Нанофильтрация

Установки нанофильтрации воды и органических растворителей

Нанофильтрация (НФ) совмещает в себе черты как ультрафильтрации, так и обратного осмоса. В технологии нанофильтрации применяют электронейтральные и заряженные полимерные мембраны, а также керамические мембраны, которые близки по размерам пор к ультрафильтрационным, вследствие чего происходит разделение сред как по стерическому механизму, так и по электростатическому и Доннановскому механизмам. В зависимости от типа извлекаемых загрязняющих веществ преобладают те или иные эффекты. Например, для ионов тяжелых металлов, которые имеют сильный положительный заряд, решающий вклад в селективность нанофильтрационных мембран вносят заряженные отрицательно и слой положительно заряженных противо- ионов вносят. Применение технологии нанофильтрации позволяет достичь 90-98% селективности, что ниже типичных для обратного осмоса 97-99,5%, при этом в ряде случаев столь высокая селективность ОО мембран не являются необходимой и выгоднее применять относительно менее энергоемкий процесс нанофильтрации, для которого рабочее давление ниже в 1,5-2 раза.

Нанофильтрация также применяется для концентрирования водных растворов, содержащих поливалентные соли за счет различия в размере гидратных оболочек ионов и плотности заряда. Влияние заряда имеет большое значение при выделении солей в процессе нанофильтрации, для которого главные механизмы это процессы растворения-диффузии. Для разбавленных растворов солей Доннановские силы имеют особенно важное значение.

Рис.1. Промышленная установка нанофильтрации воды

Таблица 1. Сравнительные характеристики рулонных элементов для нанофильтрации воды

Модель мембранного элемента	Диаметр, дюймы	Длина, дюймы	Рабочее давление, бар	Рабочая поверхность, м2	Поток, м3/сутки
Filmtec NF270-2540*	2	40	4,8	2,6	3,2
Filmtec NF270-4040*	4	40	4,8	7,6	9,5
Filmtec NF270-400*	8	40	4,8	37,0	55,6
Toray SU-610*	4	40	3,5	6,8	4,5
Toray SU-620*	8	40	3,5	28,0	18,0
Hydranautics ESNA1-4040*	4	40	5,2	7,9	8,0
Hydranautics ESNA1-LF*	8	40	5,2	37,1	31,0
Владипор ЭРН-КП-100-1016	4	40	до 16	—	10,8
Владипор ЭРН-КП-200-1016	8	40	до 16	—	48

*Условия испытаний: раствор NaCl = 500 мг/л, Т = 25ºС, pH = 6,5-7,0.

Ниже представлены среднестатистические данные о селективности рулонных фильтрующих элементов, полученные обобщением показателей большого числа установок нанофильтрации воды, эксплуатируемых в различных отраслях промышленного производства.

Рис.2. Нанофильтрация воды в гальваническом производстве

Современные полимерные материалы, применяемые в производстве мембран нанофильтрации обладают механической и химической стойкостью. При этом НФ мембраны имеют высокую селективность по поливалентным солям и целевым органическим соединениям, при этом хорошо пропуская в фильтрат воду и/или органический растворитель.

Данные полимерные материалы можно разделить на три основных класса: высокопроницаемые каучуки (в основном сшитые силиконовые каучуки), низкопроницаемые полимерные стекла (полиамиды и полисульфоны) и высокопроницаемые полимерные стекла ПТИСП)

Таблица 2. Селективность мембранных элементов нанофильтрации

Ион / Показатель	Селективность, %
Кальций	93-95
Магний	92-94
Железо (III)	98-99
Алюминий	95-98
Сульфаты	96-98
Фосфаты	90-95
Бикарбонаты	50-60
Силикаты	90-95
Хлориды	40-60
Общий органический углерод	90
ХПК	50-70
ПАВ (анионные и неионогенные)	90-95
Цветность (красители)	95

Нанофильтрация неводных (органических) сред используется для концентрирования растворенных в данных средах органических веществ с молекулярными массами в диапазоне от 200 до 1400 Da, при этом органический растворитель в процессе нанофильтрации проходит в фильтрат через мембрану. К процессу нанофильтрации относят выделение требуемых компонентов из раствора с использованием как электронейтральных мембран, так и заряженных пористых мембран (как при нанофильтрации воды).

В пищевом производстве растительного масла нанофильтрация успешно заменяет относительно энергоемких процесс дистилляционного выделения органического растворителя — гексана. Однако нанофильтрацию наиболее целесообразно применять в ходе предварительного концентрирования растительного масла. Кроме того, мембранная технология нанофильтрации позволяет решить важную задачу извлечения свободных жирных кислот в процессе очистки подсолнечного масла, в том числе и без использования органических растворителей.

В фармацевтической промышленности нанофильтрация органических сред может быть использована при производстве лекарственных средства в ходе многостадийного химического синтеза. Для смены одного растворителя на другой проводят несколько циклов нанофильтрации, при этом удаляется 75-95% исходного органического растворителя.