Флотационная очистка сточных вод

высокая разделяющая  способность (селективность);

высокая удельная производительность (проницаемость);

химическая стойкость  к действию среды разделяемой  системы;

неизменность  характеристик при эксплуатации;

достаточная механическая прочность, отвечающая условиям монтажа, транспортировки и хранения мембран;

низкая стоимость.

Для разделения или очистки некоторых нетермостойких продуктов применение мембранного  метода является решающим, так как  этот метод работает при температуре  окружающей среды.

В то же время  мембранный метод имеет недостаток - накопление разделяемых продуктов  вблизи рабочей поверхности разделения. Это явление называют концентрационной поляризацией, которая уменьшает  проникновение разделяемых компонентов  в пограничный слой, проницаемость  и селективность, а также сокращает  сроки службы мембран.

Для борьбы с  этим явление проводят турбулизацию слоя жидкости, прилегающего к поверхности  мембраны, чтобы ускорить перенос  растворенного вещества.

Для мембран  используют разные материалы, а различие в технологии изготовления мембран  позволяет получить отличные по структуре  и конструкции мембраны, применяемые  в процессах разделения различных  видов.

Процессы, возникающие  при разделении смесей, определяются свойствами мембран. Необходимо учитывать  молекулярные взаимодействия между  мембранами и разделяемыми потоками, физико-химическую природу которых  определяет скорость переноса. Эти  взаимодействия с материалом мембран  отличают мембранный метод от микроскопических процессов обычного фильтрования.

Мембранные методы отличаются типами используемых мембран, движущими силами, поддерживающими  процессы разделения, а также областями  их применения.

Существуют мембранные методы шести типов:

микрофильтрация - процесс мембранного разделения коллоидных растворов и взвесей  под действием давления;

ультрафильтрация - процесс мембранного разделения жидких смесей под действием давления, основанный на различии молекулярных масс или молекулярных размеров компонентов  разделяемой смеси;

обратный осмос - процесс мембранного  разделения жидких растворов путем проникновения через полупроницаемую мембрану растворителя под действием приложенного раствору давления, превышающего его осмотическое давление;

диализ - процесс  мембранного разделения за счет различия скоростей диффузии веществ через  мембрану, проходящий при наличии  градиента концентрации;

электродиализ - процесс прохождения ионов растворенного  вещества через мембрану под действием  электрического поля в виде градиента  электрического потенциала;

разделение газов - процесс мембранного разделения газовых смесей за счет гидростатического  давления и градиента концентрации.

В ряду технологических  приемов, используемых для разделения смесей по размерам частиц, мембранным методам уделяют большое значение. Выбор процесса для применения в  заданной области разделения смесей зависит от различных факторов: характера  разделяемых веществ, требуемой  степени разделения, производительности процесса и его экономической  оценки.

Промышленное  использование процессов мембранного  разделения требует надежного, стандартного и технологического оборудования. Для  этой цели в настоящее время применяют мембранные модули, которые компактны, надежны и экономичны. Выбор конструкции модуля зависит от вида процесса разделения и условий эксплуатации в промышленных установках. 

Таблица 9. Характеристика синтетических мембран

Таблица 10. Промышленные процессы разделения с использованием мембран

Микрофильтрация

Микрофильтрация - процесс мембранного разделения коллоидных растворов и взвесей  под действием давления. Размер разделяемых  частиц от 0,1 до 10 мкм. Микрофильтрация - переходный процесс от обычного фильтрования к мембранным методам.

Для микрофильтрации  используют мембраны с симметричной микропористой структурой. Размеры  пор от 0,1 до 10 мкм. Мелкие частицы  растворенного вещества и растворитель проходят через мембрану, а концентрация задерживаемых частиц возрастает. Поток  раствора вдоль разделительной мембраны позволяет удалять концентрированный слой, примеси твердых частиц и других образований, от которых была необходимость освободить раствор и растворитель. Прошедший через мембрану растворитель выносит микровключения, которые направляют на технологические линии для разделения в следующих циклах.

Широко мембранный метод микрофильтрации используют при разделении суспензий, эмульсий и очистке загрязненных механическими  примесями промышленных сточных  вод, а также при получении  стерильных растворов.

Применяемые для  микрофильтрации мембраны имеют  пористую структуру и действуют  как глубокие фильтры. Удерживаемые частицы осаждаются внутри мембранной структуры. Концентрационная поляризация  при микрофильтрации относится  к учитываемому явлению. Для удаления осаждающихся частиц с поверхности  микрофильтрационной мембраны используют приемы специального воздействия: поперечный поток, обратная промывка, ультразвуковая вибрация.

Долговечность мембран зависит от химической стойкости  материала, из которого они сделаны.

Микрофильтрацию осуществляют в аппаратах плоскорамного  типа. При промышленном использовании  микрофильтрации обычно применяют  горизонтальные пластинчатые системы  или патронные фильтры; наиболее распространены рамные фильтр-прессы. В качестве патронных фильтров применяют  гофрированный мембранный патрон, расположенный  в корпусе, рассчитанном на работу под  давлением. Исходный раствор поступает  в фильтр со стороны корпуса, продукт  собирается в центральной трубе, которая уплотнена с корпусом прокладкой. При постоянном гидростатическом давлении производительность фильтра  постепенно уменьшается до значения, при котором дальнейшая эксплуатация становится неэкономичной и фильтр заменяют.

Таблица 11. Сравнительная  характеристика аппаратов различных  типов

Ультрафильтрация

При ультрафильтрации происходят разделение, фракционирование и концентрирование растворов. Один из растворов обогащается растворенным веществом, а другой обедняется. Мембраны пропускают растворитель и определенные фракции молекулярных соединений. Движущая сила ультрафильтрации - разность давления по обе стороны мембраны. Эта сила затрачивается на преодоление сил  трения и взаимодействия между молекулами жидкой фазы и полимерными молекулами мембраны. Обычно процесс ультрафильтрации проводят при сравнительно низких рабочих  давлениях 0,3 - 1 МПа. Увеличение давления выше указанного приводит к уплотнению мембраны, уменьшению диаметра пор, изменению  селективности разделения и, как  правило, к снижению производительности.

Ультрафильтрации  обычно подвергаются вещества, в которых  молекулярная масса растворенных компонентов  намного больше молекулярной массы  растворителя. Эффективность разделения зависит от структуры мембран, скорости течения и концентрации разделяемого раствора, формы, размера и диффузионной способности растворенных молекул.

Недостаток процесса - сильная концентрационная поляризация, т.е. на поверхности мембраны может  образовываться плотный осадок - слой геля. Гидравлическое сопротивление  этого слоя в ряде случаев может  быть выше, чем сопротивление самой  мембраны. Способы снижения концентрационной поляризации различны: увеличение скорости омывания поверхности мембраны потоком  разделяемой жидкости, работа в пульсирующем режиме подачи раствора, турбулизация потока. Точка гелеобразования зависит  от его химических и физических свойств.

Ультрафильтрация - новая технология. Результат разделения - два раствора, один из которых является обогащенным, а другой - обедненным растворенным веществом, содержащимся в исходном, подлежащем разделению веществе. Большое значение имеет  использование этого процесса при  разделении веществ, чувствительных к  температурному режиму, так как при  ультрафильтрации растворы не нагреваются  и не подвергаются химическому воздействию. Отсюда очень низкие энергетические затраты, примерно в 20 - 60 раз ниже, чем  при дистилляции.

Из всех видов  мембранного разделения ультрафильтрация нашла наиболее разнообразное применение. Важное промышленное применение ультрафильтрации - разделение эмульсии масла и воды.

Ультрафильтрационные  системы за счет поверхностей фильтрации и прочной структуры материала  мембран обеспечивают разделение растворов  без потерь и отделение чистого  фильтрата от взвесей. Поэтому ультрафильтрацию часто используют для улавливания  волокон и частиц из фильтрата  после использования волокнистых  и зернистых фильтров ионообменных и сорбционных систем. Область  использования ультрафильтрации постоянно  расширяется. Причина - возможность  восстановления из сточных вод ценных компонентов, которые другим способом восстановить очень трудно или вообще невозможно.