Баромембранные процессы и спектр фильтрации

На рисунке ниже схематично показаны различные типы фильтрации и диапазон задерживаемых частиц.


Спектр фильтрации


Микрофильтрация воды— очистка воды на уровне крупных молекул (макромолекул), таких как частицы асбеста, краска, угольная пыль, цисты простейших, бактерии, ржавчина, песок, крупные частицы ила и т.д.

Микрофильтрация — это мембранная технология очистки воды, которая происходит на мембранах-ситах с диаметром ячеек-пор 0,1-1 микрон. То есть, на таких мембранах удаляются все вещества, которые больше 0,5-1 мкм.


Ультрафильтрация для обеззараживания воды— это относительно новый способ, который набирает всё большую популярность в сфере борьбы с микроорганизмами. Эффективный и комплексный метод обеззараживания воды, но на самом деле известен уже давно. Просто другой способ — реагентное обеззараживание воды являются более старым, но и менее совершенными — с некоторых точек зрения.


Нанофильтрация воды отличается от ультрафильтрации тем, что отверстия-поры в мембране нанофильтрации меньше в 10-50 раз, чем в мембране ультрафильтрации. Давление, требуемое для хорошей нанофильтрации выше в 2-3 раза (минимум 8 атм.), чем для ультрафильтрации (не говоря уже о микрофильтрации). Примерный спектр размеров удаляемых частиц можно узнать из таблицы.


Явление осмоса было открыто при изучении процесса обмена веществ на клеточном уровне у живых организмах, что обеспечивает им поступление питательных веществ внутрь клеток.


Осмос - по разные стороны мембраны находятся солесодержащие растворы с разной концентрацией (в организме это стенка живой клетки). Молекулы воды при таких условиях всегда будут перемещаться через мембрану из слабо концентрированного раствора в более концентрированный, вызывая в последнем повышение уровня жидкости, при этом оба раствора находятся под одинаковым внешним давлением.


Разница в высоте уровней двух растворов разной концентрации пропорциональна силе, под действием которой вода проходит через мембрану. Эта сила называется "осмотическим давлением".


Обратный осмос будет наблюдаться, когда на раствор с большей концентрацией солей или примесей воздействовать давлением, превышающее осмотическое, тогда молекулы воды начнут двигаться через мембрану в обратном направлении, из концентрированного раствора в менее концентрированный. По этому принципу и работают все мембраны обратного осмоса.


В процессе обратного осмоса вода и растворенные в ней вещества разделяются на молекулярном уровне, при этом с одной стороны мембраны накапливается практически дистиллированная вода, а загрязнения остаются по другую сторону. Таким образом, обратный осмос обеспечивает гораздо более высокую степень очистки воды, чем большинство традиционных методов фильтрации, основанных на фильтрации механических частиц и адсорбции ряда веществ с помощью активированного угля.


В системах обратного осмоса бытового назначения давление входной воды на мембрану соответствует давлению воды в трубопроводе. В случае, если давление возрастает, поток воды через мембрану также возрастает.


В процессе очищения воды концентрация солей со стороны входа возрастает, из-за чего мембрана может засориться и перестать работать. Для предотвращения этого вдоль мембраны создается принудительный поток воды, смывающий "рассол" в дренаж.


Эффективность процесса обратного осмоса в отношении различных примесей и растворенных веществ зависит от ряда факторов. Давление, температура, уровень рН, материал, из которого изготовлена мембрана, и химический состав входной воды влияют на эффективность работы систем обратного осмоса.


Сравнительная характеристика баромембранных процессов в таблице


Характеристика

Микро-фильтрация

Ультра-фильтрация

Нано-фильтрация

Обратный осмос

Размер пор (микрон)

0,01 — 1

0,001 — 0,01

0,0001 — 0,001

< 0,0001

Размер удаляемых молекул (дальтон, г/моль)

> 100 000

2 000 — 100 000

300 — 1 000

100 — 300

Рабочее давление (бар)

< 2

1,5 — 7

3,5 — 20

15 — 70

Удаление взвешенных частиц

Да (очень мелкие частицы, крупные коллоиды, эмульсии)

Да (коллоиды)

да

да

Удаление растворенных органических веществ

нет

да, высокомолекулярных

да, высокомолекулярных

да

Удаление растворенных неорганических веществ

нет

нет

20 — 85%

95 — 99%

Удаление микроорганизмов

цисты простейших, большие бактерии, водоросли

цисты простейших, бактерии, водоросли, вирусы

все микроорганизмы

все микроорганизмы

Химический состав воды

не изменяется

не изменяется

изменяется

изменяется

Удаление тяжёлых металлов

нет

да, ионы поливалентных тяжелых металлов (свинец, ртуть, кадмий и т.п.)

в некоторых моделях

да

Удаление нитратов, нитритов

нет

нет

в некоторых моделях

да

Умягчение воды

нет

нет

частично

полностью


Структура рынка по способам фильтрации представлена на следующей диаграмме:


Структура рынка по способам мембранной фильтрации

Наиболее популярными являются системы очистки воды, основанные на процессах обратного осмоса, ультрафильтрации и нанофильтрации. Это объясняется селективностью мембран данных видов по сравнению с микрофильтрацией.


Если статья была полезной для Вас - поделитесь с друзьями и коллегами. Нам будет приятно, а другим читателям полезно и интересно. Спасибо.