rejection is determined. Optimal application areas for nanofiltration and reverse osmosis are described.

Keywords: nanofiltration, reverse osmosis, rejection, flux, separation mechanism, application.

Farnosova Elena Nikolaevna, Ph(D) Eng, associate Professor, membrane technology, Russian chemical-technological University named by D. I. Mendeleev. 125047, Russia, Moscow, Miusskaya sq., 9. E-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Kagramanov Georgy Gaikovich, doctor of technical Sciences, Professor, head of the Department of membrane technologies, Russian chemical-technological University named by D. I. Mendeleev. 125047, Russia, Moscow, Miusskaya sq., 9. E-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Журнал «Вода Magazine», №6 (118), 2017 г.

Источник