info@medfilter.ru

Установки серии УВОИ-«МФ»-1812 для получения «Воды очищенной» по ФС 2.2.020.15

5.5.2. Нанофильтрация

Нанофильтрация (НФ) – это процесс разделения водных сред при помощи мембраны, имеющей менее плотный и более проницаемый селективный слой, чем для обратного осмоса. Соответственно, нанофильтрационные мембраны по сравнению с мембранами обратноосмотическими имеют пониженную селективность, повышенную проницаемость и меньшее рабочее давление при заданной производительности.

НПК "Медиана-фильтр" представляет современные системы очистки воды и водоподготовки:

Лабораторные установки

Засыпные фильтры

Промышленные системы

Мобильные системы

Одновалентные ионы (катионы и анионы) задерживаются нанофильтрационными мембранами незначительно, в то время как их селективность к многозарядным и крупным ионам – высокая. Например, при селективности по MgSO4 на уровне 98–99 %, селективность по NaCl для различных нанофильтрационных мембран составляет 5–85 %. В процессе нанофильтрации эффективно задерживаются компоненты растворенных веществ с размером от 1 нм и органика с молекулярным весом от 200 до 400 Да [6, 50–84, 96–100, 151, 156–175].

Рабочее давление в процессах нанофильтрации обычно лежит в пределах от 3 до 20 атм.

При этом селективность нанофильтрационных мембран к катионам Ca 2+ и Mg 2+ различна и зависит от состава воды (табл. 5.5). В любом случае, степень извлечения солей жесткости ниже, чем при обратном осмосе. Следует отметить, что селективность нанофильтрационных мембран проявляется прежде всего в отношении анионов. Поэтому, к примеру, селективность по сульфату натрия может быть выше, чем по хлориду кальция.

5.5. Умягчение воды мембраной типа NF -70 ( Filmtec )

Эффективность очистки раствора от различных компонентов при использовании нанофильтрации для кондиционирования воды показана в табл. 5.6 [97, 151, 153].

5.6. Кондиционирование воды на мембране типа NF -70 ( Filmtec )

Типичные характеристики нанофильтрационных рулонных элементов (на примере продукции « Dow Chemical ») представлены в табл. 5.7 [97, 151, 153–155].

Сравнение мембранных методов по степени удаления загрязнений приведено в табл. 5.8.

Из табл.  5.10 видно, что мембраны одинакового габарита обеспечивают производительность от 28 до 55 м 3 /сутки при рабочем давлении, отличающемся в 10 раз для растворов с солесодержанием, также отличающемся в 12 раз – от 2500 до 32 000 г/л. При этом для высоконапорных мембран типа SW степень очистки раствора от NaCl составляет примерно 400 раз, а для мембран типа NF – только 5 раз. Поэтому подбирая тип мембран и рабочее давление можно обеспечить самые различные требования.

5.7. Основные характеристики нанофильтрационных элементов Filmtec

Примечание : максимальное давление – 4 МПа, рабочее давление 0,7–
1,6 МПа, максимальная рабочая температура – 45 ° С, рабочий диапазон
рН 3–10, содержание свободного хлора менее 0,1 мг/л.

5.8. Сравнение мембранных методов по степени удаления загрязнений

5.9. Характеристики мембран при удельной производительности 30 л/(м2 ч), концентрации солей 2000 мг/л, температуре 25 ° C , pH 7–8, гидравлическом КПД элемента 10 %

5.10. Сравнение производительности 8-дюймовых нанофильтрационных и обратноосмотических мембранных элементов

Благодаря тому, что нанофильтрационные мембраны эффективно снижают цветность исходной воды (на 70–95 %) и окисляемость (на 50–80 %), удаляют пестициды, а также соли жесткости (на 50–80 %) и микробиологические загрязнения, нанофильтрация может считаться идеальной технологией для получения питьевой воды практически из любых источников (за исключением морей и океанов). При этом нанофильтрация позволяет получать мягкую воду с частично сохраненными в ней хлоридами и гидрокарбонатами, т.е. более пригодную для питьевых целей, чем обратноосмотическая. Поскольку в очищенной воде отсутствуют бактерии и вирусы, микрозагрязнения и хлорорганика, имеется возможность сокращения дозы хлора при постхлорировании.

Приведенный ряд свойств нанофильтрационных мембран позволяет потребителям применять рациональные по техническим решениям и экономичные по эксплуатационным затратам установки как для обеспечения нужд питьевого водоснабжения, так и в смежных с ним областях.

Так, например, в Париже с 1999 г . эксплуатируется установка питьевого водоснабжения на нанофильтрационных мембранах производительностью более 5800 м3/ч; в Финляндии и Швеции в период с 1999 г . запущены и успешно работают более дюжины нанофильтрационных установок водоподготовки производительностью 100–200 м3 /ч, обеспечивающих население питьевой водой; в Норвегии для тех же целей введена в эксплуатацию в 2003 г . нанофильтрационная установка производительностью свыше 600 м3/ч.

По сравнению с обратным осмосом (ОО), нанофильтрация позволяет обеспечить более высокое значение гидравлического КПД установки водоподготовки (для вод из поверхностных источников, как правило, на уровне 80–85 % в условиях одноступенчатой двухкаскадной схемы) при существенно меньших энергозатратах, позволяет снизить потребление ингибиторов солеотложения, что приводит в итоге к сокращению эксплуатационных затрат и снижению себестоимости обработанной воды.

Еще недавно термин «нанофильтрация» ассоциировался только с низкоселективным и, соответственно, низконапорным обратным осмосом, но в последнее десятилетие направление нанофильтрации получило бурное развитие. Были разработаны, освоены в производстве и успешно эксплуатируются установки с нанофильтрационными мембранами, предназначенные для:

• высокоселективного удаления из обрабатываемой воды общего органического углерода (ТОС) и пестицидов без кардинального изменения ее солевого состава;
• глубокого удаления органики с одновременной коррекцией солевого состава воды;
• умягчения воды путем селективного извлечения поливалентных ионов;
• коррекции солевого состава посредством предпочтительного удаления поливалентных ионов по сравнению с одновалентными;
• предварительной обработки морской воды перед ее опреснением на установках обратного осмоса;
• обработки технологических жидких сред в пищевой промышленности (молочной сыворотки, соков, вин и т.п.);
• переработки, очистки и повторного использования стоков, образующихся в результате промышленной и хозяйственно-бытовой деятельности человека.

Фактором, сдерживающим внедрение нанофильтрации в практику водоподготовки, остаются сложности с прогнозированием для реальных условий эксплуатации солевого состава пермеата (прежде всего для мембран с барьерным слоем на основе пиперазина) и необходимость проведения пилотных испытаний на стадии проектирования промышленной установки, если требуется предоставить гарантии потребителю.

Интересным приложением нанофильтрации является использование существенного различия селективности мембран по одновалентным ( Na + ) и двухвалентным ( Ca +2 , Mg +2 ) катионам для разделения концентрированных растворов, в том числе регенератов от ионообменного умягчения [97, 151, 156, 161–169, 172–175]. Это может дать возможность вторичного использования солей Na + и сокращения общего солевого сброса.

Данная проблема изучается уже не одно десятилетие, но созданные технологии требуют применения дополнительных реагентов, более дорогих, чем регенерируемые. Использование мембранных методов в этом направлении может быть более экономически выгодным.

В работах [172–175] исследовалось разделение растворимых хлоридов Na, Ca и Mg , которые присутствуют в высоких концентрациях в регенерационных растворах ионообменных фильтров и шахтных водах. Использовались серийные мембраны NF 270-4040, NF 90-4040, ЭРН КП-100-1016 и SR 90-4040.

Исследование разделения смесей с солесодержанием до 100 г/л показало принципиальную возможность резкого сокращения расхода соли на регенерацию натрий-катионитных фильтров, а соответственно и образования солевых стоков.

Показано, что при работе нанофильтрационных мембран на смеси CaCl 2 , MgCl 2 и NaCl в определенных условиях селективность по Ca +2 и Mg +2 находилась на уровне 90–98 %, а по Na + – от –10 до +15 % (рис. 5.6). Гидравлический КПД при работе на высокосолевых растворах имеет относительно низкие значения – 8–30 %. Удельная производительность также низкая, но, учитывая, что объем регенератов невелик, установки могут иметь небольшие габариты и высокую экономичность.

При высоких концентрациях наиболее интересным эффектом является переход задержания одновалентных ионов от положительных к отрицательным величинам по мере роста концентрации раствора [160–168, 172–175].

Причина этого явления может быть объяснена следующим образом. Полимерные нанофильтрационные мембраны являются амфотерными с карбоксил- и амино- функциональными группами на мембранной поверхности. Эти группы имеют изоэлектрическую точку в интервале рН 3–6, поэтому мембрана является отрицательно заряженной при нейтральном рН и положительно заряженной при рН ниже их изоэлектрической точки.

При нейтральных рН задерживающие характеристики нанофильтрационных мембран определяются Доннановским равновесием. Поэтому задержание увеличивается с возрастанием валентности ионов. Если раствор содержит двухвалентные катионы и анионы, то их задержание максимально т.е. селективность наибольшая, близкая к 100 %. При наличии в растворе смеси двух- и одновалентных катионов при одновалентных анионах, двухвалентные катионы кальция и магния эффективно задерживаются мембраной, в то время как одновалентные анионы задерживаются в значительно меньшей степени и проходят через нее в пермеат. Для того, чтобы восстановить электронейтральность раствора с обеих сторон мембраны поток одновалентного натрия через мембрану в пермеат увеличивается. Увеличение концентрации двухвалентных катионов кальция и магния приводит к возрастанию степени перехода анионов хлорида в пермеат и соответственного возрастания концентрации в нем и катионов натрия. В результате при определенной концентрации катионов кальция и магния происходит переход от положительного к отрицательному задержанию, т.е. к отрицательной селективности. Интересно отметить, что этот переход для исследованных мембран происходит при примерно одном и том же солесодержании раствора.

Рис. 5.6. Зависимость селективности мембран NF 90 (1–3), SR 90 (4–6) и ЭРЭН (7–9) по Ca , Mg и Na , соответственно, от концентрации раствора при степени извлечения пермеата 10 %