Ультрафильтрация – сравнительно новая технология, а описываемая в данном материале МАКРОКАПИЛЛЯРНАЯ ультрафильтрация – уникальная технология, разработанная для существенного уменьшения засоренности ультрафильтрационных мембран, в том числе и в проточном режиме фильтрования. Результат разделения – два раствора, один из которых является обогащенным, а другой – обедненным растворенным веществом, содержащимся в исходном, подлежащем разделению веществе.
При ультрафильтрации происходят разделение, фракционирование и концентрирование растворов. Один из растворов обогащается растворенным веществом, а другой обедняется. Мембраны пропускают растворитель и определенные фракции молекулярных соединений. Движущая сила ультрафильтрации – разность давления по обе стороны мембраны. Эта сила затрачивается на преодоление сил трения и взаимодействия между молекулами жидкой фазы и полимерными молекулами мембраны. Обычно процесс ультрафильтрации проводят при сравнительно низких рабочих давлениях 0,3 – 1 МПа. Увеличение давления, выше указанного приводит к уплотнению мембраны, уменьшению диаметра пор, изменению селективности разделения и, как правило, к снижению производительности.
Ультрафильтрации обычно подвергаются вещества, в которых молекулярная масса растворенных компонентов намного больше молекулярной массы растворителя. Эффективность разделения зависит от структуры мембран, скорости течения и концентрации разделяемого раствора, формы, размера и диффузионной способности растворенных молекул.
Недостаток процесса – сильная концентрационная поляризация, т. е. на поверхности мембраны может образовываться плотный осадок – слой геля. Гидравлическое сопротивление этого слоя в ряде случаев может быть выше, чем сопротивление самой мембраны. Способы снижения концентрационной поляризации различны: увеличение скорости омывания поверхности мембраны потоком разделяемой жидкости, работа в пульсирующем режиме подачи раствора, турбулизация потока. Точка гелеобразования зависит от его химических и физических свойств.
Из всех видов мембранного разделения ультрафильтрация нашла наиболее разнообразное применение.
Основные сферы применения ультрафильтрации:
- Регенерация отработанных моющих и обезжиривающих растворов.
- Концентрирование кремнезоля.
- Осветление фруктово-ягодных соков.
- Очистка отработанных СОЖ в машиностроении, металлообработке.
- Очистка сточных вод от животноводческих комплексов (свинарники).
- Концентрирование органического остатка спиртовой барды.
- Регенерация щелоков в производстве целлюлозы.
- Концентрирование ферментов.
- Концентрирование пектина.
- Концентрирование белка в молоке и молочной сыворотке.
- Концентрирование и очистка соевого белка.
- Очистка сырого глицерина.
- Улавливание и концентрирование красителей и пигментов.
- Очистка патоки, сахарных сиропов.
- Очистка экстрактов растительного масла.
- Подготовка воды перед обратноосмотической очисткой.
- Очистка сточных вод производства искусственного каучука.
- Очистка сточных вод производства строительных красок.
- Очистка сточных вод от замасливателей в производстве стекловолокна и от шлихты в текстильных производствах.
- Очистка белковых гидролизатов.
- Концентрирование суспензий гидроокисей многовалентных металлов (никеля, алюминия, железа, кадмия и др.)
- Очистка растворов соли от посола рыбы, мяса, сыров.
- очистка стоков, содержащих нефтепродукты;
- очистка стоков, содержащих растворенные и эмульгированные органические загрязнения;
- вывод и утилизация нефтепродуктов, возврат очищенной воды на повторное использование или сброс в канализацию;
- концентрирование и очистка органических компонентов, возврат очищенной воды на повторное использование;
- удаление биологически стойких загрязнений.
Макрокапиллярные ультрафильтрационные мембраны относятся к пористым мембранам, и в них задержка частиц определяется главным образом их размером и формой в соответствии с размерами пор мембраны, а транспорт растворителя прямо пропорционален приложенному давлению. Макрокапиллярная ультрафильрация имеет структуру пор и каналов, аналогичную капиллярной системе человека.
Макрокапиллярные ультрафильтрационные мембраны имеют асимметричное строение, а гидродинамическое сопротивление в основном определяется малой долей общей толщины мембраны. Толщина верхнего слоя мембраны обычно не превышает 1 мкм. Используемые мембраны представляют собой пористые перегородки с определенным размером отверстий. Механизм разделения основан на процессе сепарации или «просеивания» частиц в зависимости от их размера, то есть происходит селективное удаление всех частиц с размерами большими, чем размер пор мембраны.
Частицы, размер которых превышает максимальный размер пор, отсекаются мембраной и переходят в концентрат (ретентат). Большая часть жидкости и частицы, размеры которых меньше максимального размера пор, проходят через мембрану, образуя фильтрат (пермеат). Солевой состав воды при этом сохраняется неизменным, что хорошо при подготовке питьевой воды, когда полезные соли и микроэлементы сохраняются в воде, а все болезнетворные бактерии и вирусы, взвешенные вещества и прочие загрязнители отсеиваются.
Макрокапиллярная мембрана имеет очень однородный и вполне определенный размер пор. Это обстоятельство делает макрокапиллярную ультрафильтрацию уникальной и чрезвычайно привлекательной технологией очистки, т.к. качество обработанной воды соответствует определенным абсолютным критериям и не зависит от качества исходной воды. Именно эта стабильность и однородность выгодно отличает макрокапиллярные мембраны от тех же обратноосмотических. Размеры пор макрокапиллярных ультрафильтрационных мембран варьируются от 0,05 мкм до 0,01 мкм. Типичное применение ультрафильтрации – отделение макромолекулярных компонентов от раствора, причем нижний предел отделяемых растворенных веществ соответствует молекулярным массам в несколько тысяч Да.
При макрокапиллярной ультрафильтрации удаляются практически все механические частицы, коллоиды, белки, микробиологические загрязнения, а также часть органических веществ с молекулярной массой 1 000 – 300 000 Да. Вследствие малых осмотических давлений высокомолекулярных соединений и относительно низкого гидравлического сопротивления мембранных модулей макрокапиллярную ультрафильтрацию проводят при сравнительно невысоких рабочих давлениях – 0,01 - 0,25 МПа (0.1-2,5 атм) (обычная ультрафильтрация от 0,1 до 0,6 МПа (1-6 атм.).
Наряду с размером пор макрокапиллярные ультрафильтрационные мембраны также могут характеризоваться значением условной молекулярной массой частиц, которые не способны проникнуть сквозь мембрану. Обычно в промышленных и муниципальных установках водоподготовки используются ультрафильтрационные мембраны с границей отсечки по молекулярному весу задерживаемых компонентов (MWCO - Molecular Weight Cut - Off ) 80 - 150 кДа, которые обеспечивают надежный барьер для вирусов. Это примерно соответствует размеру пор около 0,02 - 0,03 мкм.
Размер пор макромолекулярной мембраны порядка 0,01 мкм. Материал мембран изготавливается из различных полимеров, исходя из класса опасности загрязнений и среды, в которой происходит фильтрация.
Области применения макрокапиллярной ультрафильтрации для целей промышленной водоподготовки предусматривают как предварительную очистку воды перед установками обратного осмоса, супер и нанофильтрации, так и самостоятельное использование в муниципальных системах водоподготовки для обеспечения стерильности очищенной воды, например, на фармацевтических производствах, пищевых производствах, в муниципальных медицинских, школьных и дошкольных учреждениях, снабжении водой населенных пунктов. Макрокапиллярная ультрафильтрация решает самую важную для населения планеты задачу – полное обеззараживание питьевой и технологической воды НЕЗАВИСИМО от типа возбудителя, без утомительного подбора антибиотиков и химических реагентов, что крайне актуально сегодня, когда все больше и больше в мире распространяются болезнетворные микроорганизмы, абсолютно стойкие к антибиотикам.
Макрокапиллярной ультрафильтрации обычно подвергается вода, загрязненная мелкими частицами и растворенными компонентами, молекулярная масса которых намного больше молекулярной массы растворителя. Эффективность разделения зависит от структуры мембран, скорости течения и концентрации разделяемого раствора, формы, размера и диффузионной способности растворенных молекул.
Удаление этими методами мелких молекул или ионов возможно при их укрупнении до мицелл или коллоидных частиц с помощью специальных реагентов с большой молекулярной массой, селективно реагирующих с такими веществами, или при коагуляции. Такой процесс называется реагентной или мицеллярно-усиленной ультрафильтрацией. Он позволяет селективно извлекать из раствора заданные ионы загрязнений или достаточно глубоко (до 60–70%), очищать воду от органических веществ с низкой молекулярной массой, таких как гуминовые и фульвокислоты, которые в большой степени определяют цветность воды, ее окисляемость и содержание железа в виде комплексов.
Промывка мембран происходит пермеатом (очищенной водой) без добавления химических реагентов, то есть отсутствует химическая мойка, то что мы отфильтровываем, практически все седиментированно. Производится промывка в тупиковом режиме фильтрации (dead-end) вся жидкость проходит через поверхность мембраны, а оставшиеся на поверхности загрязнения, либо не выводятся, что ведет к периодической замене фильтрующего элемента, либо выводятся с помощью периодических обратных промывок. Такие промывки автоматизируются и не требуют участия обслуживающего персонала, они проводятся с частотой – от 1 до 5 раз в час, но их продолжительность составляет всего 10–30 секунд. Для сокращения объема промывных вод широко используется тупиковый режим фильтрации с доочисткой промывных вод на второй ступени ультрафильтрационной очистки. Двухступенчатая схема позволяет уменьшить количество фильтрационных стоков до 0,4% от объема очищенной воды. Для работы в тяжелых условиях установки макрокапиллярной фильтрации могут снабжаться автоматической системой промывки уникального типа без прерывания подачи очищенной воды. При этом ретентат может возвращаться обратно в цикл через дополнительные модули седиментации, обеззараживания с получением различных типов товарных продуктов. В случае расположения блока макрокапилярной фильтрации после секций полиэлектродных реакторов ретентат возвращается в зону действия процесса электрохимической очистки для усиления выработки веществ-очистителей.
Срок службы мембранного элемента варьируется от 12 до 24 месяцев в зависимости от типа, количества и концентраций загрязнений. Для удлинения срока службы мембранного элемента предназначена предварительная очистка в виде механических фильтров и блоков электрохимической очистки.
Основные сферы применения макрокапиллярной фильтрации:
- работа в сверх-энергосберегающем режиме при входящем давлении 0,2 – 0,8 Бар и выше,
- возможность работы в вертикальном проточном режиме при таком давлении с эффективностью до 95%,
- работа со средне и сильно загрязнёнными мутными водами в комплексе с композитными предфильтрами,
- низкое энергопотребление,
- высокая долговечность.