Обратный осмос и нанофильтрация. 31.1. Теоретические основы процесса

Википедия очистки воды

Наиболее полная информация о чистой воде, дополняемая Вами.

Обратный осмос и нанофильтрация. 31.1. Теоретические основы процесса

В рубрике Водоподготовка для промышленности Обновлено 21.01.2017

Глава 31. Обратный осмос и нанофильтрация



31.1. Теоретические основы процесса
Обратный осмос – наиболее быстро развивающийся и перспективный мембранный процесс. Сущность процесса состоит в пропускании воды под давлением через полупроницаемые полимерные мембраны, мембраны, которые пропускают молекулы воды, а задерживают растворенные ионы солей.
Первоначально процесс обратного осмоса разрабатывался для опреснения подземных и морских вод. Отличительной чертой процесса являются высокие значения приложенных давлений. Поэтому процессы называются баромембранными. Значения рабочих давлений составляли 50–60 бар, что вызывало высокую стоимость оборудования, насосного, водораспределения и др.
Прогресс в области производства мембран привел к созданию низконапорных мембран, работающих под низким давлением. Снижение величин рабочих давлений привело к значительному удешевлению и упрощению систем обратного осмоса.
В настоящее время обратноосмотические установки используются для обессоливания воды, вытесняя традиционные методы – ионный обмен, дистилляцию. Невысокая стоимость и простота мембранных систем сделали метод обратного осмоса конкурентоспособным с традиционными установками водоподготовки.
Высокая эффективность в задержании органических веществ (образующих цветность воды), бактерий, вирусов, жесткости железа делает его перспективным для подготовки питьевой и технической воды.
Широко распространен процесс, получивший название «нанофильтрации» – разновидность обратного осмоса, в котором используются поры более крупного размера.
Такие поры задерживают «крупные» многовалентные ионы железа, кальция, стронция, хрома, сульфат-ионы и т.д. на 80–90%, но слабо задерживают одновалентные ионы натрия, хлорида, бикарбоната – на 30–50%.
При проведении процесса обратного осмоса растворенные вещества (ионы солей) задерживаются мембраной, а молекулы воды проникают через мембрану. Молекулы растворенной соли накапливаются у поверхности мембраны, где ее концентрация постепенно возрастает. Однако повышение концентрации соли у поверхности вызывает диффузию ионов от поверхности в объем раствора в соответствии с законом Фика. Таким образом, в системе устанавливается стационарное состояние. Конвективный поток растворенной соли к мембране уравновешивается суммой потоков через мембрану и от поверхности мембраны в объем раствора. По закону Фика, чем дальше от поверхности мембраны, тем ниже концентрация соли. В результате вблизи поверхности мембраны образуется пограничный слой, в котором значение концентрации соли увеличивается по мере приближения к мембране (рис. 31.1).



Рис. 31.1. Распределение задерживаемого мембраной вещества у поверхности мембраны


Предположим, что на расстоянии d от поверхности мембраны концентрация растворного вещества равна C и имеет то же значение, что и концентрация в объеме потока воды благодаря полному смешению. Вблизи поверхности мембраны образуется пограничный слой, в котором концентрация увеличивается по мере приближения к мембране, достигая максимального значения C у ее поверхности. Конвективный поток соли к поверхности мембраны обозначается как


где C – концентрация соли, г/л; J – удельная проницаемость мембраны, л/с·м2.



Поскольку часть соли проходит через мембрану, поток через мембрану составляет



где C – концентрация соли в фильтрате (г/л).


Накопление солей у поверхности мембраны вызывает диффузионный поток в обратном направлении – от мембраны в раствор. Таким образом, устанавливается стационарное состояние, равновесие, при котором поток растворенного вещества к мембране равняется сумме двух потоков: потока растворенного вещества через мембрану и диффузионного потока, определяемого законом Фика, т.е.







где D – коэффициент диффузии; C – концентрации соли в потоке, изменяющиеся от C(b) до C(m)
При x=0 c=C(m) При x=δ (на расстоянии δ от поверхности мембраны) C=C(b)
Разделяя переменные и интегрируя уравнение (31.1), получаем









или


или


Отношение коэффициента диффузии к толщине пограничного слоя δ называется коэффициентом массопереноса k:







При условии, что растворенная соль полностью задерживается мембраной (C(ф)=0), уравнение (31.4) упрощается и представляется в виде:







Уравнение (31.6) является основным уравнением концентрационной поляризации, отражающим природу концентрационной поляризации: гидродинамика в аппарате определяется коэффициентом k, свойства мембран – величиной J. Коэффициент массопереноса k зависит от гидродинамических условий (скорости потока на входе в мембрану V, коэффициента диффузии растворенного вещества D, вязкости, плотности), а также размеров и формы модуля. Уровень концентрационной поляризации можно снизить двумя путями: изменить величину потока J и коэффициента массопереноса k. Коэффициент диффузии увеличить нельзя, но можно увеличить скорость движения раствора вдоль мембраны за счет изменения формы и размеров модуля, снижая длину модуля или уменьшая сечение. Кроме увеличения скорости течения для улучшения массопереноса можно «разрушить» пограничные слои с помощью «турбулизаторов» – сетчатых вставок в канал.

Страницы книги:

                                                                      Глава 31. Обратный осмос и нанофильтрация


31.5. Разработка технологических схем предварительной обработки воды перед обратноосмотическими установками
31.6. Конструирование установок обратного осмоса
31.8. Современные технологические схемы мембранных    установок



Материалы по теме:

Рубрики:

  1. Водоподготовка
  2. Водоснабжение
  3. Водоочистка