Барометрические методы очистки воды

Введение

Актуальность исследования. Промышленность является важнейшей составной частью экономики Российской Федерации.
Однако, уже сейчас стало очевидным, что экологически «чистой» промышленности не существует. Причем, наибольший ущерб в окружающей среде наносится водным ресурсам.
Вопросам по подготовке воды и организации водно-химического режима на различных отраслях промышленности отводится большое значение в процессе обеспечения непрерывности рабочего процесса. Кроме того, фильтрация стоков позволяет снижать повреждения установок, обеспечивает их экономичность, т.к. содержащиеся в воде примеси приводят к коррозии внутренних поверхностей водоподготовительного, теплоэнергетического и сетевого оборудования, а также образуют накипь и отложения на теплопередающих поверхностях, отложения в проточной части турбин, шлам в оборудовании и трубопроводах.
Промышленность потребляет большое количество воды. Основными потребителями являются конденсаторы турбин, где вода (циркуляционная) используется для конденсации отработавшего пара и поддержания вакуума. Кроме того, вода расходуется для охлаждения водорода генераторов и охлаждающего воздуха крупных электродвигателей, для охлаждения масла турбогенераторов и питательных турбонасосов, для охлаждения подшипников вспомогательных механизмов – техническая вода, для гидрощлакозолоудаления, для восполнения потерь пара и конденсата и т.д. и т.п. [1].
Поэтому сегодня в промышленности остро стоит проблема очистки воды. Одним из прогрессирующих методов в этой области считается барометрический, обеспечивающие умягчение и деминерализацию воды.
Цель исследования – рассмотреть барометрические методы очистки воды.
Объект исследования – промышленная очистка воды.
Предметом исследования – барометрические методы очистки.
Задачи исследования:
1. Охарактеризовать принцип барометрического метода очистки воды;
2. Рассмотреть виды барометрической очистки воды.
Методы исследования: теоретические (анализ литературы по теме исследования, обобщение, синтез).

Общая характеристика барометрических методов очистки воды
В основе барометрического метода очистки воды (рис. 1) лежит принцип разности давлений, что получил сегодня наибольшее распространение.
Мембраны, используемые в таком процессе, в зависимости от размеров пор и соответственно размеров задерживаемых частиц, можно разделить на 4 типа:
обратноосмотические;
нанофильтрационные;
ультрафильтрационные;
микрофильтрационные.
-213360889000В зависимости от применяемых мембран называется и барометрический метод очистки (обратный осмос, микрофильтрацию, ультрафильтрацию и нанофильтрацию (рис. 2).
Рисунок 1 – схема установки баромембранной очистки воды
1 – бачок с водой;
2, 5 – краны;
3 – мерный цилиндр;
4 – мембранный фильтр.

Рисунок 2 – Фильтрующая способность мембранных аппаратов
Метод обратного осмоса
Обратный осмос – это процесс разделения солей, который происходит когда «соленая вода» под давлением подается на полупроницаемую мембрану. Давление заставляет очищенную воду (пермеат) проходить через мембрану, оставляя более концентрированный раствор в сбросе (концентрат). Фильтрация воды идет через полупроницаемую полимерную мембрану, задерживающую частицы размером более 1-15АО  пропуская при этом растворитель, то есть воду.
Обратный осмос выступает одним из наиболее перспективных методов для очистки воды. Его преимуществами являются малые энергозатраты, простота конструкции агрегатов, малые габариты установок и простота их эксплуатации. Данный метод можно применять для обессоливания вод с концентрацией соли до 60 г/л, при этом граница его использования постоянно расширяется.
Помимо этого, обратный осмос используют для деминерализации воды  при коммерческом, промышленном и бытовом использовании. Установки возможно эксплуатировать в гостиницах, санаториях, или для технологических целей на производстве малой и средней производительности, в энергетике, фармацевтике, пищевой и электронной промышленности.
Такая установка представляет собой функционально законченный модуль. Все оборудование установки монтируется на металлической  раме.
При очистке происходит разделение воды на два потока: обессоленная вода – пермеат  и  вода с повышенным содержанием солей – концентрат. Часть концентрата при работе установки сливается в дренаж, а другая часть повторно подается на вход насоса с высоким давлением, что приводит к необходимой скорости потока на поверхности мембраны и минимизирует сброс в канализацию. Установка отключается от датчика уровня, размещаемого в сборнике очищенной воды или датчика давления – на линии обессоленной воды.
Все установки имеют функцию автоматической гидравлической промывки при окончании работы и через строго установленные интервалы времени.
Автоматикой так же осуществляется защита насоса от сухого хода, от превышения давления концентрата и пермеата, обеспечивается включение и отключение от датчика уровня в сборнике пермеата и автоматическая гидравлическая промывка мембран.


Метод нанофильтрации
Область применения нанофильрации включает удаление цветности и углеродосодержащих органических веществ из поверхностных вод, удаление жесткости, удаление радия из артезианских вод, полная очистка от взвешенных частиц, и разделение органических и неорганического веществ в пищевой промышленности.
Начавшись в конце 70-х гг. ХХ в., нанофильрационные процессы постепенно нашли свой путь в промышленном применении, служа жизнеспособной альтернативой для большинства традиционных сепарационных процессов, таких как экстракция, испарение и дистилляция. Первая промышленная установка, в которой применялись нанофильрационные мембраны, была установлена в 1978 г., в которой использовались трубчатые мембраны для осветления и удаления окраски.
Когда проектируется нанофильрационный процесс, нужно принимать во внимание несколько эксплуатационных параметров. Наиболее важные эксплуатационные параметры, влияющие на характеристики нанофильрационных мембран являются такими же, как и в большинстве перекрестнопоточных фильтрационных процессах: давление отличается под влиянием действующей силы, ответственной за нанофильрационный процесс. Эффективное действующее давление создает гидравлическое давление, меньшее, чем осмотическое давление, действующее на мембрану растворенными веществами. Нанофильрация обеспечивает хорошую сепарацию при общем давлении в 150 psi (10 бар) или выше; рост температуры процесса повышает изменение нанофильрационной мембраны из-за уменьшения вязкости. Отсортировка нанофильрационных мембран не зависит значительно от температуры процесса; повышение скорости перекрестного потока в процессе нанофильрационной мембраны.
Нанофильрация работает в промежутке между ультрафильрацией и обратным осмосом. При этом задерживаются органические молекулы с молекулярной массой больше чем 200-400

. Растворенные соли задерживаются с эффективностью 20- 98%. Соли, которые имеют одновалентные анионы (например хлорид натрия или хлорид кальция), задерживаются с эффективностью 20-80 %, тогда как соли с двухвалентными анионами (например сульфат магния) имеют более высокие показатели 90-98 %.


Метод ультрафильтрации
Ультрафильтрацию используют при отделении некоторых коллоидов, вирусов (в том числе полиомиелита), угольной сажи, разделения на фракции молока и др. Ультрафильтрацией были заимствованы у обратного осмоса способы изготовления мембран. Кроме того, она подобна ему и в аппаратном исполнении. Отличием являются более высокие требования к отводу от мембранной поверхности концентрированного раствора вещества, позволяющего сформировать гелеобразные слои и малорастворимые осадки. Данный способ фильтрации по схеме производимого процесса и своим параметрам занимает промежуточное положение между фильтрованием и обратным осмосом.
Ультрафильтрация в отличие от обратного осмоса используется при разделении систем, когда молекулярная масса растворенных компонентов превышает молекулярную массу растворителя. К примеру, для водных растворов принимается, что ультрафильтрация необходима, если хотя бы один компонент системы обладает молекулярной массой от 500 и больше. В качестве движущей силы ультрафильтрации выступает разность давлений по обе стороны мембраны. В большинстве случаев данный метод проводится при сравнительно низком давлении: 0,3-1 МПа. При данном методе очень важна роль внешних факторов. Например, в зависимости от условий (давление, температура, интенсивность турбулизации, состав растворителя и т.п.) на одной и той же мембране, возможно, получить полное разделение веществ, что невозможно в случае другого сочетания параметров.
Достоинства метода ультрафильтрации:
полный защитный барьер против микроорганизмов и частиц;
качество фильтра не зависит от качества воды;
данный метод удаляет все микроорганизмы, обладающие сопротивляемостью к хлору (к примеру криптоспоридии);
концентрат (стоки) содержит только те компоненты воды, которые первоначально присутствовали в сырой воде;
благодаря компактной конструкции системы при постройке нового здания можно существенно снизить строительные затраты;
в существующих зданиях, благодаря этому, обеспечивается высокая гибкость при расширении установки;
возможность полной автоматизации ультрафильтрации;
благодаря удалению почти всех веществ, вызывающих образование налетов, последующие технологии мембран, могут проектироваться с более высокой нагрузкой на единицу площади и следовательно, с более компактными размерами.
Сравнение ультрафильтрации
Дезинфекция диоксидом хлора Ультрафильтрация
Не обеспечивает 100%-ое обеззараживание Полное отсутствие микроорганизмов в фильтре
Возможен полный перебой работы установки, все микроорганизмы пропускаются беспрепятственно Полное задержание паразитов. Полное задержание всех частиц крупнее 0,1 микрона
Очень плохое обеззараживание при повышении мутности, вплоть до его полного отсутствия Полностью удаляет мутность, мутность не ухудшает качество обеззараживания
Высокие эксплуатационные расходы на электроснабжение и химикаты. Большой объем работ при сбоях в работе (забраковка подготовительного раствора) Низкий расход на электроэнергию и химикаты, отсутствие регулярной замены деталей; при использовании в качестве защитного барьера от бактерий в системе питьевого водоснабжения не нужно энергосбережение для насоса
Убитые микроорганизмы остаются в системе Полное удаление микроорганизмов из воды
Воздействие обеззараживания на распределительную систему Полное удаление микроорганизмов на входе, вез влияния на распределительную систему


Метод микрофильтрации
Микрофильтрация используется при отделении некоторых вирусов и бактерий, тонкодисперсных пигментов, пыли активных углей, асбеста, красителей, разделения водомасляных эмульсий и т.п.
При микрофильтрации всегда образуется осадок на мембране. Но и в таком процессе адгезионные и электростатические взаимодействия частиц с поверхностью мембраны играют не последнюю роль.
Из-за ограничений, обусловленных высокой чувствительностью клеток животного происхождения к напряжению сдвига в тонких каналах, заполненных сетками-сепараторами, и перепаду, давления через мембрану, были разработаны новые конструкции проточных микрофильтрационных аппаратов. При концентрировании таких растворов клетки вдавливаются в поры микрофильтрационной мембраны, что приводит к их разрушению или лизису (рис. 3). Поэтому, необходимо поддерживать определенное «встречное» давление, препятствующее разрушению их оболочки. Такие условия реализуются за счет применения дополнительного насоса, обеспечивающего «подпор» в полости потока пермеата (рис. 4).

Рисунок 3 – Схема задержки клеток в порах микрофильтрационной мембраны

Рисунок 4 – Схема организации процесса микрофильтрации
Среди направлений в промышленном применении МФ в качестве основных выступают стерилизация и осветление напитков и лекарственных веществ в пищевой и фармацевтической промышленностях. Такие процессы осуществляются при любой температуре (плюсовой или минусовой). Важная сфера применения МФ – получение ультрачистой воды в полупроводниковой промышленности.
К новым областям применения МФ относятся био- и биомедицинская технологии. В биотехнологии МФ особенно является эффективной при концентрировании клеток и в качестве составной части мембранного биореактора. В биомедицинской – как плазмофорез: отделение плазмы с ее ценными компонентами от крови.
Иными словами, область применения МФ связана с:
холодной стерилизацией напитков и лекарственных препаратов;
концентрированием клеток;
осветлением фруктовых соков, вин и даже пива;
получением ультрачистой воды в полупроводниковой промышленности;
извлечением металлов в виде коллоидных оксидов и гидроксидов;
обработкой сточных вод;
непрерывной ферментацией;
разделением эмульсий масло-вода;
дегидратацией латексов и т.п.


Характеристика мембран для барометрических методов очистки
В качестве определяющих при реализации мембранных методов выступает разработка и изготовление полупроницаемых мембран, что отвечали бы такому перечню требований:
– высокая степень разделения поступающей жидкости (избирательность),
– высокая степень удельной производительности (проницаемость),
– повышенная химическая стойкость к воздействию компонентов разделяемой системы,
– постоянство характеристик при эксплуатации,
– необходимый уровень механической прочности, что отвечало бы условиям монтажа, транспортировке и хранению мембран,
– низкая стоимость.
Мембранными материалами являются многочисленные полимеры, как природные (целлюлоза), так и синтетические