Мембранна технологія фільтрації води

Estimated read time 1 min read

Мембранна технологія фільтрації води

Мембранна технологія фільтрації води насправді прийшла до нас з біології. Важко переоцінити роль, яку відіграють мембрани у нашому житті. Як добре сказав Річард Боуен: «Якщо ти втомився від мембран, то ти просто втомився від життя». Біологічні мембрани поки що не знайшли промислового використання, але процеси поділу за допомогою синтетичних мембран стають дедалі популярнішими. Сьогодні мембранні процеси застосовуються досить широко, і кількість та різноманітність цих застосувань збільшується. Звідси виникає потреба в освічених інженерах, хіміках, інших фахівцях, а також у технічному персоналі, які в процесі освіти опанували основні принципи мембранної технології.

Проте, незважаючи на все зростаюче значення мембранних процесів, лише окремі університети включили мембранну технологію до своїх програм. Одна з причин цього – відсутність добрих підручників. Саме це стало для мене однією з рушійних сил для написання цієї книги. Вона присвячена основним принципам мембранної технології і, як замислювалося, має давати широкий погляд на аспекти цієї технології. Я усвідомлював, що мембранна технологія — це дуже широка область, тому намагався сформулювати основні принципи різних її розділів. Хоча при написанні книги й уявлялося, що її основний читач — студент, вона також може служити вступним курсом для інженерів, хіміків, лаборантів і техніків, що працюють у різних галузях хімічної чи іншої промисловості, які хотіли б познайомитися з основами мембранної технології.

 

Переваги та недоліки мембранної технології

Мембранна технологія фільтрації води є технологією, що розвивається, і завдяки своєму міждисциплінарному характеру може бути використана у великій кількості процесів розділення. Провести порівняння різних процесів поділу важко. Для мембранної технології можна відзначити наступні переваги:

  • розділення може виконуватися безперервно;
  • енергетичні витрати, як правило, низькі;
  • мембранні процеси можуть легко поєднуватися з іншими процесами розділення;
  • розділення може виконуватися в м’яких умовах;
  • можливість масштабування;
  • властивості мембран значно розрізняються і їх можна контролювати;
  • не потрібно будь-яких добавок.

Необхідно згадати, однак, і такі недоліки:

  • концентраційна поляризація і відкладення осаду на мембрані (її забруднення);
  • короткий час життя мембран;
  • в загальному випадку низька селективність мембран.

Потрібно підкреслити, що описані тут специфічні особливості мембранної технології розглянуті чисто якісно.

 

Введення в мембранні процеси

Мембранні процеси як методи розділення є досить новими. Так, ще 35 років тому мембранна технологія фільтрації води не розглядалася як технічно важливий процес розділення. Сьогодні мембранні процеси використовуються широко і сфера їх застосування постійно розширюється. З економічної точки зору у даний час – це перехідний період між розвитком мембранних процесів першого покоління, таких, як мікрофільтрація (МФ), ультрафільтрація (УФ), зворотний осмос (З0), електродіаліз (ЕД) і діаліз, і мембранними процесами другого покоління, такими як газорозділення (ГР), первапорація (ПВ), мембранна дистиляція (МД) і розділення за допомогою рідких мембран (РМ).

Існує багато мембранних процесів, що базуються на різних принципах розподілу або механізмах і застосовних для розподілу об’єктів різних розмірів – від частинок до молекул. Попри ці відмінності, все мембранні процеси мають щось спільне, саме мембрану. Мембрана – це серце кожного мембранного процесу, її можна розглядати як селекційно проникний бар’єр між двома фазами.

 

Характеристика мембранного процесу

Фазу 1 зазвичай називають сировинною фазою** (іноді просто сировиною), тоді як фазу 2 називають пермеатом. Поділ досягається завдяки тому, що один компонент із сировинної фази переноситься через мембрану з більшою швидкістю, ніж інший компонент або компоненти. Слід, проте, пам’ятати, що мембрана не є досконалим чи ідеальним селективним бар’єром.

Ефективність або експлуатаційні якості деякої мембрани визначаються двома параметрами: її селективністю та потоком через мембрану. Останній, що часто позначається як швидкість проникнення або масопереносу, визначається як обсяг, що протікає через одиницю площі мембрани в одиницю часу. Хоча рекомендується використовувати одиниці СІ, у літературі часто використовують інші одиниці потоку. Якщо йдеться про об’ємний потік, використовуються такі одиниці вимірювання: л/м2 • год, л/м2 добу, гал/фут2добу та см3/см2 год.

Об’ємний потік можна легко перевести в масовий або молярний потік, використовуючи щільність або молекулярну масу.

 

Селективність мембрани для рідин

Селективність мембрани по відношенню до суміші в загальному випадку виражається одним із двох параметрів: затриманням (R) та фактором поділу (а). Для розведених водних сумішей, що складаються з розчинника (тобто води) та розчиненої речовини, найбільш зручно виразити селективність у термінах затримання R по відношенню до розчиненої речовини. Розчинена речовина частково або повністю затримується, тоді як молекули розчинника (води) вільно проходять через мембрану. Величина R визначається співвідношенням:

R = (cfcp)/cf = 1 –cp/cf , де сf — концентрація розчиненої речовини в сировині та ср — концентрація розчиненої речовини у пермеаті.

Оскільки це безрозмірний параметр R не залежить від одиниць, в яких виражається концентрація. Величина R змінюється від 100% (повне затримання розчиненої речовини; у цьому випадку ми маємо «ідеальну» селекційно проникну мембрану) до 0% (розчинена речовина та розчинник вільно проходять через мембрану).

 

Селективність мембрани для газів

Селективність мембрани по відношенню до газових сумішей та сумішей органічних рідин виражається в термінах фактору поділу а. Для суміші, що складається з компонентів А та В, фактор поділу aA/B виражаються співвідношенням:

aA/B=(yA/yB)/(xA/xB)

де yA и yB — концентрації компонентів А та В у пермеаті, а xA и xBконцентрації компонентів у сировинному потоці. У системі СІ одиницею вимірювання кількості речовини є моль, але кілограм (кг) також часто використовується. Тому концентрації можуть бути виражені як масові концентрації (сi) або молярні концентрації (ni). Склад розчину або суміші може бути описаний також за допомогою мольних часток, масових часток або об’ємних часток.

Селективність, або фактор поділу, a вибирається таким чином, щоб ця величина була більшою за одинку. Таким чином, якщо швидкість масоперенесення через мембрану компонента А більша, ніж компонента, фактор поділу визначається як aA/B; якщо компонент проникає швидше, то фактор поділу визначається як aB/A. Якщо aA/B = aB/A, поділу немає.

 

Визначення мембрани

Хоча важко дати точне визначення мембрани, найбільш загальне визначення може бути наступним: мембрана – це селективний бар’єр між двома фазами, причому термін “селективний” може відноситися як до мембран, так і мембранних процесів. Слід наголосити, що це макроскопічне визначення, хоча поділ має бути розглянутий на мікроскопічному рівні. Це визначення нічого не говорить про структуру або функцію мембрани*.

Мембрана може бути товстою або тонкою, її структура може бути гомогенною або гетерогенною, транспорт може бути активним.

Серед неодноразових спроб дати визначення поняття мембрани визначення, є найбільш загальним і в той же час конкретним: «мембрана це фаза або група фаз, які поділяють дві різні фази, що відрізняються фізично та/або хімічно від фаз мембрани; при цьому мембрана має властивості, що дозволяють їй під дією прикладеного силового поля керувати процесами масоперенесення між фазами, що розділяються». або пасивним, пасивний транспорт може бути керований за допомогою тиску, концентрації або різниці температур, мембрани можуть бути природні чи синтетичні, нейтральні чи заряджені.

 

Біологічні мембрани

Для більш чіткого розуміння можуть бути корисними два типи класифікації. Відповідно до одного з них всі мислимі або існуючі мембрани поділяються на два великі класи – природні (біологічні) та синтетичні мембрани. Це найясніше з можливих відмінностей і в той же час дуже суттєве, оскільки обидва типи мембран принципово відрізняються і за структурою та ро функцій. Біологічні мембрани можуть поділятися на мембрани живих організмів та мембрани, здатні функціонувати поза організмом. Перші істотні для життя на землі, вони не включені в цю книгу, тому що тоді її обсяг різко зріс. Другий тип біологічних мембран (ліпосоми та везикули фосфоліпідів) стають все більш важливими в сучасних розділових процесах, особливо для медицини та медичної біології. Синтетичні мембрани можуть поділятися на органічні (полімерні або рідкі) та неорганічні.

 

Синтетичні мембрани

Інший спосіб класифікації мембран — за морфологією або структурою — також дуже наочний, оскільки структура мембрани визначає механізм поділу і, отже, застосування. Якщо ми обмежимося твердими синтетичними мембранами, то можемо виділити два типи мембран, а саме симетричні та асиметричні.

Товщина симетричних мембран (пористих та непористих) лежить у межах від 10 до 200 мкм, причому опір масоперенесення визначається загальною товщиною мембрани. Зменшення товщини мембрани призводить до збільшення швидкості транспортування.
Поява асиметричних мембран, як зазначалося, стало проривом у промисловому застосуванні мембран. Ці мембрани складаються з дуже щільного поверхневого шару або товщиною покриття від 0,1 до 5 мкм, що лежить на пористій підкладці товщиною від 50 до 150 мкм. Ці мембрани поєднують високу селективність щільної мембрани з високою швидкістю масоперенесення дуже тонкої мембрани. Опір масоперенесення визначається переважно або повністю тонким поверхневим шаром.

 

Висновок

Мембранна технологія фільтрації води революціонізувала спосіб очищення та видалення забруднень з води. Ця передова технологія використовує напівпроникну зворотноосмотичну мембрану для відділення розчинених твердих частинок, бактерій, вірусів та інших частинок від води. Це ефективний спосіб переконатися, що вода, яку ви споживаєте, є безпечною та не містить шкідливих домішок.

Технологія мембранної фільтрації води має широкий спектр застосувань як у житлових, так і в комерційних умовах. Його можна використовувати для фільтрації хлору, свинцю, миш’яку, фтору, фармацевтичних препаратів та інших забруднюючих речовин з питної води. Його також можна використовувати для очищення промислових стічних вод для видалення важких металів та інших небезпечних хімікатів. Завдяки здатності забезпечити чисту питну воду з мінімальними зусиллями технологія мембранної фільтрації є безцінним надбанням для забезпечення безпечної питної води для кожного.

Читайте далі: Як обрати фільтр для води?

Як обрати фільтр для води?

Ще статті цієї ж категорії:

+ There are no comments

Add yours