Проблемы подбора насосов в системах мембранной фильтрации
Основа жизни на Земле — вода, и большая часть процессов, в основе которых — обслуживание жизненно важных потребностей человека, так или иначе с ней связана. Но в результате хозяйственной деятельности пресная вода в возобновляемых источниках (реках, озерах и пр.) в последнее время все чаще подвергается загрязнению. Поэтому сейчас так актуален вопрос об очистке сточных вод и их многократном использовании в процессах промышленного производства. Кроме того, нехватка пресной питьевой воды в целом ряде регионов заставляет заниматься поисками способов эффективного опреснения и очистки морской и соленой скважинной воды. Одним из таких ныне широко применяемых способов является мембранная фильтрация.
Мембранная фильтрация — процесс разделения веществ на полупроницаемой мембране. До 60-х гг. ХХ в. этот способ широко не использовался, несмотря на то, что сами процессы были хорошо изучены. Внедрению технологии мешала низкая производительность установок при высоких эксплуатационных расходах. Лишь после изготовления мембран из ацетата целлюлозы удалось решить основные проблемы процесса: образование солевого налета на мембране и ее низкую механическую стойкость. В настоящее время, помимо ацетата целлюлозы, используют целый ряд современных материалов. Наиболее известные среди них — дифторид поливинилдиена и полисульфон.
Особенностью таких мембран является способность пропускать молекулы растворителя, задерживая молекулы растворенного вещества. Градиент концентраций по толщине мембраны инициирует процесс. При этом движущей силой фильтрации могут быть давление, электрические или химические процессы.
Наиболее распространенный в живой природе прямой осмос основан на химических явлениях. Движущей силой в данном случае является разность концентраций в растворах: растворитель стремится через мембрану в более насыщенный раствор, пока не наступит осмотическое равновесие. Электродиализ, часто применяемый в медицине, использует способность ионов в электрическом поле двигаться к погруженному в воду разноименному электроду, при этом мембрана пропускает только соответственно заряженные ионы. И наконец, наиболее широко распространенный в промышленности обратный осмос использует в качестве движущей силы внешнее создаваемое насосом давление.
Общим для всех видов мембранной фильтрации является проточность потока раствора. Это значит, что исходная вода под действием движущей силы течет вдоль мембраны и разделяется на два потока: пермеат— раствор, проникший через мембрану, и концентрат — оставшийся концентрированный раствор.
В настоящее время под термином «мембранная фильтрация» принято подразумевать фильтрацию с использованием внешнего давления, или баромембранные процессы. В общем, все баромембранные процессы по размеру фильтруемых частиц и оптимальному давлению подразделяются на четыре типа:
• микрофильтрация (МФ) — фильтрует микрочастицы и большие молекулы, в том числе бактерии и коллоиды, 0,2–1 бар;
• ультрафильтрация (УФ) — вирусы, некоторые протеины, коллоидный углерод, 2–15 бар;
• нанофильтрация (НФ) — сахара, некоторые ионы, 10–40 бар;
• обратный осмос (ОО) — ионы металлов, 15–70 бар.
Необходимость создания высоких давлений предполагает установку в систему мембранной фильтрации многоступенчатых центробежных насосов, способных «продавить» исходную воду сквозь мембрану. При этом заданный диапазон давления должен строго выдерживаться, так как при давлении выше оптимального происходит «сжатие» мембраны, деформация ее пор, и тогда процесс становится неэффективным.
Процессы баромембранной фильтрации широко применяются во многих областях промышленности. В основном это такие отрасли, как химическая и нефтехимическая промышленность, очистка сточных вод, водоподготовка, опреснение морской воды.
Для разных конечных целей используют разные варианты компоновки мембран и насосов. Так для систем опреснения незагрязненной морской воды требуются одинарные схемы, где необходимый расход и напор обеспечивает один насос. После прохождения мембраны пермеат покидает систему под атмосферным давлением, а концентрат остается под избыточным давлением за счет клапана. Мембрана не загрязняется из-за скорости потока перед ней. В подобных системах иногда бывает недостаточно расхода, обеспечиваемого питающим насосом, и в схему встраивают дополнительный агрегат с большой подачей. Такой насос называется рециркуляционным. Обычно его использование оправдано в системах с более загрязненной водой для целей макро- и ультрафильтрации.
Для больших объемов очень загрязненных жидкостей применяется схема «петля».Она состоит из последовательности «петель» — параллельных звеньев, следующих друг за другом. В каждой из параллелей установлен свой рециркуляционный насос. Обычно на одну насосную станцию приходится несколько (3–5) подобных «петель».
А для очень больших объемов (водоподготовка при обработке слабосоленой скважинной воды) рециркуляционный насос устанавливать нежелательно. В таких случаях применяется схема «рождественской елки», состоящая из сочетания параллельных и последовательных модулей.
Как уже говорилось, основные области применения баромембранной фильтрации — это различные варианты водоочистки и водоподготовки. Для того чтобы точнее ориентироваться в терминах, приведем общепринятую классификацию вод по их солености:
• до 500 мг/л хлоридов — грунтовые пресные воды;
• 500–5 000 мг/л хлоридов — солоноватые воды (глубокие артезианские скважины);
• свыше 5 000 мг/л хлоридов — морская вода (в реальности соленость морской воды составляет свыше 20 тыс. мг/л).
В силу насыщенности солями морская и солоноватая вода обладают очень высокими коррозионными свойствами. Кроме того, при нагреве (а системы обратного осмоса могут работать и с горячими рассолами) данные свойства повышаются. Все это не может не накладывать специальных ограничений на насосы, создающие давление в системах мембранной фильтрации.
Несмотря на то, что наиболее дешевым конструктивным материалом для подобных насосов является чугун, он начинает коррозировать уже в слабокислой среде (рН около 6,5). Причиной коррозии является растворенная в воде углекислота. Чугун категорически неприменим, когда водородный потенциал опускается ниже 6,5.
Более приемлемым выбором является бронза. Но если в растворе присутствуют аммиачные компоненты (возможно при очистке бытовых и сельскохозяйственных сточных вод), риск коррозионного разрушения многократно возрастает.
По этим причинам при выборе насосного оборудования рекомендуется отдать предпочтение нержавеющей стали (с содержанием хрома не менее 12%) или титану. Помимо коррозионностойкости, эти материалы, благодаря оксидной пленке на поверхности деталей, успешно противостоят очень высоким скоростям потока, не подвергаясь эрозии. Заметим, что если в схеме предусмотрена промывка мембраны специальными кислотосодержащими растворами, то выбор нержавеющей стали или титана становится зачастую единственно возможным вариантом.
Надо отметить, что на коррозионностойкость могут влиять и эксплуатационные факторы — кавитация или усталость материала.
Еще одной проблемой, регулярно возникающей при обратноосмотических процессах, является осаждение кристаллических солей вдоль мембраны. Естественно, что при длительной эксплуатации твердый осадок забивает мембрану, приводя к снижению ее селективности и производительности. Для того чтобы избежать данной проблемы, обычно предусматривается регулярная очистка при помощи специального реагента. Безусловно, это требует остановки системы. Для уменьшения простоев и увеличения периодов между очистками в подаваемую воду рекомендуется добавлять ингибиторы кристаллизации. Их внесение в систему удобно производить специальными цифровыми дозирующими насосами с шаговым приводом, управляемыми с единого пульта на основании изменения контрольных параметров. Применение таких дозаторов позволяет оптимизировать расход дорогих ингибиторов.
Так как сейчас все больше внимания уделяется энергоэффективности установок обратного осмоса, разработаны способы использования потенциальной энергии концентрата, остающегося под давлением после отделения пермеата. Современные системы рекуперации, основанные на принципах обмена давления, могут возвращать до 90% энергии концентрата. Излишек давления передается на турбину, которая или снабжает энергией отдельный питающий насос, или передает вращение на вал основного насоса. Особенно выгодно использование систем рекуперации при высоконапорном обратном осмосе (например, при опреснении морской воды).
Поскольку расчет таких систем очень сложен, производители поставляют так называемые контейнерные системы обратного осмоса, то есть установку в сборе.
Следует заметить, что по сравнению с другими методами водоподготовки (например, ионообменом) технология обратного осмоса более чувствительна к качеству исходной воды и требует относительно больших капитальных затрат. А стоимость систем мембранной фильтрации в 1,5–3 раза превышает затраты на ионообменные установки. Однако с увеличением солености исходной воды разница в капитальных вложениях существенно уменьшается, а для морской воды и рассолов может быть даже ниже, чем для установок ионного обмена. Кроме того, обратноосмотические системы не требуют затрат на возведение и эксплуатацию складских и вспомогательных помещений, обязательных при иных способах водоподготовки. Также немаловажным является и снижение общих эксплуатационных расходов, и уменьшение вредного воздействия на окружающую среду. Все это делает мембранные технологии чрезвычайно перспективными.
| Автор: по материалам редакции Дата: 24.11.2004 Журнал Стройпрофиль 8-04 Рубрика: оборудование Внимание: Публикация является архивной и на текущий момент может быть не достоверной. |