4.2. Варианты реализации тупиковой фильтрации

 

  К оглавлению книги

При тупиковой (фронтальной) фильтрации весь очищаемый раствор пропускается через мембрану. Находящиеся в нем загрязнения задерживаются и накапливаются на мембране (см. главу 2). После забивания пор, когда давление превысит заданный порог, мембрану заменяют. Этот метод можно применять только при очистке воды с малым количеством загрязнений, отделяемых фильтром. Поэтому такие водоподготовительные аппараты используются исключительно для микрофильтрации достаточно чистых растворов.

Тупиковая фильтрация реализуется в так называемых картриджных (патронных) фильтрах, основой которых является сменный фильтрующий элемент – картридж, или патрон (см. главу 3). Мембраны с размерами пор 0,1–10 мкм для задержания частиц таких размеров стоят относительно дешево и поэтому они используются однократно.

В настоящее время мировыми и отечественными производителями разработана и выпускается огромная номенклатура картриджей с тонкостью фильтрации (рейтингом) от 0,05 до 10 мкм из самых разных материалов.

Они бывают двух основных типов – с поверхностной и объемной фильтрацией. Последние не относятся к мембранным технологиям водоподготовки и поэтому здесь не обсуждаются. Первые используют тонкослойную мембрану типа пленки или бумаги. Исходная вода пропускается через мембрану и все частицы крупнее ее пор, задерживаются и накапливаются на ее поверхности.

Основной задачей при создании конструкции картриджей является повышение качества очистки и увеличение грязеемкости. Первое обеспечивается созданием почти одинаковых пор, а второе достигается увеличением рабочей поверхности мембраны путем гофрирования, что также снижает гидродинамическое сопротивление и повышает производительность.

Поскольку размер пор относительно велик, сопротивление таких мембран незначительно. Потери давления составляют, как правило, не более 0,1–0,2 МПа. Производительность пропорциональна приложенному давлению.

По мере загрязнения проницаемость мембраны понижается, а перепад давления (при обеспечении постоянного расхода) увеличивается. Достижение перепадом давления критического уровня сигнализирует о необходимости замены картриджа. Чем мельче отверстия в мембране, тем быстрее она забивается.

Требования к картриджам подразумевают, что фильтр должен не только обеспечить удаление частиц, но и исключить опасность привнесения химических загрязнений от растворения материалов, из которых он изготовлен.

Картриджи для микрофильтрации выпускаются на основе целлюлозного и стеклянного волокна, полиэфирсульфона, полиамида, капрона, полипропилена, гидрофобного и гидрофильного фторопласта.

Как указывалось выше, материалы, из которых изготовлен фильтрующий элемент, могут быть гидрофобными и гидрофильными. Для процессов микрофильтрации необходимо либо использование гидрофильных материалов, либо проведение гидрофилизации фильтрующего элемента перед его применением.

Влияние недостаточной гидрофильности фильтра на его эксплуатационные характеристики зависит от характера распределения пор по размерам. При наличии только маленьких пор размером менее 0,5   мкм процесс фильтрации практически невозможен, поскольку поры заполнены воздухом, который из-за капиллярных эффектов (несмачиваемость) не может быть вытеснен водой. При наличии пор различных размеров только большие поры заполняются водой. Маленькие поры по-прежнему заполнены воздухом и недоступны для фильтрации. В результате используется только часть поверхности или объема фильтра, что сокращает его производительность. Кроме того, маленькие частицы загрязнений, которые должны задерживаться мелкими порами, проходят через большие поры, и эффективность фильтрации оказывается ниже ожидаемой.

Распределение заполненных водой пор по размерам в частично ( а ) и полностью гидрофильной мембране ( б ) показано на рис. 4.4. Видно, что в первом случае часть самых мелких пор заполнена воздухом и для фильтрации заблокирована.

Распределение заполненных водой пор (на рисунке заштриховано) по размерам в частично ( а ), и полностью гидрофильной мембране

Распределение заполненных водой пор (на рисунке заштриховано) по размерам в частично ( а ), и полностью гидрофильной мембране

а б

Рис. 4.4. Распределение заполненных водой пор (на рисунке заштриховано) по размерам в частично ( а ), и полностью гидрофильной мембране ( б )

Гидрофильный материал фильтра смачивается самопроизвольно; при этом:

  • воздух выходит изо всех пор;
  • пористая структура используется более полно, в результате чего обеспечивается максимальная производительность;
  • эффективность фильтрации повышается.

Для обеспечения высокой гидрофильности и самопроизвольного смачивания специально разработаны новые полимерные материалы с высокой поверхностной энергией:

  • гидрофильный фторопласт-4 ПТФЭ – Hydrophilic PTFE
  • гидрофильный фторопласт ПВДФ ( фторопласт-42) – Hydrophilic PVDF
  • гидрофильный полиэтилен ПЭ – Hydrophilic UPE
  • не теряющий смачиваемости ПТФЭ – QuickChange PTFE.

В мире и в России выпускается огромное количество картриджей, отличающихся по применяемым материалам и габаритам (см. главу 3), для очистки воды и других жидкостей от разнообразных примесей. Основные параметры картриджей рассмотрим на примере некоторых отечественных изделий ООО НПП «Технофильтр» (г. Владимир) и ООО «НПП Экспресс-Эко» (г. Обнинск) [102, 105].

Для всех мембранных фильтров, работающих при ламинарном режиме течения фильтруемой жидкости, падение давления пропорционально скорости потока жидкости и ее вязкости. Графики зависимости производительности от давления для фильтров из разных материалов имеют вид линейных зависимостей с углами наклона, определяемыми рейтингом мембран, их пористостью и смачиваемостью ( рис. 4.5) .

Гидравлические характеристики фильтрующих элементов из полипропилена высотой 250 мм с разными рейтингами фильтрации в мкм

Рис. 4.5. Гидравлические характеристики фильтрующих элементов из полипропилена высотой 250 мм с разными рейтингами фильтрации в мкм

У каждого вида картриджей есть свои преимущества и область оптимального использования.

Например, наиболее дешевые и распространенные гофрированные пленочные фильтрующие элементы на основе полипропилена обладают следующими отличительными характеристиками:

Отличительные
свойства

Обусловленное преимущество

Хорошая термохимическая стойкость фильтрующего элемента

Хорошая химическая совместимость

Широкий диапазон рН

Термическая стойкость (от 0 до 60 °С).

Высокая механическая прочность фильтровального материала

Возможность многократного высушивания и смачивания.

Способность выдерживать высокие перепады давления в прямом и обратном направлении.

 

Фильтровальный материал представляет собой пористую пленку из каландрированного волокнистого полипропилена без каких-либо добавок и примесей, вместе с внешним и внутренним дренажными слоями, выполненными из нетканого термоскрепленного полипропилена, уложен в виде полого цилиндрического гофропакета высотой 250 мм и помещен между внешним и внутренним перфорированными каркасами.

Элементы высотой 500, 750 или 1000 мм получают сваркой 2, 3 или 4 элементов высотой 250 мм через переходные детали. Элементы любой высоты имеют одну тупиковую концевую деталь, а другую проходную с соответствующим типом адаптера. Концевые и переходные детали, внешние и внутренние перфорированные каркасы элементов выполнены монолитными из полипропилена и герметично приварены к торцам гофропакета.

Поскольку используемый материал гидрофобен, то минимальный размер пор ограничен 1 мкм.

4.3. Рабочие характеристики элементов высотой 250 мм

Техническая марка

ЭФП-403L -1-250

ЭФП-403L -2-250

ЭФП-403L -5-250

ЭФП-403L -10-250

Рейтинг фильтрации (номинальная тонкость фильтрации), мкм

1

2

5

10

Средний размер пор, мкм

0,7

1,9

3,2

6,2

Максимальный размер пор (абсолютная тонкость фильтрации), мкм

3

6

9

16

Начальная производительность по жидкости при
t = 20 °С и dР = 0,1 МПа , м 3 /ч

8

12

18

36

Площадь фильтрации, м 2

0,7

Максимальная рабочая температура, °С

60 (80 кратковременно)

Максимальный перепад давления в прямом и обратном направлении фильтрации

0.6 МПа при 20 °С

0.2 МПа при 80 °С

Стерилизация паром в линии

При 121 °С в течение 45 минут до 10 стерилизаций

Рекомендуемый расход жидкости, л/ч

До 500

 

Гидравлические характеристики фильтрующих элементов высотой 250 мм марки ЭФП-403L с разными рейтингами фильтрации показаны на рис. 4.5. Для всех элементов они получаются на дистиллированной воде без каких-либо взвесей. В реальных условиях производительность будет ниже, а трансмембранное давление – выше. По мере засорения мембраны производительность будет падать, что и является сигналом к замене картриджа. Скорость забивания напрямую зависит от содержания взвесей в очищаемой воде.

Полиамидные мембраны

Микрофильтрационные полиамидные мембраны на основе капрона (ММК) по своей природе гидрофильны и сразу же смачиваются водой и водными растворами. Мембраны ММК устойчивы в водных средах с pH от 2 до 13, а также в большинстве органических растворителей, устойчивы к механическим, химическим и термическим нагрузкам, биологически инертны.

Мембраны ММК хорошо выдерживают стерилизацию насыщенным паром в автоклаве при температуре 120±10 °C. Кроме паровой стерилизации, могут быть использованы радиационная стерилизация g -облучением и химическая стерилизация раствором перекиси водорода.

Применяются для удаления из жидкостей частиц размером от 0,1 до 1 мкм.

Полиэфирсульфоновые мембраны

Отличительные свойство

Преимущества

Высокая гидрофильность

Лучшее применение для фильтрации воды и водных растворов

Высокая селективность – узкое распределение пор

Качественная финишная фильтрация

Рейтинги фильтрации
0,2; 0,45 и 0,65 мкм

Возможность стерилизующей фильтрации фармацевтических жидкостей и препаратов

 

Основой фильтрующего элемента ЭПМ.ПС является гидрофильная полиэфирсульфоновая мембрана с абсолютным рейтингом и ассиметричной структурой пор, что обеспечивает высокую производительность при минимальном перепаде давления в сочетании с высокой термохимической стойкостью. Размер пор 0,20; 0,45 и 0,65 мкм. Дренажный слой – полипропилен. Внутренние, внешние и концевые детали – полипропилен. Элемент характеризуется:

  • высокой химической стойкостью (pH 2–14);
  • термической стойкостью (до 100 °С по воде);
  • возможностью стерилизацию паром;
  • ярко выраженной асимметричной структурой пор и увеличенной общей пористостью мембраны;
  • высокой прочностью фильтрующего элемента;
  • низким сопротивлением;
  • высокой производительностью.

Фторопластовые мембраны

Отличительные
свойства

Преимущества

Уникальная термохимическая стойкость фильтровального материала и фильтрующего элемента

Максимальная химическая совместимость (любые значения рН).

Прекрасная термохимическая стойкость (от –40 до +150 °С).

Возможность многократной пропарки в автоклаве и в линии.

Высокая механическая прочность, не зависящая от выдержки в большинстве растворителей

Возможность многократного высушивания и смачивания в процессе эксплуатации.

Способность выдерживать высокие перепады давления.

Любые способы санитарно-химической обработки, стерилизации, промывки и регенерации.

Уникальная химическая чистота фильтровального материала

Достижение идеальной чистоты при отмывке элементов.

Отсутствие каких-либо выделений органического или неорганического характера в фильтрат.

 

Гофрированные пленочные фильтрующие элементы ЭФП-400L на основе пористой пленки из суспензионного политетрафторэтилена (марки Ф-4) без каких-либо добавок и наполнителей предназначены для удаления из жидкостей частиц размером от 0,5 до 4 мкм.

Микрофильтрационные гидрофильные фторопластовые мембраны марки МФ из фторопласта-42 представляет собой пористый пленочный материал на основе фторопласта Ф42Л, армированный различными неткаными материалами (полипропиленом, лавсаном) с размером пор 0,05; 0,15; 0,25; 0,45; 0,65; 0,80 мкм и общей пористостью 80–85%. Диапазон pH = 1–12. Максимально допустимый перепад давления 0,5 МПа. Максимальная рабочая температура 75 °С (80 кратковременно).

Для увеличения срока службы таких фильтров, желательно предварительно удалять основную массу крупных взвесей, например, на регенерируемых засыпных фильтрах или крупных регенерируемых сетках.

Картриджные фильтры (см. также главу 3)

В большинстве обратноосмотических систем требуется предварительная «полицейская» фильтрация с рейтингом 5 мкм, ее назначение – предотвратить попадание случайных механических частиц на обратноосмотические мембраны. В этих случаях применение мембранной микрофильтрации с одноразовыми картриджами целесообразно по экономическим показателям. Для решения этой задачи, как правило, используют механические полипропиленовые картриджные фильтры. Так, для установок ДВС–М/150-8-54 (ЗАО «НПК Медиана-Фильтр») производительностью 50 м 3 /ч используется 40 сорокадюймовых полипропиленовых картриджей рейтингом 5 мкм, размещенных в фильтродержателях из нержавеющей стали. На рис. 4.6 показаны примеры использования фильтродержателей разной производительности, интегрированных в промышленные системы обратноосмотического обессоливания.

Фильтры с рейтингом фильтрации 0,1–0,35 мкм устанавливаются на всех линиях распределения обессоленной воды в производствах медицинских препаратов и электронных компонентов. Они необходимы для удаления микровзвесей и микробиологических загрязнений – так называемая финишная стерилизующая фильтрация.

Картриджные фильтры, установленные перед системами обратного осмоса на ВПУ НчГРЭС ( а ), Шатурской ГРЭС ( б ) и Кирово-Чепецком заводе минудобрений ( в )

Картриджные фильтры, установленные перед системами обратного осмоса на ВПУ НчГРЭС ( а ), Шатурской ГРЭС ( б ) и Кирово-Чепецком заводе минудобрений ( в )

Картриджные фильтры, установленные перед системами обратного осмоса на ВПУ НчГРЭС ( а ), Шатурской ГРЭС ( б ) и Кирово-Чепецком заводе минудобрений ( в )

а

б

в

Рис. 4.6. Картриджные фильтры, установленные перед системами обратного осмоса на ВПУ НчГРЭС ( а ), Шатурской ГРЭС ( б ) и Кирово-Чепецком заводе минудобрений ( в )

 

Рейтинг финишной фильтрации зависит от технологических требований. В этом отношении показательны возрастающие требования к рейтингу фильтрования в микроэлектронике: в 60–70-е годы требовался рейтинг 1 мкм, в 80-е – 0,45 мкм, в 90-е – 0,2 мкм. В настоящее время ( 2011 г .), когда топологические размеры в микроэлектронике достигают 0,065 мкм, удовлетворительным является рейтинг 0,1 мкм и ультрафильтрация.

В пищевой промышленности достаточным считается финишная фильтрация с рейтингом 0,45 мкм. В медицине и фармацевтике стандартом является стерилизующая фильтрация с рейтингом 0,22 мкм. На рис. 4.7 представлена установка стерилизующей фильтрации в циркуляционной петле, где качество воды соответствует требованиям ФС «Вода очищенная».

Узлы стерилизирующей микрофильтрации ( 1 ), озонирования ( 2 ) и ультрафиолетового облучения ( 3 ) в распределительно-циркуляционной линии воды по ФС «Вода очищенная» Узлы стерилизирующей микрофильтрации ( 1 ), озонирования ( 2 ) и ультрафиолетового облучения ( 3 ) в распределительно-циркуляционной линии воды по ФС «Вода очищенная»

 

Рис. 4.7. Узлы стерилизирующей микрофильтрации ( 1 ), озонирования ( 2 ) и ультрафиолетового облучения ( 3 ) в распределительно-циркуляционной линии воды по ФС «Вода очищенная»

 

Rambler's Top100 Rambler's Top100