Физико-химические основы удаления растворенных примесей из природных вод, гиперфильтрация (обращенный осмос) - Микробиология воды

Гиперфильтрация и ее вид - нанофильтрация происходят в искусственно созданных условиях обратного осмоса.

Осмос - естественный процесс переноса молекул растворителя (воды) через полупроницаемые перегородки (мембраны) из области с более низкими концентрациями растворенных примесей в область более высоких, что приводит к выравниванию концентраций и к уменьшению свободной энергии частиц примесей.

Осмотическое давление, МПа, возникающее при осмосе, зависит от абсолютной температуры воды и концентрации растворенного вещества (уравнение Вант-Гоффа)

Где I - количество грамм-ионов, на которое диссоциирует одна грамм-молекула растворенного вещества; = 8310 Дж/градЧкгЧмоль - универсальная газовая постоянная; T - абсолютная температура; C - концентрация данного вещества в растворе, кг/м3; M - его молекулярная масса.

Если осмотическое давление создается несколькими (N) ионами и ионными соединениями, формула Вант-Гоффа записывается следующим образом:

Для молекулярных (недиссоциируемых) частиц I = 1,0, для полностью диссоциируемых на одновалентные ионы солей I = 2,0.

Для многокомпонентной морской воды, например, осмотическое давление достигает 2,5МПа.

Если искусственно создать в области больших концентраций растворенных примесей давление, превышающее осмотическое, то перенос через полупроницаемую мембрану молекул воды будет происходить в противоположном (по сравнению с осмосом) направлении: из области более высоких в область более низких концентраций. Этот процесс называется Обратным осмосом и используется для разделения гомогенных и гетерогенных систем, для очистки воды от крупных молекул и гидратированных ионов, а также коллоидов (ультрафильтрация).

Осмотическое давление водных растворов некоторых солей при Т = 293°С

Ниже приведена схема, иллюстрирующая процесс осмоса. По одну сторону мембраны находятся только молекулы воды, по другую - молекулы воды, множество более крупных молекул и гидратированные ионы, диаметр гидратной оболочки которых достигает в некоторых случаях 2...3 нм (см. табл.). В момент, указанный на схеме, выход из поры закрыт гидратированным катионом, но в следующий момент времени этот катион под влиянием диффузии сместится, выход из поры окажется открытым и свободным, а находящиеся внутри порового канала молекулы воды переместятся в область справа от мембраны.

По условиям изготовления мембран невозможно обеспечить одноразмерность пор, часть из них имеет слишком большие диаметры (крупные поры). Через крупные поры в фильтрат проникают растворенные загрязнения, ухудшая этим его качество.

В процессе обратного осмоса у поверхности мембраны накапливаются крупные молекулы и гидратированные ионы, концентрация которых в пристенном слое превышает среднюю концентрацию в потоке воды. Такое повышение концентрации называется концентрационной поляризацией, характеризуемой градиентом концентрации в направлении, перпендикулярном поверхности мембраны. Градиент концентрации зависит от гидродинамических условий. Между подводом вещества к мембране и его уносом за счет диффузии и конвекции устанавливается динамическое равновесие. Как видно на рисунке, градиент концентрации наблюдается в пограничном слое потока, где всегда формируется ламинарный режим движения воды; в пределах ядра потока концентрация загрязнений остается постоянной. Концентрационная поляризация отрицательно влияет на работу гиперфильтрационной установки. Повышение концентрации у поверхности мембраны вызывает увеличение осмотического давления, не соответствующего средней концентрации растворенных веществ. Повышение рабочего давления увеличивает энергоемкость установки, а в случае уменьшения избытка рабочего давления по отношению к осмотическому - снижается селективность и ухудшается качество фильтрата. Поэтому в гиперфильтрационной установке следует создавать условия для турбулизации потока, омывающего мембраны, повышать его скорость и этим уменьшать толщину пограничного слоя.

Отрицательным последствием концентрационной поляризации следует считать опасность образования отложений, если будет превышено значение произведения растворимости находящихся в пристенной области катионов и анионов удаляемых солей. дигидроксид вода химический аэробный

Количественная характеристика концентрационной поляризации - коэффициент, равный соотношению концентраций солей у поверхности мембраны, и поступающих на очистку. По существующей практике значение может находиться в диапозоне 1,05-1,40.

Похожие статьи




Физико-химические основы удаления растворенных примесей из природных вод, гиперфильтрация (обращенный осмос) - Микробиология воды

Предыдущая | Следующая