В процессе гиперфильтрации мембраны пропускают молекулы растворителя, задерживая растворенные вещества (молекулы, гидротированные ионы, размеры которых больше размеров молекул растворителя).

Таким образом, от обычной фильтрации такие процессы отличаются отделением частиц меньших размеров. Давление, необходимое для проведения процесса обратного осмоса (6-- 10 МПа), значительно больше, чем для процесса ультрафильтрации (0,1--0,5 МПа).

Обратный осмос широко используется для обессоливания воды в системах водоподготовки ТЭЦ и предприятий различных отраслей промышленности (полупроводников, кинескопов, медикаментов и др.); в последние годы начинает примениться для очистки некоторых промышленных и городских сточных вод. Простейшая установка обратного осмоса состоит из насоса высокого давления и модуля (мембранного элемента), соединенных последовательно (рис. 27).

Достоинства метода: 1) отсутствие фазовых переходов при отделении примесей, что позволяет вести процесс при небольшом расходе энергии; 2) возможность проведения процесса при комнатной температуре без применения или с небольшими добавками химических реагентов; 3) простота конструкции аппарата.

Недостатки метода: 1) возникновение явления концентрационной поляризации, которая заключается в росте концентрации растворенных веществ у поверхности мембраны, это приводит к уменьшению производительности установки, степени разделения компонента и срока службы мембран; 2) требует обеспечения надежной герметизации и применения специальных уплотняющих материалов и аппаратуры.

Эффективность процесса зависит от свойств применяемых мембран, которые должны иметь высокую разделяющую способность (селективность), большую удельную производительность (проницаемость), устойчивость к воздействию среды, стабильность характеристик и размеров в процессе эксплуатации, достаточной механической прочностью, низкой стоимостью. Процесс мембранного разделения зависит от противодавления, гидродинамических условий, конструкции аппарата, природы и количества примесей в сточной воде, температуры процесса. Увеличение концентрации раствора приводит к росту осмотического давления, повышению вязкости раствора и расту концентрационной поляризации, то есть снижению проницаемости и селективности. Природа растворенных веществ оказывает влияние на селективность процесса. При одинаковой молекулярной массе, например, неорганические вещества задерживаются на мембране лучше, чем органические. В целом увеличение давления интенсифицирует процесс фильтрации, однако при высоких давлениях мембраны могут уплотняться, что может снизить их проницаемость, поэтому для каждого вида мембран подбирают оптимальное давление. С ростом температуры вязкость и плотность раствора уменьшаются, что способствует росту проницаемости мембран. Однако, например, ацетатцеллюлозные мембраны при 50°С разрушаются. Поэтому оптимальной температурой считают 20-30°С. Конструкции аппаратов для проведения процесса обратного осмоса и ультрафильтрации должны обеспечивать большую фильтрующую поверхность мембран в единице объема, простоту сборки и монтажа, механическую прочность и герметичность, компактность.

Для проведения процесса применяют непористые -- динамические и диффузионные мембраны, представляющие собой квазигомогенные гели, и пористые мембраны в виде тонких пленок, изготовленные из полимерных материалов. Наибольшее распространение получили полимерные мембраны из ацетатцеллюлозы. Разрабатываются мембраны из полиэтилена, фторированного этиленпропиленового сополимера, политетрафторэтилена, пористого стекла, ацетобутирата целлюлозы и др.

Предложено несколько вариантов механизма обратного осмоса. По одному из них мембраны собирают воду, которая в поверхностном слое не обладает растворяющей способностью. Если толщина слоя адсорбированных молекул воды составляет половину или более половины диаметра пор мембран, то под, давлением через поры будет проходить только чистая вода, несмотря на то, что размер многих ионов меньше, чем размер молекул воды. Прониканию (проницанию) таких ионов через поры препятствует возникающая у них гидратная оболочка. Размер гидратных оболочек различен у разных ионов. Если толщина адсорбированного слоя молекул воды меньше половины диаметра пор, то вместе с водой через мембрану будут проникать и растворенные вещества.

Для ультрафильтрации предложен другой механизм разделения. Растворенные вещества задерживаются на мембране потому, что размер молекул их больше, чем размер пор, или вследствие трения молекул о стенки пор мембраны. В действительности в процессе обратного осмоса и ультрафильтрации имеют место более сложные явления.

Рис. 28. Аппараты для обратного осмоса:

а - типа фильтр-пресс:1 -- пористые пластины; 2 --мембраны;

6 -трубчатый фильтрующий (элемент): 1 -- трубка; 2 --подложка; 3 -- мембрана;

в - с рулонной укладкой полупроницаемых мембран: 1--дренажный слой; 2 -- мембрана; 3 -- трубка для отвода очищенной воды; 4 -- сетка-сепаратор;

г - с мембранами в виде полых волокон: 1 -- подложка; 2 -- шайба с волокном; 3 -- корпус; 4 --полые волокна

Основным достоинством аппаратов с трубчатыми элементами: большая скорость фильтрации (0,9-12 м/с), производительность при давлении 3-4 МПа равна 100-1000 л/м2•ч. Используют перфорированные трубки: металлические, пластмассовые, керамические с внутренним диаметром 6-30 мм. Недостатки: сложность замены мембран, наличие застойных зон, высокая стоимость трубки.

Аппараты с фильтрующими элементами отличаются большой плотностью упаковки мембран от 300 до 800 м2/м3 емкости. Ширина навиваемого пакета 300-500 мм, длина - 0,6-2,5 м. Недостатки: сложность монтажа и смены мембран, трудность обеспечения герметичности аппарата.

Аппараты с фильтрующими волокнами компактны и высокопроизводительны. Диаметр волокон 45-2000 мкм. Удельная поверхность волокна достигает 20000м2/м3. волокна собирают в пучки, длиной 2-3 м. Недостатки: сложность замены поврежденных волокон.

ДЕСОРБЦИЯ, ДЕЗОДОРАЦИЯ И ДЕГАЗАЦИЯ

Многие сточные воды загрязнены летучими неорганическими и органическими примесями, сероводородом, диоксидом серы, сероуглеродом, аммиаком, диоксидом углерода и др.

При пропускании воздуха или другого инертного малорастворимого в воде газа (азот, диоксид углерода, топочные дымовые газы и др.) через сточную воду летучий компонент диффундирует в газовую фазу. Десорбция обусловлена более высоким парциальным давлением газа над раствором, чем в окружающем воздухе. Процесс десорбции веществ из сточных вод инертными газами может быть проведен в тарельчатых, насадочных и распы- ительных колоннах. Наиболее интенсивно для тарельчатых колонн он протекает в пенном режиме, а для насадочных -- в режиме эмульгирования. Для проведения процесса могут быть использованы колонны с колпачковыми, ситчатыми, клапанными, провальными и другими тарелками.

Степень удаления летучих веществ из сточных вод увеличивается с ростом температуры газожидкостной смеси, коэффициента массоотдачи и поверхности контакта фаз. Десорбируемое нз воды вещество направляют на адсорбцию или на каталитическое сжигание.

При небольших количествах отделяемого вещества и небольшой его стоимости, а также при условии трудного извлечения его из газовой фазы проводят каталитическое окисление. В этом случае воздух с парами извлекаемого вещества после колонны при температуре 280--350 °С пропускают через слой катализатора (пиролюзит, оксид хрома и др.). Большинство органических соединений в этом случае окисляется до СО2 и Н2О.

Дезодорация.

В некоторых сточных водах содержатся меркаптаны, амины, аммиак, сероводород, альдегиды, углеводороды, щих сточных вод можно использовать различные способы: аэрацию, хлорирование, ректификацию, дистилляцию, обработку дымовыми газами, окисление кислородом под давлением, озонирование, экстракцию, адсорбцию и микробиологическое окисление. При выборе метода необходимо учитывать его эффективность и экономическую целесообразность.

Наиболее эффективным считается метод аэрации, который заключается в продувании воздуха через сточную воду. Процесс проводят в аппаратах различной конструкции. На схеме представленной на рис. 30, удаление дурнопахнущих веществ проводят в тарельчатой колонне каскадного типа. Сточная вода растекается в виде пленок по тарелкам, на которых происходит ее контакт с воздухом. Затем воздух с выделенными веществами поступает в насадочную колонну, которая орошается раствором щелочи.

На некоторых предприятиях дурнопахнущие сточные воды очищают продувкой острым паром. В целлюлозной промышленности воды загрязнены серосодержащими соединениями, а кроме того, метанолом и скипидаром. Отдувка паром позволяет очищать воду и от этих веществ. Основным аппаратом для обработки сточных вод паром является колонна с колпачковыми или сетчатыми тарелками. Степень очистки от сероводорода и ме-тилмеркаптана приближается к 100%, от других веществ -- к 90%. Расход пара на 1 м3 сточной воды составляет 60 кг; для уменьшения расхода пара сточную воду подогревают.

Промышленное применение имеет и хлорирование дурнопахнущих сточных вод. При этом происходит окисление хлором серосодержащих соединений.

Для удаления запахов из сточных вод могут быть использованы процессы озонирования и адсорбции. Однако более эффективно происходит очистка при одновременном введении в воду озона или диоксида хлора и фильтровании воды через слой активного угля.

Дегазация.

Присутствие в сточных водах растворенных газов затрудняет очистку и использование сточных вод, усиливает коррозию трубопроводов и аппаратуры, придает воде неприятный завах. Растворенные газы из воды удаляют дегазацией, которую осуществляют химическими, термическими и десорбциокными (аэрационными) методами.

Для удаления из воды диоксида углерода используют методы аэрации, проводимые в пленочных, насадочных, барботажных н вакуумных дегазаторах. Пленочные дегазаторы -- колонны с различного вида насадками, работающие в условиях противотока дегазируемой воды и воздуха, подаваемого вентилятором. Дегазаторы струйно-пленочного типа представляют собой градирни без принудительной подачи воздуха. Из дегазаторов барботажного типа наиболее эффективны пенные аппараты.

Вакуумные дегазаторы -- насадочные колонны, работающие под вакуумом, в которых вода равномерно распределяется по поверхности насадки. Наиболее полная дегазация достигается при разбрызгивании в вакууме и одновременном подогреве воды (рис. П-46). Воду нагревают паром в котле. Пар из змеевика попадает в теплообменник, где вода подогревается. Вакуум создают отсасыванием дегазованной воды насосом.