Методы очистки мембран от загрязнений

Теоретические основы обратного осмоса

Методы очистки мембран от загрязнений.

В процессе обратного осмоса со временем происходит загрязнение мембран осадками взвешенных частиц и плохо растворимых соединений. Это приводит к снижению удельной производительности и селективности. Чтобы уменьшить скорость загрязнения, разделяемые растворы перед подачей в мембранный аппарат подвергают предварительной обработке: проводят коагуляцию с последующим осаждением, фильтрование на песчаном фильтре, а затем на микрофильтре, подкисляют раствор, чтобы предотвратить выпадение солей жесткости и т.д.

Однако все равно рано или поздно возникает необходимость очистки мембраны от загрязнений. Если предобработка была высокоэффективной (по стоимости – сопоставимой с обратным осмосом), то очистку мембраны можно проводить раз в месяц и даже еще реже, в других случаях (когда кроме фильтров ничего не применяется) это может быть один раз в неделю. О необходимости очистки мембраны можно судить по снижению производительности или возрастанию гидравлического сопротивления модулей. Например, рулонные модули рекомендуется очищать, когда их производительность снижается на 20% или перепад давления в напорном канале модуля возрастает в 1,5 раза по сравнению с первоначальным значением. Все методы очистки мембраны можно подразделить на 4 группы: механические, гидродинамические, химические и физические.

Механическая очистка заключается в механическом воздействии на поверхность мембраны мыльной шваброй, губкой и т.п. Способ этот весьма эффективен, но применим обычно только в аппаратах с трубчатыми мембранами и в некоторых конструкциях аппаратов с плоскопараллельной укладкой мембран (типа «фильтр - пресс», где возможна простая и быстрая сборка и разборка аппарата). Аналогично очищают поверхность мембран и в лабораторных ячейках с мешалками.

Гидродинамические способы очистки включают в себя промывку напорного канала сильной струей воды, газожидкостной эмульсией, пульсирующим потоком, обратную промывку пермеатом. Сюда же относится способ, заключающийся в резком сбрасывании давления, применяемый в некоторых типах мембранных аппаратов. При этом мембрана расширяется и одновременно возникает осмотический поток со стороны пермеата, что приводит к отслаиванию загрязнений от мембраны. После этого они вымываются из аппарата сильным потоком воды в напорном канале, который сопровождает сброс давления.

На практике наибольшее распространение получил способ, заключающийся в промывке напорного канала модулей сильной струей воды. Это самый простой среди гидродинамических способов очистки. Промывная вода, в качестве которой часто используется сам разделяемый раствор, с большей скоростью прокачивается через мембранные аппараты при низком давлении. Чем больше скорость, тем лучше. Ограничением является только допустимый перепад давления для модуля, который может стать чрезмерно большим из-за гидравлического сопротивления. Для рулонных модулей допустимая величина перепада давления в напорном канале порядка 0,2 МПа.

Подача в напорный канал газожидкостной эмульсии по эффективности может быть выше, чем промывка сильной струей, но сложнее в организации и дороже, почему редко используется на практике.

При подаче в напорный канал пульсирующего потока возникают гидравлические удары, которые способствуют отслаиванию осадков от мембраны. Этот способ применим в таких конструкциях аппаратов обратного осмоса, где мембрана, подложка и опора, противостоящая давлению, прочно связаны друг с другом и образуют единое целое. В противном случае мембрана быстро выйдет из строя.

При обратной промывке пермеат насосом подается под мембрану, проходит через нее в направлении, противоположном обычному, и поступает в напорный канал. Благодаря этому удаляются загрязнения из пор мембраны и отслаиваются осадки, перекрывающие поры. Этот способ применим также только в таких конструкциях, где мембрана, подложка и опора образуют единое целое.

По сравнению с химическими методами очистки гидродинамические проще и дешевле. К сожалению, с их помощью удается удалить только такие осадки, которые непрочно связаны с мембраной.

Физические методы очистки пока надо рассматривать как гипотетические. Они не вышли за рамки лабораторных исследований. Идея их использования – это воздействие на мембрану полями электрическим, магнитным, ультразвуковым. Если физические методы удастся реализовать на практике, то очистку мембран можно будет поводить в процессе эксплуатации мембранного аппарата, без его остановки, что требуется при других методах очистки.

И, наконец, перейдем к подробному рассмотрению химических методов очистки. Они сравнительно дороги, сопряжены с расходом химических реагентов и образованием сточных вод, могут приводить к сокращению срока службы мембран, особенно с невысокой химической стойкостью. Тем не менее, химические методы широко применяются, поскольку зачастую являются единственно эффективными. При химической очистке мембрана обрабатывается растворами веществ, которые или полностью растворяют отложения, или делают их рыхлыми, что позволяет удалять их гидродинамическими методами.

Для организации химической промывки установки обратного осмоса оснащаются промывной системой.

          Рисунок 19. Схема системы для химической очистки мембран от загрязнений.

Промывная система включает в себя емкость, в которой готовится промывочный раствор, насос низкого давления для прокачивания промывочного раствора через мембранный аппарат. Патронный фильтр, служащий для очистки промывочного раствора от взвешенных частиц, и трубопроводы с вентилями.

Емкость обеспечивается мешалкой для быстрого растворения химреагентов, системой охлаждения (обычно змеевиком) для охлаждения циркулирующего раствора, если его температура может превысить уровень, допускаемый для обратноосмотической мембраны. Приготовление некоторых растворов сопряжено с выделением ядовитых газов. Тогда емкость обеспечивается выхлопной системой.

Промывочный раствор обычно готовится с использованием водопроводной воды или пермеата. В случае водопроводной воды следует обратить внимание, чтобы концентрация свободного хлора в ней не превышала допустимой для обратноосмотической мембраны.

Промывка выполняется в следующей последовательности. После остановки аппарата сначала рекомендуется промыть его гидродинамически сильной струей исходной воды, сбрасывая выходящий поток через линию концентрата в канализацию. Затем следует перекрыть вентили на линиях исходной воды, концентрата и пермеата. Эти линии показаны на схеме пунктиром. Далее открываются все вентили на линии циркулирующего раствора, и включается насос низкого давления. С помощью вентиля перед фильтром и вентиля на байпасной линии устанавливается необходимый расход циркулирующего раствора. Как правило, этот расход в 2-4 раза меньше, чем расход разделяемого раствора при нормальной работе мембранного аппарата.

Промывной раствор проходит обратноосмотический аппарат и возвращается в емкость. Сюда же направляется и пермеат, который обычно образуется на стадии промывки из-за перепада давления через мембрану, вызванного гидравлическим сопротивлением.

Циркуляция проводится от 30 минут до 1 часа, затем аппарат оставляется под заливом промывочным раствором на несколько часов, чтобы воздействовать на некоторые очень медленно растворяющиеся отложения. Затем снова проводится циркуляция, после которой аппарат вновь оставляется под заливом. Иногда, в тяжелых случаях, подобные процедуры приходится повторять и в третий, и в четвертый раз, хотя бывает и так, что аппарат вообще не требуется оставлять под заливом.

Промывку заканчивают, когда концентрация промывочного раствора перестает изменяться. Одновременно должны стать постоянными показания дифманометра, фиксирующего гидравлическое сопротивление мембранного аппарата. После этого закрывают вентили на линии промывки и открывают вентили на линиях подачи исходной воды, концентрата и пермеата, включают основной насос (на схеме не показан) и промывают аппарат сильным потоком питающей воды при низком давлении, т.е. гидродинамически. При этом выходящие из линии концентрата и пермеата растворы сливают в канализацию или линию сточных вод предприятия. Затем с помощью вентиля на линии концентрата создают нормальное рабочее давление, и когда концентрации пермеата и концентрата становятся стабильными, переводят установку в нормальный режим эксплуатации, направляя пермеат и концентрат по назначению.

Если промывка была выполнена качественно, удельная производительность и селективность восстанавливаются практически до первоначальной величины.

На рис.20 показаны типичные зависимости удельной производительности и селективности мембран от времени эксплуатации для случая, когда при промывках не происходит химической деградации мембран.

Рисунок 20. Зависимость удельной производительности и селективности мембран от времени эксплуатации: вертикальные пунктирные линии соответствуют химической промывке.

Первый период работы мембраны сопровождается довольно значительным снижением удельной производительности, связанным не только с загрязнением мембран, но и их уплотнением. При этом часто наблюдается небольшое увеличение селективности. Затем, после промывки, удельная производительность поднимается до некоторого уровня и после последующих промывок восстанавливается почти до этого же уровня. Селективность по мере загрязнения мембран несколько снижается и после промывки восстанавливается, если не происходит химической деградации мембран под действием промывочного раствора, как это и показано на рис.20. Если же химическая деградация имеет место, то после каждой промывки селективность необратимо снижается на некоторую величину. К сожалению, далеко не всегда удается подобрать промывочный раствор, который бы растворял все загрязнения и одновременно был бы полностью нейтрален по отношению к мембране. Если промывочный раствор не обладает комплексным действием, т.е. не воздействует одновременно на все отложения на мембране, то приходится последовательно промывать мембрану несколькими растворами разного состава.

Очевидно, что для выбора промывочного раствора необходимо знать химический состав осадков на мембране. Наиболее правильный подход – это непосредственный анализ осадков, снятых с мембраны. Если такой возможности нет, то о природе загрязнений судят косвенно по содержанию компонентов, способных загрязнять мембрану, в растворе, подаваемом в аппарат обратного осмоса.

В данном пособии мы ограничимся кратким рассмотрением основных осадков, возникающих на мембранах при обратноосмотической очистке и концентрировании природных вод, и наиболее типичными промывочными растворами для их растворения.

1. Карбонат кальция (CaCO₃). Он образует плотную, прочно скрепленную с мембраной пленку, которая может вообще изолировать разделяемый раствор от мембраны. Поэтому необходимо так организовать предподготовку разделяемого раствора, чтобы исключить образование осадка CaCO₃ . Тем не менее, если такой осадок все-таки образуется, для его растворения применяют следующие промывочные растворы:

а) HCl при pH = 4;

б) 2% лимонная кислота + NH₃ при pH = 4.

2. Сульфаты кальция, бария, стронция (CaSO₄, BaSO₄, SrSO₄,).

Очень часто именно растворимость CaSO₄ лимитирует возможную степень концентрирования исходного раствора.

В качестве промывочных растворов применяются:

а) 2% лимонная кислота + NaOH при pH = 7 ¸ 8;

б) 1% раствор гексаметафосфата натрия.

(Полифосфаты, особенно часто гексаметафосфат натрия, используют обычно для умягчения воды и предотвращения образования осадков на мембране. Но иногда и в качестве промывочных растворов для растворения осадков CaSO₄ и даже CaCO₃).

Здесь происходит следующая реакция:

Na₂[Na₄(PO₃)₆] + CaSO₄ ® Na₂[Na₂Ca(PO₃)₆] + Na₂SO₄

(CaCO₃) (Na₂CO₃)

3. Оксид кремния (SiO₂).

Осадок SiO₂ вызывает значительное снижение удельной производительности, особенно если в обрабатываемом растворе присутствуют многовалентные катионы.

В качестве промывочного раствора используют NaOH при рН=11. при этом происходит следующая реакция:

2 NaOH + SiO₂ ® Na₂SiO₃ + H₂O.

К сожалению, многие мембраны не выдерживают щелочной раствор при рН=11, и тогда осадок SiO₂ становится серьезной проблемой.

4. Оксиды металлов.

Для промывки используют следующие растворы:

а) Фосфорная кислота при рН=2;

б) Смесь, включающая 2% лимонной кислоты, 2% трилона Б и NH₃ при рН=4.

Трилон Б – это динатриевая соль этилендиаминтетрауксусной кислоты. Он образует с различными двух- и трехвалентными катионами растворимые в воде комплексные соединения.

Реакция трилона Б, например с Са²⁺:

Са²⁺ +Na₂H₂R® Na₂ Са R +2H⁺,

где R – кислотный остаток этилендиаминтетрауксусной кислоты.

5. Смешанный осадок из CaSO₄, CaCO₃ и Fe(OH)₃.

Промывочный раствор включает в себя 0,4% трилона Б и 0,03% гидроксиламина солянокислого.

6. Неорганические коллоиды.

Промывочные растворы:

а) 2% лимонная кислота + NH₃ при рН=4;

б) NaOH при рН=11.

7. Осадки органических соединений.

Промывочные растворы:

а) 1% раствор гексаметафосфата натрия;

б) растворы детергентов (ПАВ).

В заключение данного раздела необходимо обратить внимание, что при проектировании установок обратного осмоса способы предочистки обрабатываемого раствора и методы очистки мембран от загрязнений должны выбираться в такой совокупности, чтобы обеспечить минимальную стоимость процесса разделения.

Если мы экономим на предочистке, то неизбежно получаем увеличение затрат на промывку мембран.

Первые промышленные отечественные установки обратного осмоса эксплуатировались вообще без предобработки исходного раствора, в результате чего полностью выходили из строя в течение нескольких недель (способы очистки мембран от загрязнений тогда были еще мало изучены).

В настоящее время считается, что оптимальные затраты на предобработку должны составлять не менее 40-60% от всех затрат на разделение исходной воды с применением обратного осмоса.