Ультрафильтрация

Установки ультрафильтрации для очистки воды

Ультрафильтрация — мембранный процесс, занимающий промежуточное место между микрофильтрацией и нанофильтрацией. Мембраны для ультрафильтрации имеют размер пор от 0,05 мкм (минимальных размер пор микрофильтрационных мембран) до 10 нм (максимальный размер пор нанофильтрационных мембрана).

Основная сфера применения ультрафильтрации выделение макромолекулярных веществ из растворов, при этом минимальный предел выделяемых растворенных веществ соответствует молекулярным массам в несколько тысяч Дальтон. Для отделения растворенных органических соединений с молекулярной массой от нескольких сотен до нескольких тысяч Дальтон (Да) применяет мембранный процесс — нанофильтрация. Ультрафильтрационные мембраны являются пористыми, следовательно задержка частиц определяется в основном формой и размером и пор. Транспорт растворителя в данном случае прямо пропорционален приложенному давлению. При микро- и ультрафильтрации протекают одинаковые мембранные явления и производится одинаковый принцип разделения.

Однако ультрафильтрационные мембраны, в отличии от микрофильтрационных, имеют асимметричное строение. При этом гидродинамическое сопротивление определяется малой долей общей толщины мембраны для ультрафильтрации воды, тогда как при микрофильтрации, видимо, в гидродинамическое сопротивление дает вклад полная толщина мембраны. Толщина верхнего слоя ультрафильтрационной мембраны, как правило, равна не более 1 мкм.

Сечение ультрафильтрационной полисульфоновой мембраны под электронным микроскопом (х 10000)

Промышленное применение технологии ультрафильтрации — фракционирование макромолекул: крупные молекулы задерживаются мембраной, в то время как небольшие молекулы вместе с молекулами растворителя свободно проходят через мембрану. Для подбора ультрафильтрационных мембран, производители используют концепцию молекулярной массы «отсечения». Однако, кроме молекулярной массы на селективность ультрафильтрационных мембран значительное влияние оказывает явление концентрационной поляризации. К примеру, мембрана ультрафильтрации с отсечением 40 КДа полностью проницаема для цитохрома с массой молекулы 14,4 КДа. При этом в смеси цитохрома и альбумина (67КДа) будет задерживается как альбумин, так и значительная часть цитохрома. Причина данного явления — концентрационная поляризация. Мембрана непроницаема для  альбумина, который формирует на поверхности мембраны дополнительный слой, работающий как динамическая мембрана, задерживающая цитохрома. Различные растворенные вещества, такие как, линейные макромолекулы (полиэтиленгликоль,  декстран и др.)  или глобулярные белки существенно влияют на характеристики мембранного отсечения в процессе ультрафильтрации. Следовательно при подпоре ультрафильтрационных мембран для различных технологических процессов необходимо учитывать влияние концентрационной поляризации и распределение по молекулярным массам, характерное для большинства полимеров.

Ультрафильтрация широко применяется в промышленности и лабораториях для решения задач, связанных с разделением высокомолекулярных и низкомолекулярных соединений. Это очистка сточных вод промышленных предприятий, разделение и концентрирование продуктов в пищевом и молочном производстве, извлечение высокомолекулярных соединений (ВМС) в  химической и текстильной промышленности, металлургии, в кожевенной промышленности, а также при производстве бумаги.

Для решения существующих проблем в очистке сточных вод от тяжелых металлов до низких концентраций ПДК создан ряд современных очистных сооружений, позволяющих вести промышленную очистку воды от взвешенных веществ, тяжелых металлов, нефтепродуктов, синтетических поверхностно-активных веществ (СПАВ), и других вредных веществ. Работа очистных сооружений основана на новых технология очистки воды: электрофлотации и ультрафильтрации.

Технологическая схема очистки сточных вод с применением ультрафильтрации

Выше представлена технологическая схема очистки сточных вод гальванического производства с последующим сбросом очищенной воды в систему канализации, либо подачей на установку обратного осмоса для обессоливания при создании оборотного водоснабжения предприятия. Данная система промышленной очистки воды рекомендуется для использования при проектировании новых очистных сооружений, либо реконструкции действующих систем очистки сточных вод для повышения их экологической безопасности и экономической эффективности.

Подобная технология очистки воды успешно реализована на нескольких очистных сооружениях гальванических производств в РФ. Технология предусматривает обработку кислотно-щелочных и хромсодержащих сточных вод в самостоятельных технологических цепочках. Технология обеспечивает глубокую очистку сточных воды от тяжелых металлов до уровня 0,005 мг/л, взвешенных веществ и нефтепродуктов до 0,01–0,05 мг/л. Рекомендуется для вновь строящихся очистных сооружений в регионах с жесткими нормами ПДК.

Юго-западная водопроводная станция Москвы. Ультрафильтрация после озонирования воды.

Представленные технологии нашли применение в модульных, блочно-модульных и сборных установках. Разработаны различные модификации модульных установок в зависимости от состава сточных вод и климатических условий.

Модульные установки очистки воды производительностью от 0,1 до 50 м³/ч отвечают современным гигиеническим нормам и предназначены для промышленной очистки воды до требований ПДК рыбохозяйственных водоемов.

Ультрафильтрация — мембранный процесс, находящийся между микрофильтрацией и нанофильтрацией. Ультрафильтрационные мембраны имеют диаметр пор 0,005-0,2 мкм и позволяют задерживать высокодисперсные и коллоидные частицы, макромолекулы с нижним пределом молекулярной массы до нескольких тысяч, микроорганизмы и водоросли. Сравнительная таблица фильтрующих способностей различных мембранных процессов представлена здесь (таблица подготовлена специалистами РХТУ им. Д.И. Менделеева).

Ультрафильтрация это продавливание жидкости через полупроницаемую мембрану, являющейся проницаемой для ионов и малых молекул и, в тоже время непроницаемой для коллоидных частиц и макромолекул. Ультрафильтрация растворов, содержащих молекулы ВМС (высокодисперсных систем), в отличие от ультрафильтрации золей, называют молекулярной фильтрацией. Ультрафильтрацию можно рассматривать как гиперфильтрацию, когда мембрана пропускает только молекулы растворителя или как диализ под давлением. В первом случае мембранный процесс обычно называют обратным осмосом.

Характеристики некоторых ультрафильтрационных мембран

Фирма- изготовитель (страна)	Марка мембраны	Материалы мембраны	Рабочее давление, МПа	Проницаемость G · 103, м3/(м2 · ч)	Задерживаемые вещества		Селективность, %
					молекулярная масса	наименование
«Амикон» (США)	UM05	Полиэлектролитный комплекс	0,38	12 — 24	594	Раффиноза	90
	UМ			24 — 48	18 000	Миоглобин	95
	DМ5			48 — 60	10 000	Декстран Т10	90
	UM10	—		60 — 180	67 000	Альбумин	98
	РМ10	—		600 — 2400	24 500	Химотрипсиноген	95
	UМ20	—		300 — 1500	142 000	Альдолаза
	РМ30	—		1200 — 3000			98
	ХМ30	—		300 — 1200			95
	ХМ100	—	0,07	240 — 840	48000	Апоферритин
	ХМ300	—		420 — 1200	960 000	19S глобулин	98
«Миллипор» (США)	РSАС	—	0,18	60	10 000	—	100
	РТGС	—		360	25 000	—
	РSЕD	—		120	100 000	—
	РТНК	—		900	200 000	—
	РSVР	—		180	3 000 000	—
«Дайцел» (Япония)	DUY-01	Сополимеры акрилонитрила	0,7	—	1000	—
	DUY-10		0,71	—	10 000	—
	DUY-15		0,7	—	15 000	—
	DUY-20			—	20 000	—
	DUY-50			—	50 000	—

Мембраны для ультрафильтрации как правило изготавливаются в виде цилиндрических патронов или пластин из микропористых неорганических материалов, но чаще всего из синтетических полимеров (полиамиды, полисульфоны, полиэфирсульфоны, ПВДФ и пр.). Максимальный размер проходящих через мембрану молекул частиц (частиц) находится в пределах от нескольких мкм до сотых долей мкм. Селективность (разделяющая способность) мембран зависит от их физико-химических свойств и структуры, состава фильтруемой среды, давления, температуры и других факторов.

Ультрафильтрация в качестве метода очистки воды, концентрирования сточных вод,  и/или фракционирования ВМС и многокомпонентных систем находит широкое применение в промышленном производстве. Ультрафильтры используют для очистки воды от ионных и не ионных загрязняющих веществ, органических растворителей, дизельного топлива и масел, разделения смесей белков (извлечение фосфолипидов из фосфатидного концентрата), производства витаминов и ферментов. Ультрафильтрацию применяют для микробиологического и дисперсионного анализа, а также анализа загрязнений воздушных масс и водных объектов бытовыми и промышленными отходами.

Скачать опросный лист — Очистка сточных вод