Ультрамембраны

Процессы обратного осмоса и ультрафильтрации заключаются в фильтровании растворов под давлением через полупроницаемые мембраны, пропускающие растворитель и полностью или частично задерживающие молекулы либо ионы растворенных веществ. При обратном осмосе отделяются частицы (молекулы, гидратированные ионы), размеры которых не превышают размер молекул растворителя. При ультрафильтрации размер отделяемых частиц на порядок больше. Давление, необходимое для проведения обратного осмоса (1-10 МПа), значительно больше, чем для ультрафильтрации (0,1-0,7 МПа).

Внешне обратный осмос и ультрафильтрация аналогичны фильтрованию, однако при фильтровании продукт откладывается в виде осадка на фильтре; при обратном осмосе и ультрафильтрации образуются два раствора, один из которых обогащен растворенным веществом.

Движущей силой рассматриваемых процессов является разность рабочего (избыточного) давления над исходным раствором и осмотического давления раствора. Наиболее перспективны обратный осмос и ультрафильтрация в системах локальной обработки сточных вод при небольших их расходах для концентрирования и выделения относительна ценных компонентов и очистки воды. Например, очистка сточных вод, образующихся при металлообработке, травлении, окраске, нанесении гальванических покрытий от таких токсичных веществ, как цианиды, хром, никель, медь, цинк и др., которые к тому же могут быть регенерированы.

Достоинствами методов являются: отсутствие фазовых переходов при отдалении примесей, что позволяет вести процесс при небольшом расходе энергии; возможность проведения процесса при комнатной температуре; простота конструкции аппаратуры; возможность выделения ценных продуктов; одновременная очистка воды от органических, неорганических и бактериальных загрязнений. Установка включает два основных элемента: устройство для создания давления жидкости (насос) и разделительную ячейку с закрепленными в ней полупроницаемыми мембранами, а в промышленных установках — многосекционный аппарат, обеспечивающий необходимую поверхность мембран.

Недостатки методов: повышенное давление в системе, явление концентрационной поляризации (увеличение концентрации растворенного вещества у поверхности мембраны вследствие преимущественного переноса, растворителя через мембрану), это приводит к уменьшению производительности, степени разделения и срока службы мембрана, а также вызывает необходимость специальных уплотнений аппаратуры.

Полупроницаемые мембраны, используемые для проведения обратного осмоса и ультрафильтрации, изготавливают из различных полимерных материалов, пористого стекла, металлической фольги и др. Наибольшее распространение подучили мембраны на основе различных полимеров: полиамидов, полиуретанов, полиакрилонитрила, эфиров целлюлозы; и др. Наибольшее применение в практике нашли листовые и трубчатые ацетилцелюлозные мембраны, а также мембраны в виде полых волокон, изготовленных из ацетилцеллюлозы и ароматических полиамидов.

С повышением давления удельная производительность мембран увеличивается, так как растет движущая сила процесса. Однако при высоких давлениях происходит уплотнение материала мембран, что может вызвать снижение проницаемости. В течение всего срока службы мембраны наблюдается замедленное, но непрерывное снижение проницаемости именно из-за влияния высокого давления на материал мембраны, вызывая в нем остаточные деформации и изменяя структуру.

Концентрация растворенных веществ определяет не только характеристики процесса обратного осмоса и ультрафильтрации, но и саму возможность использования этих методов разделения. Увеличение концентрации растворенных веществ приводит к повышению осмотического давления раствора, что снижает эффективную движущую силу процесса, возрастанию вязкости раствора, росту концентрационной поляризации. Все это вызывает снижение проницаемости, с увеличением концентрации на поверхности и в порах мембраны уменьшается толщина слоя связанной воды, ослабевают силы взаимодействия между ионами и молекулами воды в растворах неорганических веществ, что приводит к снижению селективности.