Публикации об ультрафильтрации | процессы и методы
Системы ультрафильтрации
Ультрафильтрация | описание и методы мембранных процессов
Эта технология очистки воды позволяет отделять частицы размером от 0,1 до 0,01 микрона.
Если отделяемые частицы крупнее – это микрофильтрация, мельче – это нанофильтрация.
Понятно, что такое разделение весьма условно.
Чем же интересна для нас именно ультрафильтрация?
Дело в том, что у нас в России большинство источников водоснабжения, как для промышленного производства, так и для бытового использования, это поверхностные источники, то есть реки, водохранилища, озёра.
От чего приходится очищать воду поверхностных источников?
От частиц мутности, цветности, коллоидов, растворенных нефтепродуктов, вирусов и бактерий.
Именно с такого рода загрязнениями в наилучшей степени справляются ультрафильтрационные технологии.
В чем же причина? А в том, что технология микрофильтрации не обеспечивает гарантированное удаление цветности, мутности, различных крупных органических молекул, например, таких, как нефтепродукты, а самое главное не гарантирует полного удаления вирусов и бактерий.
Нанофильтрация – это та технология, где поры ещё меньше. Она, наоборот, способна удалить все эти загрязнения, но, во-первых, требует дополнительных затрат на прокачку воды (поскольку нанофильтрация требует значительного давления для прохождения воды через мембрану), а с другой стороны, удаляет часть растворённых в воде солей, что нам совершенно не нужно, поскольку вода поверхностных источников, как правило, имеет достаточно низкое солесодержание и не требуется его дальнейшего снижение, т.е. нанофильтрация является избыточной для решения данной задачи.
Физически реализация технологии ультрафильтрации может быть самой разной. Это и трубчатые структуры, покрытые изнутри специальным пористым составом, это спирально намотанные полотна, полотна натянутые на раме и полые волокна.
Полое волокно – это трубка, стенка которой и является той мембраной, на которой осуществляется фильтрация.
Внешний диаметр такого волокна, как правило, составляет от одного до нескольких миллиметров, а толщина стенки от 0,3 и более миллиметров.
Точный состав материала, из которого изготавливаются полые волокна, ни один производитель, естественно, не сообщает. Основой, как правило, является полисульфон, но критичным является состав различных присадок и добавок.
Волокна в количестве от сотен до десятков тысяч штук укладываются в цилиндрические напорные сосуды или корпуса. Корпуса с торцов герметизируются специальным компаундом, который, кстати, тоже ноу-хау любого производителя. Получается цилиндрический корпус, имеющий с торцов огромное количество отверстий, которые, собственно, и есть отверстия волокон.
Это и есть мембранный элемент («модуль», «корпус»).
Через стенки полых волокон можно фильтровать воду как изнутри – наружу, так и снаружи – внутрь. С физической точки зрения – это не принципиально.
Наибольшее распространение получила фильтрация «изнутри – наружу».
Центральное отверстие корпуса служит для отвода оцищенной воды в случае фильтрации «изнутри—наружу» или подвода исходной воды при фильтрации «снаружи – внутрь».
Общая площадь фильтрации такого элемента может составлять от единиц до десятков квадратных метров (в зависимости от общего количества используемых волокон), а производительность по очищенной воде до нескольких кубометров в час.
То есть, в общем случае подали исходную воду через волокна изнутри наружу или снаружи внутрь и получили на выходе очищенную.
Просто? Очень просто!
Но это касается только тех случаев, когда речь идет об одноразовых системах. Такие мобильные устройства используются в армии и МЧС.
В промышленном применении ультрафильтрация на полых волокнах предполагает использование нескольких типов фильтрации.
Это тупиковая фильтрация, когда вода подаётся вовнутрь волокна, а другая сторона волокна гидравлически закрыта. Таким образом, волокно работает подобно «мешку», накапливая в себе загрязнения, а чистая вода просачивается сквозь стенки «мешка». Периодически открывая дно «мешка», можно сбросить накопленные загрязнения в дренаж.
Поперечная фильтрация предполагает постоянный поток воды через волокно с постоянным сбросом в дренаж воды с обратной стороны волокна. При этом чистая вода также просачивается наружу через стенки волокна. Понятно, что при такой схеме необходимо создавать некое сопротивление (дроссель) для воды, сбрасываемой в дренаж, иначе не будет никакой силы, заставляющий воду просачиваться через стенку волокна.
Каждый способ имеет свои достоинства и недостатки.
Тупиковая – характеризуется малым сбросом воды в дренаж (то есть низким расходом воды на собственные нужды), однако отличается более быстрым накоплением загрязнений и, как следствие, необходимостью частых промывок.
При поперечной фильтрации наоборот: загрязнения накапливаются достаточно долго, но постоянный сброс воды в дренаж приводит к значительным расходам на собственные нужды.
Выбор типа фильтрации всегда определяется поставщиком оборудования, исходя из количества и типа загрязнений.
Ультрафильтрационные мембраны характеризуются крайне малым перепадом давления (трансмембранное давление или ТМД) при фильтрации и, как правило, оно составляет 0,1 – 0,2 bar на чистой мембране (при номинальной производительности. Это важно!).
В процессе работы поверхность ультрафильтрационных мембран (волокон) загрязняется. Об уровне загрязнения можно судить по увеличению перепада давления на стенке волокна вплоть до 1.0 bar (ТМД).
Для того, чтобы восстановить работоспособность мембран, с определенной периодичностью и/или по степени их загрязненности автоматически производятся их гидравлическая промывка.
Как правило она состоит из нескольких стадий.
Открывая выход волокон (в случае тупиковой фильтрации), либо убирая (гидравлически) дроссель (в случае поперечной фильтрации), мы получим достаточно большой поток входной воды через волокна.
Это позволяет в значительной степени уменьшить (смыть) количество загрязнений которые накопились внутри волокон. Этот процесс обычно называют «ПРОДУВКА».
Часто помимо продувки волокон в направлении фильтрации дополнительно используется продувка в обратную сторону, потому что различные загрязнения прилипают к внутренней стороне волокон по-разному.
Совокупность продувок «вперед» и «назад» является наиболее эффективной.
Но этого мало, потому что часть мелких загрязнений остаются внутри стенки мембран (в порах). Для их удаления необходима ОБРАТНАЯ ПРОМЫВКА, то есть подача мощного потока чистой воды снаружи внутрь волокна со сбросом ее в дренаж.
Понятно, что если для обратной промывки будет использоваться входная (неочищенная) вода, то она своими загрязнениями будет забивать стенки волокон, но уже, с другой стороны.
Поэтому для обратной промывки должна всегда использоваться вода, качество которой (степень очистки) не хуже воды, получаемой после ультрафильтрации.
В общем случае, гидравлическая промывка – это совокупность нескольких мероприятий: продувка в направлении фильтрации, дополнительно (опционально) продувка встречно потоку фильтрации и обратная промывка чистой водой.
Продолжительность продувок обычно не превышает 10 секунд.
Обратная промывка обычно длится не более 1 минуты.
Поэтому расход воды на промывки невелик.
Периодичность гидравлических промывок зависит от качества исходной воды и обычно составляет 30 – 120 минут.
Обычно гидравлических промывок бывает достаточно для того, чтобы обеспечить нормальную работу волокон (мембран) в течение длительного времени, но не бесконечно долго.
Мы говорили, что перепад давления, то есть трансмембранное давление на чистой мембране, как правило, составляет 0,1-0,2 bar. По мере загрязнения мембран этот перепад растёт. После промывки перепад возвращается к своим начальным значениям.
А если нет?
Если нет, то это однозначно говорит о том, что мембраны не отмылись до конца.
Это может происходить в том случае, когда загрязнения остались внутри стенки мембраны и гидравлическими потоками не вымываются.
Тогда нужна химическая мойка. Для удаления органических веществ используются щелочные растворы, для неорганических – кислотные. Типичные значения рH растворов для химических промывок составляют 12 и 2 единицы соответственно.
При таких промывках моющий раствор приготавливается в отдельной ёмкости и подаётся на блок мембран с помощью специального, химического стойкого насоса. Прошедший через мембраны моющий раствор возвращается в ёмкость.
Такая циркуляция моющего раствора через мембраны может продолжаться от нескольких десятков минут до нескольких часов.
При этом очень важно контролировать уровень pH воды, возвращающейся после мембран в ёмкость. В начале процесса уровень pH возвратной воды будет изменяться. Для щелочного раствора он будет уменьшаться, а для кислотного соответственно увеличиваться. Необходимо поддерживать постоянным уровень pH в ёмкости моющего раствора.
Когда уровень pH возвратного раствора перестанет изменяться, это будет говорить о том, что данный тип промывки более неэффективен и может быть прекращён.
После проведения процедур химической мойки щелочным и кислотным растворами необходимо проконтролировать перепад давления на условно чистых мембранах. Если перепад вернулся к начальным значениям, то можно сделать вывод об эффективности проделанной химической мойки. Если нет, процессы должны быть повторены, но с замачиванием моющего раствора в мембранах на несколько часов без циркуляции.
Понятно, что между щелочной и кислотной мойками и после кислотной мойки мембраны должны быть отмыты большим количеством воды до подачи очищенной воды потребителю. При этом контролируется уровень pH на выходе системы. При достижении нейтрального значения отмывка прекращается.
Для реализации такой мойки нужно дополнительное оборудование. Это бак для моющего раствора, циркуляционный насос, система трубопроводов и задвижек.
Как правило, всё это оборудование сводится в единый отдельный технологический блок химической мойки «CIP». Расшифровка аббревиатуры — английское Cleaning In Place или «очистка на месте». Когда моющий раствор циркулирует внутри оборудования без его разборки.
Существует другой подход.
Не дожидаясь, когда перепад давления на мембранах (ТМД) достигнет некоего критического значения, при котором необходимы процедуры «CIP», проводить химически усиленные обратные промывки «CEB» (chemically enhanced backwash). Извините за англицизмы, но эти аббревиатуры давно приняты в водоподготовке, химической и пищевой промышленности.
В этом случае, во время обратной промывки волокон в промывную воду специальными дозирующими насосами вводятся моющие растворы.
Процедура выглядит следующим образом:
– обратная промывка с растворами щелочи и гипохлорита натрия (рН 12);
– замачивание (15 – 30 мин.);
– отмывка от моющего раствора (1 – 2 мин.);
– обратная промывка с раствором кислоты (рН 2);
– замачивание (15 – 30 мин.);
– окончательная отмывка (1 – 3 мин.).
Периодичность таких промывок обычно 1 – 3 суток.
Использование такой технологии не отменяет периодические мойки «CIP», но потребность в них возникает значительно реже. (обычно один раз в 6 – 12 месяцев. Опять же через контроль ТМД).
«CEB» в отличии от «CIP» может быть автоматизирована значительно легче.
А что насчет предподготовки исходной воды перед ее подачей на ультрафильтрационные мембраны?
Представьте, что вы пытаетесь подать в трубку жидкость, имеющую в своём составе твёрдые включения с размером, соизмеримым или большим внутреннего диаметра трубки.
Понятно, что эти включения не попадут внутрь трубки, а если и попадут, то вымыть впоследствии их оттуда будет затруднительно.
Накопление не попавших внутрь волокон частиц будет приводить к блокированию подачи воды.
Очевидно, что в случае ультрафильтрации, реализованной на полых волокнах, задача предподготовки заключается в том, чтобы удалить из исходной воды механические частицы размером, соизмеримым или большим, чем внутренний диаметр волокон.
Обычно внутренний диаметр волокна составляет 800 – 900 микрон.
Соответственно, степень фильтрации в предварительной ступени должна быть не более, чем 400-600 микрон, потому что механические частицы примеси имеют неправильную форму и могут попасть в волокно «любым боком».
Так же задачей предфильтрации является удаление нерастворенных нефтепродуктов.
Вырисовывается следующая технологическая схема:
Входная вода, нагнетаемая подающим насосом, пройдя через стадию предварительной очистки независимо от типа фильтрации (тупиковая или боковая), проходит через стенки волокон, очищается и поступает в накопительный резервуар (в случае боковой фильтрации, часть воды постоянно сбрасывается в дренаж).
Осуществляется постоянный контроль трансмембранного давления (ТМД).
Пока мембраны чистые, ТМД при номинальной производительности составляет 0,1 – 0,2 bar.
Также с помощью расходомера постоянно контролируется и при необходимости регулируется (управление подающим насосом или регулирующей задвижкой на входе) поток воды на входе системы. В случае превышения номинальной производительности, растет ТМД, а это приводит к более глубокому проникновению загрязнений в поры мембран.
С заданной периодичностью или при достижении ТМД порядка 0,4 – 0,6 bar, автоматически производится гидравлическая промывка, включающая продувку и обратную промывку.
Перенаправление потоков воды обеспечивают автоматические задвижки с дистанционным управлением.
Обратную промывку обеспечивает насос промывки, подающий воду из резервуара очищенной воды. Подачей насоса управляет частотный регулятор.
При химически усиленной обратной промывке в линию нагнетания насоса промывки тремя дозирующими насосами поочередно подаются растворы щелочей, кислот и гипохлорита натрия. При этом всякий раз в дренажной линии мембран контролируется уровень рН.
Понятно, что осуществлять контроль необходимых параметров и управление насосами, задвижками и частотными регуляторами можно только с использованием различных датчиков, контроллеров и соответствующего программного обеспечения.
Усреднённый расход очищенной воды на собственные нужды составляет 6-7% от проектной производительности установки мембранной ультрафильтрации, а энергопотребление от 0,05 до 0,1 кВтч/м3 очищенной воды.
Мембраны на полых волокнах не допускают длительного (более 5 – 7 суток) простоя в работе, потому что это вызывает их микробиологическое обсеменение.
Если простой в работе неизбежен, мембраны должны быть законсервированы тем же раствором, которым они консервируются при их производстве.
Волокна мембран всегда должны находиться во влажном состоянии. Если их высушить, они теряют свои свойства и не могут в дальнейшем эксплуатироваться.
Это вызывает определённые сложности в хранении ультрафильтрационных элементов мембран.
Новые мембранные элементы всегда поставляются заполненными специальным консервирующего раствором в герметичной упаковке.
Как правило, это смесь глицерина (20% водного раствора) и метабисульфита (пиросульфита) натрия (1%), выполняющего роль консерванта, дезинфектанта и антиокислителя.
Эти вещества широко используются в пищевой промышленности.
Новые мембраны с нарушенной герметичностью упаковки должны быть отбракованы.