Установки обратного осмоса

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

НАЦИОНАЛЬНЫЙ МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВОЙ УНИВЕРСИТЕТ "ГОРНЫЙ"

Кафедра геоэкологии

Реферат

по предмету: "Теоретические основы охраны окружающей среды"

Тема: "Установки обратного осмоса"

Санкт-Петербург

год

Оглавление

Введение

. Сущность обратного осмоса

. Установки обратного осмоса

. Обратноосмотические мембраны

. Обратноосмотические аппараты

Литература

  Введение

Целью данной работы является описание принципа работы и основных особенностей технического исполнения современных аппаратов и установок, работающих по принципу обратного осмоса.

Обратный осмос широко применяется в системах водоподготовки, при концентрировании и фракционировании растворов, для опреснения и умягчения морской воды, для очистки промышленных сточных вод от тяжелых металлов и высокомолекулярных соединений, очистки технологических растворов и воды от тонкодисперсных примесей, а также в других областях промышленности [1].

Для раскрытия темы и реализации обозначенной цели, оптимальной представляется следующая структура: описание физических процессов, обеспечивающих протекание процесса (глава 1); принципиальная схема установки обратного осмоса, возможные варианты её реализации (глава 2); обратноосмотические мембраны, их основные параметры и характеристики (глава 3); аппараты обратного осмоса, принципиальные различия в пространственной ориентации мембран (глава 4).

В заключении будут приведены положительные и отрицательные аспекты данной технологии очистки.

обратный осмос мембрана аппарат

1. Сущность обратного осмоса

Обратный осмос относится к баромембранным процессам водоподготовки, осуществляемым под действием перепада давления через разделительную полупроницаемую мембранную перегородку[1]. Принцип их действия основан на том, что под влиянием внешнего давления молекулы растворителя (вода) и ионы некоторых растворенных веществ (например, солей) проходят через полупроницаемую мембрану, тогда как другие молекулы или заряженные ионы в различной мере задерживаются мембраной или не проходят сквозь нее.

Понятие "обратный осмос" показывает обратимость естественного (прямого) осмоса, который характеризуется самопроизвольным переходом растворителя через полупроницаемую мембрану в раствор. На рисунке 1 приведены схемы прямого и обратного осмоса.

Рисунок 1. Принципиальная схема прямого и обратного осмоса: а - начало осмотического переноса; б - равновесное состояние; в - обратный осмос; 1 - пресная вода; 2 - соленая вода; 3 - мембрана; p - осмотическое давление раствора

Если чистую воду и водный раствор какого-либо неорганического вещества поместить в два отсека по обе стороны полупроницаемой мембраны, способной пропускать только молекулы воды, то в такой системе будет наблюдаться следующее[2]. Из-за разности давления (концентрации) молекул воды в разных отсеках происходит переход молекул воды в объем с их меньшей концентрацией, т.е. в отсек солевого раствора, объем которого постепенно увеличивается, раствор разбавляется, разность давлений уменьшается, тормозя дальнейший перенос молекул воды. В состоянии равновесия уровни в обеих частях ячейки не будут изменяться, а установившееся гидростатическое давление определяется как осмотическое давление раствора. Осмотическое давление раствора p определяется согласно закону Вант-Гоффа и может быть записано в виде выражения 1:

 где i - коэффициент Вант-Гоффа, R - универсальная газовая постоянная, равная 8.31 Дж/(моль·К); T - температура раствора, К; C - концентрация растворенного вещества, г/дм³; M - масса 1 моля растворенного вещества, г.

Коэффициент Вант-Гоффа равен среднему суммарному числу частиц, образующихся при электролитической диссоциации одной молекулы (формула 2):

где n - общее число ионов, образующихся при диссоциации одной молекулы, - степень диссоциации растворенного вещества. Для хорошо растворимых веществ в разведенных растворах диссоциацию можно считать полной, и в этих случаях коэффициент Вант-Гоффа можно использовать как целую величину, соответствующую числу образовавшихся ионов (например, для NaCl i = 2).

Из уравнений 1 и 2 следует, что осмотическое давление раствора зависит от химической природы растворенного вещества и его концентрации.

Движущей силой процесса является разность давлений по обе стороны мембраны(формула 3):

где P - давление над исходным раствором (сырьем),  и соответственно осмотическое давление раствора (сырья) и растворителя (пермеата, фильтрата).

Химическая структура полимера, из которого изготавливается мембрана такова, что вода может образовывать водородные связи с функциональными группами полимера. При этом образуется слой связанной с мембраной воды, как это показано на рисунке 2. Связанная вода образует упорядоченную структуру и не обладает способностью растворять в себе (гидратировать) электролиты. Тогда при приложении к раствору давления, превышающего осмотическое, через поры мембраны, имеющие диаметр меньше, чем размер областей связанной воды (пора 1), будет проникать - только чистая вода, то есть в этом случае диаметр "перекрывается" слоями связанной воды. Только чистая вода будет проникать через мембрану и в том случае, если поры не "перекрываются" связанной водой, но этот не перекрытый диаметр меньше диаметра гидратированного иона (пора 2). И только поры если размер пор настолько велик, что в них по области свободной воды может проникнуть гидратированный ион, то через эти поры будет проникать исходный раствор[3].

Рисунок 2. Схема Взаимодействия воды с с мембраной.

Итак, в отличие от микро- и ультрафильтрации, где разделение происходит исключительно по размерам частиц и материал мембраны не влияет на ее задерживающую способность, в обратном осмосе разделение происходит благодаря избирательному взаимодействию одного из компонентов смеси (воды) с материалом мембраны. Вода образует водородные связи с функциональными группами полимера, из которого изготовлена мембрана [3].

Рисунок 3. Принципиальная схема обратноосмотической установки.

Назначение насоса состоит в расчетного давления для осуществления массообменных процессов, протекающих на полупроницаемых обратноосмотических мембранах. Подбор высоконапорного насоса производится исходя из его рабочей характеристики. При этом рабочая точка насоса должна находится в диапазоне от 0,6 - 0,7 максимальной его производительности. Концентрат, выходящий из установки обратного осмоса, имеет достаточно высокое давление и его транспортировка к месту сброса или утилизации не вызывает особых трудностей. Давление же пермеата после обратноосмотической установки редко превышает 1 атм. Поэтому, чаще всего его приходиться подавать в накопительную емкость, откуда с помощью повышающего насоса он транспортируется на дальнейшие стадии очистки. Несколько отдельных обратноосмотических модулей, размещенных параллельно или последовательно по отношению друг к другу, образуют каскад. Задача инженера, проектирующего установку обратного осмоса - собрать модули таким образом, чтобы оптимизировать систему при минимальной себестоимости продукта. Схема потоков в модуле является одним из главных факторов, определяющих степень достигаемого разделения и качественные характеристики работы установки. В одностадийном или многостадийном процессах обратного осмоса используются две базовые конфигурации потоков: 1) однопроходная система и 2) система с рециркуляцией.

Рисунок 4. Конфигурации потоков в обратноосмотических установках.

В однопроходной системе сырьевой раствор проходит через единственный модуль (одностадийная система) или систему модулей (многостадийна система) только один раз, т. е. здесь рециркуляция отсутствует. Другими словами, объемная скорость потока над мембраной уменьшается по мере продвижения от входа в модуль к выходу из него. В многостадийных однопроходных процессах это снижение потока компенсируется определенной сборкой модулей, так называемая коническая каскадная схема. При такой конфигурации установка может быть спроектирована так, чтобы скорость потока оставалась фактически постоянной. Другая конфигурация - это рециркуляционная система. В этом случае сырье компримируется и прокачивается несколько раз через одну и ту же ступень, состоящую из нескольких модулей. Каждая ступень снабжена рециркуляционным насосом, что позволяет оптимизировать гидродинамические условия.

Рисунок 5

При использовании рециркуляционной системы наблюдается лишь небольшое падение давления в каждой ступени, где можно регулировать скорость потока и давление. Система рециркуляции сырья является гораздо более гибкой, чем однопроходная. Для более простых задач, например при обессоливании морской воды, использование однопроходной системы оказывается экономически оправданным. Все установки обратного осмоса оснащаются автоматизированной системой управления и контроля, в которую, как правило, входят: контроллер для управления установкой, кондуктометр, измерители расхода (ротаметры), манометры и датчики давления.

. Обратноосмотические мембраны

Обратноосмотические мембраны имеют асимметричную структуру и состоят из двух слоев (рисунок 6): верхнего, активного толщиной до 0.30 мкм, представляющего собой собственно разделяющую часть мембраны, и нижнего, крупнозернистого толщиной 100 - 200 мкм, который является подложкой и обеспечивает механическую прочность мембраны. Среди важнейших технологических показателей полупроницаемых мембран используются следующие: проницаемость (удельная производительность) и селективность [2].

Рисунок 6. Строение полупроницаемой мембраны:1-активный слой; 2-поддерживающий слой.

Удельная производительность мембраны - количество очищенной воды, проходящей в единицу времени через единицу площади мембраны. Иными словами это количество пермеата может произвести 1 кв. м. поверхности мембраны за сутки или за час. Единицы измерения: м3/м2*день, м3/м2*час.

Селективность определяется как процент растворенного вещества, задержанного мембраной [4].

Материал, из которого изготавливается мембрана, должен иметь высокое сродство к растворителю (главным образом к воде) и низкое сродство к растворенному компоненту. Процесс выбора материала мембраны для обратного осмоса становится чрезвычайно важным, поскольку свойства взаимодействия материала и растворителя определяют селективность мембраны.

Важным классом асимметричных мембран для обратного осмоса являются эфиры целлюлозы. Эти материалы подходят для обессоливания, поскольку они высокопроницаемы для воды, в сочетании с весьма низкой проницаемостью для солей. Однако, если характеристические свойства мембран, приготовленных из этих материалов, достаточно хороши, их стабильность по отношению к химическим реагентам, температуре и бактериям очень низка. Во избежание гидролиза полимера такие мембраны, как правило, можно использовать в узком интервале условий: при рН 5-7 и температуре ниже 30 ^оС.

Среди других материалов, которые часто использовались для обратного осмоса, выделяются ароматические полиамиды. Эти материалы также обладают высокой селективностью по отношению к солям, но поток воды через них немного ниже. Полиамиды могут использоваться в более широком интервале рН, приблизительно 5-9. Главным недостатком полиамидов (или полимеров с амидной группой вообще) является их чувствительность к свободному хлору (Cl), который вызывает разрушение амидной группы [4].

Мембраны собираются в обратноосмотические модули (аппараты [6]). По своим конструктивным особенностям обратноосмотические аппараты различаются плоскокамерные, трубчатые, рулонные, с полыми волокнами.

. Обратноосмотические аппараты

В плоскокамерных аппаратах (рисунок 7) разделительный элемент состоит из двух плоских (листовых) мембран, между которыми расположен пористый дренажный материал. Элементы размещены на небольшом расстоянии один от другого (0,5-5 мм), в результате чего между ними образуются мембранные каналы, по которым циркулирует разделяемая смесь. Образовавшийся концентрат выводится из аппарата, а пермеат отводится по дренажному материалу в коллектор. Поверхность разделительной мембраны, приходящаяся на единицу объема аппарата, т.е. плотность упаковки мембраны, для плоскокамерных аппаратов низка (60-300 м2/м ), поэтому их используют в установках небольшой производительности для разделения жидких и газовых смесей.

Трубчатые аппараты (рисунок 8) состоят из набора пористых дренажных трубок диаметром 5-20 мм, на внутренней или наружной поверхности которых расположены мембраны. В соответствии с этим исходный поток направляют в трубное либо межтрубное пространство. Трубчатые аппараты, в которых плотность упаковки мембран составляет 60-200 м2/м3, используются для очистки жидких сред от загрязнений, опреснения воды с высокой концентрацией солей[6].

Рисунок 8. Трубчатый аппарат: 1-мембрана; 2-дренажный материал; 3-трубчатый фильтрующий элемент.

Спирально-навитые, или рулонные обратноосмотические модули нашли наиболее широкое применение. В этой конструкции (рисунок 9) две мембраны навиваются на центральную трубу, по которой отводится фильтрат. Раствор, подлежащий деминерализации, протекает параллельно центральной трубе через щель, образованную прокладкой (обычно из пластиковых сеток) между двумя активными поверхностями мембран. Фильтрат (пермеат) собирается внутри пористого материала и по нему движется к центральной трубе [4].

Рисунок 9. Принципиальная конструкция спирально-навитого модуля.1 - исходная вода; 2 - выход концентрата; 3 - выход фильтрата (пермеата);4 - направление потока исходной воды;5 - направление потока концентрата;6 - защитное покрытие; 7 - стык между модулем и оболочкой; 8 - перфорированная труба для сбора пермеата; 9 - прокладка;10 - мембрана; 11 - коллектор из пористого материала для сбора пермеата; 12-мембрана; 13 - прокладка; 14 - линия шва, соединяющего две мембраны.

В аппаратах с волокнистыми мембранами (рисунок 10) рабочий элемент обычно представляет собой цилиндр, в который помещен пучок полых волокон с наружным диаметром 80-100 мкм и толщиной стенки 15-30 мкм. Разделяемый раствор, как правило, омывает наружную поверхность волокна, а по его внутреннему. каналу выводится пермеат. Благодаря высокой плотности упаковки мембран (до 20000 м2/м3) эти аппараты применяют в опреснительных установках большой производительности (десятки тыс. м3/сут)[6].

Рисунок 10. Аппарат с волокнистой мембраной: 1-трубная решетка с открытыми концами волокон; 2 полое волокно.

Обратноосмотические аппараты собираются в пакеты внутри специальных держателей, обеспечивающих как герметизацию торцов модулей, так и их работу [4]. Конструктивно модуль представляет собой полый цилиндр с рядом уплотнительных элементов. Материалом для изготовления служит армированное стекловолокно или нержавеющая сталь.

Заключение

После проведенной работы вполне уместно сделать выводы о достоинствах и недостатках применения обратноосмотических установок для очистки воды.

Одно из главных достоинств аппаратов - это высокая степень очистки от растворенных в воде примесей. Мембраны способны задерживать практически все виды загрязнителей, за исключением тех, размеры которых меньше размеров молекулы воды (например, ионы хлора). Ещё одно достоинство обратного осмоса - прохождение процессов в температурном диапазоне 5-30 ^оС (что может так же явиться и недостатком, в случае необходимости очистки нагретой воды).

Недостатки промышленного обратного осмоса: мембраны не способны осуществлять очистку от газообразного хлора и другой органики. Молекулы хлора, гербицидов и прочих имеют меньшие размеры, чем вода, что позволяет им свободно проникать через мембрану. Так же, к недостаткам можно причислить: неустойчивость мембран к химическим воздействия (например, к воздействию газообразного хлора, растворенного в воде); образование концентрата, который необходимо утилизировать; высокие цены на аппараты с высокой производительностью. Например, установку с выработкой 500 л/час можно приобрести за 125 тыс. рублей, а продукцию этой же марки с выработкой 3000 л/час за 600 тыс. рублей [7].

Литература

. Мосин О.В. Баромембранные процессы и аппараты водоподготовки, СОК 2013, № 2.

. Копылов А.С., Лавыгин В.М., Очков В.Ф. Процессы и аппараты передовых технологий водоподготовки и их программированные расчеты, М: 2008.

. Тверской В.А. Мембранные процессы разделения. Учебное пособие, М., МИТХТ им. М.В.Ломоносова, 2008.

.. Черкасов С.В., Обратный осмос. Теория и практика применения. http://wwtec.ru/index.php?id=583

. Кочаров Р. Г., Теоретические основы обратного осмоса. Учебное пособие, М: РХТУ им. Д. И. Менделеева, 2007.

. Промышленные установки обратного осмоса, http://byrim.com/ochistka-vody/filtry-dlya-ochistki-vody.html