2.3.1. Процессы ультрафильтрации и микрофильтрации

Мембранные процессы используют тонкую пленку или пористый материал для сепарации одного вещества от другого. Движущей силой разделения веществмогут быть концентрация, давление, температура, электрические силы. В сооруже­ниях типа мембранный биоректор используются процессы ультра- и микро­фильтрации, которые относятся к более общей группе баромембранных процессов. Для разделения смеси в баромембранных процессах используется градиент давления. Кроме ультрафильтрации (УФ) и микрофильтрации (МФ), к баро-мембранным процессам относятся нанофильтрация (НФ) и обратный осмос (ОО). Граница между процессами микрофильтрации, ультрафильтрации, нанофильтрации и обратного осмоса достаточно условна. В целом каждый из вышеуказанных процессов может быть охарактеризован следующими параметрами (табл. 2.6).

Таблица 2.6 - Основные параметры баромембранных процессов

Параметр І  Ед. изм.  І    МФ    I    УФ    І НФ  I ОО

Средний эффективный размер пор мембраны

мкм

>0,1

0,1-0,01

0,01­0,001

<0,001

Максимальный отсекаемый молекулярный вес

тыс. а.е.м.

>200

1-200

<1

-

Перепад давления при фильтрации

бар

>2

1-10

5-20

15-80

Поток через мембрану     л/м2-час     85-170     40-136    17-85   менее 20

Вещества, задерживаемые мембраной:

- МФ: взвешенные вещества, бактерии, некоторые макромолекулы;

- УФ: перечисленное выше плюс вирусы, макромолекулярные соединения;

- НФ: перечисленное выше плюс низкомолекулярные вещества, двух и более валентные ионы;

- ОО: перечисленное выше плюс одновалентные ионы, жесткость.

Материалы, служащие сырьем для производства мембран, отличаются по своей физической структуре и химическому составу. Тем не менее наиболее фундаментальным свойством, дающим основу для классификации мембран, является механизм, посредством которого достигается разделение веществ. В этой связи выделяют две основных группы мембран:

1. Сплошные - главную роль играют физико-химические взаимодействия между проникающими веществами и мембраной, используются в системах обратного осмоса и, частично, при нанофильтрации.

2. Пористые - главную роль играет механическое разделение, данные мембраны используются в основном в системах ультрафильтрации и микрофильтрации.

Пористые мембраны подразделяются на два основных класса: Асимметричные мембраны. В этих мембранах присутствует градиент изменения размера пор по толщине, т.е.. поры в верхнем слое имеют размер отличный от размера пор в нижнем слое. Кроме того, верхний слой может быть не пористым, или сделанным из другого материала (т.н. композитные мембраны).

Симметричные мембраны. Поры в симметричных мембранах представляют собой:

а) длинные каналы правильной или неправильной формы, прямые или извилистые, круглого или другого сечения;

б) поры расположены равномерно по всему объему (наподобие губки). Основная часть микрофильтрационных мембран имеет асимметричную

структуру с пористым поверхностным слоем.

Мембраны для процессов микро- и ультрафильтрации производят из ацетата целлюлозы и полимеров на ее основе, полиамида, полипропилена, полисульфона, полиакрилонитрила, поливинилдифторида, оксида кремния.

Существует несколько классификаций процессов микро- и ультра­фильтрации:

По направлению движения основных потоков (рис. 2.15): 1. Поперечная фильтрация. При поперечной фильтрации вода промывается через мембранные модули, проходя вдоль мембранных элементов. Благодаря при­ложенному давлению (или вакууму) основная часть воды фильтруется через мембраны. Концентрат, содержащий уловленные мембранами компоненты, отво­дится от мембранных модулей, отделяется от уловленных компонентов и подаетсяв общий поток перед мембранными установками. Отделенные вещества вместе с частью концентрата подаются на дальнейшую обработку.

Преимуществом данной системы являются большая производительность установок и отсутствие грязевого слоя, как при тупиковой фильтрации. К недостат­кам следует отнести большую энергоемкость, необходимость эксплуатации цикла рециркуляции.

2. Тупиковая фильтрация. При тупиковой фильтрации весь объем воды фильтруется через поверхность мембран. Уловленные вещества накапливаются на внешней поверхности, формируя грязевой слой. Этот слой, с одной стороны, является дополнительным фильтрующим слоем для вновь поступающих сточных вод; с другой стороны - грязевой слой резко снижает поток через мембрану и увеличивает ее общее сопротивление. Грязевой слой удаляется путем обратной промывки или другим способом, предусмотренным данной технологической схемой.

вода н/о

,.....,  %       % \    % концентрат

вода н/о \ грязевой       слой '  д> пограничный,/ слой 4 <

мембрана   |    фил^трат    ^        мембран/ | | |

фильтрат

тупиковая фильтрация

поперечная фильтрация

Рис. 2.15 - Тупиковая и поперечная фильтрация

По характеру движущей силы:

1. Давление.

2. Вакуум.