Мембранные аппараты

Задача изготовителей и разработчиков мембранных аппаратов — обеспе­чить наибольшую мембранную фильтрующую поверхность при наименьшем обьеме аппарата. При этом должна обеспечиваться равномерность потокораспределения в каналах аппарата, что позволяет избежать образования застойных областей.

На заре освоения обратного осмоса появились плоские и трубные типы мембран, которые до настоящего времени конкурируют друг с другом. На ос­нове плоских мембран создавались рулонные элементы и аппараты типафильтр-пресс.

Аппараты, в которых вода обессоливается (очищается) с помощью плоских листовых мембран, включают следующие основные компоненты:

· мембрана;

· поддерживающий слой (дренаж);

· сепаратор;

· каналы для распределения потоков;

· устройства для ввода исходной волы и отвода концентрата и очищенной воды;

· напорные корпуса.

Рулонные элементы являются сейчас наиболее распространненой конструкцией.

Рулонные элементыизготавливаются из плоских мембран, которые оборачиваются вокруг перфорированной трубки (из поливинилхлорида или по­липропилена) для сбора очищенной воды. Мембраны склеиваются в «пакеты», которые прикрепляются одной кромкой к перфорированной фильтроотводяшей трубке и оборачиваются вокруг нее. Каждый «пакет» состоит из двух листов мембран, между которыми проложена специальная дренажная ткань из полиэс­тера, а края «пакета» проклеены специальным эпоксидным или полиуретановым клеем. Клей наносится по краям мембран в процессе закручивания «пакетов» вокруг фильтроотводящей трубки. Между «пакетами» прокладывается сепара­торная сетка, которая обеспечивает прохождение потока исходного раствора ме­жду мембранами. Таким образом, канал для прохождения обессоливаемой воды образуется сепаратором, проложенным между двумя мембранами.

Обессоленная вода проходит через мембрану внутрь «пакета» и, проходя по дренажному слою, по спирали подходит к центральной фильтроотводяшей труб­ке, собирается в ней через перфорированные отверстия и выводится из аппарата.

После «скручивания» рулонного элемента его оборачивают специальной пленкой, лентой или наносят стеклом пластиковое покрытие для придания ему механической прочности. После того как скрепляющий клей твердеет, края элемента ровно обрезают.

Существуют разнообразные конструкции для крепления элементов в на­порных корпусах.

Намотка полых волокон в аппарате производился таким образом, чтобы вес волокна располагались параллельно перфорированной распределительной трубке, проходя шей по оси аппарата.

Концы волокон с обеих сторон аппарата заключаются в «монолитные бло­ки» из эпоксидной смолы. С одной стороны блок делают «глухим», с другой стороны волокна пропускаются насквозь через блок, и после отверждения блока концы волокон обрезают. Таким образом, фильтрат отводится с торца аппарата. Исходная вода поступает в перфорированную трубку и радиально двигается от центра к краям аппарата. Концентрат отводится через зазор между «глухим» блоком и корпусом, а фильтрат через торец фильтроотводящего блока собира­ется в пористом фильтросборном блоке и через центральнорасположенную фильтроотводящую трубку выводится из аппарата.

В основном пермеаторы (аппараты с полым волокном) выпускаются диа­метром 25 см и длиной 150 см.

В отличие от аппаратов с рулонными элементами аппараты с полым во­локном представляют собой готовое водоочистное устройство и содержат только один (редко два) мембранных блока. Пермеаторы для опреснения мор­ской волы обычно работают при значениях выхода фильтрата 30%, а пермеато­ры для солоноватых вод - на уровне 50%.

Конструкции аппаратов с мембранами трубчатой формы создавались на самых первых стадиях промышленного освоения процесса обратного осмоса. Трубчатая конструкция была быстро вытеснена аппаратами рулонного типа и с полым волокном, которые оказались дешевле и имели большую поверх­ность мембран на единицу объема. В настоящее время трубчатые модули ог­раниченно применяются при обработке стоков с высоким содержанием взве­шенных веществ и в пищевой промышленности при разделении эмульсии и суспензий.

Трубчатые мембранные аппараты производятся с помощью отливки мем­браны (в том числе ацетатной) на поверхности пористой трубки диаметром от 0,3 до 2,5 см. Такие трубки изготавливаются из стеклопластика, керамических материалов, углерода, пористых пластиков и нержавеющей стали и должны быть достаточно прочными, чтобы выдерживать рабочие давления.

Аппараты типа фильтр-пресс используют плоские листовые мем­браны и представляют собой другой вид первых конструкций обратноосмотических аппаратов. Конструкция рулонного элемента представляет собой ре­зультат развития фильтр-прессной конструкции. Как и в случае трубчатых ап­паратов, применение аппаратов фильтр-пресс ограничено из-за их высокой стоимости по сравнению с аппаратами рулонного типа и с полыми волокнами аналогичной производительности.

Сборка фильтр-прессного аппарата состоит из нескольких плоских дре­нажных плит, на которые укладываются плоские мембраны, и специальных рамок, помещаемых между дренажными плитами. Рамка, проложенная между двумя мембранами, образует канал. В рамках сделаны отверстия и протоки для распределения сходной воды и сбора концентрата.

Вся конструкция собирается из чередующихся дренажных плит и рамок, ко­торые прижимаются друг к другу с помощью стяжных болтов и фланцевых плит.

Исторически, с самого начала внедрения мембранных установок, возника­ла проблема загрязнения мембран различными осадками. Это привело к общепринятому мнению, что мембраны очень чувствительны к загрязнениям иперед подачей на мембранные установки вода должна пройти тщательную предочистку.

Как известно, основными видами осадков на мембранах являются:

1) осадки малорастворимых в воде солей: карбонат кальция, сульфат каль­ция, силикат;

2) осадки взвешенных и коллоидных веществ (коллоидная гидроокись же­леза, частицы глины, ила и др.);

3) осадки биологического происхождения;

4) осадки высокомолекулярных органических веществ.

Кроме того, считается, что на мембраны разрушительное действие могут оказывать:

· летучие органические вещества;

· растворенный свободный хлор (на композитные и полиамидные мембраны).

Для удаления загрязнений из воды или предотвращения их образования на

мембранах используется ряд технологических процессов и соответствующих аппаратов (сооружений).

Химическая очистка мембран периодическим заполнением межмембранных каналов химическими реагентами, растворяющими образовавшиеся отложения. Очень важно правильно выбрать моющее средство, которое не должно растворять мембрану, а также подобрать его концентрацию и режим мойки.

Очистка заключается в промывке мембран различными моющими растворами. Эффективность такой очистки обусловлена правильностью подбора реагентов, действие которых заключается в переводе отложений в растворимую форму. Для правильного подбора реагента надо знать структуру и состав загрязнений, а также стойкость мембран по отношению к этому реагенту и ее адсорбционные свойства.

Как правило, эффективная мойка проходит при сочетании нескольких реагентов. Рассмотрим их далее.

Для растворения солевых отложений в промышленных установках (тепло­обменники, дистилляторы, обратноосмотические установки) используются раз­личные неорганические, органические и смешанные органические кислоты.

Наиболее известные неорганические кислоты — соляная, фосфорная, сер­ная. Из органических кислот известны лимонная, уксусная, малеиновая, сульфаминовая, молочная, а также соли органических кислот — цитрат натрия, цит­рат аммония. Лимонная кислота - наиболее широко применяемый реагент в течение более 30 лет.

Некоторые из них работают как растворяющие вещества, некоторые как комплексоны, способствующие растворению. Поэтому кислотная мойка – это всегда сложный, многоступенчатый процесс с различными добавками: карбометилцеллюлоза, ПАВ, растворители органические, фториды аммония и натрия и др.

Хелаты (комплексообразователи) также часто используются при отмывке мембранных аппаратов от отложений. Наиболее широко применяемые хелат-ные средства включают этилендиаминтетрауксусную кислоту (EDTA), фосфонокарбоксиловую кислоту, глюконовую кислоту, уксусную кислоту, а также полимерные хелаты.

Выбор ПАВ сложен из-за их различной адсорбционной способности на поверхности мембран. В любом случае после мойки надо проводить их десорбцию, которая не всегда проходит до конца. Поэтому не рекомендуется использовать для промывки катионные ПАВ и амфолиты. Сложно работать с сильно пенящимися ПАВ. Выбор ПАВ опять же определяется требованиями к продукту.

Метиловый, этиловый, изопропиловый спирты практически не взаимодействуют с полимерами, моют быстро и хорошо сами отмываются водой. Их моющая активность еще более усиливается, когда их смешивают с эфирами, алкиламинами, аминоспиртами и ПАВ. Сами спирты – еще и гидрофилизирующие вещества, в то время как почти все остальные средства уменьшают гидрофильность мембран, ее надо восстанавливать.

Метиловый, этиловый, изопропиловый спирты практически не взаимодействуют с полимерами, моют быстро и хорошо сами отмываются водой. Их моющая активность еще более усиливается, когда их смешивают с эфирами, алкиламинами, аминоспиртами и ПАВ. Сами спирты – еще и гидрофилизирующие вещества, в то время как почти все остальные средства уменьшают гидрофильность мембран, ее надо восстанавливать.

Все растворы готовятся на пермеате, вырабатываемом ОО-установкой. Обычная процедура очистки включает в себя рециркуляцию химического агента в течение 20-30 минут, экспозицию раствора в течение 20-30 минут, дополнительной рециркуляцию в течение 15-20 минут, смыв раствора с внутренней поверхности установки очищенной водой. Такая операция проводится для каждого из применяемого химического агента. Одновременное использование двух и более реагентов в одном растворе не допустимо, т.к. они могут вступать между собой в химическую реакцию и/или образовывать соединения, которые вызывают деструкцию ОО-мембран.

Обратноосмотические установки собирают из большого числа элементарных модулей (аппаратов), объединяя их в определенную схему, которая может быть расширена до любых размеров.

В простейшем случае модули собирают по параллельной схеме. При этом все они работают в равных условиях: при одном и том же давлении и коэффициенте выхода фильтрата. Такая схема пригодна для большинства установок относительно небольшой производи­тельности. В дополнение к системе предочистки, схема которой зависит от качества исходной воды,перед насосом высокого давления устанавливают фильтры тонкой очистки, защищающие как собственно насос, так и мембраны от загрязнения взвешенными веществами. Манометры, расположенные на входе в установку и выходе из нее, обеспечивают возможность непрерывного измерения и регулирова­ния потерь давления в системе. Два расходомера, измеряющие рас­ходы обрабатываемой воды и концентрата, устанавливают для оценки коэффициента выхода фильтрата, который регулируется кла­панами.

В многоступенчатых схемах установок может быть использовано последовательное соединение аппаратов в целях увеличения коэффи­циента выхода фильтрата. Раствор концентрата, выходя­щий из первой ступени, служит исходной водой для второй ступени. Промежуточного насоса не требуется, так как потери напора по кон­центрату в ступени обычно не превышают 0,2 — 0,3 МПа. Система «ступенчатого концентрата» способна обеспечить коэффициент выхода фильтрата на уровне 80—90 %.

Обратноосмотичсская установка производительностью 50 м³/ч, разработанная ЗАО «Национальные водные ресурсы», показана на рисунке. В микрофильтре использованы патронные элементы.

Блок мембранных модулей соединен параллельно по пермеату и последовательно по концентрату, что позволяет реализовать конвер­сию в пределах 60 — 75 %.

Дата добавления: 2015-10-02