Мембраналарды ластанудан тазарту әдістері

Кері осмостың теориялық негіздері

Мембраналарды ластанудан тазарту әдістері.

Кері осмос процесінде уақыт өте келе мембраналардың суспензияланған бөлшектердің және нашар еритін қосылыстардың шөгінділерімен ластануы орын алады. Бұл меншікті өнімділік пен селективтіліктің төмендеуіне әкеледі. Ластану жылдамдығын азайту үшін бөлінетін ерітінділер мембраналық аппаратқа жіберілмес бұрын алдын ала өңдеуден өтеді: коагуляцияны кейіннен тұндыру арқылы жүргізеді, құмды сүзгіде, содан кейін микрофильтрде сүзеді, қаттылық тұздарының жоғалуын болдырмау үшін ерітіндіні қышқылдандырады және т.б.

Дегенмен, бәрібір, ерте ме, кеш пе, мембрананы ластаушы заттардан тазарту қажеттілігі туындайды. Егер алдын ала өңдеу тиімділігі жоғары болса (құны бойынша – кері осмоспен салыстыруға болады), онда мембрананы тазалауды айына бір рет, тіпті одан да сирек, басқа жағдайларда (сүзгілерден басқа ештеңе қолданылмаса) жүргізуге болады. бұл аптасына бір рет болуы мүмкін. Мембрананы тазалау қажеттілігін өнімділіктің төмендеуімен немесе модульдердің гидравликалық кедергісінің жоғарылауымен бағалауға болады. Мысалы, орамдық модульдерді олардың өнімділігі 20%-ға төмендегенде немесе модульдің қысым арнасындағы дифференциалды қысым бастапқы мәнінен 1,5 есе жоғарылағанда тазалау ұсынылады. Мембрананы тазартудың барлық әдістерін 4 топқа бөлуге болады: механикалық, гидродинамикалық, химиялық және физикалық.

Механикалық тазалау мембрананың бетіне сабынды сүрткішпен, губкамен және т.б. Бұл әдіс өте тиімді, бірақ әдетте тек құбырлы мембраналары бар құрылғыларда және мембраналардың жазық параллельді төсемі бар құрылғылардың кейбір конструкцияларында қолданылады (мысалы, "сүзгі прессі", мұнда құрылғыны қарапайым және жылдам құрастыру және бөлшектеу мүмкін болады). Мембраналардың беті араластырғыштары бар зертханалық ұяшықтарда да дәл осылай тазартылады.

Гидродинамикалық тазарту әдістеріне қысымды каналды күшті су ағынымен, газды-сұйық эмульсиямен, пульсациялық ағынмен жуу, пермеатпен кері жуу жатады. Бұған мембраналық аппараттардың кейбір түрлерінде қолданылатын қысымның күрт төмендеуінен тұратын әдіс те жатады. Бұл жағдайда мембрана кеңейеді және сонымен бірге пермеат жағынан осмостық ағын пайда болады, бұл мембранадан ластаушы заттардың қабыршақтануына әкеледі. Осыдан кейін олар қысымды босатумен бірге жүретін қысым арнасындағы күшті су ағынымен құрылғыдан жуылады.

Іс жүзінде ең көп қолданылатын әдіс модульдердің қысым арнасын күшті су ағынымен жуудан тұрады. Бұл гидродинамикалық тазалау әдістерінің ішіндегі ең оңайы. Бөлінетін ерітіндінің өзі жиі қолданылатын ағынды су төмен қысымда мембраналық аппараттар арқылы жоғары жылдамдықпен айдалады. Жылдамдық неғұрлым жоғары болса, соғұрлым жақсы. Шектеу гидравликалық кедергіге байланысты шамадан тыс үлкен болуы мүмкін модуль үшін рұқсат етілген дифференциалды қысым болып табылады. Рулонды модульдер үшін қысым арнасындағы қысымның төмендеуінің рұқсат етілген шамасы шамамен 0,2 мПа құрайды.

Қысым арнасына газ-сұйық эмульсияны жеткізу күшті ағынмен жууға қарағанда тиімділігі жағынан жоғары болуы мүмкін, бірақ оны ұйымдастыру қиынырақ және қымбатырақ, сондықтан ол іс жүзінде сирек қолданылады.

Қысым арнасына пульсирленген ағын қолданылған кезде мембранадан шөгінділердің қабыршақтануына ықпал ететін гидравликалық соққылар пайда болады. Бұл әдіс кері осмос құрылғыларының конструкцияларында қолданылады, мұнда мембрана, субстрат және қысымға қарсы тірек бір-бірімен тығыз байланысқан және біртұтас тұтастықты құрайды. Әйтпесе, мембрана тез істен шығады.

Кері жуу кезінде сорғы арқылы өткізгіш мембрана астына беріледі, ол арқылы қалыптыға қарама-қарсы бағытта өтеді және қысым арнасына түседі. Осының арқасында мембрананың кеуектерінен ластаушы заттар жойылады және кеуектерді жабатын шөгінділер қабыршақтанады. Бұл әдіс мембрана, субстрат және тірек біртұтас тұтастықты құрайтын құрылымдарда ғана қолданылады.

Химиялық тазарту әдістерімен салыстырғанда гидродинамикалық әдістер қарапайым және арзан. Өкінішке орай, олардың көмегімен мембранамен еркін байланысқан шөгінділерді ғана жоюға болады.

Тазалаудың физикалық әдістерін әзірше гипотетикалық деп қарау керек. Олар зертханалық зерттеулер шеңберінен шықпады. Оларды пайдалану идеясы мембранаға электрлік, магниттік, ультрадыбыстық өрістер арқылы әсер ету болып табылады. Егер физикалық әдістерді іс жүзінде қолдану мүмкін болса, онда мембраналарды тазалауды мембраналық аппараттың жұмысы кезінде, оны тоқтатпай-ақ жүргізуге болады, бұл басқа тазалау әдістерімен талап етіледі.

Соңында, химиялық тазарту әдістерін егжей-тегжейлі қарастыруға көшейік. Олар салыстырмалы түрде қымбат, химиялық реагенттерді тұтынумен және ағынды суларды өндірумен байланысты, мембраналардың қызмет ету мерзімін қысқартуға әкелуі мүмкін, әсіресе химиялық төзімділігі төмен. Дегенмен, химиялық әдістер кеңінен қолданылады, өйткені олар көбінесе жалғыз тиімді болып табылады. Химиялық тазартуда мембрана шөгінділерді толығымен ерітетін немесе оларды қопсытатын заттардың ерітінділерімен өңделеді, бұл оларды гидродинамикалық әдістермен жоюға мүмкіндік береді.

Химиялық жууды ұйымдастыру үшін кері осмос қондырғылары жуу жүйесімен жабдықталған.

Сурет 19. Мембраналарды ластанудан химиялық тазалауға арналған жүйенің сұлбасы.

Жуу жүйесіне жуу ерітіндісі дайындалатын ыдыс, жуу ерітіндісін мембраналық аппарат арқылы айдау үшін төмен қысымды сорғы кіреді. Жуу ерітіндісін ілінген бөлшектерден және клапандары бар құбырлардан тазарту үшін қолданылатын картридж сүзгісі.

Сыйымдылық химиялық заттарды тез ерітуге арналған араластырғышпен, айналымдағы ерітіндіні салқындатуға арналған салқындату жүйесімен (әдетте катушкамен) қамтамасыз етіледі, егер оның температурасы кері осмос мембранасы үшін рұқсат етілген деңгейден асып кетсе. Кейбір ерітінділерді дайындау улы газдардың бөлінуімен байланысты. Содан кейін сыйымдылық сору жүйесімен қамтамасыз етіледі.

Жуу ерітіндісі әдетте ағын суды немесе өткізгішті қолдану арқылы дайындалады. Кран суы жағдайында ондағы бос хлордың концентрациясы кері осмос мембранасы үшін рұқсат етілгеннен аспайтынына назар аудару керек.

Шаю келесі ретпен орындалады. Құрылғы тоқтағаннан кейін алдымен оны бастапқы судың гидродинамикалық күшті ағынымен шайып, шығатын ағынды концентрат желісі арқылы канализацияға ағызу ұсынылады. Содан кейін бастапқы су, концентрат және пермеат желілеріндегі клапандарды жабу керек. Бұл сызықтар сызбада нүктелі сызықпен көрсетілген. Әрі қарай, айналымдағы ерітінді желісіндегі барлық клапандар ашылады және төмен қысымды сорғы іске қосылады. Сүзгі алдындағы клапанның және айналма жолдағы клапанның көмегімен айналымдағы ерітіндінің қажетті шығыны орнатылады. Әдетте, бұл шығын мембраналық аппараттың қалыпты жұмысы кезінде бөлінетін ерітіндінің шығынынан 2-4 есе аз.

Жуу ерітіндісі кері осмос аппаратынан өтіп, ыдысқа қайтарылады. Сондай-ақ, мұнда гидравликалық кедергіден туындаған мембрана арқылы қысымның төмендеуіне байланысты әдетте жуу сатысында түзілетін пермеат жіберіледі.

Айналым 30 минуттан 1 сағатқа дейін жүзеге асырылады, содан кейін машина өте баяу еритін шөгінділерге әсер ету үшін жуу ерітіндісімен бірнеше сағат бойы шығанақ астында қалдырылады. Содан кейін айналым қайтадан жүзеге асырылады, содан кейін құрылғы қайтадан шығанақтың астында қалады. Кейде, ауыр жағдайларда, мұндай процедураларды үшінші және төртінші рет қайталауға тура келеді, дегенмен бұл құрылғыны шығанақтың астында қалдырудың қажеті жоқ.

Жуу жуу ерітіндісінің концентрациясы өзгеруді тоқтатқан кезде аяқталады. Сонымен бірге мембраналық аппараттың гидравликалық кедергісін бекітетін дифманометрдің көрсеткіштері тұрақты болуы керек. Осыдан кейін жуу желісіндегі клапандар жабылады және бастапқы сумен, концентратпен және пермеатпен қамтамасыз ету желілеріндегі клапандар ашылады, негізгі сорғы іске қосылады (диаграммада көрсетілмеген) және құрылғы төмен қысымда күшті қоректендіретін су ағынымен жуылады, яғни. гидродинамикалық. Бұл ретте концентрат пен пермеат желісінен шығатын ерітінділер кәсіпорынның кәрізіне немесе сарқынды су құбырына ағызылады. Содан кейін концентрат желісіндегі клапанның көмегімен қалыпты жұмыс қысымы жасалады, ал пермеат пен концентрат концентрациясы тұрақты болған кезде қондырғы қалыпты жұмыс режиміне келтіріліп, пермеат пен концентратты мақсатына сай бағыттайды.

Егер жуу сапалы орындалса, меншікті өнімділік пен селективтілік бастапқы шамасына дейін қалпына келтіріледі.

20-суретте жуу кезінде мембраналардың химиялық деградациясы болмаған жағдайда мембраналардың меншікті өнімділігі мен селективтілігінің жұмыс уақытына типтік тәуелділіктері көрсетілген.

Сурет 20. Мембраналардың меншікті өнімділігі мен селективтілігінің пайдалану уақытына тәуелділігі: тік үзік сызықтар химиялық жууға сәйкес келеді.

Мембрана жұмысының бірінші кезеңі мембраналардың ластануымен ғана емес, сонымен қатар олардың тығыздалуымен де байланысты меншікті өнімділіктің айтарлықтай төмендеуімен қатар жүреді. Бұл ретте селективтіліктің шамалы өсуі жиі байқалады. Содан кейін, жуудан кейін меншікті өнімділік белгілі бір деңгейге көтеріледі және кейінгі жуудан кейін дерлік бірдей деңгейге дейін қалпына келтіріледі. Мембраналар ластанған сайын селективтілік аздап төмендейді және 20-суретте көрсетілгендей жуу ерітіндісінің әсерінен мембраналардың химиялық деградациясы болмаса, жуудан кейін қалпына келтіріледі. Егер химиялық деградация орын алса, онда әрбір жуудан кейін селективтілік белгілі бір мөлшерге қайтымсыз төмендейді. Өкінішке орай, барлық ластаушы заттарды ерітетін және сонымен бірге мембранаға қатысты толығымен бейтарап болатын жуу ерітіндісін таңдау әрқашан мүмкін емес. Егер жуу ерітіндісінің кешенді әсері болмаса, яғни. мембранадағы барлық шөгінділерге бір мезгілде әсер етпейді, содан кейін мембрананы әртүрлі құрамдағы бірнеше ерітінділермен дәйекті түрде жуу қажет.

Әлбетте, жуу ерітіндісін таңдау үшін мембранадағы шөгінділердің химиялық құрамын білу қажет. Ең дұрыс тәсіл – мембранадан алынған шөгінділерді тікелей талдау. Егер бұл мүмкін болмаса, онда ластаушы заттардың табиғаты кері осмос аппаратына жеткізілетін ерітіндідегі мембрананы ластауға қабілетті компоненттердің құрамы бойынша жанама түрде бағаланады.

Бұл нұсқаулықта біз табиғи суларды кері осмоспен тазарту және концентрациялау кезінде мембраналарда пайда болатын негізгі шөгінділерді және оларды ерітуге арналған ең типтік жуу ерітінділерін қысқаша қарастырумен шектелеміз.

1. Кальций карбонаты (CaCo₃). Ол мембранамен тығыз байланысқан тығыз қабықшаны құрайды, ол бөлінетін ерітіндіні мембранадан мүлдем оқшаулай алады. Сондықтан CaCo тұнбасының түзілуін болдырмау үшін бөлінетін ерітіндіні алдын ала дайындауды осылай ұйымдастыру қажет₃ . Дегенмен, егер мұндай тұнба әлі де пайда болса, оны еріту үшін келесі жуу ерітінділері қолданылады:

а) рН = 4 кезінде HCl;

б) 2% лимон қышқылы + NH₃ рн = 4 болғанда.

2. Кальций, барий, стронций сульфаттары (CaSO₄, BaSO₄, SrSO₄,).

Өте жиі CaSO ерігіштігі болып табылады₄ бастапқы ерітіндінің ықтимал шоғырлану дәрежесін шектейді.

Жуу ерітінділері ретінде қолданылады:

а) рН = 7 8 болғанда 2% лимон қышқылы + NaOH;

б) натрий гексаметафосфатының 1% ерітіндісі.

(Полифосфаттар, әсіресе натрий гексаметафосфаты жиі суды жұмсарту және мембранада жауын-шашынның пайда болуын болдырмау үшін қолданылады. Бірақ кейде CaSO тұнбаларын ерітуге арналған жуу ерітінділері ретінде₄ және тіпті CaCo₃).

Мұнда келесі реакция жүреді:

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

(CaCO₃) (Na₂CO₃)

3. Оксид кремний (SiO₂).

Шөгінді SiO₂ меншікті өнімділіктің айтарлықтай төмендеуіне әкеледі, әсіресе өңделетін ерітіндіде көп валентті катиондар болса.

Жуу ерітіндісі ретінде рН=11 кезінде NaOH қолданылады. бұл жағдайда келесі реакция жүреді:

2 NaOH + SiO₂ ® Na₂SiO₃ + H₂O.

Өкінішке орай, көптеген мембраналар рН=11 кезінде сілтілі ерітіндіге төтеп бере алмайды, содан кейін SiO тұнбасы₂ күрделі мәселеге айналуда.

4. Металл оксидтері.

Жуу үшін келесі ерітінділер қолданылады:

а) рН=2 кезіндегі фосфор қышқылы;

б) Құрамында 2% лимон қышқылы, 2% трилон Б және NH бар қоспа₃ рН=4 кезінде.

Трилон Б – этилендиаминететрасірке қышқылының натрий тұзы. Ол әртүрлі екі және үш валентті катиондармен суда еритін күрделі қосылыстар түзеді.

Трилон Б реакциясы, мысалы Са²⁺:

Са²⁺ +Na₂H₂R® Na₂ Са R +2Н⁺,

мұндағы R – этилендиаминететрасірке қышқылының қышқылдық қалдығы.

5. CaSO-дан алынған аралас тұнба₄, CaCO₃ және Fe(OH)₃.

Жуу ерітіндісіне 0,4% трилон Б және 0,03% гидроксиламин тұз қышқылы кіреді.

6. Бейорганикалық коллоидтар.

Жуу ерітінділері:

а) 2% лимон қышқылы + NH₃ рН=4 кезінде;

ә) NaOH рН=11 кезінде.

7. Органикалық қосылыстардың шөгінділері.

Жуу ерітінділері:

а) натрий гексаметафосфатының 1% ерітіндісі;

б) жуғыш заттардың ерітінділері (ББЗ).

Осы бөлімнің қорытындысында кері осмос қондырғыларын жобалау кезінде өңделетін ерітіндіні алдын ала тазарту әдістері мен мембраналарды ластаушы заттардан тазарту әдістері бөлу процесінің минималды құнын қамтамасыз ететіндей етіп таңдалуы керек екенін ескеру қажет.

Егер біз алдын ала тазалауды үнемдейтін болсақ, онда мембраналарды жууға кететін шығындардың артуы сөзсіз.

Алғашқы өнеркәсіптік отандық кері осмос қондырғылары бастапқы ерітіндіні алдын ала өңдеусіз жұмыс істеді, нәтижесінде олар бірнеше апта ішінде толығымен істен шықты (ол кезде мембраналарды ластаушы заттардан тазарту әдістері әлі де аз зерттелген).

Қазіргі уақытта алдын ала өңдеуге арналған оңтайлы шығындар кері осмосты қолдану арқылы бастапқы суды бөлуге арналған барлық шығындардың кем дегенде 40-60%-ын құрауы керек деп есептеледі.