Востановление мембраны

   В процессе длительной работы производительность мембранных фильтров постепенно уменьшается, так как на поверхности и на стенках пор мембраны сорбируются различные вещества из воды и отлагаются частички загрязнений, увеличивающие общее гидравлическое сопротивле­ние мембранных фильтров.

    Для восстановления первоначальной производительности мембранного фильтра несколько раз в год должна проводится химическая промывка мембранных фильтров специальными кислотными и щелочными реагентами для удаления накопленных загрязнений.

   Для промывки мембранных фильтров можно использовать обычную воду, раствор трилона Б (хелатообразующий реагент) или лимонную кислоту. Простая промывка мембранного фильтра осуществляется полосканием его в нефильтрованной воде или под струей воды (при этом необходимо вынуть картридж из пенала).

  Частота регенерации (промывки) мембранного фильтра определяется степенью загрязнения исходной воды, если промывка фильтра фильтра требуется чаще чем через 10-14 дней, необходимо проводить предфильтрацию исходной воды.

   После использования (перед длительным хранением) фильтр необходимо промыть с применением лимонной кислоты и высушить.

  Для более эффективного удаления загрязнений с поверхности и из пор мембраны используют метод обратных промывок, при котором чистую воду (пермиат) пропускают через мембрану в направлении, обратном направлению фильтрования. Такие промывки производятся намного чаще, чем промывки обычных фильтров с зернистой загрузкой - от 1 до 5 раз в час, но их продолжительность составляет всего 10-30 секунд, поэтому объем сбрасываемой воды составляет 2-5 % от объема пермиата.

   Эффективность обратной про­мывки зависит от ее интенсивности (при неизменном давлении промывки можно оперировать длительностью обратной промывки), τ. е. интервала между про­мывками (продолжительность фильтроцикла) t. При заданном времени τ эффективность работы установки зависит от продолжительности t: чем меньше t, тем эффективнее проходит отмывка мембраны от загрязнений, но тем больше образуется промывной воды. Исследования по оптимизации процесса обратной промывки ставят целью определить такие значения τ и t для различного состава обрабатываемой воды, которые соответствуют наибольшему количеству очищенной воды, полученной в течение времени Т. Исследования проводятся на модельных растворах хлорида железа (III). На рис. 1 показано снижение производительности мем­бранного аппарата с течением времени для разных концентраций железа в исходной воде.

Рис. 1. Снижение производительности мембранных аппаратов во времени при различных концентрациях железа в исходной воде, от 1 до 4 мг/л

   На практике для определения оптимальных величин продолжительности фильтроцикла и промывки проводится несколько серий экспериментов с различной продолжительностью обратной про­мывки. В каждой серии при фик­сированной длительности обратной промывки менялась продол­жительность фильтроцикла. Зависимости объема фильтрата и промывной воды от времени работы установки для одной серии экспериментов приведены на рис. 2 (продолжительность обратной промывки 30 с).

   Поиск оптимальных соотношений длительности фильтроцикла и промывки производится по максимальной полезной производительности мембранного фильтра, которую можно определить как V_полезн = V_ф - V_пр.

Рис. 2. Зависимость объема фильтрата (сплошная линия) и промывной воды (пунктирная линия) от времени работы установки при длительности промывки 30 с

   Помимо указанных выше параметров на эффективность работы мембранных фильтров влияет величина давления: рабочего и обратной промывки. При определении точки оптимума не­обходимо учитывать не только полезную производительность, но и объемы исходной и сбрасываемой в канализацию воды, при этом вычисление оптимальных соотношений длительности промывки и фильтроцикла производится на основе экономических расчетов.

Рис. 3. Определение оптимальной продолжительности промывки для разной продолжительности фильтроцикла.    Продолжительность обратной промывки, с: 1 - 15; 2 - 30; 3 - 45; 4 - 60; пунктир - оптимум

  При наличии в исходной воде грубодисперсных примесей и песка в начале технологического тракта иногда устанавливается сетчатый самопромывающийся фильтр с размером ячеек 100- 200 мкм.

   Для предотвращения биологического зарастания мембран в воду для обратной промывки мембранных элементов добавляют дезинфектант, чаще всего, гипохлорит натрия.

  Фильтры на основе обратного осмоса удаляют из воды ионы Na, Са, Cl, Fe, тяжелых металлов, инсектициды, удобрения, мышьяк и многие другие примеси. «Молекулярное сито», которое представляют собой обратноосмотические мембраны, задерживает практически все примесные элементы, содержащиеся в воде, независимо от их природы, что оберегает потребителя воды от неприятных сюрпризов, связанных с неточным или неполным анализом исходной воды, особенно из индивидуальных скважин.

  Эффективность процесса обратного осмоса в отношении различных примесей и растворенных веществ зависит от ряда факторов: давление, температура, уровень рН, материал, из которого изготовлена мембрана, и химический состав входной воды, влияют на эффективность работы системы обратного осмоса. Степень очистки воды в таких фильтрах составляет по большинству неорганических элементов 85%-98%. Органические вещества с молекулярным весом более 100-200 удаляются полностью; а с меньшим - могут проникать через мембрану в незначительных количествах.

   В процессе обратного осмоса вода и растворенные в ней вещества разделяются на молекулярном уровне, при этом с одной стороны мембраны накапливается практически идеально чистая вода, а все загрязнения остаются по другую сторону мембраны.

Таблица. Эффективность работы мембранного фильтра по тестам, проведенным независимыми лабораториями

   Надежность работы мембранного фильтра обеспечивается правильным выбором материала мембраны, который был бы наименее чувствителен к загрязнениям, характерным для данного состава исходной воды, и конструкцией аппарата, которая должна позволять проводить гидравлические промывки мембран с максимальной эффективностью. Кроме того, важно уметь прогнозировать работу установки в течение длительного периода эксплуатации.

    Основным и самым важным элементом обратноосмотических фильтров является мембрана. Исходная, загрязненная различными примесями и частицами, вода пропускается через поры мембраны, столь мелкие, что загрязнения сквозь них практически не проходят. Для того чтобы поры мембраны не забивались, входной поток направляется вдоль мембранной поверхности, который вымывает загрязнения. Таким образом, один входной поток разделяется на два выходных потока: раствор, проходящий через мембранную поверхность (пермеат) и часть исходного потока, не прошедшего через мембрану (концентрат).

     Обратно-осмотическая полупроницаемая мембрана представляет собой композитный полимер неравномерной плотности. Этот полимер образован из двух слоев, неразрывно соединенных между собой. Наружный очень плотный барьерный слой толщиной около 10 миллионных см лежит на менее плотном пористом слое, толщина которого составляет пять тысячных см. Осмотическая мембрана действует как барьер для всех растворенных солей и неорганических молекул, а также органических молекул с молекулярной массой более 100.

    В качестве материала для изготовления ультрафильтрационных мембран в основном используются полимерные вещества – ацетат или нитрат целлюлозы, полисульфон, полиэтерсульфон, полиамид, полиимид, поливинилиденфторид, полиакрилонитрил и их производные. Большинство ультрафильтрационных мембран - асимметричные, они состоят из тонкого селективного слоя толщиной несколько десятков мк или менее и пористой подложки, которая обеспечивает механическую прочность (рис. 5). Полимерным мембранам при их изготовлении могут придаваться разнообразные свойства, что позволяет управлять их селективными характеристиками и устойчивостью к загрязнению различными веществами.

    Целлюлозные мембраны устойчивы в присутствии окислителей бактерицидного происхождения и по существу могут работать в присутствии дезинфицирующих веществ, применяемых для уничтожения микроорганизмов, паразитирующих на материале мембран.

      Не целлюлозные мембраны работают при значительно более низких давлениях и в широком диапазоне значений рН. Во многих наиболее прогрессивных технических решениях используются именно нецеллюлозные мембраны.

    Особое место занимают трековые мембраны (рис. 5в), получаемые путем вытравливания треков, оставшихся в полимерной пленке после ее облучения потоком высокоэнергетических частиц. Эти мембраны характеризуются очень узким распределением пор по размеру и симметричной структурой. Недостатком таких мембран является низкая поверхностная пористость и относительно высокая стоимость.

   Большинство современных полимерных мембран устойчивы к воздействию микроорганизмов и химических соединений в широком диапазоне рH, обладают высокой селективностью и производительностью, допускают кратковременное воздействие сильных окислителей: свободного хлора, озона. Свойства мембран лишь незначительно ухудшаются в течение всего срока службы, который составляет 1 год и более. Старение мембран может происходить из-за истончения верхнего слоя при взаимодействии с взвешенными и абразивными веществами, содержащимися в обрабатываемой воде, или очищающими химическими агентами.

   Обратно-осмотические мембраны используются во многих отраслях промышленности, где есть необходимость в получении воды высокого качества (разлив воды, производство алкогольных и безалкогольных напитков, пищевая промышленность, фармацевтика, электронная промышленность и т. д.).

   Обратно-осмотические мембраны отличаются универсальностью: они хорошо удаляют из воды одновременно в одну ступень большинство различных загрязнений (железо, ионы жесткости, фториды, органические загрязнения), бактерии и вирусы.

   Обратно-осмотическая мембрана — это прекрасный фильтр и теоретически содержание растворенных минеральных веществ в полученной в результате фильтрации чистой воде должно составлять 0 мг/л (то есть их совсем не должно быть!), неза­висимо от их концентрации во входящей воде.

  Сама обратноосмотическая мембрана устроена таким образом, что величина ее пор максимально приближена к величине самых маленьких в природе молекул воды, поэтому через обратноосмотическую мембрану могут проходить только мельчайшие незаряженные молекулы минеральных веществ, а самые опасные крупные молекулы, например, солей тяжелых металлов, не смогут проникнуть через нее.

  Неорганические вещества очень хорошо отделяются мембраной обратного осмоса. В зависимости от типа применяемой мембраны (ацетатцеллюлозная или тонкопленочная композитная) степень очистки составляет по большинству неорганических элементов 85%-98%.

   Мембрана обратного осмоса также удаляет из воды и органические вещества. При этом органические вещества с молекулярным весом более 100-200 удаляются полностью; а с меньшим - могут проникать через мембрану в незначительных количествах. Большой размер вирусов и бактерий практически исключает вероятность их проникновения через мембрану обратного осмоса. В то же время, мембрана пропускает растворенные в воде кислород и другие газы, определяющие ее вкус. В результате, на выходе системы обратного осмоса получается свежая, вкусная, настолько чистая вода, что она, строго говоря, даже не требует кипячения.

  Правда, при эксплуатации в быту мембранных установок возникают свои технические трудности. Дело в том, что технология водоподготовки с использованием мембранных установок должна включать несколько дополнительных операций:

дозирование в исходную воду специальных ингибиторов осадкообразования в количестве 1-5 мг/л;

обработку воды на мембранных установках; регулярные гидравлические промывки мембранных фильтров со сбросом давления;

регулярные химические промывки (регенерации) мембранных фильтров с помощью специальных щелочных и кислотных реагентов (лимонной кислоты, трилона Б и т. д.);

в ряде случаев на выходе очищенной воды из установки предусматриваются ультра-фиолетовые бактерицидные лампы.

   Кроме перечисленных технических трудностей существуют и субъективные причины, препятствующие использованию мембранных установок в жилых домах, которые основаны на устаревших взглядах и предубеждениях в результате неудачного опыта применении зарубежных и отечественных установок в практике водоподготовки. К субъективным трудностям можно отнести и то, что традиционно считается, что обратноосмотические установки производят «дистиллят», но это не так они производят «пермиат». А «дистилят» от «пермиата» отличаеться наличием в нём органических загрязнений.

   Применение мембранной технологии предъявляет высокие требования к соблюдению заложенных в проекте норм технологического режима, аналитического контроля и правил промывки. Первым условием надежной работы систем мембранной очистки является постоянный расход воды, выражаемый в литрах на квадратный метр площади мембраны в сутки (ЛМС). Также очень важно постоянно в процессе эксплуатации контролировать давление и расход воды через мембранную систему, поскольку именно эти два параметра определяют соблюдение условий постоянства технологического режима и отражают все отклонения от него. Необходимо постоянно отслеживать характеристики очищенной воды на выходе из системы очистки. Качественный контроль состоит из действий, направленных на соблюдение всех отмеченных выше условий работы мембранной системы. Температура - очень важный фактор, определяющий вязкость воды и, как следствие, скорость ее фильтрации через мембрану. Промывка мембран отфильтрованной водой и химическими реагентами является неотъемлемой частью устранении загрязнения и предотвращения отложений на мембранах.