Авг 30 2001

НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ

НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ

ОБРАТНООСМОТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

С.П. Высоцкий, А.С. Сивоконь, А.В. Фаткулина

Автомобильно-дорожный институт ДонГТУ, Горловка

В последние десятилетия в мировой практике нашли широкое применение мембранные технологии очистки воды, прежде всего обратный осмос и нанофильтрация.

В ряде случаев эти технологии являются безальтернативными, например, при необходимости получения воды питьевого качества при высокой минерализации исходной воды. Самыми доступными и относительно простыми в эксплуатации являются обратноосмотическая и нанофильтрационная технологии. Это позволяет использовать их даже в домашних условиях. Важным обстоятельством при этом является то, что мембраны задерживают также вирусы и микробы.

Разница между обратноосмотической и нанофильтрационной технологией состоит в различии пор в используемых мембранах. Благодаря большим размерам пор в нанофильтрационных мембранах последние обладают способностью пропускать через себя большую часть однозарядных ионов и задерживать двух- и трехзарядные ионы. Наиболее широко этот вид мембран применяется во Франции для умягчения воды. Обратноосмотические мембраны на 92-98 % задерживают практически все соли и пропускают через себя, в основном, только молекулы воды.

Основным преимуществом мембранных технологий является почти полное исключение потребления реагентов и резкое сокращение количества солей, сбрасываемых в поверхностные водные источники. В отечественной практике и в практике водоподготовки в странах СНГ до настоящего времени самой распространенной технологией очистки воды от солей, в том числе и катионов жесткости, является ионообменная технология. Недостатком этой технологии является необходимость использования значительного количества реагентов для регенерации фильтров и сброс большого количества засоленных стоков в поверхностные водоемы. При этом масса сбрасываемых солей в 3-4 раза превышает массу

солей извлекаемой из обрабатываемой воды. Недостатком ионообменной технологии является также периодичность процессов взрыхления регенерации отмывки и рабочего процесса фильтрации воды, что усложняет технологические операции эксплуатации фильтров, в частности, контроль качества фильтрата и автоматизацию работы фильтров.

Преимуществом мембранных технологий является также непрерывность технологического процесса очистки воды, отсутствие необходимости периодического выполнения операции по регенерации материалов.

Несмотря на ряд указанных явных преимуществ мембраных технологий, последние имеют некоторые недостатки. Основным недостатком является необходимость более тщательной, по сравнению с ионитной технологией, предочистка воды во избежание загрязнения мембран и снижения их пропускной способности и селективности. Большая чувствительность к загрязнениям обуславливает также меньший, по сравнению с ионообменными смолами, срок службы мембран 2-3 года по сравнению с 6-7 годами для ионообменных материалов.

Аппараты мембранной технологии являются достаточно дорогим оборудованием. При его эксплуатации это оборудование необходимо использовать, с одной стороны, интенсивно, для возврата капитальных вложений, и, с другой стороны, квалифицированно, во избежание быстрой потери его служебных характеристик.

В этой работе авторы, основываясь на данных зарубежных фирм-изготовителей мембран и данных эксплуатации обратноосмотических установок в отечественной практике, определили основные факторы влияющие на технологические параметры мембран. При обработке эксплуатационных данных использованы данные затрат по обратноосмотической установке производительностью 700 т/ч концерна "Стирол" (фирма "Осмоникс") и данные по обратноосмотическим аппаратам производительностью до 1 т/ч фирм "Rain Soft" и "Eco water".

Под руководством проф. Высоцкого С.П. обработаны данные фирмы "Film tec" – изготовителя пленочных рулонных элементов и "Metito" – (дочерняя компания фирмы "Dupont") – по волоконным и рулонным элементам.

Производительность обратноосмотических элементов в значительной степени зависит от температуры. При повышении температуры обрабатываемой воды проницаемость мембран увеличивается обратно пропорционально вязкости раствора. Однако для полимерных мембран, которые склонны к размягчению при повышении температуры выше предельного значения (>40°), происходит снижение проницаемости мембраны и даже ее падение до 0. Это объясняется усиленной усадкой материала мембраны (релаксация внутренних напряжений) и ионным разрушением пористой структуры.

Для мембран фирмы "Filmtec" зависимость безразмерного коэффициента проницаемости мембран (К) от температуры (Т) выражается следующей формулой:

K = 3,2·10-5 exp [3,47·10-2 Т]                      (1)

При этом зависимость расхода воды от температуры описывается следующим уравнением:

Q = 3,2·10-5 Q0 exp [3,47·10-2 Т)]                (2)

где Q0 – расход воды при температуре 25° С.

Повышение температуры наряду с увеличением производительности мембранных элементов несколько уменьшает селективность мембраны – их способность задерживать соли.

Действующей силой обратноосмотического обессоливания воды является давление обрабатываемой воды. Зависимость расхода воды (Q в м3/год) через мембранный элемент от давления выражается следующей формулой:

Q = 2,15·10-3·P2,43,                                     (3)

где Р – давление в барах.

С другой стороны, если сравнить эксплуатационные характеристики мембранных элементов, которые используются при отличающейся минерализации исходной воды, необходимо учитывать изменение осмотического перепада давления на мембране так как расход воды определяется следующей теоретической зависимостью:

Q = K (P -) ТМ                            (4)

где Q – расход воды через мембранный элемент; К – коэффициент проницаемости для воды; А – поверхность мембраны;  – толщина мембраны; Р– гидравлический перепад давления на мембране;  – осмотический перепад давления на мембране (в зависимости от минерализации воды по обе стороны мембраны).

По формуле (4) повышение минерализации исходной воды приводит к снижению перепада давления на мембране (), что обуславливает снижение производительности установки. Например, при одинаковом давлении исходной воды 4 бар (типичном давлении в водопроводной сети), при ее солесодержании 350 мг/кг и 3500 мг/кг производительность обратноосмотической установки в последнем случае снижается в 3,74 раза. Повышение рабочего давления нивелирует производительность мембранных элементов при разных солесодержаниях.

Увеличение давления обрабатываемой воды увеличивает также степень обессоливания пермиата. Эта зависимость параметра  от рабочего давления воды выражается формулой:

                                  (5)

где Со, С – соответственно солесодержание обрабатываемой воды и пермиата, мг/ кг; Р – давление обрабатываемой воды, бар.

Зависимость степени обессоливания от давления обрабатываемой воды выражается формулой:

 Р)                                     (6)

Следует отметить, что при стремлении к повышению производительности обратноосмотических установок за счет увеличения давления подаваемой воды необходимо учитывать следующие ограничения. Под действием высокого давления (до 50-100 бар) в полимерных мембранах происходят значительные и необратимые деформации (усадки) и закупорка пор в мембранах. Деформация мембран имеет последствие – остаточное влияние, проявляющееся в появлении "гистерезисных петель" на кривых скорости фильтрации. Совокупность процессов, связанных с деформацией мембран под влиянием давления, получила название крипа мембран. При крипе мембран увеличивается их гидравлическое сопротивление и уменьшается задерживающая способность мембран (степень обессоливания воды в обратноосмотических мембранах). Используя методику, приведенную в [3] по формулам (3) и (6) и по данным стоимости реагентов и ионообменных смол, любезно предоставленных концерном "Стирол" и ОАО "Донецкокс", определено оптимальное значение давления исходной воды, поступающей на обратноосмотическое обессоливание. Оно составляет 22 бара, что корреспондируется с рекомендациями фирмы "Осмоникс".

Литература

1. Dow Liquid Sеparation. Filmtec membrans. Technical manual. System Design. P.P: 25

2. Permasep Products Engineering Manual, Du Pont company, Bulletin4010, PP: 25, 4040, PP: 5.

3. Высоцкий С.П. Мембранная и ионитная технологии водоподготовки в энергетике. – К.: Техника. 1989. – 176с.

Нет пока ответов

Комментарии закрыты.