Мембранные технологии в питьевом и промышленном водоснабжении и водоотведении находят столь широкое внедрение, что даже простое перечисление областей их применения заняло бы целую страницу, и проще сказать, где они не используются. Очевидно, не все мембраны «одинаково полезны», что доказывает опыт их эксплуатации в различных схемах и условиях. Этим постом открывается небольшой цикл, посвященный наиболее востребованным на практике мембранным методам очистки воды – ультрафильтрации и обратному осмосу.
В самом общем определении мембрана – это тонкая (в отличие от фильтров объемного фильтрования) полупроницаемая перегородка, через которую осуществляется массоперенос под действием различных движущих сил. Применительно к ультрафильтрации или обратному осмосу движущей силой является разница давлений, а через мембрану переносится очищаемая вода, содержащая те или иные примеси. Такие процессы называют баромембранными, и к ним относят микрофильтрацию, ультрафильтрацию, нанофильтрацию и обратный осмос.
Эти процессы отличаются размером пор мембраны и своими возможностями по задержанию тех или иных примесей. Для наглядного понимания различий между этими процессами и представления их способностей по очистке воды часто приводят иллюстрации, подобные приведенной ниже. Строго говоря, селективные свойства мембран не определяются только размером их пор, и если для микро- и ультрафильтрации можно упрощенно принять ситовый механизм разделения, то для обратного осмоса и нанофильтрации он более сложный и включает диффузию растворителя (воды) и растворенных веществ через материал мембраны и ее поры.
На этом рисунке показаны размеры пор мембран и рабочие давления. Очевидно, что чем меньше размер пор, тем больше гидравлическое сопротивление мембраны и тем более высокое давление необходимо прикладывать для достижения приемлемого потока через мембрану. Производительность типичных мембран составляет примерно от 10 до 100 литров в час на 1 квадратный метр ее поверхности и почти линейно зависит от приложенного давления.
И хотя ультрафильтрационная мембрана может производить очищенную воду при давлении от 0,05-0,1 атм, а обратноосмотическая – при давлении от 1,5-2 атм, их производительность при этом будет слишком низкая. В реальных условиях эксплуатации расход на 1 м2 порядка 30-60 л/ч является наиболее экономически выгодным, и для его обеспечения как раз и нужно прикладывать приведенное на рисунке давление. Вдобавок при опреснении солоноватой и соленой воды необходимо преодолевать еще и осмотическое давление раствора, которое повышается с его концентрированием. Например, осмотическое давление морской воды достигает 25 атм.
Подавляющее большинство мембран представляют собой многослойную конструкцию – на крупнопористом прочном основании лежит более тонкий и мелкопористый слой, который в свою очередь покрыт тончайшей пленкой с порами нужного размера. Все это сделано для того, чтобы, с одной стороны, обеспечить прочность мембраны, которая должна выдерживать высокие давления, а, с другой стороны, – сделать как можно тоньше селективный слой, который вносит основной вклад в гидравлическое сопротивление, и повысить тем самым производительность мембраны. Если тонкий селективный слой и подложка представляют одно целое, мембраны называются асимметричными, а если изготавливаются по отдельности – то композитными. Существуют также и симметричные мембраны с порами одного размера по всей толщине, обычно их используют для микро- и ультрафильтрации.
В качестве материала для изготовления мембран в основном используются полимерные вещества: ацетат целлюлозы, полисульфон, полиамид, полиимид, поливинилиденфторид, полиакрилонитрил и их производные. Полимерным мембранам могут придаваться разнообразные свойства путем изменения поверхностного заряда мембраны, ее гидрофобности или гидрофильности, прививания различных функциональных групп на ее поверхность и т. п. Такие технологические приемы позволяют управлять селективными характеристиками мембран и их устойчивостью к загрязнению различными веществами.
Также производятся неорганические мембраны из оксидов кремния, алюминия, титана, циркония, некоторых металлов, но их доля в общем рынке невелика. Наиболее распространены керамические мембраны, они характеризуются долговечностью, высокой физической, химической и бактериальной стойкостью, что позволяет им работать в самых жестких условиях. Их применение ограничено нижним пределом размеров пор – около 0,05-0,1 мкм и невысокой плотностью упаковки в мембранных модулях.
Большинство современных полимерных мембран устойчивы к воздействию микроорганизмов и химических соединений в широком диапазоне рH от 2 до 11 (некоторые мембраны допускают при химической промывке изменение величины рН в пределах от 1 до 14), обладают высокой селективностью и производительностью, но не допускают воздействия сильных окислителей: свободного хлора, озона, пероксида водорода.
Свойства мембран незначительно ухудшаются в течение всего срока службы, который составляет пять и более лет. Старение мембран может происходить из-за повреждения тонкого верхнего слоя при взаимодействии с взвешенными и абразивными веществами, содержащимися в обрабатываемой воде, или при воздействии агрессивных химических веществ. Предельные рабочие температуры составляют 40-45°С, иногда допускается кратковременное повышение до 50°С.
Мембраны изготавливаются в виде плоских листов или в виде трубок (капилляров) различного диаметра. Затем из них формируют мембранные элементы и аппараты разнообразных конфигураций, о чем будет рассказано в следующем посте.