Очистка воды гиперфильтрацией

Характеристика теоретических основ процесса гиперфильтрации - самой совершенной на сегодняшний день технологии, которая используется для очистки воды на молекулярном уровне без химических реагентов. Принцип работы мембран и аппаратов для обратного осмоса.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

ПЕРМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра охраны окружающей среды

Реферат по курсу

«Химия и микробиология воды»

Тема: «Очистка воды гиперфильтрацией»

Выполнил: студент гр. ВВ_з-07

Никитин Сергей Александрович

Проверил: профессор,

Рудакова Лариса Васильевна

2011

Содержание

Введение

Теоретические основы процесса гиперфильтрации

Принцип работы водоочистных систем, работающих на основе процесса обратного осмоса

Мембраны

Аппараты для обратного осмоса

Области применения гиперфильтрации

Выводы

Список используемой литературы

Введение

За рубежом, и прежде всего в США, Японии, Англии, Франции, Германии, и в России обратный осмос и ультрафильтрация получили широкое промышленное развитие для обработки воды и водных растворов, очистки сточных вод, очистки и концентрирования растворов высокомолекулярных веществ. В настоящее время в этих странах действуют тысячи обратноосмотических и ультрафильтрационных установок производительностью от 1--3 до 20 000 и более м³/сут. (например, на одном из металлургических заводов в Японии для очистки сточных вод).

Расчеты и накопленный фактический материал показывают, что применение полупроницаемых мембран может дать значительный экономический эффект в сложившихся традиционных производствах, открывают широкие возможности для создания принципиально новых, простых и энергоэффективных технологических схем (особенно при сочетании с такими широко распространенными методами разделения, как дистилляция, адсорбция, экстракция и пр.), для улучшения качества продукции и позволяет использовать различные отходы. А тот эффект, который может дать широкое применение обратного осмоса и ультрафильтрации для решения, например, важнейшей технической и экологической проблемы современности -- защиты окружающей среды от загрязнений, даже трудно переоценить.

Мембранные методы, таким образом, являются перспективными практически для всех отраслей народного хозяйства, в которых возникает необходимость разделения, очистки и концентрирования органических или минеральных веществ.

В настоящее время многие важнейшие направления развития химической технологии и биологии связаны с изучением и использованием высокомолекулярных соединений, которые, в частности, играют решающую роль в формировании структуры тканей живых организмов, а также многих синтетических материалов. Ярким примером этому могут служить искусственные полупроницаемые мембраны, используемые для технических целей, и биомембраны -- важнейшая часть всех клеточных систем живых организмов и растений.

Цель реферата: Ознакомиться с очисткой воды методом гиперфильтрации.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Изучить теоретические основы процесса.

2. Познакомиться с конструкцией и принципом действия оборудования применяемого при гиперфильтрации.

Теоретические основы процесса гиперфильтрации

Процессы разделения жидких систем играют важную роль во многих отраслях народного хозяйства. Для осуществления этих процессов уже давно применяют разнообразные способы: перегонку и ректификацию, абсорбцию и адсорбцию, экстракцию и др. Однако природа за миллионы лет эволюции живых организмов выработала наиболее универсальный и совершенный метод разделения с использованием полупроницаемых мембран. Действительно, биологические мембраны обеспечивают направленный перенос необходимых организму веществ из внешней среды в клетку, и наоборот. Без мембран невозможны были бы дыхание, кроветворение, синтез белка, усвоение пищи, удаление отходов и другие процессы.

Ученые давно стремились познать и обратить на пользу человека замечательное свойство полупроницаемых мембран -- пропускать одни вещества и задерживать другие. Однако идея применения мембран для технологических целей стала реальной лишь в последнее время в связи с развитием наших знаний о природе и структуре веществ, с новыми достижениями в различных областях науки, а также в производстве синтетических полимерных материалов.

К основным мембранным методам разделения жидких систем относятся: обратный осмос, нанофильтрация, ультрафильтрация, микрофильтрация, макрофильтрация. В любом из этих процессов разделяемый раствор вводится в соприкосновение с полупроницаемой мембраной с одной ее стороны. Вследствие особых свойств полупроницаемых мембран прошедшая через них смесь обогащается одним из компонентов. В ряде случаев процесс проходит настолько полно, что продукт практически не содержит примесей, задерживаемых мембраной. И наоборот, применяя тот или иной мембранный метод разделения, можно получить в растворе перед мембраной компонент или компоненты практически без примесей вещества, проходящего через мембрану. Области применения мембранных методов разделения жидких систем представлены на рисунке 1.

Рис.1 Классификация мембранных методов [4] http://wwtec.ru/

Наряду с другими мембранными методами разделения жидких систем, широкое распространение в промышленности и лабораторной практике получил обратный осмос.

Гиперфильтрация - самая совершенная на сегодняшний день технология, которая используется для очистки воды на молекулярном уровне без химических реагентов рис.2. Ведь обратный осмос - это естественный процесс, позаимствованный у природы, в результате которого вода под давлением просачивается через поры полупроницаемой мембраны, пропускающей только молекулы воды и кислорода. Диаметр пор мембраны - 0,0009 микрон. Поэтому системы, основанные на принципе обратного осмоса, имеют самую высокую степень очистки воды - 95?99% по всем показателям.

Рис.2. Работа мембраны обратного осмоса

Данный метод очистки основан на использовании осмотического переноса молекул через полупроницаемую мембрану. Такая мембрана проницаема для молекул воды, но не пропускает молекулы и ионы растворенных в воде веществ. Явление осмоса состоит в том, что при неодинаковых концентрациях раствора с разных сторон полупроницаемой мембраны молекулы воды будут диффундировать через неё из раствора с меньшей концентрацией в раствор с большей концентрацией (рис. 3,а). Величина возникающего осмотического давления зависит от разности концентраций растворов по обе стороны мембраны: чем она больше, тем выше осмотическое давление. Давление, при котором наступает равновесие (рис. 3,б), называется осмотическим. При разности концентраций растворов, соответствующих содержанию морской воды (35 г/кг) и дистиллированной (10 мг/кг), осмотическое давление составляет 24·10² кПа. Обратный процесс - диффузию молекул воды через мембрану в раствор с меньшей концентрацией можно осуществить, подавая концентрированный раствор на мембрану под давлением, превышающим осмотическое (см. рис 3,в).

Перенос молекул воды через полупроницаемую мембрану, из раствора с большей концентрацией в раствор с меньшей концентрацией под действием внешнего давления, превышающем осмотическое давление, называется обратным осмосом или гиперфильтрацией.

Движущую силу процесса обратного осмоса в случае идеально полупроницаемой мембраны можно определить следующим образом [1] стр.15:

?Р = Р -- р₁

где Р -- избыточное (рабочее) давление над исходным раствором; р₁ -- осмотическое давление раствора.

Рис.3. Условия возникновения обратного осмоса [1] стр.15

Существует ряд гипотез для описания транспортных процессов в мембранах:

- Диффузионная теория: предполагается, что и молекулы воды, и ионы солей диффундируют через мембрану, но коэффициент диффузии у ионов гораздо ниже.

- Капиллярная теория: вода проходит через мембрану как через систему капилляров, причем внутри капилляра она находится в связанном состоянии за счет образования водородных связей с поверхностными атомами; движение воды сопровождается разрывом одних связей и образованием новых. Поскольку ионы не образуют водородные связи, то для них такой способ прохождения капилляра невозможен.

- Для гидрофильных мембран (поверхность которых хорошо смачивается водой) в результате адсорбции на стенках пор появляется слой чистой воды, и если диаметр пор не превышает удвоенной толщины такого слоя, то ионы растворенных соединений не могут пройти через них.

- Вследствие структурирования воды в тонких порах уменьшается ее растворяющая способность и происходит как бы выталкивание частиц растворенного вещества из поры.

Наиболее убедительная состоит в том, что поры этой мембраны проницаемы только для молекул воды. Гидративные ионы, обладающие большими размерами, проходить через поры мембраны не могут. Движущей силой процесса обратного осмоса является разность между прилагаемым внешним рабочим и осмотическим давлением. Понятно, что при увеличении солесодержания исходной воды обратный перенос мол...