Новые мембранные методы внутрицикловой очистки воды

Новые мембранные методы внутрицикловой очистки воды

Применяемые в настоящее время на ТЭС методы очистки добавочной воды обессоливанием на ионитных фильтрах и дистилляции в испарителях имеют ряд недостатков:

- высокая стоимость установок при повышенной минерализации исходной воды;

- значительные расходы химических реагентов и образование солевых стоков;

- для испарительных систем – низкая мобильность по нагрузке, особенно в пусковых и переходных режимах.

В связи с этим большой интерес представляют безреагентные методы очистки воды: электродиализ и обратный осмос.

Они имеют следующие преимущества:

- процесс имеет непрерывный характер;

- очистка достигается без применения химических реагентов (не учитывая реагенты для предварительной подготовки воды);

- исключаются дополнительные загрязнения стоков.

В основе всех мембранных методов лежит перенос примесей или растворителей через мембраны. Природа сил, вызывающих этот перенос может быть различной. Различают и мембраны, применяемые в таких процессах.

При использовании сил давления (ультрафильтрация и обратный осмос) мембраны должны пропускать растворитель (воду), в максимальной степени задерживая ионные и молекулярные примеси. При использовании электрических сил мембраны должны быть проницаемы для ионов и не должны пропускать воду.

Области применения мембранных процессов для очистки воды различны. Так, если обратный осмос во избежание применения очень высоких давлений наиболее экономичен в основном для растворов с концентрацией растворенного вещества до 1 г/кг, то электродиализ используется для более концентрированных растворов.

Мембранные методы имеют следующие преимущества:

- отсутствуют фазовые переходы при отделении примесей, что позволяет сводить к минимуму расход энергии на проведение процесса;

- разделение можно проводить при низких температурах воды, которые определяются свойствами мембраны;

- если исключить забивание мембран, процесс имеет непрерывный характер;

- их можно осуществлять без добавок химических реагентов;

- аппараты относительно просты и не имеют движущихся частей;

- количество энергии, необходимой для мембранных процессов не превышает 2,0 – 2,5 кВт·ч/м3 фильтрата.

Обратный осмос и ультрафильтрация

В основу процесса обратного осмоса положено явление осмоса – самопроизвольного перехода растворителя через специальную полупроницаемую перегородку (мембрану) в растворитель.

Если какую либо ячейку разделить мембраной  и залить левую часть чистой водой, а правую раствором, то будет наблюдаться самопроизвольный переход молекул воды из левой части в правую.

Движущей силой процесса при этом будет являться разность концентраций воды в левой и правой частях ячейки. Этот переход будет происходить до тех пор, пока гидростатическое давление раствора на мембрану не достигнет определенной величины, называемой осмотическим давлением.

Если со стороны раствора приложить внешнее давление, превышающее осмотическое, то будет происходить обратный переход.

Таким образом, движущая сила процесса обратного осмоса:

,

где Р – избыточное давление над исходным раствором,

       и  - осмотическое давление соответственно исходного раствора и раствора, прошедшего через мембрану.

Так как мембраны обычно пропускают некоторое количество ионов вместе с водой, то фильтрат представляет собой раствор, но значительно менее концентрированный, чем исходный.

Осмотическое давление раствора в общем случае определяется согласно уравнения Вант – Гоффа:

,

где i= 1+α – коэффициент Вант – Гоффа (α – степень диссоциации растворенного вещества);

       R – уневерсальная газовая постоянная;

       T – абсолютная температура раствора;

       C – концентрация растворенного вещества;

       М – масса 1 моля вещества.

Отсюда видно, что осмотическое давление зависит от химической природы растворенного вещества и его концентрации. Осмотическое давление раствора NaCl с концентрацией 35 г/кг при Т = 293 К составляет = 2,5 МПа.

В растворах, содержащих высокомолекулярные вещества с максимальным диаметром частиц 0,5 мкм (или молекулярной массой не более 500), осмотическое давление пренебрежимо мало.

В этом случае рабочее давление в аппарате не превышает 0,5 МПа. Если в воде имеются частицы диаметром более 0,5 мкм, следует принимать иные меры для их отделения.

Обратный осмос и ультрафильтрация принципиально отличны от процесса фильтрования, т. к. при их осуществлении образуется не осадок, как при фильтровании, а лишь два раствора с разными концентрациями примесей. Образование осадка на мембране не допустимо, во избежание их засорения.

Несмотря на кажущуюся простоту процесса обратного осмоса (ОО) и ультрафильтрации (УФ) до настоящего времени нет единого взгляда на механизм перехода воды через мембрану. Существует несколько гипотез: