В настоящее время существуют различные методы очистки воды с использованием "классических" технологий, основанных на применении напорных осветлительных, сорбционных, ионообменных и др. фильтров. В силу различных причин, а именно, колебания качества природной и очищенной воды в связи природных (паводок), экологических или технологических (аварии) факторов, а также состоянием водопроводных сетей, существующие системы водоочистки не всегда могут справляться с поставленной задачей.
 
 Не смотря на широкое использование "классических" методов подготовки и очистки воды, потребители все больше внимания уделяется поиску новых перспективных методов очистки воды, более компактных, дешевых, простых в эксплуатации по сравнению с традиционными методами. К их числу следует отнести способы очистки воды с применением мембранных технологий. Технологии основанные на процессах мембранного разделения, с каждым годом все больше вытесняют традиционные технологии очистки воды.
 
 В зависимости от вида и свойств мембраны и движущих сил процессов разделения выделяют мембранные методы – методы мембранной очистки воды.
 
Для быстрого перемещения между категориями воспользуйтесь рубрикатором

Современные технологии мембранного разделения:

• Микрофильтрация;

• Ультрафильтрация;

• Нанофильтрация;

• Обратный осмос.

 
Рейтинг "фильтрации" и удаляемые вещества для различных мембранных процессов:

 Метод микрофильтрации предложил Зигмонди в 1922 г. В зависимости от применяемых мембран, он служит для отделения от жидкости частиц с размером 0,1 - 1 мкм. При микрофильтрации задерживаются основная масса взвесей, крупные коллоиды, большинство бактерий и микроорганизмов, частично вирусы.
 
 Как микрофильтрационные, так и ультрафильтрационные мембраны относятся к пористым мембранам, и в них задержка частиц определяется главным образом их размером и формой в соответствии с размерами пор мембраны, а транспорт растворителя прямо пропорционален приложенному давлению.
 
 Действительно, при микрофильтрации и ультрафильтрации имеют место одинаковые мембранные явления и используется один и тот же принцип разделения. Однако имеется и существенное различие между ними, заключающееся в том, что ультрафильтрационные мембраны имеют асимметричное строение, а гидродинамическое сопротивление в основном определяется малой долей общей толщины мембраны, в то время как при микрофильтрации, полная толщина мембраны дает вклад в гидродинамическое сопротивление. Толщина верхнего слоя ультрафильтрационной мембраны обычно не превышает 1 мкм.
 
 Используемые мембраны представляют собой пористые перегородки с определенным размером отверстий. Механизм разделения основан на процессе сепарации или «просеивания» частиц в зависимости от их размера, то есть происходит селективное удаление всех частиц с размерами большими, чем размер пор мембраны. Частицы, размер которых превышает максимальный размер пор, отсекаются мембраной и переходят в концентрат (ретентат). Большая часть жидкости и частицы, размеры которых меньше максимального размера пор, проходят через мембрану, образуя фильтрат (пермеат). Солевой состав воды при этом сохраняется неизменным.
 
 Мембрана имеет очень однородный и вполне определенный размер пор. Это обстоятельство делает микро- и ультрафильтрацию уникальными и чрезвычайно привлекательными технологиями очистки, т.к. качество обработанной воды соответствует определенным абсолютным критериям и не зависит от качества исходной воды.
 
 При микрофильтрации задерживаются основная масса взвесей, крупные коллоиды, большинство бактерий и микроорганизмов, частично вирусы.

 
Удаление загрязнений микрофильтрацией и ультрафильтрацией. Проницаемость микрофильтрационных и ультрафильтрационных мембран.

 Указанные характеристики микрофильтрации предопределяют области ее применения для целей промышленной водоподготовки, среди которых необходимо выделить осветление природных вод удалением взвешенных частиц перед дальнейшей обработкой , предварительную обработку воды перед обратным осмосом для продления срока службы мембран, финишную стерилизацию вод и растворов в пищевой, медицинской и электронной промышленности.
 
 Микрофильтрационные мембраны могут использоваться как в тупиковом режиме, так и в тупиковом с регенерацией обратным током, а также в режиме с тангенциальной фильтрацией.

 
Работа мембраны в тупиковом режиме. Распределение потоков при фильтрации и промывке.

 
Работа мембраны в тангенциальном режиме. Распределение потоков в режимах CROSS-FLOW и FEED AND BLEED.

 Недостатками перекрестного режима фильтрации является большое потребление электроэнергии и постоянный сброс концентрата, что приводит к увеличению объема воды, потребляемого установкой на собственные нужды (около 10 - 20% от объема очищенной воды).

 Для сокращения объема промывных вод широко используется тупиковый режим фильтрации с доочисткой промывных вод на второй ступени ультрафильтрационной (микрофильтрационной) очистки. Двухступенчатая схема позволяет уменьшить количество фильтрационных стоков до 0,4% от объема очищенной воды.

 Метод ультрафильтрации был предложен Бехгольдом в 1907 г. и он предусматривает использование мембран с характерным размером пор – 0,01 - 0,1 мкм.
 
 Поток через ультрафильтрационную мембрану, аналогично микрофильтрационным мембранам, прямо пропорционален приложенному давлению.
 
 Ультрафильтрация, занимая промежуточное положение между микрофильтрацией и нанофильтрацией, сочетает в себе принципы и технологические решения граничных процессов. Размеры пор ультрафильтрационных мембран варьируют от 0,05 мкм (граница минимальных размеров пор в микрофильтрационных мембранах) до 5 нм (граница пор максимального размера в нанофильтрационных мембранах). Типичное применение ультрафильтрации - отделение макромолекулярных компонентов от раствора, причем нижний предел отделяемых растворенных веществ соответствует молекулярным массам в несколько тысяч.
 
 При ультрафильтрации удаляются практически все механические частицы, коллоиды, белки, микробиологические загрязнения, а также часть органических веществ с молекулярной массой 1 000 – 300 000 Да. Вследствие малых осмотических давлений высокомолекулярных соединений и относительно низкого гидравлического сопротивления мембранных модулей ультрафильтрацию проводят при сравнительно невысоких избыточных давлениях – 0,1 - 0,5 МПа. Наряду с размером пор ультрафильтрационные мембраны также могут характеризоваться значением условной молекулярной массой частиц, которые не способны проникнуть сквозь мембрану. Обычно в промышленных и муниципальных установках водоподготовки используются ультрафильтрационные мембраны с границей отсечки по молекулярному весу задерживаемых компонентов ( MWCO - Molecular Weight Cut - Off ) 80 - 150 кДа, которые обеспечивают надежный барьер для вирусов. Это примерно соответствует размеру пор около 0,02 - 0,03 мкм.

 Области применения ультрафильтрации для целей промышленной водоподготовки значительно шире, чем у микрофильтрации, и предусматривают как предварительную очистку воды перед установками обратного осмоса и нанофильтрации, так и самостоятельное использование в муниципальных системах водоподготовки для обеспечения стерильности очищенной воды, например на фармацевтических производствах.
 
 Ультрафильтрационные мембраны в большинстве случаев могут работать как в тангенциальном режиме, так и в тупиковом с регенерацией обратным током.
 
 Микро- и ультрафильтрации обычно подвергается вода, загрязненная мелкими частицами и растворенными компонентами, молекулярная масса которых намного больше молекулярной массы растворителя. Эффективность разделения зависит от структуры мембран, скорости течения и концентрации разделяемого раствора, формы, размера и диффузионной способности растворенных молекул.
 
 Удаление этими методами мелких молекул или ионов возможно при их укрупнении до мицелл или коллоидных частиц с помощью специальных реагентов с большой молекулярной массой, селективно реагирующих с такими веществами, или при коагуляции. Такой процесс называется реагентной или мицеллярно-усиленной ультрафильтрацией. Он позволяет селективно извлекать из раствора заданные ионы загрязнений или достаточно глубоко (до 60–70%), очищать воду от органических веществ с низкой молекулярной массой, таких как гуминовые и фульвокислоты, которые в большой степени определяют цветность воды, ее окисляемость и содержание железа в виде комплексов.

 Одновалентные ионы (катионы и анионы) задерживаются нанофильтрационными мембранами незначительно, в то время как их селективность к многозарядным и крупным ионам – высокая. Например, при селективности по MgSO₄ на уровне 98–99 %, селективность по NaCl для различных нанофильтрационных мембран составляет 5 - 85%. В процессе нанофильтрации эффективно задерживаются компоненты растворенных веществ с размером от 1 нм и органика с молекулярным весом от 200 до 400 Да.
 
 Рабочее давление в процессах нанофильтрации обычно лежит в пределах от 3 до 20 атм. При этом селективность нанофильтрационных мембран к катионам Ca²⁺ и Mg²⁺ различна и зависит от состава воды. В любом случае, степень извлечения солей жесткости ниже, чем при обратном осмосе. Следует отметить, что селективность нанофильтрационных мембран проявляется прежде всего в отношении анионов. Поэтому, к примеру, селективность по сульфату натрия может быть выше, чем по хлориду кальция.

Селективность "среднестатистической" нанофильтрационной мембраны по основным ионам и некоторым веществам:

• Кальций (Ca²⁺) - 88%;

• Магний (Mg²⁺) - 91%;

• Натрий (Na⁺) - 55%;

• Щелочность (HCO^3-) - 86%;

• Сульфаты (SO₄^2-) - 57%;

• Хлориды (Cl^2-) - 70%.

• Жесткость карбонатная - 92%;

• Жесткость общая - 91%.

• Общий органический углерод - 92%;

• Органические галогены - 98%;

• Тригалогенметаны - 91%;

• Цветность - 99%;

 Снижение общего солесодержания составляет, в среднем - 66%, и зависит от солевого состава исходной воды.

 Благодаря тому, что нанофильтрационные мембраны эффективно снижают цветность исходной воды и окисляемость (на 50 - 80%), удаляют пестициды, а также соли жесткости и микробиологические загрязнения, нанофильтрация может считаться идеальной технологией для получения питьевой воды практически из любых источников (за исключением морей и океанов). При этом нанофильтрация позволяет получать мягкую воду с частично сохраненными в ней хлоридами и гидрокарбонатами, то есть более пригодную для питьевых целей, чем обратноосмотическая. Поскольку в очищенной нанофильтрацией воде отсутствуют бактерии и вирусы, микрозагрязнения и хлорорганика, имеется возможность сокращения дозы хлора при постхлорировании.
 
 По сравнению с обратным осмосом, нанофильтрация позволяет обеспечить более высокое значение гидравлического КПД установки водоподготовки (для вод из поверхностных источников, как правило, на уровне 80 - 85% в условиях одноступенчатой двухкаскадной схемы) при существенно меньших энергозатратах, позволяет снизить потребление ингибиторов солеотложения, что приводит в итоге к сокращению эксплуатационных затрат и снижению себестоимости обработанной воды.
 
 Еще недавно термин «нанофильтрация» ассоциировался только с низкоселективным и, соответственно, низконапорным обратным осмосом, но в последнее десятилетие направление нанофильтрации получило бурное развитие.

Типичные задачи, решаемые применением технологии нанофильтрации:

• высокоселективное удаление из обрабатываемой воды общего органического углерода (ТОС) и пестицидов без кардинального изменения ее солевого состава;

• глубокое удаление органики с одновременной коррекцией солевого состава воды;

• умягчение воды путем селективного извлечения поливалентных ионов;

• коррекция солевого состава посредством предпочтительного удаления поливалентных ионов по сравнению с одновалентными;

• предварительная обработка морской воды перед ее опреснением на установках обратного осмоса;

• обработка технологических жидких сред в пищевой промышленности (молочной сыворотки, соков, вин и т.п.);

• переработка, очистка и повторное использование стоков, образующихся в результате промышленной и хозяйственно-бытовой деятельности человека.

 Интересным приложением нанофильтрации является использование существенного различия селективности мембран по одновалентным (Na⁺) и двухвалентным (Ca⁺², Mg⁺²) катионам для разделения концентрированных растворов, в том числе регенератов от ионообменного умягчения. Это может дать возможность вторичного использования солей Na⁺ и сокращения общего солевого сброса с установок Na-катионирования.

 Основателем современных технологий обратного осмоса по праву считается С. Сурираджан, который на рубеже 50-х и 60-х годов прошлого века разработал и реализовал на практике процесс обратноосмотического разделения растворов, основанный на принципе фильтрования из тангенциального потока.
 
 В настоящее время, благодаря совершенным технологиям массового производства высококачественных обратноосмотических мембран, экономичности и высокой производительности, метод нашел широчайшее распространение для водоподготовки в самых разных областях промышленности.
 
 Обратный осмос позволяет удалять из воды растворенные соли, неорганические и органические вещества с молекулярной массой свыше 100 Да. Эффективность удаления методом обратного осмоса различных ионов зависит от их заряда и размера, определяющих степень гидратации, и увеличивается с ростом этих характеристик. Коэффициенты очистки для низконапорных мембран имеют следующие значения: для одновалентных ионов Na⁺, K⁺, Cl^-, NO^3-, HCO^3- = 20-100, а для двухвалентных Ca²⁺, Mg²⁺, (SO₄)^2- - до 200. Эффективность удаления поливалентных элементов зависит от их состояния в растворе. Степень очистки от элементов, склонных к гидролизу и образованию псевдоколлоидов, значительно выше, чем от солей в ионной форме.
 
 Обратноосмотические высоконапорные мембраны для очистки морской воды обладают еще большей селективностью по всем ионам. Таким образом , по селективности и в зависимости от рабочего приводного давления мембраны располагаются в ряду: ВЫСОКОНАПОРНЫЕ > СРЕДНЕНАПОРНЫЕ > НИЗКОНАПОРНЫЕ. Соответственно, различаются и области их основного применения для обработки вод.

Области применения обратноосмотических и нанофильтрационных мембран в зависимости о их типа:

• Нанофильтрационные и НИЗКОНАПОРНЫЕ обратноосмотические мембраны - солесодержание до 2000 мг/л;

• СРЕДНЕНАПОРНЫЕ обратноосмотические мембраны - солесодержание до 10000 мг/л;

• ВЫСОКОНАПОРНЫЕ обратноосмотические мембраны - солесодержание до 50000 мг/л.

Селективность обратноосмотических мембранных модулей на тестовом растворе:

Средняя селективность мембраны обратного осмоса по основным ионам (в реальных условиях):

• Кальций (Ca²⁺) - 98,7%;

• Магний (Mg²⁺) - 98,4%;

• Натрий (Na⁺) - 95,1%;

• Щелочность (HCO^3-) - 94,1%;

• Сульфаты (SO₄^2-) - 96,7%;

• Хлориды (Cl^2-) - 95,1%;

• Фосфаты (PO₄^3-) - 99,8%.

 Снижение общего солесодержания составляет, в среднем - 95,4%, и зависит от солевого состава исходной воды.

 Значения рабочего давления в процессах обратного осмоса в условиях промышленного применения доходят на сегодняшний день до 80 атм, а в лабораторных условиях достигают 120 атм, и даже, как заявляют представители некоторых западных компаний, могут подниматься до 150 атм в условиях опреснения морской воды.
 
 Постоянное совершенствование структуры мембран обратного осмоса, связанное прежде всего с уменьшением толщины разделительного слоя и улучшением равномерности его молекулярной структуры, привело к созданию так называемого низконапорного и сверхнизконапорного обратного осмоса. Такие обратноосмотические мембраны имеют сниженную селективность, но вполне достаточны для получения питьевой воды, которая не должна глубоко обессоливаться. Учитывая, что осмотическое давление в пресной воде с солесодержанием до 1000 мг/л по NaCl не превышает 0,8 атм, они позволяют получать частично обессоленную воду даже при давлении до 2 атм.

 Большое число производителей мембранных элементов предопределяет достаточно высокую конкуренцию, что, в свою очередь, требует от потребителя определенной квалификации при выборе оптимальных для данных условий элементов или мембранных технологий.
 
 Разработка установки использующей технологии мембранного разделения требует высокой квалификации технологов и инженеров.
 
 Практически любая промышленная установка будь то: микрофильтрация, ультрафильтрация, нанофильтрация или обратный осмос - уникальна для каждого конкретного объекта водоподготовки.
 
 МЫ обладаем всеми знаниями и ресурсами для выбора и расчета необходимой Вам технологии. Обратившись к НАМ с Вашими проблемами, Вы получите максимально верные и экономически обоснованные решения.