Мембранные технологии фильтрации.

Что такое мембранная очистка воды

Проблема чистой воды остро стоит в самых разных регионах нашей страны. Загрязнение почвенных вод и открытых водоемов промышленными и бытовыми стоками, а также остатками минеральных удобрений не позволяет употреблять воду без предварительной очистки. Одним из наиболее передовых методов фильтрации воды считается её мембранная очистка.

Что такое мембранная очистка воды и где она применяется

Как следует из названия, мембранная очистка воды – это фильтрация воды при помощи мембраны. Загрязненная жидкость пропускается через особую пленку (полупроницаемую мембрану), в которой сделано множество мельчайших пор. Они настолько миниатюрные, что не видны невооруженным взглядом. После очистки все примеси остаются снаружи, а дальше проходит только чистая вода. Эта технология используется при фильтрации воды от механических и органических примесей, бактерий и вирусов, при разделении растворов, умягчении воды, очистке стоков и выработке стерильных жидкостей.

Качество мембранной водоподготовки напрямую зависит от материала, из которого изготовлена мембрана. Это может быть:

  • полимер природного происхождения;
  • полимер синтетический;
  • материалы из керамики;
  • материалы биологического свойства;
  • материалы композиционные;
  • силикатные стекла.

Что такое баромембранные технологии и где они применяются

Баромембранные процессы – это подраздел мембранной очистки воды. Основным отличием является то, что в баромембранном методе очистка происходит на фоне внешнего давления. В баромембранной установке очищаемая жидкость продавливается через полупроницаемую мембрану при температуре от 5 до 30 градусов. К методам баромембранной очистки относят:

  1. обратный осмос;
  2. микрофильтрацию;
  3. ультрафильтрацию;
  4. нанофильтрацию.

Под воздействием внешнего давления только молекулы воды и некоторых солей проходят через мембрану, в то время как другие вещества задерживаются в фильтруемом растворе. Чем чище необходимо получить жидкость, тем меньше должны быть микропоры в мембране и, соответственно, выше наружное давление. Процесс баромембранного разделения используется в промышленной сфере (химическая промышленность, пищевая и фармацевтическая), в теплоэнергетике при водоподготовке теплоносителя, при очистке различных стоков, а также фильтрации питьевой воды.

Мембранные методы в очистке воды

Рассмотрим основные способы мембранной фильтрации воды:

  1. Установка мембранной очистки воды на основе обратного осмоса. Этот метод мембранной фильтрации воды разделяет растворы без изменения агрегатного состояния воды. Учитывая то, что размер пор в мембране не превышает размера молекулы воды, через фильтр проходит только вода и соли, ионы которых меньше отверстия диаметром менее 0,0001 мкм, а растворенные примеси задерживаются. Способ обратного осмоса, мембранного обессоливания воды, позволяет отфильтровывать практически все загрязнения: и органические, и неорганические.
  2. Нанофильтрациякак еще один мембранный способ очистки воды. Мембранная установка водоподготовки отфильтровывает более крупные частицы нежели обратный осмос. Их размер измеряется нанометрами, поэтому у метода такое название. В микрометрах размер пор составляет от 0,0001 до 0,001 мкм. После нанофильтрации улучшается цвет воды и уменьшается концентрация солей. Он оптимально подходит для очистки поверхностных вод. Фильтрация проходит под давлением от 3 до 20 бар.
  3. Ультрафильтрация. Следующий мембранный метод обессоливания воды по величине задерживаемых частиц после нанофильтрации. Тысячи капилляров фильтрующего модуля установки ультрафильтрации имеют внутренний размер от 0,001 до 0,01 мкм. Обычно они изготавливаются из полиэфирсульфона, материала со специальными добавками, который устойчив к органическому осадку. Ультрафильтрация проходит под давлением от 1,5 до 7 бар.
  4. Микрофильтрация– еще одна мембранная установка для воды. Этот мембранный метод очистки воды сопоставим с ультрафильтрацией по принципу действия, но есть и отличие. Оно заключается в том, что мембрана при ультрафильтрации имеет ассиметричное строение, а при микрофильтрации – все определяет её толщина. В этом способе очистки размер пор составляет от 0,01 до 1,0 мкм. Это позволяет отфильтровывать мелкие взвешенные частицы, цисты простейших микроорганизмов, большие бактерии, коллоиды, эмульсии и водоросли. Процесс фильтрации идет под внешним давлением менее 2 бар.
  5. Диализотносится к промышленной мембранной очистке воды. Метод основан на факте прохождения разными веществами с неодинаковой скоростью через мембрану фильтра (осмос и диффузия). Это простая и дешевая, но очень медленная мембранная технология в водоподготовке (сутки и более). Ускоряют его увеличением площади мембраны и повышением температуры. Применяют в промышленном производстве искусственных волокон и при изготовлении лекарств.
  6. Электродиализ– также система мембранной водоподготовки. Электродиализ – это усовершенствованный метод диализа. Устройство (диализатор) дополнительно оснащается камерой с электродами. Постоянный ток сокращает время фильтрации до часов и даже минут. Это происходит за счёт направленного электрическим полем движения ионов. Кроме очистки воды, этот метод мембранного разделения для водоподготовки, используется в фармацевтике, медицине, биохимической и пищевой промышленности.
  7. Электродеионизацияеще одна мембранная технология по очистке воды. Это – один из самых недорогих способов полной деминерализации воды. Для этого используются ионообменные смолы и ионоселективные мембраны при участии постоянного электротока. Работает электродеионизация за счёт разности потенциалов постоянного напряжения, которое есть по обе стороны мембраны, заполненной ионообменной смолой. Получаемая вода считается деионизованной. Способ мембранной деминерализации воды используется в станциях водоподготовки в теплоэнергетике, в фармацевтике, при изготовлении полупроводников и пр.

Обратный осмос и мембранная очистка воды

Рассмотрим подробнее самый оптимальный мембранный метод очистки воды – обратный осмос. Он заключается в фильтрации воды под давлением, которое превышает осмотическое, через полупроницаемую мембрану. Давление необходимо для преодоления явления осмоса, при котором система уравновешивается, и вода перестает фильтроваться, так как концентрация загрязняющих веществ выравнивается. Под внешним давлением из раствора через мембрану будет проходить только чистая вода, а соли и другие примеси – нет. К преимущества мембранной очистки воды с помощью обратного осмоса можно отнести высокую степень удаления солей, различную производительность, низкие энергозатраты.

Очистка воды на мембранных установках промышленного осмоса

Чистая вода высокого качества необходима многим предприятиям. Это медицина и производство электронных компонентов, пищевая и химическая отрасли. Промышленные установки обратного осмоса решают эту задачу. Они выдают практически полностью деминерализованную воду, задерживая до 99% всех загрязнителей. Мембрана, пропускающая молекулы воды, удаляет из раствора ионы тяжелых металлов, сульфаты, хлориды и другие неорганические вещества. При этом затраты на получение чистой воды гораздо ниже чем, при её дистилляции.

Мембранная очистка воды бытовым осмосом

Бытовые установки обратного осмоса особенно необходимы владельцам коттеджей, в которых отсутствует централизованное водоснабжение. Мембранная подготовка питьевой воды позволяет удалить из воды тяжелые металлы, соли, пестициды, вирусы и т.д. Получение воды из скважины или из колодца не гарантирует её высокого качества, поэтому в целях сохранения здоровья, воду нужно очищать. Обычно системы обратного осмоса работают при давлении от 15 до 70 бар. Сегодня созданы высокоэкономичные установки обратного осмоса, работающие при низком напоре до 2 бар. Они отлично подходят для мембранной фильтрации воды в быту.

Мембранный опреснитель морской воды

Обессоливание или опреснение – одна из наиболее часто используемых функций систем обратного осмоса. При очистке морской воды рекомендуется использовать максимальное давление системы (до 150 бар). Однако, если на выходе необходимо получить питьевую воду, которая не должна быть полностью обессолена, применяют мембраны со сниженной селективностью в условиях низконапорного обратного осмоса. Мембранное опреснение воды набирает популярность в южных регионах нашей страны.

Мембранная фильтрация, ее применение в биотехнологии

Мембранная фильтрация – это разделение веществ в растворах на полупроницаемых мембранах. Разделение осуществляется под действием приложенной извне движущей силы (электрическое поле, разница концентраций или под давлением). Это позволяет осуществить разделение дисперсных систем на составляющие – отделить более крупные и более мелкие частицы.

Самые распространенные промышленные мембранные процессы классифицируются согласно характера движущей силы:

Нас интересует тот мембранный процесс, в котором градиент давления является движущей силой. Иначе он называется «баромембранный процесс». Продукт проходит через полупроницаемую мембрану под действием перепада давления (жидкость подается в систему под давлением с помощью насоса).

Различают тупиковую и тангенциальную фильтрации. Тупиковая схема организации потока характерна для механической фильтрации. При тангенциальной фильтрации проток продукта осуществляется вдоль мембраны. Схематично обе схемы приведены на рисунке ниже.

Тангенциальная и тупиковая фильтрация имеют ряд отличий. Как видно из рисунка, в тупиковой ф. поток жидкости направлен перпендикулярно поверхности фильтра, а при тангенциальной ф. он движется коллинеарно ей. Различаются также свойства фильтрационного материала, степень разделения, конструктивное оформление.

В установках тангенциальной фильтрации циркуляционный насос создает поток, который движется вдоль поверхности мембраны, предотвращая образование осадка, на ее поверхности в процессе фильтрации. В отличие от тупиковой,фильтрация в тангенциальном потоке, позволяет вести процесс фильтрации в непрерывном режиме, без блокирования пор мембраны, сохраняя стабильность производственного процесса.

Классификация мембранной фильтрации обычно основана на размерах выделяемых частиц (т.е. частицы какого размера не проходят через фильтр, а остаются в растворе). Четкой границы между данными классами не существует, т.к. в какой-то момент даже форма молекул начинает играть определенную роль.

Наиболее распространенная классификация выделяет 4 разновидности:

Стерилизующая фильтрация, согласно таблице, принадлежит к типу МФ. Размер пор стерилизующего фильтра составляет 0,22 мкм. Это обусловлено размером клеток микроорганизмов, от которых требуется очистить раствор. Клетки различных бактерий в “спящем” состоянии значительно уменьшаются в размерах (до 0,2. 0,3 мкм), при том, что их стандартный размер составляет 0,5. 2,0 мкм.

Размерные характеристики данных процессов представлены в таблице ниже.

Необходимое давление при проведении фильтрации:

  • МФ, УФ и НФ –относительно низкое (≤12 кгс/см 2 );
  • ОО≥20 кгс/см 2 .

Как видно из вышеизложенного материала, разнообразие типов мембран достаточно велико. И это надо учитывать при разработке решения под каждую конкретную задачу. Например, для очистки и концентрирования ферментного препарата (14 кДа) у одного из заказчиков, мы использовали мембрану с порогом отсечения 150 кДа для удаления балластных высокомолекулярных белков, а для концентрирования, полученного на первой стадии фильтрата, уже использовали мембрану с порогом отсечения 10 кДа. Для стерилизующей фильтрации, как упоминалось выше, мы рекомендуем использовать мембраны 0,22 мкм.

Читайте также:  Первично-вторичные кольца отопительных систем

Удовлетворить всем требованиям в одной установке практически невозможно. Поэтому для выделения конкретного продукта следует подбирать наиболее оптимальное решение в вопросе выбора конструкции фильтрационной системы и в вопросе подбора типа мембран. Под конструкцией фильтрационной системы надо понимать фильтродержатель с фильтроэлементами (заглавная картинка статьи), насосное оборудование, а также необходимую арматуру для автоматизации.

Компания БИОТЕХНО разрабатывает и поставляет различные системы тангенциальной фильтрации (фильтры TAMI, кассеты Millipore и другие фильтры по вашему желанию).

Для тестирования процесса фильтрации в лабораторном масштабе в компании есть набор керамических мембран (фильтры TAMI) с малой площадью поверхности. С помощью данного набора можно произвести оценку корректности подбора мембран, применимости технологии тангенциальной фильтрации к конкретной задаче. Для проведения тестов не требуется большого количества исследуемого продукта.

Гарантировать масштабируемость технологического процесса позволяет пилотная фильтрация. Данные системы обладают большей площадью фильтрации в сравнении с лабораторными системами. Такие установки являются отличным инструментом для проверки различных фильтрационных элементов (полимерных, керамических), для проведения опытных тестов и даже для небольшого производства.

Для выделения и концентрирования больших объемов продукции требуются системы промышленного масштаба. Промышленные системы могут комплектоваться различными типами мембран. Такие системы отличаются высокой производительностью, стабильностью и применяются в разнообразных областях промышленности. Фильтрация крайне востребована на биотехнологических, фармацевтических и пищевых производствах. Компания БИОТЕХНО разрабатывает специализированные системы фильтрации под задачи заказчиков.

Мембранные технологии очистки воды

Нашей планете повезло: она на 70% состоит из воды. Однако следует учесть, что больше ее не станет. Только 1% земной воды пригоден для питья. Экологическая обстановка заставляет стремительными темпами искать эффективные способы очистки. Мы не только то, что едим, но и что пьем. В человеческом теле 10 литров воды. Полный водообмен происходит за 17 суток. Следует тщательно следить за балансом воды в нашем организме.

С водой из водопровода в наше тело попадают ненужные и опасные примеси: хлор, ржавчина, инфекции, соли и т.д. Врачи рекомендуют употреблять максимально возможное количество чистой воды. Что делать? Приобретать в магазинах? Дорого, неудобно и неизвестное качество. Легче установить фильтр для очистки воды.

Существует множество видов фильтров для разных целей. Но дома хотелось бы иметь на выходе воду без токсинов, хлора, органики, солей и других вредных элементов. Наибольшую эффективность показал мембранный фильтр для очистки воды.

Принцип работы

Первые мембраны были получены из клетчатки в 19 столетии, но не применялись нигде. Только во второй половине прошлого века получен первый прототип сегодняшних мембран. Движение молекул происходит за счет давления, большего осмотического.

Фильтрация с помощью обратного осмоса очищают даже очень грязную воду. Однако из воды убираются не только вредные соединения и органические вещества, но и полезные минеральные соединения. Трековые мембраны лишены этого недостатка.

Чтобы примеси не задерживали массы воду, в фильтре обеспечена тангенциальная схема движения. Одна половина воды проходит через фильтр и фильтруется, а вторая – смывает грязь с его поверхности. Узел фильтра имеет один вход и два выхода. Вода на выходе полностью готова к употреблению в сыром виде.

Производительность фильтра зависит от:

  • поверхностной площади;
  • давления;
  • толщины мембраны;
  • температуры входящей воды;
  • степени загрязнения.

Есть фильтры, которые работают по иному принципу. В бак с водой помещают фильтр, который через трубочки выводит уже очищенную воду в другой бак.

Принцип работы трековой мембрана схож с работой оболочки живых клеток. Она полупроницаема: через нее проходит обогащенная кислородом вода, а примеси задерживаются на поверхности. Простыми фильтрами удаляют крупные частицы, а мембранным фильтром для очистки воды — все остальное, включая коллоидные соединения и мелкие частицы.

Трековые мембраны появились недавно, с созданием новых технологий. Для изготовления используют синтетическую пленку с идеально ровными круглыми отверстиями – треки. На 1 квадратный сантиметр приходится около 400 миллионов штук.

Молекулы после прохождения мембраны становятся более структурированы. Многие ученые считают, что такая жидкость в 2 раза лучше усваивается человеческим организмом.

Виды мембран

Мембрана имеет меньший размер пор, чем размер задерживаемых частиц. Их разделяют на:

  • микрофильтрации 0,1-1,0 мкм (коллоидные частицы, тонкодисперсные примеси);
  • ультрафильтрации – 0,02-0,1 мкм (коллоидные частицы, молекулы, высокомолекулярные загрязнения, водоросли и т.д.);
  • нанофильтрации – 0,001-0,02 мкм ();
  • обратноосмотическая – до 0,001 мкм.

Снижение размера пор ведет к росту рабочего давления.

Фильтры с мембраной микрофильтрацией используют для очистки воды от мути.

Ультрафильтрация актуальна для удаления механических примесей с сохранением солевого состава.

Нанофильтрация сохраняет почти все соли, но задерживает ионы тяжелых металлов и хлорорганические вещества. Обратноосмотическая фильтрация выдает почти чистую воду: остаются газы и некоторые соли. С ее помощью можно опреснить соленую воду на 97%. Распространена в фармацевтической промышленности.

Мембраны для фильтров изготавливают из разных материалов:

  • уплотняющие полимерные;
  • керамические с жесткой структурой.

Используемые для фильтрации воды мембраны могут быть разной конструкции:

  • плоские дисковые
    • бесподложечные – однокомпонентное вещество;
    • армированные – на ткань нанесен пористый материал;
    • подложечные – состоит из крупнопористого и рабочего материала;
  • трубчатые;
  • рулонные;
  • половолоконные.

Обратноосмотические плоские мембраны состоят из несколько слоев. Рассмотрим классически й вариант. Для первого слоя используют полистирол в качестве основы. На него наносят микропористый полисульфон, который отлично проводи воду и не поддается деформации. Ароматический полиамид наносится третьем слоем и является барьером. Плоские мембраны легко устанавливаются и удобны.

Трубчатые мембранные фильтры представляют собой трубку из любого пористого материала разного размера. Они могут иметь симметричную или ассиметричную форму (одна из сторон имеет большее количество пор).

Рулонный тип состоит из мембраны и двух дренажных прокладок, которые накручены на трубу. В один торец затекает вода по спирали и скапливается в дренажной трубке, во втором конце находится концентрат. Мембрана редко засоряется и имеет высокую производительность. Такие фильтры оснащены плотно прилегающими мембранами и имеют низкую металлоемкость.

Половолоконные мембраны состоят из небольших трубочек. В фильтре находится их очень много, что значительно увеличивает поверхностную площадь. Контроль каждой трубки не возможен, поэтому мембрана часто засоряется. Перед подачей на этот тип фильтра воды необходимо механическим способом ее очистить.

Основные производители

Самым распространенным сегодня считается мембранный фильтр для очистки воды «Гейзер». В его состав входят три блока. Устанавливается он под кухонной раковиной. Перед мембранной фильтрацией вода очищается двумя картриджами: механической очистки и с сорбентом. Мембрана производит глубокую очистку. После воду пропускают через смесь активированного угля и серебра, что бы удалить газы. Иногда установку снабжают минерализатором.

NEROX — известный бренд мембранных фильтров. В них используются трековые мембраны. Удаляются вредные примеси, но сохраняются полезные минералы. В день фильтр очищает до 15 литров воды. Предусмотрена специальная система оповещения о загрязнение фильтра. Восстановление происходит при периодической промывке. Стоимость около 300 долларов.

Основное обслуживание мембранных фильтров

Два раза в год рекомендуют менять фильтр предварительной очистки. Мембрана меняется раз в 3 года. Если уменьшился напор или вкус воды поменялся, то так же советуют поменять мембрану.

Промывают мембрану в ручную под проточной водой или специальной жидкостью, которая учитывает вид мембраны и тип загрязнений. Очищают мембрану рекомендуют при +40 градусах и высоком давлении воды.

Мембранные фильтры являются оптимальным способам получения чистой воды не только дома, но и в офисах. Вода проходит высокую степень очистки. Все загрязнения наглядно видно на мембране. Фильтры легко обслуживать.

IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум – 2017

МЕМБРАННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ

Биомембраны– надмолекулярные структуры. Это защитный элемент, который является неотъемлемой составляющей клетки любого живого организма. Их толщина очень мала (10 нм). Они представляют собой двумерные структуры – липидный бислой, который включен в белковые молекулы, гликопротеины, гликолипиды. Все компоненты удерживаются вместе с помощью нековалентных (в основном гидрофобных) взаимодействий кооперативного характера. Соотношение липидов и белков в биологических мембранах зависит от происхождения и последним в диапазоне от 5:1 до 1:4

Биомембрана – это общее название пленочных структур 6-10 нм в толщину, подобного состава и строения, которые сводятся к трем основным функциям:

отграничить клетку от ее окружения или разделить ячейку на отдельные пространства, называемые компартментами, тем самым образуя различные клеточные органеллы;

обеспечить сотрудничество и обмен материалами между клеткой и внешней средой, а также между органеллами и внутриклеточной средой.

3. генерирование биоэлектрического потенциала, аккумулирование и трансформация энергии.

Изучение биологических мембран имеет важное значение для понимания жизненно важных функций организма, чтобы определить механизм патологии и правильного подхода к созданию комплексных медицинских мероприятий.

Назначение биологических мембран:

2.Обеспечение основных биоэнергетических процессов (синтез АТФ при окисленные фосфолипиды генерируется биопотенциалов, распад АТФ на нервно-мышечной активности).

3.Участие во всех видах приспособления организма.

Мембранная технология – принцип организации и осуществления процесса разделения веществ через полупроницаемую перегородку. Он отличается отсутствием поглощения разделяемых компонентов и низкими энергетическими затратами на процесс разделения.

Мембранные технологии применяются для очистки и разделения смесей. Смесь – система, состоящая из двух или более веществ. Это происходит следующим образом: сосуд разделен на две части мембраной, секция 1 наполнена смесью из веществ A и B. К обоим веществам прилагается движущая сила. Движущей силой мембранных процессов могут служить градиенты давления, концентрации, температуры или электрического потенциала. Мембрана может различаться два типа молекул: по форме и по химическому составу. Разделение будет достигнуто, но только в определенной степени. Мембрана не может полностью разделить смесь. На систему действует энергия в виде работы или тепла. Основной принцип всех процессов разделения- для их осуществления требуется некое минимальное количество энергии. Следовательно, два вещества A и B будут самопроизвольно смешиваться, если свободная энергия продукта (смеси) меньше, чем сумма свободных энергий индивидуальных веществ. Минимальное количество энергии (Wmin), необходимое для достижения полного разделения, равно или больше, чем свободная энергия смеси ∆Gm:

Читайте также:  Смесители Nicolazzi: особенности, характеристики

Wmin ≥ ∆Gm = ∆Hm – T∆Sm

Мембранная технология по сравнению с традиционными приемами (фильтрация и др.) занимает важное место в разделении жидкостных систем.

К основным мембранным методам относят:1. обратный осмос, 2. ультрафильтрацию, 3. микрофильтрацию, 4. диализ,

5. электродиализ,6. газоразделение.

1. Осмос (от греч. osmos – толчок, давление) – это свойство раствора перетекать из слабого в концентрированный. А обратный осмос – это прогрессивная система, в которой с помощью давления принуждают раствор проходить через полупроницаемую мембрану из более концентрированного в менее концентрированный раствор, то есть в обратном для осмоса направлении. При этом мембрана пропускает раствор, но не пропускает большинство растворённые в нём веществ.

2. Ультрафильтрация – это метод отделения мелких частиц из коллоидных растворов с использованием фильтрации под давлением.

Этот метод чаще всего применяют при отчистке воды (сохранив ее минеральный состав) и при обработке молочной продукции.

Применение ультрафильтрации имеет еще ряд преимуществ:

а) исключается денатурация белка, так как процесс идет без фазовых превращений при любой температуре;

б) возможны одновременное концентрирование и очистка от минеральных и низкомолекулярных органических веществ;

в) незначительные затраты энергии;

3. Микрофильтрация – это мембранный процесс, наиболее близкий к обычной фильтрации. Он основан на использовании мембран, которые позволяют только определенным компонентам конкретной жидкости или газа входить в систему, без учета других нежелательных элементов.

Этот метод применяется для стерилизации и осветления всех видов напитков (чаще всего для очистки молока от бактерий) и лекарственных препаратов, в пищевой и фармацевтической промышленностях, получения ультрачистой воды в полупроводниковой промышленности. Также применяется в области биотехнологий и биомедицинских технологий.

Диализ – процесс освобождения растворов высокомолекулярных

веществ и коллоидных растворов от низкомолекулярных соединений. Для этого используют полупроницаемую мембрану. Мембраны изготовлены из коллодия, целлофан, биологических перепонок, синтетических материалов и др. Процесс диализа часто крайне низок.

В промышленности диализ используют для очистки различных веществ, например, в производстве искусственных волокон, при изготовлении лекарственных веществ.

Также в медицинских целях к диализу прибегают для удаления из организма токсических веществ при различных отравлениях, почечной и печеночной недостаточностях и других заболеваниях, в процессе которых способность организма к выводу вредных веществ снижена до критического уровня.

5. Электродиализ – метод, основанный на направленном движении ионов электролита к электродам, подключенного к сети постоянного тока. Его используют для задержки ионов металла у электрода, то есть для смягчения воды.

6. Дистилляция – термомембранный процесс, движущей силой которого является градиента температуры. Две жидкости для проведения процесса мембранной дистилляции должны быть разделены микропористой мембраной и поддерживаться при различных температурах. Разность давлений по разные стороны от мембраны должна быть ниже капиллярного давления. Происходит конденсация пара на стенке, охлаждаемой циркулирующей жидкостью. С помощью этого метода можно получить пресную воду.

7. Газоотделение осуществляется за счет различной скорости диффузии компонентов смеси через мембраны. Подвижный газ в основном проходит через мембрану, действуя согласно градиенту концентрации. Газ, поступающий в мембранный модуль, проходит сначала через фильтры, потом вдоль мембраны. На выходе получается два разделенных потока: остаточный газ (ретентат) и проникший поток (пермеат). В зависимости от поставленной задачи продуктом является один из этих потоков. Например, используются для выделение углекислого газа при добыче природного и нефтяного газов.

Мембранные методы глобально рассматриваются в химической и пищевой промышленностях, в медицине и сельском хозяйстве. Эти методы широко используется для очистки, изменения концентрации и разделения жидких смесей на составляющие элементы. В промышленности мембранные технологии используются в качестве простых компонентов, так и в многостадийных процессах.

Обратный осмос, ультрафильтрацию, микрофильтрацию, электродиализ, диализ, дистилляция, газоразделение – основные мембранные методы, действующие на основе давления. Мембранные системы становятся все более и более используемые в повседневной жизни. Это стало возможным благодаря научно-техническому прогрессу. Но будущие разработки в области мембранной технологии продолжаются. Их главная цель – удовлетворение растущего спроса на более высокую производительность, более низкую себестоимость производства и увеличение скорости разработки в биотехнологической промышленности.

Список литературы:

ПРИМЕНЕНИЕ PDM-ТЕХНОЛОГИЙ В УПРАВЛЕНИИ КАЧЕСТВОМ ПИЩЕВОЙ ПРОДУКЦИИ – Боровская Л.В., Молова О.Э.

В сборнике: Устойчивое развитие, экологически безопасные технологии и оборудование для переработки пищевого сельскохозяйственного сырья; импортоопережение Сборник материалов международной научно-практической конференции. 2016. С. 66-68.

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ БЕЛКОВО-ПОЛИСАХАРИДНОЙ СИСТЕМЫ МЕТОДОМ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ СКАНИРУЮЩЕЙ КАЛОРИМЕТРИИ

Бугаец Н.А., Тамова М.Ю., Боровская Л.В., Миронова О.П.

Известия высших учебных заведений. Пищевая технология. 2003. №5-6. С. 112-113.

ФИЗКОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ (ЭЛЕКТРОННЫЙ УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС)

Мембранная фильтрация

Уже два века мир насыщен природными катаклизмами и хочется быть уверенными в том, что ничего не будет влиять на то, что из крана бежит Вкусная, чистая водичка, которую без опасения за свое здоровье можно употреблять в пищу. Но как быть уверенным в этом? Насколько эффективны фильтры и так ли они необходимы? Хочется остановиться на мембранных фильтрах, которые используются в бытовом назначении, и их работа основана на при обратном осмосе или на мембранной фильтрации.

Мембранная фильтрация обратного осмоса

Главным фильтрующим устройством считается мембрана, где происходит мембранная фильтрация. Через мембрану проходят только ионы и молекулы определенного размера, лимит прохождения ограничивается отверстиями, пористостью мембраны. Пора является барьером и не пропускает крупные частицы. Если посмотреть работу мембранной фильтрации, то она напоминает сито, такие мембраны считают полупроницаемыми. В водоочистителях используются мембраны с порами до 1 нм. Примесям в таких поверхностях не проникнуть вовнутрь. Рассмотрим процесс осмотической очистки или мембранной фильтрации на примере. Возьмем емкость и мысленно разделим ее на две части полупроницаемой мембраной, в каждую часть нальем раствор солевой жидкости, представленной в разной концентрации.

Если внешнее давление на обе части одинаковое, то жидкостная концентрация будет выравнена в обеих емкостях. Молекулы будут проникать через мембрану в сторону менее концентрированного раствора. Если две части жидкостей будут находиться под одинаковым давлением извне, то концентрация выровняется. Осмотическое давление – это сила, которая заставляет молекулы жидкости перемещаться. Все живые организмы работают по системе осмоса, так происходит обмен веществ в организме.

Грязь и примеси остаются со стороны подачи воды, концентрация минералов не возрастает бесконечно. Мембрана сильно засоряется и при повышении концентрации повышается осмотическое давление. Процесс мембранной фильтрации прекращается при уравненных величинах. Полученные грязи потом смываются в установленный дренаж. Чтобы в дренаж не выходил весь поток воды стоит специальный ограничитель, которые при максимальном заполнении делает выброс.

Водный поток проходит фильтрацию и просачивается сквозь мембрану, если взять 10 литров чистой воды, то получится, что в дренаж уйдет в три раза больше, тем самым мембранная фильтрация достаточно дорогой метод очистки по расходам. Платить по счетчику достаточно дороговато. Если в частном доне дренажная система, то откачка тоже будет производиться чаще, чем обычно. Если у вас большой огород, то дренажную часть лучше вывести в емкость, откуда будет поливаться огород.

Фильтрационный процесс и что на него влияет

Главным фактором, влияющим на процесс, является давление, в паспорте к каждому устройству указывается величина допустимого давления. Показатель давления имеет средние пределы 3.5-6 атм. Благодаря этой величине обеспечивается работа установки. Если параметр меньше положенного, то потребуется специальный насос, повышающий его. Если приобретать комплект, то там имеется автоматика, датчик и различного рода соединители. Когда насоса нет, то придется долго ждать, пока пройдет фильтрация. При повышении давления выше положенного произойдет разрушение мембраны.

Вторым не менее важным фактором является температура, при ее увеличении понижается вязкость и плотность раствора, а значит, мембрана начинает эффективнее работать. С температурой увеличивается и давление, поэтому в этом параметре есть тоже свои ограничения в пределах 10-40 градусов.

Мембрана задерживает самые разные примеси

Степень очищения различного рода мембранами составляет свыше 85%, что достаточно эффективно. Органика с молекулярным весом 100 и выше полностью удаляется, маленькие частички могут, проходит через мембрану, но только в ограниченном количестве. Вирусы и бактерии в больших объемах не проникнут в истую воду, это гарантировано. Мембрана очень сильно отличается от очистительных сорбентов, она преграждает дорогу и борется с ними до последнего. При забитости мембраны не проникнет точно ни один миллиграмм примесей. Установки мембранного типа можно назвать фильтрами на любой случай жизни.

Мембранная установка работает из расчета 1.5 литра за минуту, но для удобства рекомендуется устанавливать накопительный бачок, вода из системы будет набираться из отдельного крана. Обратноосмотические устройства имеют и минусы, они задерживают не только вредные примеси, но и полезные вещества. При пропускании газов мембрана пропустившая сероводород несет только вред, а не пользу.

Конструкционные особенности систем мембранной фильтрации

Существуют различного рода конструкции, простые и технически сложные, в которых стоят нежнейшие мембраны из полимера. Эти устройства боятся хлора грязи и крупных грязей, поэтому ставятся только после нескольких ступеней грубой очистки. Предварительная очистка, чем мощнее, тем лучше, каждая ступень отвечает за определенные действия. Механическая очистка, сорбция, общая очистка. Благодаря системе быстрой сборки все колбы соединяются в общую очистительную систему.

На производстве фильтрация мембраной помогает снизить производственные расходы и повысить качество продукции. Технология позволяет удалять ионы, твердые взвеси, органику и различного рода микроорганизмы.

— не нужно обращаться с системой особым образом;

— установить можно в любом месте от дома до производства;

— благодаря высокой пористости скорость потока высокая;

— задерживается не только грязь, но и примеси с размер бактерии.

Мембранная фильтрация делится на четыре типа: нанофильтрация, обратный осмос, микрофильтрация и ультрафильтрация. Технология мембранной фильтрации экономная, щадящая, выгодная в экономическом плане и экологически чистая. Для многих производств фильтрация с помощью мембраны просто необходима, например молочные заводы.

Читайте также:  Соединение медных труб с цанговыми и пресс-фитингами

Мембранная очистка воды: как инновационный процесс очистки

Из содержания статьи вы узнаете:

1. Мембранная очистка как инновационный процесс очистки.

2. Технологии и методы мембранной очистки:

2.1 Микрофильтрация
2.2 Ультрафильтрация
2.3 Нанофильтрация
2.4 Прямой осмос
2.5 Обратный осмос

3. Преимущества и недостатки мембранной очистки воды.

Мембранные системы очистки воды являются сложными. Даже после завершения разработки технического проекта может быть сложно, оценить стоимость в сравнении. Все мы знаем, от покупки чего-либо, к примеру, от обуви до стиральных машин, самый дешевый продукт, вероятно, не обеспечит нам наилучшую ценность. И если мы исследуем крупную покупку для члена семьи, например, детское автокресло или медицинское обслуживание для престарелого родителя, мы определенно не выберем вариант с самой низкой ценой. Если вы вовлечены в индустрию очистки воды, вы, вероятно, ответственно подходите к тому, чтобы предоставить своим клиентам стабильный, безопасный и высококачественный продукт. Если вы являетесь владельцем или конечным пользователем, вы можете зависеть от инженера или технического проекта, чтобы обеспечить высококачественную мембранную систему. Это отличный шаг для подтверждения того, что будет получена наилучшая мембранная система.

Торгово-производственная фирма «Вагнер» на протяжении многих лет является первым производителем и поставщиком в Уральском округе систем фильтрации и очистки воды. Спектр наших услуг огромен, начиная от систем обратного осмоса (RO) заканчивая обезжелезивателями и системами умягчения воды. Сегодня мы хотим представить не просто очистку воды, а самую что ни на есть современную и масштабную – мембранная очистка воды. Наша обширная продуктовая линейка фильтров очистки на основе мембран включает в себя бытовые фильтры, промышленные системы обратного осмоса и многое другое. Ознакомиться со всеми видами фильтров вы сможете в разделе каталога или обратившись к нам в офис, а также по телефону +7 (343) 300-12-92.

1. Мембранная очистка как инновационный процесс очистки.

Загрязнение воды тяжелыми металлами, цианидами и красителями возрастает во всем мире и требует решения, так как это приведет к дефициту воды, а также к качеству воды. Различные методы были использованы для очистки и возобновления воды для потребления человеком и в сельскохозяйственных целях, но у каждого из них есть свои ограничения. Среди этих методов мембранная технология является перспективной для решения проблем. Нанотехнологии представляют большой потенциал в очистке сточных вод для повышения эффективности очистки очистных сооружений. Кроме того, нанотехнологии дополняют водоснабжение за счет безопасного использования современных источников воды.

Мембранная обработка воды является процессом, способным удалять бесполезные компоненты из воды. Мембрана – это барьер, который позволяет определенным веществам проходить через них, блокируя другие. Водоочистные сооружения используют различные типы мембран и процессов для очистки поверхностных, подземных и сточных вод, чтобы производить воду для промышленности и для питья. Это многомиллиардная индустрия, которая растет в результате растущей озадаченности по поводу загрязнителей воды и сокращения количества безопасных, чистых, легко доступных существующих источников воды.

Рис. 1 Мембранная очистка

Процессы мембранного разделения быстро развиваются для очистки воды и сточных вод в связи с их значительной ролью в очистке воды. В зависимости от размера молекулы и пор мембраны действуют как физический барьер для веществ.

Рассмотрим матрицу основных загрязнителей и методы обработки.

90,2% удаление органических добавок

бытовые сточные воды

97% удаление общего азота и общего фосфора

эффективность удаления 86–99% для азота, 100% для фосфора

муниципальные и промышленные сточные воды

мембраны с отсечкой

мембраны показали полную стойкость к необратимым загрязнениям и высоким выбросам красителей

2. Технологии и методы мембранной очистки.

Мембранная обработка – это метод, который позволяет концентрировать и разделять без использования тепла. Частицы разделяются на основе их молекулярного размера и формы с использованием давления и специально разработанных полупроницаемых мембран. Полупроницаемый клеточный диффузор действует как барьер, который удерживает более крупные частицы, позволяя более мелким молекулам проходить через мембрану в пермеат (газовый концентратор). Есть несколько преимуществ использования процесса поперечной мембранной фильтрации: более низкое энергопотребление, которое, в свою очередь, может сократить эксплуатационные расходы.

Идеальными свойствами конфигурации мембран для очистки воды являются:

  • Компактность
  • Низкое тангенциальное сопротивление потока
  • Равномерное распределение скорости без мертвых областей
  • Высокая турбулентность на стороне ретентата для минимизации загрязнения и облегчения массопереноса
  • Простота обслуживания и очистки
  • Низкая стоимость единицы

Как было сказано ранее, мембранный барьер позволяет молекулам, ионам или другим мелким частицам проходить, в зависимости от размера пор их можно классифицировать как микрофильтрационные (MF), ультрафильтрационные (UF), нанофильтрационные (NF) и обратноосмотические (RO) мембраны.

2.1 Микрофильтрация

представляет собой процесс, управляемый давлением, при котором разделенные соединения имеют наименьший размер, например наночастицы. Это рассматривается как первая предварительная обработка мембранных процессов NF и RO. MF удаляет мало или вообще не содержит органических веществ; однако, когда применяется предварительная обработка, может происходить повышенное удаление органического материала. MF может использоваться в качестве предварительной обработки RO или NF для снижения вероятности загрязнения. Основными недостатками MF является то, что он не может удалять загрязняющие вещества (растворенные твердые вещества) размером менее 1 мм. Кроме того, MF не является абсолютным барьером для вирусов. Однако при использовании в сочетании с дезинфекцией MF, по-видимому, контролирует эти микроорганизмы в воде.

2.2 Ультрафильтрация

Ультрафильтрационный мембранный процесс может разделять соединения между MF и RO. УФ-мембраны являются высокоэффективными фильтрами для воды с низким энергопотреблением при удалении патогенных микроорганизмов, макромолекул и взвешенных веществ, в том числе. Однако УФ имеет некоторые ограничения, в том числе невозможность удаления растворенных неорганических веществ из воды и регулярную очистку для поддержания потока воды под высоким давлением.

2.3 Нанофильтрация

Нанофильтрация способна удалять ионы, которые вносят значительный вклад в осмотическое давление, следовательно, позволяет рабочие давления, которые ниже, чем те RO. Чтобы NF был эффективным, необходима предварительная очистка некоторых сильно загрязненных вод. Мембраны довольно чувствительны к свободному хлору. Растворимые элементы нельзя отделить от воды.

2.4 Прямой осмос

Прямой осмос. FO является естественным явлением, когда растворитель перемещается из области с более низкой концентрацией в область с более высокой концентрацией через проницаемую мембрану. Этот метод оказался высокоэффективным при низкой скорости образования соляного раствора и хорошо изучен, поскольку он обещает решить проблемы с водой во всем мире, однако регенерация вытяжного раствора очень дорога для процессов обессоливания, следовательно, использование нанофильтрации или обратного осмоса для регенерации дело рискованное и затратное.

2.5 Обратный осмос

Мы не раз упоминали о том, что обратный осмос высокотехнологичный процесс фильтрации! А когда в системе присутствует мембранный барьер, то метод становится просто совершенным в методах очистки воды. RO – это управляемая давлением техника, используемая для удаления растворенных твердых частиц и более мелких частиц. RO проницаем только для молекул воды. Приложенное давление на RO должно быть достаточным, чтобы вода могла преодолеть осмотическое давление. Поровая структура мембран RO гораздо плотнее, чем UF, они превращают жесткую воду в мягкую воду, и они практически способны удалять все частицы, бактерии и органику, это требует меньшего ухода. Некоторые недостатки включают использование высокого давления, RO мембраны являются дорогостоящими по сравнению с другими мембранными процессами и также подвержены загрязнению. В некоторых случаях требуется высокий уровень предварительной обработки.

Рис. 2 Система обратного осмоса “Вагнер-125” производительность 125л/час

3. Преимущества и недостатки мембранной очистки воды.

Мембранные процессы, к примеру, MF, NF, UF и RO, в настоящее время используются для повторного использования воды. Мембраны на полимерной основе в основном используются в качестве мембранного материала, но поскольку такие полимеры, как полисульфон и полиэфирсульфон, являются гидрофобными, полимерные мембраны склонны к загрязнению. Это приводит к закупорке пор мембраны и снижению производительности мембраны, а также увеличивает стоимость эксплуатации, требуя дополнительной очистки.

Существуют факторы, вызывающие загрязнение мембран, такие как осаждение неорганических компонентов, на поверхности мембраны, соответственно происходит блокирование пор абсорбции растворенного вещества, микроорганизм и химический состав. Это приводит к обратимому или необратимому загрязнению мембраны. Обратимое загрязнение, образованное в результате прикрепления частиц к поверхности мембраны, необратимое, которое возникает, когда частицы сильно прилипают к поверхности мембраны и не могут быть удалены физической очисткой. Когда происходит образование прочной матрицы загрязненного слоя с растворенным веществом, в процессе непрерывной фильтрации процесс превращения обратимого загрязнения в необратимый слой загрязнения.

  • возможно применение для разделения, концентрирования и очистки огромного количества материалов в самых разных отраслях промышленности;
  • процессы микрофильтрации и ультрафильтрации могут работать как высокоэффективные «сита», способные фракционировать частицы в соответствии с размером;
  • никаких фазовых изменений не происходит, потоки сырья и продуктов остаются в жидкой форме;
  • процессы могут эффективно функционировать при низких температурах.
  • низкое энергопотребление.
  • процессы подвержены эффектам загрязнения мембраны, которые приводят к снижению потока пермеата. Могут потребоваться дорогостоящие схемы очистки и регенерации;
  • высокие скорости потока, используемые при подаче с поперечным потоком, могут повредить чувствительные к сдвигу материалы;
  • стоимость оборудования может быть высокой;
  • если процесс изготовления мембраны точно не контролируется, это может привести к образованию мембран с широким распределением пор по размерам, что приводит к плохим характеристикам разделения.

Тем не менее, мембранные загрязнения и чувствительность мембран к токсичности являются основными ограничениями мембранной технологии. В целом можно сделать вывод, что мембранная технология оказалась очень перспективным методом очистки сточных вод.

Наши клиенты довольны выбором передовой технологии мембранной очистки воды. Именно поэтому акцент на данную продукцию в ТПФ «Вагнер-Екатеринбург» огромный!

Ниже представленно видео демонстрации системы обратного осмоса “Вагнер”

Ссылка на основную публикацию