Реферати українською » Наука и техника » Основи зворотноосмотичної обробки води


Реферат Основи зворотноосмотичної обробки води

Страница 1 из 2 | Следующая страница

Метод зворотного осмосу залежить від фільтрації розчинів під тиском через спеціальні напівпроникні мембрани, пропускають молекули розчинника цілком або частково затримуючі молекули або іони розчинених речовин. У основі методу лежить явище осмосу – самовільного переходу води через полупроницаемую перегородку в розчин. Тиск, у якому настає рівновагу, називається осмотическим. Якщо з боку розчину докласти тиск, що перевищує осмотическое, то перенесення розчинника відбуватиметься у напрямку.

Поділ методом зворотного осмосу здійснюється без фазових перетворень, і енергія у процесі витрачається, переважно, створення тиску вихідної рідини (практично несжимаемой середовища) і його продавлюванні через мембрану. Тому її витрати ближчі один до величині мінімальної термодинамической роботи поділу, ніж витрати енергії за іншими процесах.

Процес зворотного осмосу слід відрізняти від процесу фільтрування. На очищення фільтруванням направляють рідина, яка була гетерогенную (двухфазную) систему з різноманітною ступенем дисперсности зважених частинок. Обратным осмосом очищають, зазвичай, гомогенні (однорідні) системи – істинні розчини. Ця обставина зумовлює розбіжності у типі фільтруючих матеріалів й у величинах тисків, під впливом яких йдуть процеси. При фільтруванні повинні затримуватися зважені частки розміром щонайменше 100 – 200 А. Назад осмотическая мембрана мусить бути настільки щільною, аби бути бар'єром для речовин, що у розчинах як молекул і іонів, що викликає значні гідравлічні опору при продавлюванні через мембрани чистого розчинника. З іншого боку, при обратноосмотическом поділі розчинів ще одна додаткова протидіюча процесу сила – різницю осмотических тисків, розмір якої дуже значна за високої концентрації розчинених речовин.

Іншим суттєвим розходженням цих процесів і те, що з фільтруванні задерживаемое речовина залишається або лежить на поверхні, або у обсязі фільтруючого матеріалу, який за забруднення змінюють чи очищають зворотної промиванням. При зворотному ж осмосе на повинен відбуватися забруднення мембрани, тобто. яких затримують речовини повинні відводиться від мембрани і сорбироваться ні її поверхні, ні з її обсязі. Забруднення мембран є вторинним процесом, негативно впливає на обратноосмотическое поділ розчинів.

Якщо задерживаемое речовина не відводити від мембрани, то, при ідеальної її полупроницаемости процес фільтрування припинитися. Справді, збільшення концентрації розчинених речовин супроводжується підвищенням осмотического тиску, і за досягненні останнім величини, рівної прикладеному гидростатическому тиску, рушійна сила процесу дорівнюватиме нулю, отже, швидкість фільтрування розчинника також звернутися у нуль. При неідеальною полупроницаемости накопичення розчиненої речовини у мембрани призводить до збільшення швидкості його проникання через мембрану до значень, рівних швидкості підвода речовини до мембрани. І тут процес фільтрування не припиниться, але ефект стане рівним нулю.

У виду предпочтительного перенесення води через полупроницаемую мембрану біля її поверхні збільшується концентрація розчинених речовин проти їхніми змістами в розчині у цьому сечении напірної камери. У цьому встановлюється така величина градієнта концентрації, що забезпечує динамічну рівновагу між підведенням речовин до мембрани і видаленням їх внаслідок конвективного та молекулярною дифузії.

Явище виникнення градієнта концентрацій розчинених речовин перпендикулярно поверхні мембрани одержало назву концентрационной поляризації.

Поруч із описаним явищем в апаратах спостерігається також виникнення градієнта концентрацій, спрямованого вздовж поверхні мембран. Це з тим, що, рухаючись вздовж мембрани частина води фільтрується неї і концентрація розчинених речовин, у розчині збільшується. Це називається концентрированием розчинів.

Отже, в обратноосмотических апаратах встановлюються поперечний (концентрационная поляризація) і подовжній (концентрування) градієнти концентрацій розчинених речовин. Обидва ці негативні явища обов'язково супроводжують обратноосмотическому поділу розчинів.

Вплив параметрів на процес зворотного осмосу

Тиск. Основним чинником, який впливає на процес зворотного осмосу і ультрафільтрації, є робочий тиск. Зі збільшенням тиску збільшується ефективна рушійна сила процесу, відповідно, зростає величина проникності мембрани. Там, коли мембрана не змінює своєї структури під впливом тиску, проникність води лінійно зростає збільшенням ефективної рушійної сили, і те що проникність розчиненої речовини мала проти проникності води. Загальна проникність добре описується рівнянням:

                                                                                                    (2.1)

де G – проникність води;

A – константа системі мембрана - розчин за певних зовнішніх умов;

- різницю осмотических тисків розчинів з обох боків мембрани.

Проте за підвищених тисках реальні полімерні мембрани не зберігають початкову структуру і ущільнюються, що впливає розмірі константи На рівнянні (™). У зв'язку з цим, починаючи із певною величини тиску, проникність знижується й за певних тисках сягає максимуму. При подальшому збільшенні тиску проникність знижується.

Схожий характер носить залежність селективності поділу тиску.

Селективность у сфері малих тисків лінійно зростає збільшенням тиску, потім швидкість зростання знижується й селективність сягає максимальної величини, обумовленою типом мембрани і природою розчиненої речовини. Такий характер залежності зумовлено тим, політика щодо невисоких тисків зі збільшенням рушійної сили зростає лише потік води через мембрану, тоді як потік розчиненої речовини мало змінюється. Те, що селективність залишається постійної навіть по досягнення максимуму проникності, пояснюється зниженням потоку розчиненої речовини через мембрану зі значним її ущільнення.

Температура. Вплив температури розчину на процес має складний характер. Збільшення температури зменшує в'язкість і щільність розчину і водночас збільшує її осмотическое тиск. Якщо зменшення в'язкості і щільність призводить до збільшення проникності, то збільшення осмотического тиску знижує рушійну собі силу й зменшує проникність. Рівень впливу тих чи інших чинників залежить від природи розчиненої речовини і концентрації розчину. Дослідження, проведені на чистої води й водних розчинах NaCl, показали, що у діапазоні температур 10 – 400 проникність і селективність зростають. Причому вплив температури на селективність ставати все більш помітним на підвищення концентрації. Вплив температури на проникність при поділі розчинів невисокою концентрації практично цілком визначається зміною в'язкості розчину і добре корелюється співвідношенням:

                                                                                                          (2.2)

де G – проникність розчинника;

- в'язкість розчину.

Для концентрованих розчинів величина G* зменшується зі збільшенням температури.

Вплив температури на продуктивність мембранних установок практично однаково як чиста, так розведеного щелока, якщо його осмотическое тиск менше докладеної на 70%. Це тим, що осмотическое тиск розведеного щелока майже залежить від температури в інтервалі 10 – 350. Умовно проникність мембрани за нормальної температури 250 прийнята за 100. Цю залежність можна рівнянням:

                                                                                             (2.3)

В багатьох випадках підвищення сприяє розмивання обложеного на мембрані шару, у межах термостойкости мембран використання підвищених температур можна виправдати.

Концентрація розчину. Збільшення концентрації розчину приводить до зменшення рушійної сили процесу, збільшення в'язкості і щільність розчину, що знижує величину проникності.

Для обліку зміни проникності у зв'язку з зміною концентрації запропоновано таке емпіричне співвідношення:

                                                                            (2.4)

k1, k2, n – константи, що характеризують конкретну систему мембрана – розчин;

x – концентрація вихідного розчину;

- щільність розчину;

- в'язкість розчину.

Залежність селективності від концентрації носить складніший характер. Що стосується поділу розчинів невисокою концентрації селективність істотно не змінюється зі зміною концентрації, а падіння концентрації вважатимуться лінійним.

Проницаемость більш щільних мембран нижче, ніж мембран середньої щільності. Це відбувається внаслідок забруднення мембран осаждающимся шаром деяких компонентів розчину (в різного рівня щодо різноманітних стоків). Відбувається проникнення сторонніх речовин, у структуру напівпроникної мембрани, а зчинений шар, працюючий як друга мембрана, змінює параметри процесу.

Осадкообразование на мембранах

Вітчизняний і закордонний досвід показав, що у тривалість і надійність роботи мембран великий вплив надає процес осадкообразования. Образующийся шар осаду, який, зазвичай, є соленепроницаемым, забиває поверхневі пори мембрани, створює додаткову опір потоку і массопередаче в граничному шарі, у результаті збільшується концентрационная поляризація на мембранах і знижується їх солезадерживающая спроможність населення і продуктивність.

Щодо хімічного складу опадів, які виникають при опреснении і очищенні вод різних типів, дуже різноманітний. На процеси зворотного осмосу негативний вплив надає освіту у апаратах відкладень малорастворимых солей кальцію, гидроокисей заліза і марганцю, і навіть зважених речовин і високомолекулярних сполук.

У підземних минерализованных і морських водах кальцій перебуває у рівновазі з бикарбонатными і сульфатными іонами і змістом його дуже важливо – зазвичай від 100-120 до 300-400 мг/л. у процесі зворотноосмотичної обробки води відбувається переважний перенесення молекул М2Про через мембрану, що викликає порушення рівноважного гніву й можуть призвести до випаданню на мембранах опадів сульфату і карбонату кальцію. Причиною освіти осаду сульфату кальцію є швидке досягнення в граничному шарі концентрації СаSО4, перевищує межа його розчинності (близько 2-3 г/л при 200З).

Дещо по-іншому відбувається освіту відкладень карбонату кальцію. У результаті обратноосмотического процесу при опреснении води відбувається видалення з розчину як води, а й частини вільної вуглекислоти. Через війну углекислотное рівновагу у питній воді зсувається із заснуванням надлишку карбонатних іонів, які реагують з іонами кальцію. Образующийся карбонат кальцію через недостатню розчинності випадає в осад.

Швидкість освіти сульфатных і карбонатних відкладень залежить від вмісту у вихідної воді солей жорсткості і зажадав від величини рН. Що цих значень, то швидше відбувається освіту осаду. Карбонатные відкладення утворюють щільну, міцно скріплену з поверхнею мембрани плівку; для сульфатных відкладень характерні рихлість структури та нерівномірність розподілу є у обсязі камери.

Осадок гідроокису заліза також знижує ефективності роботи полупроницаемых мембран. Отложение гідроокису заліза на мембранах призводить до різкого зниження їх продуктивності.

Характеристика процесу

Процес зворотного осмосу характеризується такими основними параметрами.

Удельная продуктивність мембран q, м3/(м2*сут), пов'язана з швидкістю фільтрування і співвідношенням:

                                                                                                      (4.1)

Задерживающая здатність мембран (їх селективність) стосовно якомусь речовини.

Рівень концентрационной поляризації Р залежить від гідродинамічних умов у обратноосмотическом апараті.

Для зв'язок між параметрами процесу розглянемо механізм селективною проникності обратноосмотических мембран.

Відповідно до гиперфильтрационной гіпотезою в мембрані є пори, діаметр яких достатній, щоб пропускати молекули води, але малий для проходження іонів і молекул розчинених речовин. Зблизька ситовой моделі мембрани слід пам'ятати радіуси гидратных оболонок іонів, які дорівнюють 2-15А, що значно більше радіусів молекул М2Про (1,38А).

Обратноосмотическое поділ розчинів електролітів щонайтісніше пов'язані з явищем осмосу. За відсутності тиску в напірної камері апаратів спостерігається осмотический перенесення води через мембрани, т. е. механізм, який би солезадерживающую здатність мембран, викликає осмотический перенесення води. У зв'язку з цим розгляд механізму селективності починається з дослідження осмотического перенесення через ацетилцеллюлозные обратноосмотические мембрани.

Попри те що, що осмотический перенесення вперше зафіксований у 18 в., досі немає кінетичною теорії, яка описує механізм цього процесу кількісно согласующейся з експериментальними результатами.

У основу аналізованої моделі процесу осмотического перенесення води через напівпроникні мембрани покладено такі уявлення.

У мембрані є пори діаметром, трохи більшим діаметрів молекул і гидратированных іонів розчинених речовин.

Відповідно до теорією Я. І. Френкеля молекули в рідинах перебувають у коливальному русі околовременных положень рівноваги: Диффузия складається з стрибків окремих із одного тимчасового становища рівноваги до іншого.

Для диффузионного (осмотического) перенесення води через ці пори двигуном є різницю активних концентрацій води у правого і лівого усть пори. Але, як зазначалось, осмотический перенесення через пори відбувається у відповідність до аналізованої моделлю в тому разі, коли праве гирло пори уникло молекул води та різницю активних концентрацій води з різних боків цього часу дорівнює концентрації води в дистильованої воді.

З викладеного для кількості води, що відбулася у результаті осмотического перенесення через 1 м2 площі мембрани, то, можливо написана наступна залежність:

Для випадку сильно розбавлених розчинів це рівняння набуде вигляду:

                                                                           (4.8)

якщо запровадити позначення:

                                                                                                  (4.9)

і прийняти до уваги рівняння (5), то формула (8) перетворюється на залежність (4). Звідси випливає, що формула (8) перебуває у відповідність до експериментальними даними по осмотическому переносу води через напівпроникні мембрани. Запропонований механізм дозволяє кількісно точно описати процес осмотического перенесення води з розбавлених, а й концентрованих розчинів, і навіть процес осмотического перенесення дистильованої води в колоїдні розчини через ультрафильтрационные мембрани.

Полупроницаемые мембрани

Полупроницаемые мембрани, з допомогою яких здійснюється процес поділу водних розчинів, є основною частиною будь-якого обратноосмотического апарату й у значною мірою визначають як технологічні показники процесу, а й технічні і експлуатаційні характеристики апаратів. Існує велика число різноманітних мембран.

Полупроницаемые мембрани виготовляють із різних полімерних матеріалів, пористого скла, графітів, металевої фольги та інших. від матеріалу мембрани залежать її властивості (хімічна стійкість, міцність), соціальній та значною мірою її структура.

Полимерные мембрани. Полимерные мембрани може бути пористими і непористыми (поняття “непористые мембрани” умовно, оскільки можуть мати пори розміром 0,5 – 1 мм).

По типам структур мембрани може бути симетричними і асиметричними. Для того, що досягти можливо більшої продуктивності при достатньої чистоті пермеата (фільтрату), розділовий шар мембрани може бути можливо тонше й до того ж час забезпечувати високу селективність. Будучи тонкої, мембрана мають забезпечувати високу механічну міцність щодо деформацій широтою діапазону температур. У зв'язку з цим розробили асиметричні мембрани. У асиметричних мембранах микропористый шар (99,5% товщини мембрани) є лише підкладкою для селективного непористого робочого шару, не що створює опору переносу.

Класична асиметрична гомогенна мембрана виходить вже з речовини. Проте створення досить тонких робочих верств мембрани пов'язане з великими труднощами. Наявність навіть невеликої кількості недоліків у шарі як наскрізних пір через селективний шар асиметричної гомогенної мембрани помітно знижує селективність через проскока небажаних компонентів. Вирішення проблеми створило мембран композитного типу, які з верств різних речовин. Для ущільнення дефектів на асиметричну мембрану наноситься тонкий шар высокопроницаемого, але неселективного матеріалу, який перекриває наскрізні пори в селективному шарі, мало впливаючи їхньому проникність. Можливе також нанесення селективного шару безпосередньо на окремо изготовляемую

Страница 1 из 2 | Следующая страница

Схожі реферати:

  • Реферат на тему: Мова науку й мову природи
    Що час, знають начебто усе. Але жоден людина неспроможне дати поняттю "час" однозначне
  • Реферат на тему: Інформаційна модель фізичного світу
    У рівнянні Берковича матерія теж "зникає", вірніше, вона є не первинної субстанцією, а
  • Реферат на тему: Польові моделі елементарних частинок
    Теорія показує, що, якщо врахувати квантовий характер обурень поля, можна спорудити і розрахувати
  • Реферат на тему: Еволюція і створення світу
    Заперечує чи акт твори еволюцію? Можливі альтернативи дарвінізму. Хибна альтернатива эволюционизму.
  • Реферат на тему: Біоетика
    "Врач-терминатор" і проблеми деонтології. Юридичні проблеми біоетики. Що таке смерть?

Навігація