|
Обратный осмос (ОО) и нанофильтрация (НФ) – баромембранные процессы очень близкие по механизму разделения, схеме организации, типам мембран и применяемому оборудованию.
НПК "Медиана-фильтр" представляет современные системы очистки воды и водоподготовки:
Рис. 5.1. Принципиальная схема разделения методом обратного осмоса и основные характеристики процесса
Хотя попытки моделирования обратного осмоса и нанофильтрации предпринимались неоднократно, в настоящее время не существует единой научной теории, которая позволила бы дать объяснение всему многообразию эффектов, наблюдаемых в этих процессах.
Исследования явлений и механизмов переноса в обратном осмосе проводились в течение последних 50-ти лет многими известными зарубежными специалистами, достаточно упомянуть работы: О. Кедема и А. Катчальского (1958), Г. Лонсдейла (1965), К. Шпиглера и О. Кедема (1966), У. Мертена (1966), Т. Шервуда, П. Бриана и Р. Фишера (1967), С. Сурираджана (1970), Ж. Джонссона и К. Боизена (1975), Г. Бургхофа и В. Пуша (1976), Ж. Джонссона (1980), М. Солтанье и В. Жилля (1981), Т. Мацууру и С. Сурираджана (1981), М. Мазида (1984), С. Сурираджа на и Т. Мацууру (1985), В. Пуша (1986), Дж. Диксона (1988), Р. Раутенбаха и Р. Альбрехта (1989), Г. Мехдизади (1990), Б. Барановски (1991 ), Ж. ван ден Берга и К. Смолдерса (1992), Д. Бхаттачарии и М. Вильямса (1992).
Отечественными исследователями – сотрудниками кафедры мембранной технологии РХТУ им. Д.И.Менделеева (МХТИ), МГСУ (МИСИ), МГУИЭ (МИХМ), ВНИИВОДГЕО, НПО «Полимерсинтез» и др. – также предпринимались попытки обобщения мирового опыта и предлагались методы расчета, как теоретических основ процессов мембранного разделения, так и рабочих параметров установок. Они изложены в ряде публикаций [51–56, 58–62, 65–66, 82–84].
Исторически основное расхождение в подходах касалось вопроса о наличии или отсутствии пор в мембране. Если в последнем случае (для непористой среды) механизм переноса основывается только на диффузии, то в первом – на сочетании диффузии с конвективным переносом в поровом пространстве. Соответственно, разработанные до настоящего времени модели подразделяются на следующие основные типы:
- феноменологические модели, основанные на принципах необратимой термодинамики;
- модели, основанные на представлении о мембране как гомогенной среде (раствор-диффузионная, раствор-диффузионная-дефектная и расширенная раствор-диффузионная);
- модели, основанные на представлении о мембране как пористой среде (тонкопористая, избирательная сорбционно-капилярная, формируемых поверхностных пор).
В случае, если поверхность мембран электростатически заряжена (а это характерно для большинства нанофильтрационных мембран, которые обычно заряжены отрицательно), необходимо привлечение модели равновесия Доннана или расширенной модели Нернста-Планка.
После разработки методов получения изображений поверхности нанофильтрационных и обратноосмотических мембран с помощью электронного сканирующего микроскопа окончательно было установлено, что они не имеют пористой структуры в обычном смысле этого слова (рис. 5.2). Таким образом, механизм разделения при обратном осмосе и нанофильтрации принципиально отличается от микро- и ультрафильтрации: отделение растворенных веществ от воды происходит при помощи непористой мембраны.
Поэтому в последнее время на практике наиболее широко используется математическая модель, основанная на принципах необратимой термодинамики.
Как указывалось в главе 2, скорость перехода веществ через мембрану в этой модели зависит от скорости изменения поперек мембраны свободной энергии на одну молекулу (так называемый химпотенциал). Для воды (растворителя) химический потенциал есть [150]:
 ,
где U0( Р,Т ) – химический потенциал чистого растворителя, зависящий от давления Р и абсолютной температуры Т, с = n s / n w – относительная концентрация примеси, а второе приблизительное равенство учитывает почти линейный рост химического потенциала при невысоких давлениях;
v – удельный объем молекулы растворителя.
Таким образом, поток воды через мембрану можно представить в виде:
 (5.1)
где J w – удельный поток растворителя, обычно выражаемый в л/(ч•м 2 );
n w – концентрация растворителя (практически не зависящая от температуры и давления), K w – коэффициент пропорциональности; бm – толщина мембраны; k w – коэффициент проницаемости мембраны (или массопереноса по растворителю), обычно – в л/(ч•м 2 •атм); dP – перепад давления на мембране (трансмембранное давление), обычно – атм; dп – перепад осмотического давления раствора, обычно – атм.
Рис. 5.2 . Снимки поверхности разных нанофильтрационных мембран с применением электронного сканирующего микроскопа, опубликованные компанией « Hydranautics » [96]
Хотя механизм переноса воды по природе своей является диффузионным, приведенная форма позволяет упрощенно говорить о «продавливании» воды под действием превышения трансмембранного давления над осмотическим.
Для растворенного вещества (примеси) химический потенциал есть [150]:
 .
Здесь ? – независящий от концентрации вклад в химический потенциал, связанный с энергий, на которую меняется термодинамический потенциал воды при внесении в нее одной молекулы примеси, а второе приблизительное равенство учитывает пренебрежимо слабую зависимость этой величины от давления.
Поток примесей через мембрану можно представить в виде:
 , (5.2)
где J s – поток растворенного вещества, обычно выражаемый в мг/(ч•м 2 ),
k s – коэффициент массопереноса растворенного вещества, обычно –
в л/(ч•м 2 ), dCs – перепад массовой концентрации растворенного вещества (трансмембранная разность концентраций), обычно – мг/л.
Таким образом, для растворенного вещества закон переноса аналогичен закону Фика.
Значения давления, концентрации и площади рабочей поверхности мембраны (или мембранного элемента) достаточно просто поддаются прямому измерению или известны из технологических требований.
В результате задача расчета материального баланса процесса разделения сводится к необходимости определения для конкретных условий коэффициентов массопередачи, входящих в уравнения (5.1) и (5.2).
В англоязычной литературе нередко вместо коэффициентов массопереноса оперируют терминами « А- value » для растворителя и « B - value » для растворенного вещества.
Их величина в зависимости от параметров процесса определяется молекулярной структурой мембраны и плохо поддается теоретическому описанию. Поэтому применяется феноменологический подход и соответствующие величины определяются экспериментально. Эмпирические зависимости обеспечивают приемлемую точность при выполнении технологических расчетов установок обратного осмоса и нанофильтрации (для нанофильтрации с элементами на базе пиперазина существующие модели недостаточно надежны и более достоверных результатов можно достичь путем пилотных испытаний).
Недостатком данной модели следует признать представление о мембране как о «черном ящике». Соответственно, рассматриваемая модель не позволяет делать выводы о влиянии характеристик самой мембраны на процесс разделения или предсказывать результаты, опираясь на физико-химические свойства мембраны и обрабатываемых сред, т.е. прогнозировать всю гамму показателей работы установок обратного осмоса и нанофильтрации теоретически, полностью отказавшись от проведения экспериментов. |
Лабораторные установки
Засыпные фильтры 
Промышленные системы
Мобильные системы 
