Мембранные процессы

Баромембранные методы

Обессоливание воды ионным обменом и термическая деминерализация (дистилляция) позволяют опреснять воду, почти полностью обессоливать ее. Однако применение этих методов выявило и их недостатки: необходимость в регенерации, громоздкое и дорогое оборудование, дорогие иониты и др. В связи с этим быстрое распространение получили баромембранные методы обработки воды. Движущей силой этих процессов является разность давлений по разные стороны мембраны. Их классифицируют по размерам разделяемых частиц растворенных веществ и, следовательно, по структуре применяемых мембран. К баромембранным процессам относят: микрофильтрацию, ультрафильтрацию, нанофильтрацию и обратный осмос.

Микрофильтрация позволяет отделить из раствора частицы размером до 0,1 мкм (механические примеси, коллоидные частицы, бактерии и некоторые вирусы), ультрафильтрация – наночастицы (до 1 нм), такие как высокомолекулярные белки, пептиды, органические соединения, большинство бактерий и вирусов и т.д.

В нанофильтрации размер пор мембраны близок к ультрафильтрационным, однако большое влияние на характеристики разделения оказывает поверхностный заряд мембраны и разделяемых ионов. По существу, на сложные физико-химические взаимодействия разделяемых компонентов с материалом мембраны накладывается электростатическое взаимодействие.

Наиболее широкое применение находит процесс обратного осмоса. Обратный осмос обеспечивает гораздо более высокую степень очистки воды (частицы размером до 0,1 нм) от большинства известных загрязнений, чем большинство традиционных методов, основанных на фильтрации механических частиц или адсорбции.

Механизм разделения в баромембранных процессах намного сложнее хорошо изученной фильтрации. Принципиальное различие процессов фильтрования и обратного осмоса заключается в том, что в первом процессе извлекаемые из воды частицы остаются либо на поверхности, либо в объеме фильтрующей среды, которую или периодически меняют (как в патронных или намывных фильтрах) или очищают обратной промывкой (песчаные фильтры).

Поскольку для обессоливания воды наиболее широкое применение находят такие процессы как нанофильтрация и обратный осмос, то целесообразно рассмотреть их более подобно.

Обратный осмос – процесс, который использует природное явление – осмос. Если при осмосе наблюдается самопроизвольное прохождение через полупроницаемую мембрану растворителя (воды) из раствора с меньшей концентрацией солей в раствор с большей концентрацией, то при обратном осмосе — направляется из раствора с меньшей концентрацией солей в раствор с большей концентрацией под действием приложенного внешнего давления.

Продавливанием обогащенной солями воды через полупроницаемую мембрану получают деминерализованную, чистую и совершенно стерильную воду с очень низким солесодержанием. С помощью обратного осмоса концентрация солей в воде понижается в среднем на 96-98%, и удаляется до 99% органических соединений.

Технология обратного осмоса в нынешнее время успешно применяется во многих как промышленных, так и бытовых областях, а именно:

Нанофильтрация – баромембранный процесс очень близкий к процессу обратного осмоса, который используется в основном для отделения низкомолекулярных органических и многовалентных солей от одновалентных солей и воды. Нанофильтрация относится к мембранным процессам, которые задерживают частицы в диапазоне до 1 нанометра (10 Ангстремов). Фактически, нанофильтрация – это баромембранный процесс разделения по своей природе занимающий промежуточное положение между обратным осмосом и ультрафильтрацией. Соответственно, нанофильтрационые мембраны имеют пониженную селективность и повышенную проницаемость в сравнении с мембранами обратного осмоса, таким образом, нанофильтрационные мембраны работают при меньшем рабочем давлении при заданной производительности. При этом задерживаются органические молекулы с молекулярной массой больше, чем 200-400. Растворённые соли задерживаются с эффективностью 20- 98%. Соли, которые имеют одновалентные анионы (например, хлорид натрия или хлорид кальция), задерживаются с эффективностью 20-80 %, тогда как соли с двухвалентными анионами (например, сульфат магния) имеют более высокие показатели 90-98 %.

• в микроэлектронике – глубокое обессоливание воды перед стадией полной деионизации; в пищевой промышленности – производство пива, безалкогольных напитков, соков, водок, молочных продуктов и др.;
• в медицине – получение апирогенной воды, подготовка воды для гемодиализа;
• в фармацевтической промышленности – изготовление лекарственных препаратов;
• в химической промышленности – производство средств бытовой химии, реактивов, детергентов, подготовка воды для целей химических производств;
• подготовка обессоленной и опресненной воды для лабораторных нужд;
• бытовая сфера – подготовка питьевой воды в кафе, барах, ресторанах, гостиницах, санаториях; очищенной воды для бытовых нужд в жилых и офисных зданиях.

Области применения, кроме тех, где используется обратный осмос, включают удаление цветности и углеродосодержащих органических веществ из поверхностных вод, удаление жёсткости, удаление радия из артезианских вод, полная очистка от взвешенных частиц, и разделение органических и неорганического веществ в пищевой промышленности.