ГЛАВА 4. Микрофильтрация и ультрафильтрация

 

  К оглавлению книги

Микрофильтрация и ультрафильтрация – это процессы мембранного разделения, а также фракционирования и концентрирования веществ, осуществляемые путем фильтрования жидкости под действием разности давлений до и после мембраны. Используемые мембраны представляют собой пористые перегородки с определенным размером отверстий. Механизм разделения основан на процессе сепарации или «просеивания» частиц в зависимости от их размера, т.е. происходит селективное удаление всех частиц с размерами большими, чем размер пор мембраны. Частицы, размер которых превышает максимальный размер пор, отсекаются мембраной и переходят в концентрат (ретантат). Большая часть жидкости и частицы, размеры которых меньше максимального размера пор, проходят через мембрану, образуя фильтрат (пермеат). Солевой состав воды при этом сохраняется неизменным.

Мембрана имеет очень однородный и вполне определенный размер пор. Это обстоятельство делает микро- и ультрафильтрацию уникальными и чрезвычайно привлекательными технологиями очистки, т.к. качество обработанной воды соответствует определенным абсолютным критериям и не зависит от качества исходной воды.

Метод микрофильтраци и предложил Зигмонди в 1922 г. В зависимости от применяемых мембран, он служит для отделения от жидкости частиц с размером 0,1–1 мкм [1].

Метод ультрафильтрации был предложен Бехгольдом в 1907 г. и он предусматривает использование мембран с характерным размером пор – 0,01–0,1 мкм.

При микрофильтрации задерживаются основная масса взвесей, крупные коллоиды, большинство бактерий и микроорганизмов, частично вирусы (рис. 4.1).

Удаление загрязнений воды микрофильтрацией и ультрафильтрацией

Рис. 4.1. Удаление загрязнений микрофильтрацией и ультрафильтрацией

Микрофильтрация способна эффективно функционировать при перепаде давления на фильтрующей перегородке, как правило, не превышающем 0,02–0,3 МПа.

Указанные характеристики микрофильтрации предопределяют области ее применения для целей промышленной водоподготовки, среди которых необходимо выделить осветление природных вод удалением взвешенных частиц перед дальнейшей обработкой , предварительную обработку воды перед обратным осмосом для продления срока службы мембран, финишную стерилизацию вод и растворов в пищевой, медицинской и электронной промышленности.

Микрафильтрационные мембраны могут использоваться как в тупиковом режиме, так и в тупиковом с регенерацией обратным током, а также в режиме с тангенциальной фильтрацией.

Микрофильтрационные элементы в виде картриджей для целей водоподготовки в тупиковом режиме выпускает огромное число производителей во всем мире – « Millipore », « Pall », Sartorius AG, « Harmsco », « US Filter » [88–91], в том числе в России – НПП «Тензор», ООО «Промфильтр» (г. Дубна), НПП «Экспресс-Эко» (г. Обнинск), НПП «Технофильтр» (г. Владимир), ЗАО «Фильтр», (п. Товарково) [101–107]. Микрофильтрационные элементы для режима с тангенциальной фильтрацией выпускаются в виде керамических и металлокерамических модулей. Крупнейшими западными производителями являются компании « Inopor GmbH», « GEA Westfalia Separator » и «Tami GmbH» (ФРГ) [111–113], отечественными – ЗАО «Керамикфильтр», Ассоциация «Аспект» [110]. Листовые МФ и УФ мембраны, применяемые в картриджах и плоскорамных аппаратах, изготавливаются ЗАО НТЦ «Владипор» [103]. Так называемые «ядерные фильтры» производит «Трекпор Технолоджи» (г. Дубна) [117].

Половолоконные мембраны для напорного и вакуумного фильтрования выпускают фирмы, производящие аналогичные мембраны для ультрафильтрации – «Hydranautics», «Nori » (Нидерланды), «Inge» (Германия), «Membrana», «GE water», «Koch Industries», «Toray» и другие [92–96].

При ультрафильтрации удаляются практически все механические частицы, коллоиды, белки, микробиологические загрязнения, а также часть органических веществ с молекулярной массой 1 000 – 300   000 Да (рис. 4.1). Вследствие малых осмотических давлений высокомолекулярных соединений и относительно низкого гидравлического сопротивления мембранных модулей ультрафильтрацию проводят при сравнительно невысоких избыточных давлениях – 0,1–0,5 МПа.

Наряду с размером пор ультрафильтрационные мембраны также могут характеризоваться значением условной молекулярной массой частиц, которые не способны проникнуть сквозь мембрану. Обычно в промышленных и муниципальных установках водоподготовки используются ультрафильтрационные мембраны с границей отсечки по молекулярному весу задерживаемых компонентов ( MWCO – Molecular Weight Cut - Off ) 80–150   кДа, которые обеспечивают надежный барьер для вирусов. Это примерно соответствует размеру пор около 0,02–0,03 мкм.

Области применения ультрафильтрации для целей промышленной водоподготовки значительно шире, чем у микрофильтрации, и предусматривают как предварительную очистку воды перед установками обратного осмоса, так и самостоятельное использование в муниципальных системах водоподготовки для обеспечения стерильности очищенной воды.

Ультрафильтрационные мембраны в большинстве случаев могут работать как в тангенциальном режиме, так и в тупиковом с регенерацией обратным током.

Ультрафильтрационные элементы для целей водоподготовки выпускают многие компании, в первой десятке которых значатся «Norit» [92], «Zenon» [6], «Osmonics» [100]), «Inge» [93], «Koch» [99], «Toray» [98], «Nadir-Microdyne» [120], «Degr em ont» [121], «Hydranautics» [96], «Dow Chemical» (Omexell) [95]. В СССР/России ультрафильтрационные мембраны мелкосерийными партиями выпускались ПО «Химволокно» (ныне ООО «Лирсот», г. Мытищи) – половолоконные элементы [122], и ЗАО НТЦ «Владипор» (г. Владимир) [103] – рулонные элементы. Керамические мембраны и модули производятся НПО «Керамикфильтр» и РХТУ им. Д.И. Менделеева [114, 115].

Большое число производителей предопределяет достаточно высокую конкуренцию, что, в свою очередь, требует от потребителя определенной квалификации при выборе оптимальных для данных условий элементов или технологии ультрафильтрации.

Микро и ультрафильтрации обычно подвергается вода, загрязненная мелкими частицами и растворенными компонентами, молекулярная масса которых намного больше молекулярной массы растворителя. Эффективность разделения зависит от структуры мембран, скорости течения и концентрации разделяемого раствора, формы, размера и диффузионной способности растворенных молекул.

Удаление этими методами мелких молекул или ионов возможно при их укрупнении до мицелл или коллоидных частиц с помощью специальных реагентов с большой молекулярной массой, селективно реагирующих с такими веществами, или при коагуляции. Такой процесс называется реагентной или мицеллярно-усиленной ультрафильтрацией. Он позволяет селективно извлекать из раствора заданные ионы загрязнений или достаточно глубоко (до 60–70%), очищать воду от органических веществ с низкой молекулярной массой, таких как гуминовые и фульвокислоты, которые в большой степени определяют цветность воды, ее окисляемость и содержание железа в виде комплексов.

Rambler's Top100 Rambler's Top100