Часть 2. Мембраны промышленного обратного осмоса.
Мембранный элемент промышленного обратного осмоса (мембрана в разговоре и далее по тексту) располагается в корпусе (часть 1.- Что такое промышленный обратный осмос и из чего он состоит. «Принципиальная схема»). Корпус может вмещать от 1 до 7 обратноосмотических мембран. Остановимся сейчас на строении мембраны. По своим конструктивным особенностям обратноосмотические мембраны различаются на спирально навитые и половолоконные. В настоящее время наиболее востребованы спирально навитые. Конструктивно они представляют собой две мембраны, навивающиеся на центральную трубу, по которой отводится фильтрат.
конструктивная схема спирально навитой мембраны:
1 – мембрана; 2 – дренаж; 3 – зона склейки; 4 – перфорированная труба для сбора пермеата
Если теперь приклеенный к трубке пакет свернуть рулоном вокруг трубки, мы получим готовое изделие. Необходимо только на поверхность одной мембраны уложить разделительную сетку – турбулизатор, которая предотвратит при сворачивании слипание мембран между собой. Такая конструкция изображена следующем рисунке.
1.- поток исходной воды
2.- Выход концентрата
3.- Выход пермеата
4.- Направление потока исходной воды внутри мембраны
5.- Направление движение пермеата
6.- Оболочка или защитное покрытие
7.- Соединительный коннектор
8.- Перфорированная труба для сбора пермеата
9 и 13.- Разделительная сетка
10 и 12.- Обратноосмотическая мембрана
11.- Дренаж или коллектор.
14.- Линия шва, соединяющего две мембраны
Основными материалами для изготовления мембран являются: ацетаты целлюлозы, ароматические полиамиды, полисульфонамид, полиэфирсульфон, фторопласты, поливинилиденфторид, полиэтилентерефталат, полиакрилонитрил, полиамиды, полиимиды, полиэтилен, полипропилен и еще несколько десятков полимеров, применяющихся для создания различных элементов современных мембранных элементов.
Ацетаты целлюлозы (АЦ) – первый материал, из которого начали изготавливать мембраны для всех мембранных процессов. Это синтетический полимер, получаемый из природной целлюлозы. Он отличается низкой стоимостью и относительно высокой стойкостью к действию свободного активного хлора. В настоящее время АЦ мембраны выпускаются на подложке из бумаги из ПЭТФ или полипропилена, что существенно улучшило их характеристики.
Основными недостатками таких мембран являются низкая химическая и биологическая стойкость, а также высокое рабочее давление и низкая селективность. Рабочий диапазон рН – от 4 до 8. При кратковременных химических промывках могут быть использованы растворы с рН от 3 до 9
Рисунок. Сравнение диапазонов рН и температуры, допустимых для работы и кратковременных химических промывок, для композиционных полиамидных и ацетатцеллюлозных мембран
Температура раствора не должна превышать 35 ° С. Микроорганизмы способны питаться материалом мембраны и прорастать через нее, нарушая структуру и размер пор, в результате селективность мембран падает.
Применение ацетатцеллюлозных мембран оправдано в установках водоподготовки, когда обрабатывается хлорированная вода и есть необходимость сохранить этот хлор в очищенной воде.
Триацетат целлюлозы (ТАЦ). Мембрана предпочтительна при концентрировании (в особенности многократном) и очистке белков. Рабочий диапазон рН – от 4 до 8.
Регенерированная целлюлоза (РЦ). Эта мембрана предпочтительна при необходимости высокой степени концентрирования протеинов из разбавленных растворов с минимальными потерями. Мембрана устойчива к автоклавированию, легко чистится и отличается высокой химической стабильностью. Рабочий диапазон рН – от 3 до 11.
Полиэтилен (ПЭ) и полипропилен (ПП) – Мембрана отличается высокой химической стойкостью, низкой стоимостью. Температурная устойчивость незначительна. Используются в виде микрочастиц и волокон для производства микрофильтрационных мембран путем их спекания под давлением.
Полиэтилентерефталат (ПЭТФ, лавсан) – Мембрана обладает высокой химической стойкостью к кислотам, щелочам, солям, спиртам, парафинам, минеральным маслам, бензину, жирам, эфиру. Имеет повышенную устойчивость к действию водяного пара.
Алифатические полиамиды (ПА, капрон, nylon-6 и nylon-66). Полиамидные мембраны устойчивы при pH от 2 до 13, а также в большинстве органических растворителей. Хорошо выдерживают стерилизацию насыщенным паром в автоклаве при температуре 120 ° C, а также радиационную стерилизацию и химическую стерилизацию раствором перекиси водорода.
Полиакрилонитрил (ПАН). Мембраны на основе сополимеров акрилонитрила, отличающиеся высокой устойчивостью к действию жиров, нефтепродуктов. Вместе с тем мембраны из ПАН менее устойчивы к воздействию сильных кислот и щелочей, чем мембраны из полиамида и, тем более, из полисульфона.
Все виды мембран предъявляют определенные требования к качеству исходной воды.
Ниже приведены ориентировочные показатели, которым должна соответствовать исходная вода, подаваемая на обратноосмотические мембраны (наличие диапазона обусловливается требованиями разных производителей мембран):
Цветность воды до 1–5
мутность до 0,6 мг/л
Жесткость общая, не более 20 мг/л
Общее солесодержание, не более 50 000 мг/л
окисляемость Перманганатная до 3 мгО/л
водородный показатель (рН) 3–10, (иногда 2–11)
нефтепродукты 0,0–0,5 мг/л
сильные окислители (хлор свободный, озон) до 0,1 г/л
марганец общий (Mn) до 0,05 мг/л
железо общее (Fe) до 0,1–0,3 мг/л
кремниесоединения (Si) до 0,5–1,0 мг/л
сероводород Не допускается
индекс SDI до 3–5 ед.
температура воды 5–35 (иногда до 45) °С
давление 0,3–6,0 МПа
температура воздуха в помещении 5–35°С
влажность воздуха в помещении ≤ 70%
Стойкость полимерных материалов, применяемых для производства мембран, в различных средах показана ниже.
В завершение это части предлагаю видео, где показана сборка 6 мембран в один корпус.