3.5.4. Аппараты с мембранами в виде полых волокон

 

  К оглавлению книги

Для проведения различных мембранных процессов предложены специальные мембраны в виде полых волокон. Полые волокна представляют собой пористые трубки малого диаметра с анизотропной структурой, имеющие, по сравнению с другими современными мембранами, толстый разделительный слой и, соответственно, низкую удельную производительность. Однако из-за очень большой общей поверхности фильтрации в объеме единичного модуля (до 20000 м2 /м3 ) достигается его высокая производительность.

Мембранный элемент с полыми волокнами (рис. 3.38, а ) представляет собой пластиковый корпус со штуцерами, в который уложен пучок из тысяч полых волокон (рис. 3.38, б ). Концы волокон с двух сторон загерметизированы так, что открытые торцы выходят в концевые камеры (рис. 3.38, в ).

Фильтрация раствора производится либо внутрь волокон, либо наружу. Первый способ обычно используется в обратном осмосе при высоком давлении, а второй – в микро- и ультрафильтрации.

В настоящее время УФ элементы, предназначенные для целей водоподготовки, производят из полых волокон или трубок с внутренним диаметром, в основном, от 0,8 до 16 мм . Волокна с увеличенным диаметром – это уже трубчатые элементы, их рабочая поверхность существенно уменьшается, но появляется возможность фильтрации воды, содержащей значительное количество взвеси. К сожалению, возможное давление при обратной промывке снижается из-за непрочности трубок и для удаления загрязнений приходится использовать дополнительные технологические приемы.

В напорной ультрафильтрации движущей силой служит перепад давления на мембране, возникающий при создании избыточного давления со стороны исходной воды по сравнению с давлением на выходе фильтрата.

Напорные УФ модули – это комплект полых волокон, размещен ных в корпусе, который может выдержать относительно высокое (обычно 4–5 атм) давление исходной воды (рис. 3.38, 3.39). Напорная УФ реализуется при трансмембранном давлении от 0,1 до 2,5 атм.

В отличие от рассмотренных ниже рулонных элементов со стандартными размерами и конструкцией. до настоящего времени для элементов на полых волокнах не найдено оптимальное решение и все производители разрабатывают собственные конструкции, различающиеся присоединительными размерами и внутренним устройством. Поэтому в данном разделе рассмотрены основные предлагаемые варианты.

ультрафильтрационный элемент с полыми волокнами

а

вид полых волокон с торца ультрафильтрационного элемента

б

герметизация полых волокон элемента ультрафильтрации воды

в

Рис. 3.38. Элемент с полыми волокнами:

а – мембранный элемент: 1 – подача очищаемой воды; 2– выход пермеата; 3– выход концентрата; 4 – подача промывной воды; б – вид полых волокон с торца; в – герметизация полых волокон

В качестве примера приведем модуль HYDRAcap фирмы «Hydra­nautics» [96]. Он имеет корпус диаметром 225 мм и длиной 40 (60) дюймов, в котором размещено около 2000 полых волокон с внутренним диаметром 0,8 мм общей площадью фильтрации 19 (30) м 2 (рис. 3.39).

Очищаемый раствор подается через концевую камеру внутрь всех трубок и фильтруется в течение некоторого времени: для речной воды – обычно 20–30 минут под давлением 1,5–4,0 атм. Затем следует интенсивная обратная промывка в течение 20–30 секунд при давлении 2–3 атм . Загрязнения с внутренней поверхности трубок собираются в концевую камеру на другой стороне модуля и удаляются в сборник.

В большинстве случаев для ультрафильтрации применяются одноканальные волокна с внутренним диаметром 0,8 мм или меньше, для исходной воды с высоким содержанием взвешенных твердых веществ используются волокна с большим внутренним диаметром – до 1,5 мм . Например, внутренний диаметр мембран HYDRAcap – 0,8 и 1,2 мм .

Элемент из полых волокон HYDRAcap для тупиковой фильтрации и регенерации обратным током

Элемент из полых волокон HYDRAcap для тупиковой фильтрации и регенерации обратным током

Рис. 3.39. Элемент из полых волокон HYDRAcap для тупиковой фильтрации и регенерации обратным током:

1 – корпус; 2 – полые волокна; 3 – герметичная заливка; 4 – пермеат; 5 – подача воды; 6 – вывод загрязнений

Компания « Norit » (Нидерланды) [92] выпускает УФ мембраны с внутренним диаметром 0,8; 1,2; 2,5 мм для вод мутностью до 200 мг/л и 5, 8, 14 мм для обработки сточных вод.

Диаметр волокон является компромиссом между требующейся высокой плотностью упаковки, простотой обратной промывки, малой загрязняемостью, уровнем эксплуатационных затрат, высокой проницаемостью, и в то же время высокой механической прочностью, что обеспечивает целостность мембраны.

При увеличении диаметра волокна снижается допустимое давление снаружи, что ограничивает возможность обратной промывки (при фильт ­рации изнутри наружу) или давление фильтрации (при фильтрации снаружи внутрь).

Компания « Inge » (Германия) [93] выпускает не только одноканальные половолоконные УФ мембраны из полиэфирсульфона, но и мембраны в виде многоканальных волокон (рис. 3.40).

Схема и разрез многоканального полого волокна ультрафильтрационного элементаСхема и разрез многоканального полого волокна ультрафильтрационного элемента

Рис. 3.40. Схема и разрез многоканального полого волокна

Для многоканальных волокон возможность их повреждения от превышения перепада давления при фильтрации и при обратной промывке исключается, т.к. каждое волокно состоит из прочной высокопористой матрицы с 7 капиллярами, имеющими внутренний диаметр 0,9 мм. Это существенно увеличивает механическую прочность и гарантирует целостность мембраны как в режиме фильтрации, так и при промывке. Отсечка у мембран производства компании «Inge» – 100 кДа. Рабочая температура – 2–40 ° С. Максимальная мутность исходной воды для многоканальных волокон – 50–100 мг/л. При мутности до 200–300 мг/л используются одиночные волокна, в т.ч. увеличенного диаметра.

Важным вопросом является организация равномерного подвода жидкости при обратной промывке к плотно уложенным по всей длине и диаметру модуля волокнам. Если фильтрование проводится изнутри наружу, то организация вывода фильтрата не представляет особой проблемы. При обратной промывке, когда расход воды существенно выше, ситуация может стать критической: волокна внутри пучка могут быть экранированы наружными и их промывка не будет эффективной.

В модулях малого размера отведение фильтрата и его подача при промывке производится через боковые патрубки (рис. 3.39). В промышленном модуле HYDRAcap для этого используется центральная распределительная перфорированная труба [96].

Работа напорного модуля ультрафильтрации водыРабота напорного модуля ультрафильтрации воды

а б

Рис. 3.41. Работа напорного модуля: а – фильтрация, б – промывка

Во многих конструкциях (рис. 3.42 а , б) волокна разделяют на секторы специальными крупноячеистыми сетками, обладающими малым гидравлическим сопротивлением и обеспечивающими подвод промывной воды к периферийным волокнам.

В модулях фирмы «Norit» [92] пучки полых волокон связаны в блоки трапециидального сечения, которые плотно уложены вокруг центральной трубы, снабженной радиальными распределительными пластинами (см. рис. 3.42). Все это обеспечивает достаточно свободный доступ при выводе чистой воды и подаче ее на промывку.

Схема модулей ультрафильтрации фирмы « Norit » Схема модулей ультрафильтрации фирмы « Norit »
а
б

Рис. 3.42 . Схема модулей фирмы « Norit »:

а – для вертикальной одиночной установки, б – для горизонтальных многомодульных систем типа Xiga

Интересным решением, реализованным компанией «Inge» в модуле типа dizzer является неосесимметричное расположение блока полых волокон в напорном корпусе (рис. 3.43 ). Оно позволяет обеспечить равномерный по длине и по периметру модуля отвод фильтрата и подвод его при регенерации. Это повышает эффективность регенерации и, в конечном счете, производительность модуля.

Схема потоков в модуле ультрафильтрации типа dizzer

а

Схема потоков в модуле ультрафильтрации типа dizzer

б

Рис. 3.43 . Схема потоков в модуле типа dizzer ( а ) и вид вскрытого модуля ( б )

Другим вариантом, предназначенным для этих целей, являются модули Liqui-Flux фирмы « Membrana» [94] , в которых волокна собраны в несколько относительно небольших круглых пучков (рис. 3.44 ). Причем для сохранения промежутков между волокнами каждые 3–5 волокна обматываются специальной нитью. Этим достигается равномерность подвода фильтрата ко всем волокнам при регенерации.

Мембранные модули для обеспечения заданной производительности собираются в блоки (см. ниже).

Вакуумная ультрафильтрация происходит за счет создания разрежения на линии фильтрата. Применяемые для этих целей УФ модули чаще всего представляют собой бескорпусные кассеты из блоков полых волокон, которые погружаются в емкости с исходной водой (рис. 3.45 ).

Схема модуля типа Liqui-Flux

Схема модуля типа Liqui-Flux

Рис. 3.44 . Схема модуля типа Liqui-Flux

Бескорпусная кассета ультрафильтрационного модуля

Рис. 3.45. Бескорпусная кассета

 

При вакуумной ультрафильтрации существует естественное ограничение по перепаду давления – 0,7–1,0 атм. В силу этого вакуумные мембраны, для увеличения производительности по фильтрату с единицы площади поверхности (удельного съема), изготавливают с порами, размер которых находится в диапазоне 0,08–0,1 мкм, что соответствует пограничной области между ультрафильтрацией и микрофильтрацией. С другой стороны, невысокие значения удельного съема погружных вакуумных ультрафильтрационных модулей обеспечивают возможность работы в условиях высокого содержания взвешенных веществ в исходной воде.

Для обеспечения одинаковой производительности вакуумных мембран требуется больше, чем напорных. Мембраны стоят дороже, чем оболочка мембранных корпусов, поэтому стоимость вакуумной УФ установки оказывается, как правило, выше, чем напорной.

С другой стороны, в силу низкого значения трансмембранного давления для погружных мембран, а следовательно, и низких энергозатрат, существуют условия, при которых эксплуатационные затраты на вакуумную ультрафильтрации могут оказаться ниже, чем на напорную. Кроме того если у потребителя уже существуют емкости, в которых можно разместить погружные мембранные модули, то вакуумная УФ может оказаться дешевле напорной с точки зрения объема требуемых капитальных затрат и занимаемых площадей.

При определенных условиях (минимальная температура превышает 0 ° С) возможно размещение мембранных модулей непосредственно в водоеме.

Rambler's Top100 Rambler's Top100