Разделение моно и поливалентных ионов методом нанофильтрации в водных растворах высоких концентраций

Аржанова Е.Б., Гладуш М.Г., Пантелеев А.А., Рябчиков Б.Е.

Для очистки растворов от ионогенных примесей используются методы обратного осмоса и нанофильтрации. При разделении обратным осмосом из воды удаляются все катионы и анионы с близкой степенью извлечения – 98-99%. Эффективного разделения одно и двух зарядных ионов не происходит. При нанофильтрации одно и двухзарядные ионы извлекаются с существенно различными коэффициентами. Для Na + селективность мембран составляет 40 – 60%, а для Ca +2 , Mg +2 – 95-99%, что принципиально дает возможность их разделения. Ранее изучение таких процессов проводилось, в основном, в области концентраций, близких к питьевой воде. В перспективной области высоких концентраций исследований очень мало. Предварительные результаты наших экспериментов показывают, что при увеличении концентрации до десятков г/л происходит существенное изменение селективности мембраны по одно и двухзарядным ионам. Для некоторых мембран селективность по Na + может стремиться к 0 при селективности по Ca +2 , Mg +2 достигающей 50-80% и еще большей для многовалентных ионов тяжелых металлов. На практике это дает возможность выделять из солевых растворов ценные компоненты или организовать оборотное использование регенерационных растворов ионообменных фильтров .

Мембранные барометрические процессы разделения включают м икрофильтрацию, ультрафильтрацию, нанофильтрацию и обратный осмос [1-9], которые различаются по размерам извлекаемых частиц, рис. 1.:

Извлечение загрязнений из воды мембранными методами

Рис 1. Извлечение загрязнений из воды мембранными методами

Микрофильтрация задерживает частицы размером более 0,1-1 мкм (крупные коллоиды, взвеси, бактерии). Рабочее давление, как правило, до 2-3 атм. Ультрафильтрация задерживает частицы размером на порядок мельче — 0,01-0,1 мкм, к ним относятся коллоиды, протеины; на 4-6 порядков снижается микробиологическое загрязнение воды, задерживаются крупные органические молекулы (с молекулярной массой свыше 1000 Да). Нанофильтрация эффективно задерживает компоненты веществ размером 0,001-0,01 мкм, органику с молекулярным весом более 500 Да. Удаляется цветность, органика, пестициды, микробиологические загрязнения, соли жесткости, многозарядные ионы. Рабочее давление – от 3 до 20   атм. Обратный осмос удаляет все растворенные соли (рейтинг фильтрации 0,0001-0,001 мкм), органику (с молекулярным весом менее 500 Да). Рабочее давление до 100 атм.

Основными характеристиками мембранных процессов являются селективность, гидравлический КПД и п роницаемость мембран [1-7].

Селективность описывается отношением разности концентраций примеси в исходной воде и в фильтрате (пермеате) к его концентрации в исходной воде, выраженное в процентах :

.

Удельная проницаемость, производительность (удельный расход, удельный съем, Flux ) — количество пермеата, получаемого с единицы поверхности мембраны в единицу времени при постоянном давлении , обычно выражается в л/м 2 •ч:

,

где — удельная производительность, — расход фильтрата, — площадь мембраны.

Для процессов мембранного осветления удельная производительность пропорциональна перепаду давления на мембране: , а для мембранного обессоливания — разности перепадов приложенного ( ) и осмотического ( ) давлений: . В этих соотношениях — проницаемость мембраны , обычно выражается в л/(м 2 •ч•атм).

Гидравлический КПД ( Конверсия, Recovery ) характеризует степень полезного использования воды и определяется как отношение расхода пермеата к расходу питательной воды, выраженное в процентах:

.

Селективность микро- и ультрафильтрационных мембран, разделяющих вещества по ситовому механизму, очень высока к объектам, имеющим размеры больше, чем размер пор данной мембраны и практически отсутствует для частиц с меньшими размерами. Степень задержания частиц с размером, превышающем размер пор мембраны, определяется равномерностью распределения пор по их размерам и по поверхности мембраны и составляет до 99% для крупносерийных мембран и 99,999% для изделий специального назначения . Поэтому они широко применяются для выделения чистых веществ и разделения смесей в медицине, пищевой промышленности и т.д.

Для очистки растворов от ионогенных примесей используются методы обратного осмоса и нанофильтрации, основанные на диффузионном механизме разделения. При разделении обратным осмосом из воды удаляются все катионы и анионы с приблизительно одинаковой степенью извлечения, находящейся на уровне 98-99%. Эффективного разделения одно и двух зарядных ионов не происходит.

Обратный осмос (ОО) и нанофильтрация (НФ) — баромембранные процессы очень близкие по механизму разделения, схеме организации, типам мембран и применяемому оборудованию. Эти процессы принципиально отличаются от, рассмотренных выше, микро- и ультрафильтрации механизмом разделения тем, что отделение растворенных веществ от воды происходит при помощи непористой мембраны.

Нанофильтрация (НФ) — это процесс разделения водных сред при помощи мембраны, имеющей селективный слой менее плотной и более проницаемой, чем для обратного осмоса. Соответственно требуемое давление ниже, а производительность мембран выше.

В настоящее время не существует единой научной теории, которая адекватно описывает процессы разделения в обратном осмосе и нанофильтрации. Основное разночтение подходов касалось вопроса о наличии или отсутствии пор в мембране. Если в последнем случае (для непористой среды) механизм переноса основывается только на диффузии, то в первом — на сочетании диффузии с конвективным переносом в поровом пространстве.

В нанофильтрации и обратном осмосе процессы переноса растворителя и растворенного вещества через мембрану происходят на молекулярном уровне, при этом интенсивность и направление переноса зависят от соотношения энергий на одну молекулу растворителя (т.н. химических потенциалов) по разные стороны от мембраны. Последние определяются концентрацией и составом раствора, а также давлением среды. Все эти факторы суммируются в понятии т.н. осмотического давления.

Зависимость осмотического давления от концентрации раствора впервые была получена экспериментально в 1886 г . голландским физико-химиком Вант-Гоффом на основе измерений осмотического давления различных растворов:

, (1)

где pi — осмотическое давление раствора, Па; — массовая концентрация растворенного вещества, г/л; — универсальная газовая постоянная, 8,314 Дж/(моль·К); — абсолютная температура раствора, К; – молярная масса растворенного вещества, г/моль; — молярная концентрация растворенного вещества, моль/л.

В таком простом виде формула Вант-Гоффа применима для растворов неэлектролитов невысокой концентрации. При наличии в растворе нескольких примесей его осмотическое давление определяется суммой осмотических давлений индивидуальных примесей.

, (2)

Часть 2 - продолжение

 

Rambler's Top100 Rambler's Top100