Purificarea apei prin hiperfiltrare
Procesele de separare a sistemelor lichide joacă un rol important în multe ramuri ale economiei naționale. Pentru a efectua aceste procese au folosit mult timp o varietate de moduri :. Distilare și rectificare, absorbție, adsorbție, extracție, etc. Cu toate acestea, natura peste milioane de ani de evoluție a organismelor vii dezvoltat metoda de separare cel mai versatil și perfectă folosind membrane semi-permeabile. Într-adevăr, membranele biologice asigură un transfer direct al substanțelor necesare organismului din mediul extern către celulă și invers. Fără membrane ar fi fost imposibilă respirația, sânge, sinteza proteinelor, digestia, eliminarea deșeurilor și alte procese.
Oamenii de știință au căutat mult timp să învețe și să profite de beneficiile oamenilor o proprietate remarcabilă a membranelor semipermeabile - de a transmite anumite substanțe și de a le reține pe alții. Cu toate acestea, ideea de a folosi membrane pentru scopuri industriale a devenit reală abia în ultimii ani, în legătură cu dezvoltarea cunoștințelor noastre despre natura și structura substanțelor cu noi realizări în diferite domenii ale științei, precum și în producția de materiale polimerice sintetice.
Principalele metode de membrană de separare a sistemelor lichide includ: osmoză inversă, nanofiltrare, ultrafiltrare, microfiltrare, macrofiltrare. În oricare dintre aceste procese, soluția care urmează să fie separată este adusă în contact cu membrana semipermeabilă de pe o parte a acesteia. Datorită proprietăților speciale ale membranelor semipermeabile, amestecul trecut prin ele este îmbogățit cu unul dintre componente. Într-o serie de cazuri, procesul este atât de complet încât produsul practic nu conține impurități ținute de membrană. Pe de altă parte, aplicarea unei anumite metode de separare prin membrană poate fi obținută în soluție înaintea componentei sau componentelor membranei substanțial fără impurități ale materialului care trece prin membrană. Domeniile de aplicare a metodelor membranare pentru separarea sistemelor lichide sunt prezentate în Figura 1.
Împreună cu alte metode de separare a sistemelor lichide, osmoza inversă a devenit larg răspândită în industrie și în practica de laborator.
Hiperfiltrarea este tehnologia cea mai avansată până în prezent, care este utilizată pentru purificarea apei la nivel molecular fără reactivi chimici. Deoarece osmoza inversa - este un proces natural, împrumutat din natură, în care apa sub presiune se scurge prin porii membranei semipermeabile permeabilă numai la molecule de apă și oxigen. Diametrul porilor membranei este de 0,0009 microni. Prin urmare, sistemul bazat pe principiul osmozei inverse, au cel mai înalt grad de tratare a apei - 95 # 63; 99% dintre toți indicatorii.
Fig.2. Funcționarea membranei cu osmoză inversă
Această metodă de purificare se bazează pe utilizarea transferului osmotic al moleculelor printr-o membrană semipermeabilă. O astfel de membrană este permeabilă la moleculele de apă, dar nu transmite ionii și moleculele de substanțe dizolvate. Osmoza este un fenomen care, cu concentrații inegale ale soluției din diferite părți ale membranei semipermeabile a moleculelor de apă se va difuza prin ea din soluție cu o concentrație mai mică în soluție cu o concentrație mai mare (Fig. 3a). Amploarea presiunii osmotice care rezultă din diferența de concentrație depinde de soluții de ambele părți ale membranei: mai mare este, mai mare presiunea osmotică. Presiunea la care stabilește echilibrul (Figura 3, b) se numește osmotică. Când diferența în concentrațiile soluțiilor ce corespund conținutului de apă de mare (35 g / kg) și distilat (10 mg / kg), presiunea osmotică este de 24 x 10 2 kPa. Procesul invers - difuzia moleculelor de apă prin membrană în soluție cu concentrație mai mică poate fi efectuată prin alimentarea soluției concentrate la membrana sub o presiune mai mare decât osmotic (a se vedea figura 3 in.).
Transferul de molecule de apă printr-o membrană semipermeabilă, dintr-o soluție cu o concentrație mai mare într-o soluție cu o concentrație mai mică sub acțiunea presiunii externe depășește presiunea osmotică, numita osmoza inversa sau hyperfiltration.
Forța motrice a procesului de osmoză inversă în cazul unei membrane ideale semipermeabile poate fi determinată după cum urmează [1] pagina 15:
unde P este presiunea excesivă (de lucru) asupra soluției inițiale; p1 este presiunea osmotică a soluției.
Figura 3. Condiții pentru osmoză inversă [1] p.15
Există o serie de ipoteze pentru descrierea proceselor de transport în membrane:
- Teoria difuziei: se presupune că atât moleculele de apă cât și ionii de sare difuzează prin membrană, dar coeficientul de difuzie al ionilor este mult mai mic.
- Capillary Teorie: apa trece prin membrana atat prin sistemul capilar și este în interiorul capilarului într-o stare legată, datorită formării de legături de hidrogen cu atomi de suprafață; Mișcarea apei este însoțită de întreruperea unor legături și formarea de noi. Deoarece ionii nu formează legături de hidrogen, pentru ei o astfel de metodă de trecere a capilarului este imposibilă.
- Pentru membranele hidrofile (a căror suprafață este bine umezit cu apă) prin adsorbție pe pereții porilor apare stratul de apă pură, iar dacă diametrul porilor este mai mică decât dublul grosimii stratului, ionii de compuși dizolvați nu pot trece prin aceasta.
- Datorită structurării apei în pori subțiri, puterea de dizolvare este redusă și, așa cum este, particulele substanței dizolvate sunt evacuate din pori.
Cel mai convingător este că porii acestei membrane sunt permeabili numai la moleculele de apă. Ioniții de hidratare, care sunt de dimensiuni mari, nu pot trece prin porii membranei. Forța motrice din spatele procesului de osmoză inversă este diferența dintre presiunile de lucru externe aplicate și cele osmotice. Este clar că, pe măsură ce conținutul de sare al apei inițiale crește, transferul invers al moleculelor de apă prin membrană scade ca urmare a creșterii presiunii osmotice. Scăderi și efectul desalinizarea, deoarece prin creșterea concentrației soluției scade gradul de hidratare a ionilor, dimensiunile lor sunt proporționale cu mărimea porilor membranei semipermeabile.
Definirea caracteristicilor membranelor semipermeabile este selectivitatea, permeabilitatea la apă, stabilitatea indicatorilor în timp. Selectivitatea membranelor S caracterizează gradul de retenție a componentelor dizolvate și se calculează prin formula [3] p.93:
unde, Sysh - concentrația sărurilor dizolvate în apa desalinizată;
Sost - concentrația reziduală de săruri în apa desalinizată.
Selectivitatea membranelor depinde de conținutul de sare al sursei de apă. În intervalul de concentrații ale soluției de la 0,5 la 10 g / l, selectivitatea variază nesemnificativ.
Permeabilitatea la apă este determinată de viteza de filtrare a apei desalinizate printr-o zonă unitară a membranei. Selectivitatea membranelor crește odată cu scăderea permeabilității la apă. Pentru membranele de înaltă calitate, selectivitatea atinge 98%.
Un indicator important al calității membranelor este stabilitatea muncii lor în timp. De obicei, durata de viață a membranelor este determinată de câteva luni și depinde de mulți factori (concentrația, compoziția de sare a apei desalinizate, modul de funcționare al instalației). Cu o durată de viață a membranei de peste 9 luni, costul apei de desalinizare nu este aproape afectat de costul membranelor.
Pentru desalinizarea apei prin metoda de hiperfiltrare se utilizează membrane din acetat-celuloză. Ele pot fi realizate sub forma unui film, a unui tub, a fibrelor goale subțiri. Gradul de retenție a diferitelor componente ale apei tratate cu membrane de acetat de celuloză nu este același:
Membranele de acetilceluloză sunt foarte selective pentru ionii polivalenți. Într-un mediu alcalin, ele sunt supuse hidrolizei și, prin urmare, sunt mai puțin stabile. Valorile optime ale pH-ului, la care efectul hidrolizei sunt afectate minim, este de 4,0-5,0.
Eficiența desalinizării prin hiperfiltrare este redusă dacă apa inițială conține ioni care promovează formarea de precipitate insolubile pe membrane. Metoda de hiperfiltrare poate fi aplicată nu numai pentru desalinizarea apelor naturale, ci și pentru tratarea apei în sistemele de alimentare cu apă circulantă, pentru purificarea apelor reziduale industriale.