Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

1.10: Мембранна фільтрація

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    103060

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

    Цілі навчання

    • Поясніть теорію частинок
    • Охарактеризуйте види та класифікацію процесів обробки мембран
    • Перерахуйте складові частини процесу обробки мембрани
    • Окреслення застосування та функціонування процесів обробки мембран

    Кінетична теорія матерії або теорія частинок повідомляє, що матерія складається з багатьох дрібних частинок, які постійно рухаються або знаходяться в безперервному стані руху. Ступінь, до якої рухаються частинки, визначається кількістю енергії, яку вони мають, і їх відношенням до інших частинок. Теорія частинок речовини використовується для пояснення того, як тверді речовини, рідини та гази взаємозамінні внаслідок збільшення або зменшення теплової енергії. Коли предмети нагріваються, рух збільшується в міру того, як частинки стають більш енергійними. Якщо предмети охолоджуються, рух частинок зменшується, оскільки вони втрачають енергію.

    Технології мембранної обробки швидко просуваються в області очищення води. Мембрани використовуються в муніципальних водоочисних спорудах, домашніх місцях використання, меліоративних спорудах та очисних спорудах для видалення зважених і розчинених мінералів з води.

    Мембрани містять дуже дрібні пористі отвори, які пропускають воду і блокують прохід будь-якого забруднюючого речовини, більшого, ніж діаметр пір. Мембрани, що використовуються при водопідготовці, класифікуються за діаметром пір. Класифікації, від найбільшого діаметра пір до найменшого, - це мікрофільтрація, ультрафільтрація, нанофільтрація та зворотний осмос.

    Мікрофільтрація (МФ) і ультрафільтрація (UF) ефективні при видаленні лямблій і Cryptosporidium. Мембрани зворотного осмосу (RO) використовуються для опріснення/демінералізації і в домашніх установках питної води. Мембрани зворотного осмосу та нанофільтрації використовуються для видалення розчинених органічних речовин та розчинених забруднень, таких як миш'як, нітрати, пестициди та радіонукліди. Також ці мембрани можуть видаляти такі іони, як кальцій і магній і натрій і хлорид. Нанофільтрація може бути використана для зниження концентрації природних органічних речовин для контролю утворення побічних продуктів дезінфекції.

    Тип використовуваної мембрани залежить від складових, що видаляються з води, що обробляється. Під час очищення води вода зазвичай перекачується об поверхню мембрани; однак воду можна витягнути через мембрану вакуумом. Тиск води змушує воду через мембрану, а складові, які не проходять, утворюють потік відходів, який може зажадати очищення та належної утилізації.

    Опис блоків мембранної фільтрації

    Посудина під тиском або занурений потік

    Типові установки мембранної фільтрації для очищення води встановлюються в посудині під тиском або занурені в резервуари. Мембрани являють собою порожнисті волокна або нитки з зовнішнім діаметром від 0,5 до 2 мм і товщиною стінки від 0,07 до 0,6 мм. У установці посудини під тиском тисячі мембранних волокон або ниток розташовані в стійках або полозах, причому кожен посудину під тиском коливається від 4 до 12 дюймів в діаметрі і від 3 до 18 футів завдовжки. Потік фільтрації може бути зовні всередину або зсередини назовні порожнистої волоконної мембрани.

    Занурені або занурені мембранні системи фільтрації - це мембранні модулі, підвішені в басейні, що містять воду, що підлягає обробці. Потім оброблена вода може бути витягнута через мембрану за допомогою вакууму. Деякі очисні споруди видалили пісок з пісочних фільтрів і встановили занурені мембранні модулі в старому басейні фільтра.

    Типи мембранних потоків

    Існують два різних типи мембранної фільтрації потоків живильної води:

    • Системи перехресної фільтрації
    • Тупикові системи фільтрації
    система фільтрації поперечного потоку
    Малюнок\(\PageIndex{1}\): Система фільтрації перехресного потоку - Зображення AD та Benutzer:Mæx знаходиться у відкритому доступі

    У системах поперечної фільтрації потік йде зсередини мембрани, через мембрану, а відфільтрована вода витікає з системи. Потік всередині мембрани протікає по внутрішній поверхні мембрани, стає концентрованим, і витікає з кінця мембранного волокна як потік відходів. У тупикових системах фільтрації фільтрується вода може надходити ззовні в порожнисте волокно або зсередини назовні; однак в цій системі не утворюється потік відходів. Всі тверді речовини накопичуються на мембрані під час фільтрації і видаляються під час зворотного промивання.

    Тупикова система фільтрації
    Малюнок\(\PageIndex{2}\): Тупикова система фільтрації - Зображення Alexdruz і Mæx знаходиться у відкритому доступі

    Мембранне забруднення

    Обростання мембрани може стати серйозною проблемою при роботі процесів мембранної фільтрації. Мембранне забруднення можна описати тим, чи може бути видалена причина забруднення (оборотна або незворотна, матеріалом, що спричиняє забруднення (біологічним, органічним, твердим або розчиненим), а також за допомогою забруднення (формування пирога або закупорка пор мембрани).

    Чи можна видалити причину забруднення, залежить від типу використовуваної мембрани та складових у вихідній воді. Під час тривалої експлуатації потік через мембрану може зменшуватися; однак потік може бути відновлений шляхом зворотного промивання та очищення.

    Складові у воді, що фільтрується, можуть спричинити забруднення. Під час мембранної фільтрації мікроорганізми транспортуються на поверхню мембрани, де може відбуватися біопалування. Ці мікроорганізми не можуть бути видалені зворотним промиванням; однак їх можна контролювати за допомогою хлору. Деякі мембранні матеріали, такі як ацетат целюлози або поліпропілен, можуть бути пошкоджені хлором. Виробники мембран, як правило, використовують матеріали, які не пошкоджені хлором.

    Розчинена органічна речовина може спричинити забруднення мембрани. Ступінь проблеми забруднення залежить від характеристик розчиненої органічної речовини, мембранного матеріалу та характеристик води, що фільтрується.

    Під час мембранної фільтрації тверді частинки з води, що фільтрується, збираються на поверхні мембрани в пористому килимку, званому фільтрувальним макухом. Забруднення твердих частинок зазвичай оборотне під час періодичного зворотного промивання.

    Природна органіка може бути найпоширенішою формою мембранного обростання. Розчинена органічна речовина включає відходи та частини водних рослин і тварин, а також органічні речовини, що вимиваються у поверхневі води з суші. Джерела розчинених органічних речовин включають органічні хімічні речовини, знайдені в біологічних системах, і розчинені органічні хімічні речовини з промислових і комерційних відходів. Обростання залежить від характеристик розчиненої органічної речовини, матеріалу мембрани та вихідної води.

    Попередня обробка

    Досвід

    Оператори дізналися, що взаємодії між коагулянтами, різними складовими в природній воді та мембранними матеріалами дуже складні, що ускладнює прогнозування впливу коагуляції на продуктивність мембрани. У деяких очисних спорудах потік через мембрану збільшується при попередній коагуляційній обробці; однак на інших установках може статися зменшення витрати.

    При використанні попередньої обробки коагуляції перед мембранною фільтрацією оператори відчували непослідовні результати щодо мембранного забруднення та зниження потоків через мембрану. Невідповідності, мабуть, є наслідком того, що коагуляція та мембранна фільтрація можуть виконуватися в найрізноманітніших експлуатаційних умовах. Коагуляція може проводитися з флокуляцією або без неї і з відкладенням або без неї перед мембранною фільтрацією. Мембранна фільтрація може виконуватися з зануреними або герметичними мембранами і з постійним тиском або умовами постійного потоку. Дослідження, проведені на конкретній вихідній воді з індивідуальним коагулянтом і встановленою дозою коагулянту, не можна легко порівняти з іншою джерельною водою, коагулянтами та дозами коагулянтів.

    Ще одним важливим фактором у взаємозв'язку між коагуляцією та продуктивністю мембрани є те, що коагуляція впливає на тверді частинки та розчинений органічний вуглець, кожен може вплинути на продуктивність мембрани. Коагуляція збирає частинки в пластові маси і, якщо практикується осідання, видаляє частинки з розчину, що може змінити забруднення мембрани через стійкість макухи. Коагуляція також видаляє розчинений органічний вуглець з води, що може змінити забруднення мембрани, спричинене адсорбцією.

    Моніторинг продуктивності мембрани

    Експлуатація мембран включає моніторинг і тестування на швидкість фільтрації мембрани і цілісність мембрани. Цей процес здійснюється шляхом тестування на розпад тиску та звукового тестування. При виявленні порушених або пошкоджених волокон мембрани їх ремонтують або замінюють.

    Структура та склад мембрани зворотного осмосу

    Два типи напівпроникних мембран, які використовуються найчастіше для демінералізації, - це ацетат целюлози і тонкоплівкові композити. Ацетат целюлози (CA), перша комерційно доступна мембрана. Мембрана з ацетату целюлози асиметрична, що означає, що одна сторона відрізняється від іншої сторони. Загальний шар ацетату целюлози товщиною від 50 до 100 мкм; однак на поверхні існує тонкий щільний шар товщиною приблизно 0,2 мкм. Цей тонкий щільний шар служить відштовхуючим бар'єром мембрани.

    Дослідники зрозуміли необхідність мембрани з кращими характеристиками потоку та відторгнення, ніж ті властивості ацетату целюлози. Підхід до розробки кращої мембрани полягав у підвищенні ефективності тонкого відштовхувального шару та пористої основи, щоб була розроблена тонка композитна мембрана.

    При виробництві тонкої композитної мембрани напівпроникна мембрана відокремлена від опорних шарів, і ця конструкція дозволяє виробникам мембран вибирати полімери, які будуть виробляти мембрани з оптимальним відторгненням розчинених твердих речовин і швидкістю потоку води.

    Продуктивність і властивості мембрани

    Основну поведінку напівпроникних мембран зворотного осмосу ацетату целюлози можна описати двома рівняннями. Витрата води продукту через напівпроникну мембрану може бути виражений:

    • F w = A (ΔP — Δπ) де...
      • F w = потік води (г/см2 сек)
      • A = Постійна проникності води (г/см2 сек атм21)
      • ΔP = перепад тиску, застосований через мембрану (атм)
      • Δπ = перепад осмотичного тиску на мембрані (атм)

    Відзначимо, що водяний потік - це витрата води в грамах в секунду через мембрану площею в один квадратний сантиметр. Подумайте про цей потік як подібний до потоку через швидкий піщаний фільтр у галоні на хвилину через площу фільтра в один квадратний фут (GPM/FT2).

    Мінеральний (сольовий) потік (проходження мінералу) через мембрану може бути виражений:

    • F ш = В (С1 — С2) де...
      • F w = Мінеральний потік (г/см2 сек)
      • B = постійна проникність мінералів (см/с)
      • C1 - C2 = градієнт концентрації по мембрані (г/см2)

    Константи водопроникності (A) та мінеральної проникності (B) є характеристиками конкретної мембрани, яка використовується, та отриманої обробки.

    Дослідження рівнянь демонструє, що потік води, який є швидкістю протікання через мембрану, залежить від прикладеного тиску, в той час як мінеральний потік не залежить від тиску. У міру збільшення тиску живильної води потік води через мембрану збільшується, тоді як потік мінералу залишається постійним. Тому кількість і якість очищеного продукту (пермеата) повинні збільшуватися при підвищеному тиску. Цей результат відбувається тому, що більше води присутній для розведення такої ж кількості мінералу.

    Потік води (Fw) зменшується зі збільшенням мінерального вмісту корму, оскільки внесок осмотичного тиску (Δπ) збільшується зі збільшенням вмісту мінералів. Оскільки Δπ збільшується, то термін (ΔP — Δπ) зменшується, що призводить до зменшення Fw, потоку води. У міру того, як через мембрану проходить все більше живильної води, мінеральний вміст живильної води стає все вище і вище (більш концентрованим). Внесок осмотичного тиску (Δπ) концентрату збільшується, що призводить до зниження потоку води.

    Оскільки мембрана відторгає постійний відсоток мінералу, якість води продукту знижується при підвищеній концентрації живильної води. Крім того, зверніть увагу, що рівняння 2 показує, що чим більший градієнт концентрації (C1 - C2) по мембрані, тим більший мінеральний потік (потік мінералів). Тому, чим більше концентрація корму, тим більше мінеральний потік і концентрація мінеральних речовин у воді продукту.

    Оператори водоочисних споруд повинні мати базове розуміння математичних взаємозв'язків, які описують продуктивність мембрани зворотного осмосу.

    Продуктивність мембрани зворотного осмосу
    Малюнок\(\PageIndex{3}\): Фільтрація зворотного осмосу - зображення Starsend ліцензовано відповідно до CC BY-SA 3.0

    Визначення флюсу

    Термін флюс використовується для опису швидкості потоку води через напівпроникну мембрану. Флюс зазвичай виражається в галонів на добу на квадратний фут поверхні мембрани або в грамах в секунду на квадратний сантиметр.

    Середня швидкість потоку мембрани системи зворотного осмосу є важливим орієнтиром експлуатації. На практиці більшість систем зворотного осмосу зажадають періодичного очищення. Показано, що частота очищення може залежати від середньої швидкості потоку мембрани системи. Занадто висока швидкість потоку може призвести до надмірного забруднення, що вимагає частого очищення. Деякі галузеві рекомендації щодо прийнятних швидкостей потоку:

    Джерело живильної води

    Швидкість потоку, GFD

    Промислові/комунальні відходи

    8-12

    Поверхневі (річка, озеро, океан)

    8-14

    Колодязь

    14-20

    Відторгнення мінералів

    Мета демінералізації - відокремлення мінералів від води: здатність мембрани відторгувати мінерали називається відторгненням мінералів. Відторгнення мінералів визначається як:

    • Відмова,% = (1- (концентрація продукту/концентрація живильної води)) х 100%

    Відбракування мінералів можна розраховувати для окремих складових в розчині з використанням їх концентрацій.

    Основні рівняння, що описують продуктивність зворотноосмотичної мембрани, свідчать про те, що відторгнення зменшується з ростом мінеральної концентрації живильної води, оскільки більша концентрація мінералів збільшує осмотичний тиск. Також зі збільшенням концентрації корисного мінералу (TDS) відторгнення зменшується при заданому тиску подачі. Відторгнення поліпшується при збільшенні тиску подачі.

    Типове відхилення для найбільш часто зустрічаються розчинених неорганічних речовин зазвичай становить від 92 до 99 відсотків. Двовалентні іони, такі як кальцій і сульфат, краще відбраковуються, ніж одновалентні іони, такі як натрій або хлорид.

    Більшість застосувань демінералізації вимагають використання мембрани з високими показниками відторгнення (більше 95 відсотків). Однак деякі програми можуть використовувати мембрану з меншими показниками відторгнення (80 відсотків) та нижчим робочим тиском (менше 150 фунтів на квадратний дюйм). Мембрани, які відповідають цій класифікації, прийнято називати пом'якшувальними або нанофільтраційними мембранами. Ці мембрани виробляють таку ж кількість води, як стандартні мембрани зворотного осмосу при більш низьких робочих тисках.

    Пом'якшувальні або нанофільтраційні мембрани широко використовуються для демінералізації комунальних водопостачань, які вимагають високих показників відторгнення для твердості та потенціалу формування THM, а також помірного відторгнення TSD.

    Вплив температури живильної води та рН на продуктивність мембрани

    При роботі зворотного осмосу температура живильної води має значний вплив на продуктивність мембрани і тому повинна враховуватися при проектуванні та експлуатації системи. По суті, величина константи проникнення води є постійною лише для заданої температури. Зі збільшенням температури живильної води флюс збільшується. Зазвичай потік повідомляється при деяких стандартних температурних еталонних умовах, таких як 25oC.

    Мембрани ацетату целюлози піддаються тривалому гідролізу. Гідроліз призводить до зменшення здатності відторгнення мінералів. Швидкість гідролізу прискорюється підвищеною температурою, і є функцією рН корму. Злегка кислі значення рН забезпечують більш низьку швидкість гідролізу, як і більш прохолодні температури. Тому, щоб забезпечити максимально тривалий термін служби мембрани ацетату целюлози та уповільнити гідроліз, кислоту додають як етап попередньої обробки перед демінералізацією. Тонкоплівкові композитні мембрани не піддаються гідролізу; однак для контролю масштабу може знадобитися регулювання рН живильної води.

    Відновлення

    Відновлення визначається як відсоток потоку корму, який відновлюється у вигляді води продукту. Виражається математично, одужання можна визначити за допомогою:

    • Відновлення,% = (Потік продукту/Потік подачі) х 100%

    Швидкість відновлення зазвичай визначається або обмежується двома міркуваннями. Перший - це бажана якість води продукту. Оскільки на кількість мінералу, що проходить через мембрану, впливає диференціал концентрацій між розсолом і продуктом, надмірне відновлення може призвести до перевищення критеріїв якості продукції. Другий розгляд стосується меж розчинності мінералів в розсолі. Не слід концентрувати розсіл до такої міри, яка б осідала мінерали на мембрані. Цей ефект зазвичай називають поляризацією концентрації.

    Найбільш поширеною і серйозною проблемою, що виникає внаслідок концентраційної поляризації, є зростаюча тенденція до осадження слаборозчинних солей і відкладення твердих частинок на поверхні мембрани.

    У будь-якій проточній гідравлічній системі рідина поблизу твердої поверхні рухається повільніше, ніж основний потік рідини. Рідинна межа існує на твердій поверхні, і це явище вірно на поверхні мембрани в спірально-намотаному елементі або в будь-якій іншій конфігурації упаковки мембрани. Оскільки вода передається через мембрану з набагато більш швидкою швидкістю, ніж мінерали, концентрація мінералів накопичується в прикордонному шарі (концентраційна поляризація), і це необхідно для того, щоб мінерали дифузіровались назад в потік, що протікає. Поляризація знизить потік і відторгнення системи зворотного осмосу. Оскільки повністю усунути ефект поляризації недоцільно, необхідно мінімізувати його завдяки гарній конструкції та експлуатації.

    Ефект прикордонного шару може бути зведений до мінімуму за рахунок збільшення швидкості потоку води та сприяння турбулентності всередині елементів RO. Витрата розсолу може підтримуватися високою, оскільки вода продукту видаляється шляхом постановки (зменшення) посудин під тиском модуля. Такий дизайн в народі називають новорічною ялинковою композицією. Найчастіше використовуються типові схеми потоку, такі як 4 одиниці - 2 одиниці - 1 одиниця (85-відсоткове відновлення) або 2 одиниці -1 одиниця (75-відсоткове відновлення).

    Ці конфігурації складаються з подачі води в серію посудин під тиском паралельно, де близько 50 відсотків води відокремлюється мембраною як продукт води і 50-відсотків води відкидається. Відбраковування подається до половини менше посудин паралельно, де знову близько 50 відсотків - це вода продукту, а 50-відсоткова відбракована. Відбраковування стає кормом для наступного набору судин. Влаштовуючи посудини під тиском у розташуванні 4-2-1, можна відновити понад 85 відсотків живильної води як продуктової води та підтримувати адекватні витрати по поверхні мембрани, щоб мінімізувати поляризацію.

    Компоненти установки зворотного осмосу

    Насоси

    Насос для наддуву

    Тиск, необхідний для зворотного осмосу, може коливатися від 100 до 1200 фунтів на квадратний дюйм. Як правило, діапазони тиску можуть бути розбиті як:

    Додаток

    Діапазон тиску (фунтів на квадратний дюйм)

    пом'якшення

    100-200

    солонуватий

    200-500

    Суміш солонова/морської води, промислове концентрування

    500-800

    Морська вода

    800-1200

    Для нагнітання живильної води використовуються два основних типи насосів: відцентрові і з позитивним витісненням. Важливі характеристики кожного типу насоса, що стосуються його використання в додатках зворотного осмосу, перераховані:

    Відцентрові насоси

    1. Зазвичай використовується для додатків менше 500 фунтів на квадратний дюйм
    2. Найбільш економічно вигідні для додатків нижче 500 фунтів на квадратний дюйм
    3. Одинарні робочі колеса, пристосовані до роботи вище, ніж швидкість двигуна, створюють надмірний шум
    4. Багатоступінчасті відцентрові насоси коштують дорожче в експлуатації, ніж одноступінчасті, але більш ефективні

    Насоси позитивного переміщення

    1. Зазвичай використовується для додатків більше 500 фунтів на квадратний дюйм
    2. Дуже ефективний для морської води (800-1200 фунтів на квадратний дюйм)
    3. Пульсації потоку вимагають використання демпфера пульсацій для швидкостей, що перевищують 2 кадри в секунду (фути в секунду)

    Вихід відцентрового насоса може бути дроселений за допомогою багатооборотного дросельного клапана. Дросельні клапани використовуються для нових систем, або після успішного очищення мембрани.

    Вихід насоса з позитивним переміщенням може не дроселюватися. Нагнітальна магістраль насоса повинна містити механізм скидання тиску. Додатковими елементами буде перепускний клапан для управління потоком до мембранної секції і демпфер пульсацій.

    Очищення води зворотним осмосом
    Малюнок\(\PageIndex{4}\): Очищення води RO - Зображення Vishalsh521 ліцензовано відповідно до CC BY-SA 3.0

    Трубопроводи

    Вибір матеріалу трубопроводу залежить від солоності води і тиску. Зворотний осмос морської води вимагає використання високоякісної нержавіючої сталі для ліній високого тиску. Найпоширенішими типами матеріалів, що використовуються в даний час, є 316L та 317L, завдяки високому вмісту молібдену. У солонуватих водних заводах зазвичай використовується нержавіюча сталь 304 та 316.

    Трубопроводи низького тиску зазвичай виготовляються з полівінілхлориду (ПВХ) або армованого волокном пластику/полімеру (FRP). Деякі екзотичні матеріали, такі як 316SS та фторид полівініліденду (PVDF), використовуються в застосуваннях високої чистоти, таких як для напівпровідникової промивної води.

    Корпуси посудин під тиском

    Кілька спірально-намотаних мембранних елементів з'єднані послідовно і містяться в посудинях під тиском. Для більшості застосувань максимум шість спірально-намотанних елементів довжиною 40 дюймів містяться в одній посудині. За рахунок удосконалень гідравліки спірально-навитої конструкції в одній посудині було поміщено сім елементів довжиною 40 дюймів. Стандартний матеріал конструкції - армований волокном пластик/полімер (FRP). Судини під тиском доступні в номіналах 200, 400, 600, 1000 та 1200 фунтів на квадратний дюйм. Деякі виробники можуть надати судини, побудовані та штамповані відповідно до ASME Code-Section X.

    Пучки порожнистих волокон упаковані в окремі корпуси зі скловолокна. Для опріснення морської води ці корпуси можуть бути оцінені до 1200 фунтів на квадратний дюйм.

    Концентрат регулюючий клапан

    Регулюючий клапан, розташований в лінії концентрату, забезпечує засіб подачі на мембрану зворотного тиску. Позиціонування цього клапана в поєднанні з випускним клапаном насоса (перепускний клапан для насосів з позитивним витісненням) встановить витрати концентрату та пермеату.

    Клапани для зразків

    Клапани для зразків повинні розташовуватися на лініях подачі, пермеату та концентрату. Місця розташування повинні бути такими, щоб зразки могли бути взяті під час всіх режимів роботи, таких як обслуговування, промивка, очищення та промивання. Клапани для зразків також повинні бути розташовані в пермеатной лінії кожного пермеатора або посудини під тиском.

    З'єднання змиву

    Слід передбачати положення про промивання агрегату для певних застосувань. Прикладами може бути морська вода або солонувата вода з високим вмістом органічних речовин. Змивна вода може бути підкисленою кормом або пермеатом. Якщо використовується пермеат, буде потрібно окремий вхідний отвір. Для всіх агрегатів, які потребують промивання, повинен бути передбачений окремий вихід в лінії концентрату перед регулюючим клапаном концентрату. Клапан управління концентратом обмежував би потік промиву, який, як правило, перевищує розрахунковий потік концентрату.

    Очищення з'єднань

    Всі агрегати повинні мати очисні з'єднання для кожного банку пермеаторів або посудин під тиском, з'єднаних паралельно. Ізолюючі клапани для кожного банку дозволять одній банку просочуватися під час очищення верхнього або нижнього за течією банку. На великих системах з безліччю посудин або пермеаторів, з'єднаних паралельно, система очищення має розмір з економічних міркувань, щоб очистити лише частину банку. При цьому клапани потрібні для виділення конкретної кількості судин, які можна очистити за один раз.

    Пермеат полоскання

    Корисно мати положення про відправку пермеата з одного банку або одиниці на злив. Деякі процеси вимагають, щоб пермеат досяг якості шляхом промивання для зливу після періоду відключення. Також для певних процедур усунення несправностей неякісний пермеат може бути спрямований на злив, тоді як окремі судини перевіряються на низьку якість.

    Пермеат Недолік Tank

    Для застосування в морській воді може бути передбачений резервуар з недоліком пермеату. Призначення недоліку бака може бути передбачено. Призначення недолікового бака полягає в забезпеченні подачі води або автономної установки, яка піддається осмосу. При відключенні зі зняттям прикладеного тиску зворотний осмос припиняється і починається осмос. Під час осмосу потік буде відбуватися від пермеата до подачі концентрату стороні мембрани. Промивання каналів подачі-концентрату пермеатом після відключення повинна запобігати природному осмосу; однак в якості запобіжного заходу можуть бути передбачені резервуари з недоліком для запобігання зневоднення мембрани.

    Пристрої рекуперації енергії

    Пристрої рекуперації енергії, встановлені в лінії концентрату високого тиску, використовуються в деяких установках зворотного осмосу морської води. Основним принципом роботи є перетворення потенційної енергії концентрату високого тиску в кінетичну енергію. Сопло направляє потік концентрату до ротора з опущеними лопатками. Потік б'є по лопатках і повертає ротор. Вал ротора з'єднаний з насосом, який здійснює тиск подачі морської води. Через відсутність економічної ефективності, проблеми корозії та обмеження розміру турбіни з рекуперацією енергії цього типу мали обмежене використання.

    Мембрани

    Діючі установки використовують принцип зворотного осмосу в декількох різних конфігураціях мембрани. На діючих установках використовуються три типи наявних у продажу конфігурацій мембран. Вони включають спіральні рани, порожнисті тонкі волокна та трубчасті.

    Спірально-намотаний модуль RO був задуманий як метод отримання відносно високого відношення площі мембрани до об'єму посудини під тиском. Мембрана спирається на кожну сторону підкладкового матеріалу і заклеюється клеєм по три з чотирьох країв ламінату. Ламінат також герметизується до центральної труби, яка була просвердлена, щоб забезпечити потрапляння демінералізованої води. Поверхні мембрани розділені сітчастим матеріалом, який виконує роль розсолу розпірки. Весь пакет згортається в спіральну конфігурацію і загортається в циліндричну форму. Мембранні модулі завантажуються, кінець до кінця, в посудину під тиском. Потік подачі паралельний центральній трубі, в той час як пронизаний тече через мембрану до центральної труби. Рослини, що використовують цей тип системи, включають рослини, що демінералізують солонувату воду.

    Мембранний тип порожнистого волокна виготовлений з ароматичних поліамідних волокон розміром з людський волосок з внутрішнім діаметром близько 0,0016 дюйма. У цих дуже малих діаметрах волокна витримують високий тиск. В робочому процесі волокна поміщаються в посудину під тиском, і один кінець кожного волокна герметизується. Інший кінець виступає за межі посудини. солонувата вода знаходиться під тиском з зовнішньої сторони волокон і вода продукту тече всередині волокна до відкритого кінця. Для діючих установок мембранні модулі збираються в конфігурації, аналогічній спірально-навитому блоку.

    Трубчасті мембранні процеси працюють за тим же принципом, що і порожнисте тонке волокно, за винятком труб набагато більше в діаметрі, близько 0,5-дюймового. Використання цього типу мембранної системи зазвичай обмежується особливою ситуацією, наприклад, для стічних вод з високою концентрацією зважених речовин. Трубчастий мембранний процес не є економічно конкурентоспроможним з іншими доступними системами для очищення більшості джерел води.

    Операція

    Попередня обробка

    Вода, що підлягає демінералізації, містить домішки, які слід видалити шляхом попередньої обробки для захисту мембрани та забезпечення максимальної ефективності процесу зворотного осмосу. Залежно від води, яку потрібно демінералізувати, зазвичай необхідно обробити живильну воду, щоб видалити матеріали та умови, потенційно шкідливі для процесу RO:

    • Видаліть каламутність/зважені тверді речовини
    • Відрегулюйте рН і температуру
    • Видаліть матеріали, щоб запобігти накипу або забрудненню
    • Дезінфікуйте для запобігання біологічного росту

    Видалення каламутності та зважених речовин

    Загалом, живильну воду слід фільтрувати, щоб захистити систему зворотного осмосу та її допоміжне обладнання. Коли джерелом води є грунтові води або раніше оброблене муніципальне або промислове постачання, цей крок може бути здійснений простою процедурою скринінгу. Однак така процедура може виявитися недостатньою, коли джерелом є необроблені поверхневі води. Кількість зважених речовин у поверхневих водах може змінюватися на кілька порядків і може кардинально змінитися за характером і складом за дуже короткий час. У таких випадках, крім механічного впливу фільтра, оператору, можливо, доведеться вводити хімічні речовини для коагуляції і флокуляції і використовувати фільтраційне обладнання, в якому носій можна мити або оновлювати за низькими витратами. Можуть знадобитися напірні та гравітаційні піщані фільтри та фільтри з діатомової землі, особливо для великих установок. Коли частинки наближаються або є колоїдними, хімічна обробка та фільтрація мають важливе значення.

    Картриджні фільтри функціонують як захист частинок, а не як основний пристрій для видалення частинок. В цілому, що припливає каламутність на картриджні фільтри повинна бути менше 1 одиниці каламутності. Типові розміри фільтрів картриджів варіюються від 5 до 20 мкм, а швидкість завантаження варіюється від 2 до 4 GPM/FT3.

    Контроль рН і температури

    Важливим лімітуючим фактором життя ацетатних мембран целюлози при зворотному осмосі є швидкість мембранного гідролізу. Ацетат целюлози буде руйнуватися до целюлози і оцтової кислоти. Швидкість, з якою відбувається цей гідроліз, є функцією живильної води або вихідної води, рН та температури. У міру гідролізу мембрани збільшується кількість води і кількість розчиненої речовини, яка пронизує мембрану, і якість води продукту погіршується. Швидкість гідролізу знаходиться на мінімумі при рН близько 4,7, а збільшується вона зі збільшенням і зменшенням рН. Стандартна практика вводити кислоту, як правило, сірчану кислоту, регулювати рН живильної води до 5,5. Регулювання рН мінімізують ефект гідролізу, а також важливо для контролю осадження мінералів, що утворюють накип або мембрани.

    Карбонат кальцію та сульфат кальцію - це, мабуть, найпоширеніші солі масштабування, що зустрічаються в природній воді, і, безумовно, є найпоширенішою причиною накипу в системах зворотного осмосу. Додавання невеликої кількості кислоти може знизити рН до точки, коли лужність знижується. Зсув рівноваги до точки, де бікарбонат кальцію, який набагато більш розчинний, присутній у всіх точках петлі зворотного осмосу. Нейтралізація 75 відсотків загальної лужності зазвичай забезпечує достатнє регулювання рН для досягнення контролю шкали карбонату кальцію і привести мембрану в розумну частину кривої гідролізу. РН, досягнутий на 75 відсотків нейтралізації, становить близько 5,7. Осадження карбонату кальцію також гальмується процедурою контролю, яка використовується для сульфату кальцію.

    Сульфат кальцію відносно розчинний у воді порівняно з карбонатом кальцію. Однак, коли чиста або продуктова вода видаляється з кормового розчину, що містить кальцій і сульфат, ці хімічні речовини додатково концентруються в живильній воді. Коли межі насичення з часом будуть перевищені, відбудеться осадження сульфату кальцію. Оскільки розчинність сульфату кальцію відбувається в широкому діапазоні рН, метод контролю масштабу, який використовується для інгібування осадження сульфату кальцію, є пороговою обробкою гексаметафосфату натрію. Цей інгібітор опадів пригнічує карбонат кальцію та сульфат кальцію, втручаючись у процес утворення кристалів. Інші плойфосфати також можуть бути використані; однак вони не настільки ефективні, як гексаметафосфат натрію. Як правило, від 2 до 5 мг/л цієї хімічної речовини достатньо для зменшення осадження сульфату кальцію.

    Інші потенційні скаланти

    Оксиди або гідроксиди, які найчастіше зустрічаються у воді, - це залізо, марганець та кремнезем. Окислені та осаджені форми заліза, марганцю та кремнезему можуть стати серйозною проблемою для будь-якої схеми демінералізації, оскільки вони можуть покрити мембрану зворотного осмосу чіпкою плівкою, що вплине на продуктивність. Найбільш часто використовуваним інгібітором накипу є гексаметафосфат натрію.

    мікроорганізм

    Модулі зворотного осмосу забезпечують велику площу поверхні для прикріплення і зростання бактеріальних шламів і цвілі. Ці організми можуть спричинити забруднення мембрани або закупорювання модуля. Існують докази того, що іноді ферментні системи деяких з цих організмів будуть атакувати мембрану ацетату целюлози. Таким чином, безперервне застосування хлору для отримання залишкового хлору від 1 до 2 мг/л допомагає пригнічувати або затримувати ріст більшості організмів, що зустрічаються. Однак слід дотримуватися обережності, оскільки постійне вплив мембрани на мембрану з високим вмістом хлору погіршить ефективність мембрани. Час від часу застосовуються шокові концентрації до 10 мг/л хлору. Коли використовується непереносима до окислювачів мембрана поліамідного типу, слід проводити хлорування з дехлоруванням. Один із засобів дехлорування, бісульфіт натрію, також відомий як дезінфікуючий засіб. Ще одним варіантом дезінфекції є використання ультрафіолетової дезінфекції, яка не залишає залишкових окислювачів у воді.

    Операція заводу RO

    Після належної попередньої обробки вода, що підлягає демінералізації, під тиском подають насоси високого тиску і доставляється до мембранних збірок посудини високого тиску RO. Мембранні вузли складаються з серії посудин під тиском, розташованих у макеті ялинки в залежності від бажаного відновлення. Типовий робочий тиск для демінералізації солонуватої води коливається від 150 до 400 фунтів на квадратний дюйм. Регулюючий клапан на вхідному колекторі регулює робочий тиск. Також контролюються обсяги потоку корму та води продукту. Демінералізовану воду зазвичай називають пермеатом, а відбраковану воду називають концентратом (розсолом). Швидкість відновлення регулюється шляхом збільшення потоку подачі (збільшення робочого тиску) і шляхом контролю концентрату (розсолу) або відбраковування за допомогою встановленого клапана регулювання розсолу.

    Оператор повинен належним чином підтримувати та контролювати всі потоки та швидкості відновлення, щоб уникнути можливого пошкодження мембран від накипу.

    Оператори повинні пам'ятати, що клапани потоку розсолу ніколи не повинні бути повністю закриті. Якщо вони будуть випадково закриті під час роботи, 100-відсоткове відновлення призведе до майже певного пошкодження мембран через осадження неорганічних солей. Потік продукту або пермеату не регулюється і змінюється в міру зміни тиску та температури живильної води.

    Більшість систем зворотного осмосу призначені для роботи автоматично і вимагають мінімум уваги оператора. Однак постійний моніторинг роботи системи є важливою відповідальністю оператора операційного процесу.

    Типи процесів мембранної фільтрації

    Мембранна фільтрація
    Малюнок\(\PageIndex{5}\): Зображення Benreis ліцензовано відповідно до CC BY

    Мікрофільтрація (MF)

    Мікрофільтраційні мембрани мають пори в межах від 0,1 до 2,0 мкм. Цей процес рідше зустрічається з процесами переробки відходів, оскільки пермеат з мікрофільтра, як правило, неприпустимий для скидання. У деяких випадках цей мембранний процес може використовуватися спільно з відстійниками, полімерами, активованим вугіллям та іншими хімічними речовинами, які допомагають утримувати складові відходів. При використанні цієї мембрани слід дотримуватися обережності, щоб запобігти засміченню пор мембрани компонентами стічних потоків шляхом вибору належного типу мембрани для конкретних відходів заводу.

    Ультрафільтрація (UF)

    Процес ультрафільтрації є найбільш поширеним процесом очищення стічних вод на основі мембрани. У ньому використовується мембрана з розмірами пір від 0,005 до 0,1 мкм. Частинки, більші за пори в мембрані, такі як емульговані масла, гідроксиди металів, білки, крохмалі та зважені тверді речовини, затримуються на стороні подачі мембрани. Через мембрану проходять молекули менші, ніж пори в мембрані, такі як вода, спирти, солі та цукру. Цей фільтрат, яким обробляється вода, часто називають пермеат.

    Ультрафільтраційні мембрани оцінюються на основі відсічення молекулярної маси (MWCO) і варіюються від 1000 до 500 000 MWCO (дальтон). Використання MWCO є лише приблизним зазначенням можливостей утримання мембрани і повинно використовуватися під керівництвом виробника мембрани.

    Нанофільтрація (NF)

    Нанофільтрація використовує розмір пір мембрани між UF і RO. Ці мембрани ефективні у видаленні солей з потоку відходів, дозволяючи їм переходити в пермеат, концентруючи інші компоненти, такі як цукру, компоненти азоту та інші складові відходів, що спричиняють високу BOD/COD у потоках відходів.

    Зворотний осмос (RO)

    Зворотний осмос - найщільніший мембранний процес в тому, що він дозволяє пропускати через мембрану тільки воді, утримуючи солі і більш високомолекулярні компоненти. Мембрани зворотного осмосу використовуються для третинного очищення, що виробляє воду з низьким рівнем BOD/COD та майже питної якості води. Пермеат зворотного осмосу може бути перероблений по всій рослині і повторно використаний для різних рослинних процесів. RO зазвичай використовується як процес після обробки після більш грубих процесів фільтрації, таких як ультрафільтрація.

    Переглянути питання

    1. Поясніть теорію частинок.
    2. Охарактеризуйте види та класифікацію процесів обробки мембран.
    3. Перерахуйте складові частини процесу обробки мембрани.
    4. Окреслити застосування та роботу процесів обробки мембран.

    Тестові питання

    1. У _________ потік йде зсередини мембрани, через мембрану, і відфільтрована вода витікає з системи.
      1. Системи перехресної фільтрації
      2. Тупикові системи фільтрації
      3. Протиточні проточні системи
      4. Системи прямого потоку
    2. У ________ фільтрується вода може надходити ззовні в порожнисте волокно або зсередини назовні; однак в цій системі не утворюється потік відходів.
      1. Системи перехресної фільтрації
      2. Тупикові системи фільтрації
      3. Протиточні проточні системи
      4. Системи прямого потоку
    3. _________ є асиметричним означає, що одна сторона відрізняється від іншої сторони. Мембрана складається з одного шару товщиною від 50 до 100 мкм та іншого шару, який є тонким щільним шаром товщиною приблизно 0,2 мкм, який існує на поверхні. Цей тонкий щільний шар служить відштовхуючим бар'єром мембрани.
      1. Целюлоза ацетат мембран
      2. Тонка композитна мембрана
      3. Електродіалізна мембрана
      4. Дистиляційна мембрана
    4. ________, напівпроникна мембрана відокремлена від опорних шарів, і ця конструкція дозволяє виробникам мембран вибирати полімери, які будуть виробляти мембрани з оптимальним відторгненням розчинених твердих речовин і швидкістю потоку води.
      1. Целюлоза ацетат мембран
      2. Тонка композитна мембрана
      3. Електродіалізна мембрана
      4. Дистиляційна мембрана
    5. _______, що представляє собою швидкість потоку через мембрану, залежить від прикладеного тиску.
      1. Мінеральний флюс
      2. Водяний потік
      3. Відторгнення мінералів
      4. Концентрат
    6. _______, яка залежить від концентрації, не залежить від тиску.
      1. Мінеральний флюс
      2. Водяний потік
      3. Відторгнення мінералів
      4. Концентрат
    7. ________ широко використовуються для демінералізації комунальних водопостачань, які вимагають високих показників відторгнення твердості та потенціалу формування THM, а також помірного відторгнення TSD.
      1. Мікрофільтрація
      2. Ультрафільтрація
      3. Нанофільтрація
      4. Зворотний осмос
    8. У ________ температура живильної води суттєво впливає на продуктивність мембрани і, отже, повинна враховуватися при проектуванні та експлуатації системи. По суті, величина константи проникнення води є постійною лише для заданої температури. Зі збільшенням температури живильної води флюс збільшується. Зазвичай потік повідомляється при деяких стандартних температурних еталонних умовах, таких як 25oC.
      1. Мікрофільтрація
      2. Ультрафільтрація
      3. Нанофільтрація
      4. Зворотний осмос
    9. ________ процеси можуть бути використані спільно з відстійниками, полімерами, активованим вугіллям та іншими хімічними речовинами, які допомагають утримувати складові відходів. При використанні цієї мембрани слід дотримуватися обережності, щоб запобігти засміченню пор мембрани компонентами стічних потоків шляхом вибору належного типу мембрани для конкретних відходів заводу.
      1. Мікрофільтрація
      2. Ультрафільтрація
      3. Нанофільтрація
      4. Зворотний осмос
    10. _________ є найбільш поширеним процесом очищення стічних вод на основі мембрани. У ньому використовується мембрана з розмірами пір від 0,005 до 0,1 мкм. Частинки, більші за пори в мембрані, такі як емульговані масла, гідроксиди металів, білки, крохмалі та зважені тверді речовини, затримуються на стороні подачі мембрани. Через мембрану проходять молекули менші, ніж пори в мембрані, такі як вода, спирти, солі та цукру. Цей фільтрат, яким обробляється вода, часто називають пермеат.
      1. Мікрофільтрація
      2. Ультрафільтрація
      3. Нанофільтрація
      4. Зворотний осмос
    11. _______ - це найщільніший мембранний процес тим, що він дозволяє пропускати через мембрану тільки воді, утримуючи солі і більш високомолекулярні компоненти. Ці мембрани використовуються для третинного очищення, що виробляє воду з низьким рівнем BOD/COD і майже питної якості води. Пермеат може бути перероблений по всій рослині і повторно використаний для різних рослинних процесів. Цей тип мембрани зазвичай використовується як процес після обробки після більш грубих процесів фільтрації.
      1. Мікрофільтрація
      2. Ультрафільтрація
      3. Нанофільтрація
      4. Зворотний осмос
    12. Що таке робочий тиск для нанофільтрації, або пом'якшувальних мембран ________.
      1. 100-200 фунтів на квадратний дюйм
      2. 200-500 фунтів на квадратний дюй
      3. 500-800 фунтів на квадратний дюй
      4. 800-1200 фунтів на квадратний дюйм
    13. Який робочий тиск для зворотного осмосу морської води _______.
      1. 100-200 фунтів на квадратний дюйм
      2. 200-500 фунтів на квадратний дюй
      3. 500-800 фунтів на квадратний дюй
      4. 800-1200 фунтів на квадратний дюйм
    14. Модулі зворотного осмосу забезпечують велику площу поверхні для прикріплення і зростання бактеріальних шламів і цвілі. Ці організми можуть спричинити забруднення мембрани або закупорювання модуля. Існують докази того, що іноді ферментні системи деяких з цих організмів будуть атакувати мембрану ацетату целюлози. Таким чином, безперервне застосування ______ допомагає пригнічувати або затримувати ріст більшості організмів, що зустрічаються.
      1. оцтова кислота
      2. Лимонна кислота
      3. хлор
      4. Гексаметафосфат натрію
    15. Оксиди або гідроксиди, які найчастіше зустрічаються у воді, - це залізо, марганець та кремнезем. Окислені та осаджені форми заліза, марганцю та кремнезему можуть стати серйозною проблемою для будь-якої схеми демінералізації, оскільки вони можуть покрити мембрану зворотного осмосу чіпкою плівкою, що вплине на продуктивність. Найбільш часто використовуваним інгібітором накипу є ________.
      1. оцтова кислота
      2. Лимонна кислота
      3. хлор
      4. Гексаметафосфат натрію
    16. Мембрани ацетату целюлози піддаються тривалому гідролізу. Гідроліз призводить до зменшення здатності відторгнення мінералів. Швидкість гідролізу прискорюється на ______, і є функцією подачі ______.
      1. Температура, рН
      2. Органічні речовини, залишковий хлор
      3. Залізо, марганець
      4. Мікроорганізми, TDS
    17. Щоб забезпечити максимально тривалий термін служби ацетатної мембрани целюлози та уповільнити гідроліз, ______ додають як етап попередньої обробки перед демінералізацією.
      1. База
      2. лужність
      3. хлор
      4. Кислота
    18. Тонкоплівкові композитні мембрани не піддаються гідролізу; однак для контролю накипу може знадобитися ______ регулювання рН живильної води.
      1. Базовий
      2. Лужні
      3. Нейтральний
      4. Кислий
    19. Трохи _______ значення рН забезпечують більш низьку швидкість гідролізу для ацетатних мембран целюлози, як і більш холодні температури.
      1. Базовий
      2. Лужні
      3. Нейтральний
      4. Кислий
    20. Коли при зворотному осмосі використовується непереносима до окислювача мембрана поліамідного типу, хлорування слід дотримуватися ________.
      1. Аміак
      2. Дехлорування
      3. їдкий
      4. Деіонізована вода