Осадкообразование на мембранах

Отечественный и зарубежный опыт показал, что на продолжительность и надёжность работы мембран большое влияние оказывает процесс осадкообразования. Образующийся слой осадка, который, как правило, является соленепроницаемым, забивает поверхностные поры мембраны, создаёт дополнительное сопротивление потоку и массопередаче в граничном слое, в результате чего снижается их производительность.

Химический состав осадков, образующихся при опреснении и очистке вод различного типа, весьма разнообразен. На процессы обратного осмоса отрицательное влияние оказывает образование в аппаратах отложений малорастворимых солей кальция, гидроксидов железа и марганца, а также взвешенных веществ и высокомолекулярных соединений.

Скорость образования сульфатных и карбонатных отложений зависит от содержания в исходной воде солей, жёсткости и от величины рН. Чем выше эти значения, тем быстрее происходит образование осадка. Карбонатные отложения образуют плотную, прочно скреплённую с поверхностью мембраны плёнку; для сульфатных отложений характерны рыхлость структуры и неравномерность распределения.

Осадок гидроксида железа также снижает эффективность работы полупроницаемых мембран, приводит к резкому снижению их производительности. Полупроницаемые мембраны, с помощью которых осуществляется процесс разделения водных растворов, являются основной частью любого обратно осмотического аппарата и в значительной мере определяют не только технологические показатели процесса, но и технические и эксплуатационные характеристики аппаратов. Существует большое число разнообразных мембран, применяемых на практике.

Полупроницаемые мембраны изготовляют из различных полимерных материалов, пористого стекла, графитов, металлической фольги и др. От материала мембраны зависят ее свойства (химическая стойкость, прочность), а также в значительной степени ее структура.

Полимерные мембраны. Полимерные мембраны могут быть пористыми и непористыми (понятие "непористые мембраны" условно, поскольку они могут иметь поры размером 0,5-1 мм).

По типам структур мембраны могут быть симметричными и асимметричными. Будучи тонкой, мембрана должна обеспечивать высокую механическую прочность относительно деформаций в широком диапазоне температур. В связи с этим, были разработаны асимметричные мембраны. В асимметричных мембранах микропористый слой (99,5 % толщины мембраны) является лишь подложкой для селективного непористого рабочего слоя, не создающего сопротивления переносу.

Классическая асимметричная гомогенная мембрана получается из одного вещества. Однако создание достаточно тонких рабочих слоёв мембраны сопряжено с большими трудностями. Наличие даже небольшого количества дефектов в слое в виде сквозных пор через селективный слой асимметричной гомогенной мембраны заметно снижает селективность из-за проскока нежелательных компонентов. Решение этой проблемы привело к созданию мембран композитного типа, состоящих из слоёв различных веществ. Для уплотнения дефектов на асимметричную мембрану наносится тонкий слой высокопроницаемого, но практически неселективного материала, который перекрывает сквозные поры в селективном слое, практически не влияя на её проницаемость.

Практика показывает, что композитные материалы мембран меньше подвержены деформации под давлением. Для создания асимметричного селективного слоя используются полимеры с уникальными свойствами, так как из-за малой толщины селективных плёнок стоимость даже очень дорогих полимеров не является существенным препятствием. Создание асимметричных мембран является основным направлением в мембранной технологии.

Жидкие мембраны. Под жидкими мембранами понимают мембраны с жидкостью, находящейся внутри пор микропористой подложки. Если мембрана смачивается жидкостью, то последняя может удерживаться в порах за счет капиллярных сил. Давление, необходимое для вытеснения жидкости из пор, называется капиллярным давлением и изменяется обратно пропорционально диаметру пор, поэтому при достаточно малых порах жидкость удерживается на подложке при разнице давлений под и над мембраной в несколько атмосфер.

Керамические мембраны. В последние годы успешно развивается направление с использованием керамических мембран. Полученные мембраны (одно-, семи- и девятнадцатиканальные) состоят из подложки на основе оксидов алюминия (с размерами пор 10–15 мкм и общей пористостью приблизительно 45 %) и селективного слоя. Преимущества керамических мембран: высокая рабочая температура – 1000 ⁰С и выше, высокая механическая прочность и долговечность, стойкость к химически агрессивным средам, удобство регенерации мембран.

Метод обратного осмоса с успехом применяется для очистки сточных вод предприятий целлюлозно-бумажной промышленности, для извлечения ионов тяжёлых металлов, эффективной очистки фенолсодержащих промстоков (с концентрацией фенола до 2 г/л) и т.д.