Витяг розчинених речовин з води може проводитися мембранними методами. Рівень знесолення води визначається селективністю застосовуваних мембран.
Досягти часткового знесолення води можна при використанні мембранних нанофільтраційних фільтрів. видаливши солі жорсткості разом з двозарядний аніонами і частково - однозарядні катіони натрію і калію і аніони хлору. Більш глибоке знесолення забезпечує низьконапірний зворотний осмос. Максимальна селективність за всіма компонентами забезпечується мембранами зворотного осмосу. працюючими при високому тиску. Сумарна ступінь знесолення залежить від катіонного і аніонного складу води і орієнтовно становить: для нанофільтрації - 50-70%, для низьконапірного зворотного осмосу - 80-95%, для високонапірного зворотного осмосу - 98-99%.
При порівнянні різних типів мембранних фільтрів зворотного осмосу показано, що найбільшу поверхню фільтрації в одиниці об'єму мають апарати з рулонними елементами ГО на порожніх волокнах. Ці ж обратноосмотические апарати мають мінімальну матеріаломісткість і займають мінімальну площу. Прогрес у розвитку мембранних технологій і в розробці плоских мембран, створення найширшої їх номенклатури за матеріалами і ступеня поділу, а також рулонних елементів на їх основі, привів до того, що для процесів зворотного осмосу більш ніж на 90% використовуються апарати з рулонними зворотноосмотичними елементами. Що залишився ринок ділять сучасні апарати з плоскими мембранними елементами зворотного осмосу типу «Rochem» і апарати водопідготовки на порожніх волокнах.
Як зазначалося вище, зазвичай обратноосмотические установки водопідготовки будуються за схемою послідовного включення блоків модулів по концентрату, що збільшує конверсію, т. Е. Відносний вихід пермеата. При необхідності отримання більш глибокого очищення пермеата, його пропускають через другий послідовно включений блок модулів. При цьому концентрат другого блоку виявляється менш засолених, ніж живить вода, і тому його подають на вхід зворотноосмотичної установки (див. Рис.). Слід зазначити, що при зниженні вмісту солі селективність обратноосмотічеськіх мембран падає, і ступінь знесолення на другому блоці виявляється нижче, ніж на першому. Домогтися отримання надчистої води методом зворотного осмосу практично неможливо.
Для забезпечення нормальної експлуатації обратноосмотічесіх і нанофільтраційних установок водопідготовки необхідно, щоб вода, яка надходить на мембрани, відповідала певним нормам. Крім того, необхідно забезпечувати подачу вихідної води і відведення концентрату в заданих для даного розміру мембран межах.
Мембранний фільтр зворотного осмосу з двома ступенями знесолення води:
1 - мембранні елементи першого ступеня; 2 - другого ступеня
Подається на мембрани зворотного осмосу вода повинна містити.
- менше 1 NTU зважених речовин (1 NTU = 0,56 мг / л);
- менше 4 SDI колоїдних забруднень (приблизно, менше 2-3 мг О2 / л);
- вільного хлору менше 0,1 мг / л для композиційних поліамідних мембран і менш 0,6-1,0 мг / л для ацетатцелюлозних мембран;
- малорозчинні солі (заліза, кальцію, магнію, стронцію) у концентраціях, що не викликають їх відкладення на обратноосмотічеськіх мембранах;
- мікробіологічні забруднення повинні бути відсутніми;
- температура води, що подається не повинна перевищувати 35-45 ° С;
- рН вихідної води повинен знаходитися в межах 3,5-7,2 для ацетатцелюлозних мембран і 2,5-11,0 - для поліамідних мембран.
Для забезпечення зазначених вимог необхідно забезпечити очистку води перед її подачею на мембранну установку зворотного осмосу. Вона включа ет в себе вузли: механічної фільтрації - знезалізнення води. дехлорування води, пом'якшення води або дозування інгібітору, знезараження води ультрафіолетом. Видно, що схема такої передпідготовки не відрізняється від схем приготування води для багатьох технологічних процесів. Отже, при наявності на підприємстві системи водопідготовки, що забезпечує задані параметри, можна використовувати її воду для харчування мембранної установки зворотного осмосу або нанофільтрації.
Зважені речовини можуть відкладатися на поверхні мембран зворотного осмосу і нанофільтрації, тому встановлені такі високі вимоги щодо їх утримання в живильної води. Однак в будь-якому випадку невід'ємним елементом будь-якої мембранної зворотноосмотичної установки є наявність на її вході картриджного мікрофільтра з патронами, що мають пори 5 і менше мкм. Продуктивність такого фільтра повинна з запасом забезпечувати витрата живильної обратноосмотічеській фільтр води. Такий фільтр гарантує збереження мембран зворотного осмосу при порушенні роботи системи передпідготовки води.
Колоїди також можуть блокувати поверхню обратноосмотічеськіх і нанофільтраційних мембран. SDI (Silt Density Index) - це позначення, прийняте стандартом ASME Committee як показник ступеня забруднення води механічними і колоїдними домішками і її придатності для подачі в мембранний фільтр зворотного осмосу. При визначенні SDI проводиться моделювання процесів осадкообразованія на зворотноосмотичної мембрані з використанням мікрофільтрації води. Цей параметр дає уявлення про швидкість росту гідравлічного опору осаду, що утворюється на зворотноосмотичної мембрані при її роботі.
При перевищенні рекомендованих значень SDI проводиться промивка механічного фільтра або заміна картриджів попереднього очищення води.
Сильні окислювачі - активний хлор, озон і ін. - здатні руйнувати структуру розділового і підтримуючих шарів зворотноосмотичної мембрани. Це призводить до необоротного зниження її селективності і міцності. Видалення вільного хлору з води проводиться дехлорировании на фільтрі з активованим вугіллям насипного або картриджного типу. Можливо введення в воду сильного відновника, наприклад, метабісульфіту натрію. Останнє складніше в організації дозування реагенту і небажано для харчових виробництв через можливість зміни органолептичних показників води.
Найбільш ефективний спосіб запобігання утворенню опадів солей жорсткості на нанофільтраційних і обратноосмотічеськіх мембранах - харчування мембранного фільтру пом'якшеної водою. Однак це і найдорожчий спосіб.
Широко застосовується підкислення живильної води. Доза кислоти, зазвичай соляної, підбирається з таким розрахунком, щоб індекс Ланжельє, що характеризує ступінь насиченості розчину карбонатом кальцію, був негативним навіть в концентраті установки зворотного осмосу. Залежно від складу вихідної води кількість дозируемой кислоти може змінюватися від 5 до 200 мг / л. Кількість введеної кислоти не повинно зменшити рН вихідної води нижче допустимого рівня для застосовуваних мембран. Підкислення призводить до зниження рН як вихідної води, так і пермеата. Для багатьох процесів висока кислотність знесоленої води є перешкодою до її використання.
Дозування інгібіторів вимагає істотно меншої кількості реагентів - 4-10 мг / л. Інгібітори уповільнюють або запобігають кристалізацію малорозчинних солей з розчину. Як інгібітори застосовують комплексні сполуки високомолекулярних органічних кислот, наприклад, фосфонових. В процесі мембранного поділу комплекс повністю затримується зворотноосмотичної або нанофільтраціонние мембраною і виводиться з концентратом.
Застосування інгібіторів не є панацеєю. Вони мають обмежену сферу застосування по концентрації малорозчинних солей. Так, їх не рекомендується застосовувати при вмісті заліза у воді більше 1 мг / л, SiO2 - більше 150 мг / л, CaSO4 - більше 8 г / л і т. П.
Слід врахувати, що при підвищенні концентрації малорозчинних солей необхідно збільшувати дозу інгібітору, що істотно знижує економічну доцільність його застосування.
Імпортні інгібітори зазвичай забезпечуються рекомендаціями щодо їх дозування в залежності від складу води. Вітчизняний препарат Аминат-К, на жаль, не забезпечується такими вказівками.
Оскільки відпрацьований інгібітор скидається разом з концентратом, важлива і його токсичність. Аминат-К має ГДК для вод господарсько-побутового призначення 4,0 мг / л, а для рибогосподарських водойм - 0,1 мг / л. Для імпортних інгібіторів з невідомим складом таких даних немає. Цей аспект їх застосування також необхідно враховувати.
ГНУ ВНДІ харчової біотехнології для використання води, очищеної методом зворотного осмосу, в процесах виробництва харчових продуктів, наприклад, соків, горілки і т. П. Рекомендує використовувати в якості попереднього очищення тільки пом'якшення води. Це об'єк ясняется побоюванням можливості попадання в очищену воду слідів комплексона, які можуть погіршити органолептичні показники води. Слід також враховувати, що для багатьох харчових процесів необхідна вода з певним сольовим складом, який отримують шляхом змішування в необхідному співвідношенні вод, очищених на мембранних фільтрах зм'якшення і зворотного осмосу.
Важливим аспектом при замовленні і розробці мембранних установок зворотного осмосу є облік температури живильної води. Всі показники мембран даються для температури 25 ° С. В реальних умовах температура, як правило, істотно нижче. Залежність продуктивності від температури для мембран типу Desal фірми Osmonics показана в таблиці.
Коефіцієнт температурної корекції
Відповідно при розрахунку установки водопідготовки необхідно встановлювати таку кількість обратноосмотічеськіх елементів, яке забезпечить задану продуктивність при зниженні температури. Причому кількість мембранних елементів може вимагатися майже в 2 рази більше, ніж при стандартній температурі.
Система промислового зворотного осмосу і ультрафільтрації води на ТЕЦ № 2 м Ростов-на-Дону
Це істотно підвищує вартість мембранного фільтру зворотного осмосу. У ряді випадків, при наявності дешевого тепла, вигідніше виробляти попередній підігрів живильної води.
Оскільки в морській воді у великих кількостях присутні різні мікроорганізми і органічні сполуки, а також суспензії, попередня підготовка води перед мембранної установкою зворотного осмосу требу ється значно складніша. Поряд зі сходами механічної фільтрації води вона включає вузли руйнування і видалення органіки і інактивації біологічних об'єктів за допомогою окислення, наприклад, озонуванням.
Новим напрямком в організації передпідготовки води перед зворотним осмосом і Нанофільтрація є використання ультрафільтрації води. Вона дозволяє повністю виключити потрапляння на нанофільтраціонние і обратноосмотические мембрани суспензій, великих органічних і мікробіологічних забруднень. Це істотно покращує роботу установок зворотного осмосу і продовжує межрегенерационного період. Як зазначено вище, нові способи реалі зації ультрафільтраційного очищення води на мембранах, з регенерації їй зворотним струмом, істотно знизили витрати і обсяг відходів.
Параметри роботи мембранного фільтру зворотного осмосу повинні знаходитися в певних межах. Змінюючи в цих межах тиск і температуру вихідного розчину, витрата пермеата і концентрату, можна коригувати якість очищеної води. Збільшення тиску призводить до зростання потоку пермеата і за рахунок деякого ущільнення мембран - до підвищення селективності і, відповідно, до зниження проскока солей. Зростання температури знижує в'язкість води і підвищує рухливість іонів солей, що призводить до зростання як продуктивності мембранної установки нанофильтрації або зворотного осмосу, так і проскока солей. Підвищення концентрації солей в живильної води, при незмінних її витраті і ступеня конверсії призводить, за рахунок підвищення концентраційної поляризації на поверхні мембрани, до зниження продуктивності і до закономірного підвищення проскока солей в пермеат.
При збільшенні ступеня конверсії витрата пермеата зменшується, проскок солей збільшується.
Відмивання і санітарна обробка мембран зворотного осмосу і нанофільтрації
При роботі мембранних установок нанофільтрації і зворотного осмосу відбувається поступове зниження їх продуктивності. Воно обумовлюється забрудненням мембран утворилися на поверхні відкладеннями малорозчинних солей і мікрочастинок суспензій, які пройшли через фільтри попереднього очищення води, а також утворенням біоплівки. Випадання опадів відбувається особливо інтенсивно при порушенні розрахункового режиму експлуатації мембранної установки або системи очистки.
Для запобігання відкладення кристалічних забруднень і видалення колоїдної плівки з поверхні обратноосмотічеськіх або нанофільтраційних мембран необхідно проводити профілактичні регенераційні промивання. Технологія промивання мембран адаптованими миючими інгредієнтами дозволяє повністю відновити продуктивність установки зворотного осмосу. Регенераційні промивання проводяться за такими ознаками:
- зниження продуктивності мембранного фільтру на 10-15% з урахуванням температурної корекції при постійному тиску;
- збільшення опору мембранного блоку на 10-15% при підтримці незмінною продуктивності;
- при зниженні селективності обратноосмотічеськіх або нанофільтраційних мембран на 10-15%;
- закінченню певного часового періоду експлуатації установки зворотного осмосу, який визначається дослідним шляхом.
Широко застосовуються поліамідні композиційні обратноосмотические мембрани стійкі при рН 2-12, що дозволяє виробляти їх відмивання як кислотними, так і лужними композиціями. Їх застосовність визначається характером забруднень, властивих для конкретної установки з певними типом мембран, і параметрами живильної води. Кислотні рецептури використовуються для видалення з мембран неорганічних опадів, таких як карбонати і сульфати кальцію і магнію, гідроксиду заліза і алюмінію. Лужні рецептури призначені в основному для видалення органічних забруднень обратноосмотічеськіх мембран, що містять біологічні і глинисті речовини, сполуки кремнію, гумінових і фульвокислот. Основними компонентами рецептур є неорганічні (соляна, фосфорна) і органічні (лимонна, щавлева) кислоти, луги, органічні та неорганічні комплексообразователи, а в деяких випадках окислювачі і відновники. Їх концентрація вибирається такий, щоб рН миючого розчину не виходив за межі стійкості мембран зворотного осмосу або нанофільтрації.
Як правило, цикл регенерації мембрани складається з декількох операцій, що включають: циркуляційну промивку регенераційних розчинів і відмивання установки від залишків розчину.
Обратноосмотичні і нанофільтраціонние мембрани є абсолютно непроникними для будь-яких мікроорганізмів. Тому вода після обробки на таких установках, при їх правильному конструюванні і експлуатації, є стерильною. З іншого боку, велика поверхня мембран, над якою концентруються мікроорганізми, органічні забруднення і солі, є ідеальним місцем для їх розмноження, особливо при наявності на поверхні мембран мікрошарів осаду. Розмножуючись, мікроорганізми (мікрофлора) блокують поверхню мембрани зворотного осмосу або нанофільтрації, погіршуючи її продуктивність, і можуть пошкоджувати розділовий шар, знижуючи селективність. Особливо це характерно для ацетатцелюлозних мембран.
Для запобігання біоуражень мембранних установок зворотного осмосу і нанофільтрації необ ходимо забезпечувати біологічну чистоту всього тракту предочистки води - механічних і іонообмінних фільтрів, буферних ємностей. Особливо інтенсивне обсіменіння устаткування відбувається при роботі з тривалими зупинками. Помічено, що при перерві в роботі в кілька діб, все фільтри установок водопідготовки для виробництва соків і горілки виявлялися всіяні. Для дезінфекції було необхідне проведення комплексу заходів, що включають регенерацію і обробку дезінфікуючими складами.
Видалення утворилася біоплівки проводиться шляхом санітарної обробки зворотноосмотичної або нанофільтраціонние установки. Для дезінфекції можуть використовуватися окислювачі - перекис водню і надуксусная кислота - і неоокіслітелі - формальдегід, глютеральдегід, четвертинні амонієві підстави, а також мідний купорос. Через високу токсичність використовуваних речовин необхідна ретельна відмивання мембранного фільтру після санітізаціі. Санітізація може бути поєднана з регенераційної промиванням від опадів.
Здійснюючи регулярні регенераційні промивання мембран фільтрів зворотного осмосу і нанофільтрації. вдається підтримувати паспортну продуктивність і селективність мембранних установок протягом 3 і більше років.