4.3. Варианты реализации режима тангенциальной фильтрации

  К оглавлению книги

Изначально процессы ультрафильтрации разрабатывались для решения задач в области биотехнологии по очистке, разделению и концентрированию белков из концентрированных многокомпонентных растворов. В этих условиях может использоваться только режим тангенциальной фильтрации. Наиболее крупным потребителем ультрафильтрационных установок являлась молочная промышленность, где УФ использовалась для выделения белков из подсырной воды или творожной сыворотки и концентрирования молока для увеличения выхода сыра и сокращения затрат. Посредством ультрафильтрации также выделяли ферменты, витамины, вирусы; стерилизовали жидкости медицинского и фармацевтического назначения. Отдельной областью применения стала очистка сточных вод, содержащих масла, нефтепродукты, например, смазывающих-охлаждающих жидкостей – СОЖ.

Основным видом мембран являлись плоские, которые применяются в аппаратах типа фильтр-пресс, а также трубчатые. Они давали возможность перерабатывать загрязненные растворы и производить механическую очистку мембран. Производительность аппаратов с такими мембранами была ограничена единицами кубических метров в час.

Для водоподготовки нужны мембраны и аппараты со значительно более высокой производительностью, требующие при этом минимальных затрат энергии, стойкие к загрязнениям и окислителям.

Тангенциальный режим фильтрации характеризуется тем, что высокая скорость потока вдоль мембраны создает турбулентность в канале подачи воды, которая затрудняет накопление загрязнений на поверхности мембраны и обеспечивает ее эффективную очистку, что особенно важно для воды с высоким содержанием нерастворимых взвесей. Основной же недостаток такой системы – необходимость использования дополнительного мощного насоса для обеспечения требуемой скорости потока и трубопроводов обвязки большого сечения, что приводит к увеличению капитальных и энергетических затрат.

4.3.1. Аппараты фильтр-прессного типа

Используются для микрофильтрации и ультрафильтрации. Различие состоит в типе используемых мембран. Применяются для обработки небольших потоков сильно загрязненных растворов, когда требуется высокая степень их концентрирования.

Листовые мембраны для аппаратов фильтр-прессного типа изготавливаются из того же многообразия материалов, что и для других баромембранных процессов. Они представляют собой либо однослойные пористые пленки с анизотропной структурой, либо двухслойные пленки с тонким (0,5–5,0 мкм) разделительным слоем, опирающимся на крупнопористую основу из того же полимерного материала. Армирующая подложка выполнена из нетканого полиэфира или пропилена, что придает ей необходимый комплекс механических характеристик. Асимметричная структура обеспечивает сочетание высокой производительности фильтрации и степени задержания загрязнений. Мембраны производятся в виде непрерывного полотна. В аппаратах типа фильтр-пресс они помещаются на специальных рамках, снабженных дренажными каналами (рис. 3.30).

4.3.2. Трубчатые мембраны

Трубчатые мембраны для микрофильтрации и ультрафильтрации выполняются из керамических, металлокерамических, стекло- и графитопластиковых трубок с нанесенным специальным разделительным слоем. Имеют незначительную удельную поверхность фильтрации и, соответственно, производительность. Используются для разделения смесей веществ, очистки сточных вод. Имеется возможность безразборной очистки таких мембран путем применения шариков с большим, чем мембрана, диаметром.

В стандартных элементах типа БТМ (табл. 4.4) для микрофильтрации, и БТУ (табл. 4.5) для ультрафильтрации, выпускаемых ЗАО «Владипор» [103], объединены 7 трубок наружным диаметром 15 мм , внутренним 13 мм и длиной 2000 мм , которые вставляются в корпус-трубу внутренним диаметром 60 мм со штуцерами для вывода пермеата. Трубки выполнены из пористого стеклопластика. В торцах корпуса закрепляются концевые камеры. Очищаемая вода вводится с одного конца во внутреннюю полость всех трубок, а концентрат выводится с противоположного конца. Пермеат удаляется из межтрубного пространства корпуса аппарата. Рабочая поверхность аппарата составляет около 0,5 м 2 . Для предотвращения забивания пор и снижения эффекта концентрационной поляризации необходимо обеспечивать высокую скорость раствора внутри трубок, на уровне 2–4 м/с. Для создания такой скорости и достаточного концентрирования модули включаются последовательно.

4.4. Трубчатые микрофильтрационные модули типа бтм

Материал разделительного слоя мембраны

Полисульфон (ПС)

Полисульфонамид (ПСА)

Фторопласт (Ф)

Технические характеристики:

 

 

 

 

 

 

средний размер пор, мкм

0,2

0,45

0,2

0,45

0,2

0,6

проницаемость (по чистой воде при
Р = 0,1 МПа, Т = 25 ° С после
5 часов испытаний), л/(м 2 ·ч)

200

250

300

600

250

600

Рабочие характеристики:

 

 

 

 

 

 

рекомендуемое рабочее давление, МПа

0,1

0,1

0,1

0,1

0,1

0,1

рекомендуемая минимальная скорость потока над поверхностью мембраны, м/с

2,5

2,5

2,5

2,5

2,5

2,5

Достоинством этих аппаратов является возможность очистки растворов с большим количеством коллоидов, высокомолекулярных веществ, тонко- и грубодисперсных взвесей, вплоть до крупных, а также относительная легкость замены вышедших из строя модулей. Недостатком считается очень низкая удельная поверхность (плотность упаковки) мембран.

4.5. Трубчатые ультрафильтрационные модули типа бту

Материал мембран

Ацетат целлюлозы (АЦ)

Полисульфон (ПС)

Полисульфонамид (ПСА)

Полиамид (ПА 6,6)

Поливинилхлорид (ПВХ)

Фторопласт (Ф)

Технические характеристики:

 

 

 

 

 

 

приблизительная молекулярная масса задерживаемых веществ, кДа

20

30

30

30

30

70

проницаемость (по обессоленной воде
при Р = 0,2 МПа, Т = 25 ° С, после 1 часа испытаний), л/(м 2 ·ч)

150

300

600

450

300

700

Рабочие характеристики:

 

 

 

 

 

 

максимальное рабочее давление, МПа

1,3

1,3

1,3

1,3

1,3

1,3

рекомендуемое рабочее давление, МПа

для всех модулей 0,1–0,5

рН

4–8

1–13

2–11

2–11

1–12

1–12

рабочая температура, ° С

0–30

0–80

0–60

0–40

0–60

0–60

устойчивость к хлору при дезинфекции, мг/л

10

300

0

0

300

300

рекомендуемая скорость потока над поверхностью мембран, м/с

4–5

4–5

4–5

4–5

4–5

4–5

Другие мембраны для микрофильтрации и ультрафильтрации из керамических, металлокерамических и графитопластиковых трубок описаны в главе 3.

В последнее время разработаны трубчатые элементы, по конструкции аналогичные половолоконным, но в которых применяются полимерные трубки диаметром 8–16 мм (см. ниже).

4.3.3. Рулонные элементы

Рулонные элементы для работы в режиме тангенциальной ультрафильтрации по конструкции не отличается от применяемых для нанофильтрации и обратного осмоса (см. главу 3).

Органическим недостатком рулонных элементов для процесса водоподготовки является наличие сепарационной сетки, через которую движется очищаемый раствор. При наличии взвесей, даже при эффективной обратной промывке мембран, неизбежно происходит их накопление и снижение производительности [88, 123–125]. Поэтому рулонные элементы применяются в процессах водоподготовки для очистки вод с незначительной мутностью или для доочистки воды.

Основное применение рулонные ультрафильтрационные элементы нашли в фармацевтике для финишной стерилизации воды. Следует отметить, что в Японии ультрафильтрация является разрешенным методом для получения фильтрата по ФС «Вода для инъекций».

В связи с возрастающими требованиями к качеству воды в микроэлектронике, рулонная ультрафильтрация находит применение в линиях раздачи и рециркуляции глубокодеминерализованной воды.

4.3.4. Ультрафильтрационные установки

Ультрафильтрационные установки для работы в режиме тангенциальной фильтрации используются при небольших производительностях и высоком содержании загрязнений. Для организации высокой скорости движения в межмембранном пространстве, необходимого для снижения концентрационной поляризации и интенсивного засорения мембран, требуется значительный расход энергии. Этот параметр очень важен для крупных установок. Схема установки ультрафильтрации, работающей в режиме тангенциальной фильтрации, включает в себя (рис. 4.8) приемную емкость 1 , насос 2 , собственно модуль ультрафильтрации 3 , емкости и насосы-дозаторы для введения дополнительных реагентов. Как правило, такая установка работает в режиме концентрирования, когда из залитой в емкость 1 порции раствора на модуле ультрафильтрации 3 выделяется чистая вода, а концентрат циркулирует в контуре образованном емкостью 1 , насосом 2 , модулем ультрафильтрации 3 и вентилем 4 , регулирующим давление и расход раствора в модуле 3 .
В некоторых случаях производят постоянную подпитку емкости 1 свежим раствором. При достижении заданной концентрации загрязнений или целевого продукта в емкости 1 работа установки прекращается и концентрат выводится из емкости 1 .

Наличие приемной емкости 1 позволяет легко вводить дополнительные реагенты, необходимые для извлечения низкомолекулярных веществ путем образования достаточно крупных мицелл скоагулировавшихся загрязнений.

В установках фильтр-прессного типа для повышения производительности модули устанавливают параллельно (рис. 4.9). Отбор фильтрата производится от каждого мембранного элемента.

В установках с трубчатыми мембранами отбор фильтрата производится от каждого модуля, а все модули соединены последовательно (рис. 4.10). Так обеспечивается высокая скорость движения жидкости и турбулентный режим во всех модулях.

image description

Рис. 4.8. Принципиальная схема установки ультрафильтрации, работающей в режиме тангенциальной фильтрации:

1– приемная емкость; 2 – насос; 3 – модуль ультрафильтрации; 4, 5 – регулировочные вентили

Рис. 4.9. Установка фильтр-прессного типа для микро- и ультрафильтрации

 

Установки с трубчатыми керамическими мембранами проектируют по тому же принципу, но обычно без промежуточной емкости. Это упрощает установку, но затрудняет введение дополнительных реагентов. Поскольку длина керамических мембран обычно не превышает 1 м , модули с ними устанавливаются вертикально (рис. 4.11). Это упрощает систему трубопроводов. Мощный насос создает многократную циркуляцию (до 50–100 раз выше расходов подачи и пермеата), обеспечивающую отсутствие отложений на мембранах.

Производительность таких установок относительно невелика.

Описанные установки требуют для обеспечения эффективной работы больших затрат энергии. Более эффективным вариантом работы в режиме тангенциальной фильтрации является схема установки непрерывного концентрирования, представленная на рис. 4.12. Идея, на которой основана такая технология, заключается в разделении процессов очистки и концентрирования и осуществления их в модулях, оптимизированных по конструкции, пористости мембран и режимам работы [126–128].

Рис. 4.10. Схема установки с трубчатыми мембранами:

1 – промежуточная емкость; 2 – насос; 3, 5 – коллекторы; 4 – блок мембран; 6 – регулятор давления; 7 – коллектор фильтрата; 8, 9 – манометры

 

Рис. 4.11. Ультрафильтрационные установки с трубчатыми керамическими мембранами

 

image description

Рис. 4.12. Схема установки для непрерывной очистки и концентрирования загрязнений ультрафильтрацией:

1 – емкость исходного раствора; 2 – модуль ультрафильтрации исходного раствора; 3 – модуль ультрафильтрации концентрирования; 4, 6 – насосы; 5 – фильтр; 7 – буферная емкость; 8–11 – вентили

Установка включает емкость 1 , насосы, модуль ультрафильтрации исходного раствора 2 , буферную емкость 7 , модуль ультрафильтрации концентрирования 3 с интенсивным перемешиванием.

Очищаемая вода вводится в емкость 1 , куда при необходимости дозируют реагенты, и затем насосом 4 подается в модуль ультрафильтрации исходного раствора 2 . Концентрат содержит извлеченные взвеси и образовавшиеся мицеллы скоагулировавшихся загрязнений. Модуль работает в режиме непрерывной фильтрации с постоянным отводом фильтрата. Интенсивность циркуляции между модулем 2 и приемной емкостью 1 определяется производительностью насоса 4 и регулируется вентилем 8 . Концентрация загрязнений в контуре циркуляции относительно мала (рис. 4.13). Конструкция и пористость мембран этого модуля выбирается из соображений обеспечения заданной производительности и эффективности очистки.

Для концентрирования загрязнений служит специальный узел с модулем концентрирования 3 , буферной емкостью 7 и насосом 6 , в который через вентиль 9 подается концентрат первого модуля. Конструкция и пористость мембран этого модуля выбирается из соображений обеспечения максимального концентрирования загрязнений. В нем организуется значительно большая интенсивность циркуляции, обеспечивающая минимальное загрязнение мембран при высокой концентрации извлекаемых веществ. Интенсивность циркуляции определяется производительностью насоса 6 и регулируется вентилем 10 . Часть полученного окончательного концентрата выводится из системы через трубопровод с вентилем 11 .

image description image description
а
б

Рис. 4.13. Зависимость концентрации загрязнений в циркуляционных контурах очистки и концентрирования от времени работы аппарата в рециркуляционном режиме ( а ) и в тупиковом ( б )

Rambler's Top100 Rambler's Top100