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

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

Часть 2

Для оценки осмотического давления применительно к растворам электролитов формула (1,2) дополняется множителем i , называемым коэффициентом Вант-Гоффа.

Коэффициент Вант-Гоффа равен среднему суммарному числу частиц, образующихся при электролитической диссоциации одной молекулы:

, (3)

где — степень диссоциации растворенного вещества, — общее число ионов, образующихся при диссоциации одной молекулы. Из данного выражения видно, что введение коэффициента Вант-Гоффа является частным случаем применения выражения (2) для сложного раствора, состоящего из непродиссоциировавших молекул с концентрацией и смеси образовавшихся ионов с концентрацией каждого.

Для хорошо растворимых веществ в разбавленных растворах диссоциацию можно считать полной, и в этих случаях коэффициент Вант-Гоффа просто равен числу образовавшихся ионов (например, для NaCl i = 2).

Поскольку величина осмотического давления раствора прямо пропорциональна концентрации компонентов в растворителе, минимально необходимое давление (и, следовательно, энергетические затраты) для обратного осмоса увеличиваются с увеличением солесодержания воды, подвергаемой опреснению. Так, например, осмотическое давление растворов, содержащих 100 мг/л, 9 г/л и 32 г/л хлорида натрия при температуре 25°С составляет соответственно 0,08; 6,8 и 27 атм.

Из формулы (1) видно, что чем меньше молекулярная масса растворенного вещества, тем выше возникающее осмотическое давление при той же исходной массовой концентрации (Рис. 2). Соответственно важность учета этих процессов растет с ростом концентрации и увеличением селективности мембраны по низкомолекулярным примесям, достигая наибольшей значимости при опреснении морской воды методом обратного осмоса или обработки высокосолевых растворов нанофильтрацией.

Для концентрированных растворов формула Вант-Гоффа (2) , вообще говоря, некорректна. Для практического использования в этих случаях в нее вводят еще один поправочный коэффициент — т.н. практический осмотический коэффициент Ф . В разбавленных растворах Ф очень близок к единице, а с увеличением концентрации может меняться произвольным образом – увеличиваться, снижаться, проходить через экстремумы и быть как больше, так и меньше единицы (Рис. 2.).

Ясно, что для разделения концентрированных растворов требуется большое давление, а при постоянном давлении производительность мембраны падает с ростом концентрации.

В процессе нанофильтрации одно и двух зарядные ионы извлекаются с существенно различными коэффициентами. Для катионов Na + , как правило, селективность мембран составляет 40 – 60%, а для Ca +2 , Mg +2 – 95-99%. Это принципиально дает возможность проводить их разделение. Нанофильтрация процессе относительно новый и недостаточно изученный. Ранее изучение процессов разделения проводилось, в основном, в области низких концентраций, близких к питьевой воде [5, 8-12]. В области высоких концентраций, где процесс может найти эффективное применение, исследований очень мало [13, 14].

Для исследовании были выбраны различные нанофильтрационные мембраны, производства фирмы Dow Chemical [12]. По своим характеристикам они близки к мембранам, производимым другими изготовителями « GE Water », ( Osmonics ), « Hydranautics », « Koch ».

В таблице 1 приведены характеристики по степени удаления солей нанофильтрационных и обратноосмотических мембран, выпускаемых фирмой Dow Chemical под маркой Filmtec , [12]. При этом серия обозначает: SW –обратноосмотические мембраны для морской воды; BW и XLE – для пресных вод; NF – нанофильтрационные.

 

Зависимость осмотического давления от мольной концентрации растворенных веществ

Рисунок 2. Зависимость осмотического давления от мольной концентрации растворенных веществ при 25 С.

 

Таблица 1. Характеристики мембран FILMTEC

Тип мембраны

SW 30 HR

BW 30

XLE

NF 270

Рабочее давление, атм.

25

10

5

3.5

Селективность (%)

Хлорид натрия, NaCl

99.7

99.4

98.6

80

Хлорид кальция, CaCl 2

99.8

99.4

98.8

50

Сульфат магния, MgSO 4

99.9

99.7

99.2

99.3

 

При удельной производительности 30 л/м 2 ч), концентрации солей 2,000 мг/л, температуре 25° C , pH 7-8, съеме 10% с элемента.

Видно, что мембраны для обратного осмоса задерживают все соли примерно одинаково, нанофильтрационные мембраны задерживают одновалентные ионы (катионы и анионы) незначительно, а их селективность к многозарядным и крупным ионам высокая. Реально при селективности по MgSO 4 на уровне 98–99%, селективность по NaCl для различных нанофильтра­ционных мембран составляет 5-85 % .

Рабочее давление в процессах НФ обычно лежит в пределах от 3 до 20 атм. При этом селективность нанофильтрационных мембран к катионам Ca 2+ и Mg 2+ различна (табл. 3.3), и зависит от состава воды. В любом случае, степень извлечения солей жесткости ниже, чем при обратном осмосе.

Характеристики серийных нанофильтрационных рулонных элементов Filmtec , представлены в таблице 2 [12].

 

Таблица 2. Основные характеристики нанофильтрационных элементов Filmtec

Обозначение элемента

Размеры, мм

Площадь
фильтрации, м 2

Производительность,
л/ч

Селективность,
%

диаметр элемента

длина

диаметр патрубка пермеата

NF 90-2540

61,0

1016

19,0

2,6

96

99

NF 90-4040

99,0

1016

19,0

7,6

290

99

NF90-400

201

1016

29,0

37,2

1183

85–95

NF200-400

201

1016

29,0

37,2

1264

35–50

NF270-400

201

1016

29,0

37,2

2316

40–60

NF270-2540

61,0

1016

19,0

2,6

133

99

NF270-4040

99,0

1016

19,0

7,6

400

99

NF 400

201

1016

29,0

37,2

1070

98

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.

Часть 3 - окончание

Rambler's Top100 Rambler's Top100