От Харолд Фравел, изпълнителен директор на Американската асоциация по мембранни технологии

отхвърлянето

От Харолд Г. Фравел-младши, изпълнителен директор на Американската асоциация за мембранни технологии и Карън Линдзи, вицепрезидент, Avista Technologies, Inc.

Термините „разделяне“ и „отхвърляне“ могат да предизвикат различни негативни емоции дори и при най-стоическите сред нас. Но ефективното разделяне и отхвърляне в контекста на мембранната технология води до изключително положителни ползи за нашата глобална общност. Познаването на динамиката на разделянето на мембраните и разграничаването на отхвърлянето на соли и преминаването на солта и как те се изчисляват е необходимо, за да се разберат уникалните оперативни поведения на обратна осмоза (RO), нанофилтрация (NF), микрофилтрация (MF) и ултрафилтрация (UF).

Динамика на водата и мембраните

Водата почти почтително се нарича универсален разтворител, чудесна комбинация от водород и кислород със способността да разтваря различни съставки, докато концентрацията им надвиши способността на водите да ги задържат в разтвор. Изсипете твърде много захар в чаша лимонада и ще видите този феномен на пренасищане от първа ръка. Специалистите по пречистване на вода се отнасят до разтворени органични и неорганични молекули по отношение на общо разтворени твърди вещества или TDS и рутинно използват термина „соли“, когато всъщност се отнасят до всички съединения, които изграждат TDS във водата източник. В резултат на това терминът „отхвърляне на солта“ може да бъде всеобхватен.

Прилагат се мембранни технологии за отстраняване на съставните части на водата на йонно ниво и изчисляването на отхвърлянето на мембраната и преминаването на солта е от решаващо значение при оценяване на мембранните характеристики и определяне дали системата произвежда желаното качество на водата на продукта. Филтрацията с помощта на MF и UF мембрани разчита на различни диаметри на порите, които действат като сито за ефективно отделяне на течности от твърди вещества и по-големи молекулни съставки в захранващия поток. Това обикновено се нарича "бариерен слой", като мембраната действа като бариера, за да позволи на желаните компоненти да преминат, докато отхвърлят нежеланите съединения. Водните молекули и различни разтворени видове във водата са достатъчно малки, за да преминат през MF и UF порите. Но твърдите вещества, по-големи от диаметъра на порите, не могат да преминат и да останат на повърхността, докато мембраните не се промият обратно, промият или почистят. UF мембраните имат диаметър на порите от 0,01 до 0,04 микрона, а MF мембраните имат диаметър на порите от 0,1 до 0,2 микрона. Съгласно тези спецификации MF се използва за отхвърляне на частици, а UF се използва за отхвърляне на частици и колоиди с високо молекулно тегло.

RO мембраните се използват за отстраняване на разтворените йони в процес, който не разчита на отделни пори за филтриране. Вместо това RO прилага дифузия, за да позволи на водните молекули лесно да преминат през полупропусклив мембранен слой, като същевременно отхвърлят съставни части с по-високо молекулно тегло. Отхвърлянето е променливо, но обикновено се увеличава с увеличаване на йонния заряд и размера на молекулата. Съвременните мембрани са публикували проценти на отхвърляне до 99,8%, което означава, че 0,2% от съставните части на захранващата вода ще преминат през бариерния слой RO. Реалните нива на отхвърляне обаче разчитат на редица параметри, включително процент на възстановяване, температура на захранващата вода, рН и физическото състояние на RO мембраната. Повечето полиамидни мембрани, използвани в RO, носят отрицателен заряд при естествени стойности на pH на водата, така че има и взаимно отблъскване между анионите и мембраната, което може да възпрепятства транспорта на аниони през мембрана.

Интересно е да се отбележи, че степента на отхвърляне от 99,8% може да изглежда впечатляваща, но все пак означава, че процент разтворени съединения ще премине през мембранната бариера в потока на пермеата. Оценяването на вариациите в публикуваните нива на отхвърляне е особено важно при работа с експоненциално високи стойности на TDS. Проект за обезсоляване на морска вода с 33 000 ppm източник на вода TDS може да сравнява отхвърлянето на RO мембрана от 99,5% спрямо друго при 99,75%. Въпреки че има само 0,25%, процентна разлика в скоростите, очакваното проникващо качество на втората мембрана се е увеличило със 100%, изчислено като 165 ppm срещу 82,5 ppm съответно.

NF е подобен на RO, тъй като разчита на дифузия, но се използва за специално отхвърляне на разтворени двувалентни йони и съединения с голямо молекулно тегло. NF мембраните са много ефективни при отделянето на вода от съединения с голямо молекулно тегло като хербициди и пестициди и при премахване на нежелания цвят, обикновено получен от танини.

RO Сол преминаване и отхвърляне

Необходимо е основно разбиране на потока от RO процеси, за да се оцени напълно преминаването и отхвърлянето на солта. RO мембранната система се състои от три потока течност: захранване, проникване и концентрат. С преминаването на захранващата вода през мембраните се получава пермеат (продуктова вода) и концентрат (отхвърляща вода). Освен ако няма значителни течове в системата, комбинираният обем на пермеат и концентрат винаги ще бъде равен на обема на захранващия поток, както е показано в това изчисление:

Поток на подаване = Поток на пермеата + Поток на концентрата

Поток, обозначен като Q

Поток на пермеата = Qp

Концентрат на потока = Qc

Като цяло уравнението на масата е:

като С се отнася до концентрациите в потоците

Въпреки че има пълна отчетност за обема на водата в процеса на RO, съставните части на захранващата вода също ще бъдат намерени в получените потоци от пермеат или концентрат. Процентът на съединенията, които преминават през RO бариерния слой и впоследствие се намират в пермеата, се описват като „преминаване“ на сол. Съединенията, които не преминават през RO бариерния слой и се намират в концентрата, се считат за „отхвърлени“. Терминът „преминаване“ е реципрочен на термина „отхвърляне“. Транспортът на сол или липсата на транспорт през мембранния бариерен слой се описва като „отхвърляне на солта“ и е обратното на „преминаването на сол“. Примери за уравнения са:

Солеви пасаж = (Cp/Cf) X 100

Пермеат TDS = Cp

Подхранващата вода TDS е обозначена като Cf

Концентрирайте TDS = Cc

Отхвърляне на солта = (1 - Солеви пасаж) x 100

Ако RO фуражната вода съдържа пермеат TDS от 10 ppm и TDS от захранваща вода от 1000 ppm:

Солевият пасаж ще се изчисли като: (10/1000) X 100 = 1%

Отхвърлянето на солта ще се изчисли като: (1 - .01) x 100 = 99%

Променливи в изчислителните стойности

Стойностите, използвани в изчисленията за отхвърляне и преминаване на солта, не са толкова очевидни, колкото може да се очаква. Това е така, защото обратната осмоза е динамичен процес. Съвременните системи са проектирани да съхраняват до седем мембранни елемента последователно в рамките на един съд под налягане. Елементите са свързани чрез пермеатната тръба, която улавя единичен продуктов поток през целия съд. В тази конфигурация всяка мембрана от серията премахва водата от фуража, като отхвърля солите. В резултат TDS, захранващ последния елемент в съда, ще бъде много по-висок от TDS, захранващ първия елемент.

За да се разпознае това явление, RO преминаването и отхвърлянето на солта се изчисляват, като се използва получена средна стойност на TDS на фуража и концентрата. Изчисляването на тези средни стойности по подходящ начин отчита действителната динамика на системата и позволява много по-точно предсказване на потенциала на мащабиране на мембраната. Използвайки примера на първостепенна RO, работеща при 50% възстановяване и отчетена TDS на захранващата вода от 1000 ppm, бихме очаквали да имаме TDS от 2000 ppm, излизаща от последните мембрани в системата. Ако пренебрегнем уникалните движещи сили на RO и използваме отчетените TDS от 1000 ppm при нашите изчисления, бихме представили грубо погрешно представяне на качеството на захранващата вода в задния край на системата. В този пример бихме изчислили:

Среден TDS на подаване = 1000 + 2000/2 = 1500 ppm

Интересното е, че докато термините отхвърляне и преминаване на солта описват едни и същи явления, изчислените стойности на всеки от тях са много различни. Използвайки посочената по-горе средна стойност на концентрацията на фураж:

Солеви пасаж = 10/1500 x 100 = 0,66%

Отхвърляне на солта = (1 - 0,0066) X 100 = 99,34%

Въпреки че има значителна разлика между стойността на преминаване на сол при 0,66% и стойността на отхвърляне на солта при 99,34%, сега разбираме, че преминаването на сол и отхвърлянето на сол описват едни и същи явления в системата на RO. Комбинирането на това с изчисления среден TDS на захранването позволява на операторите да оценят правилно и да проследят работата на своята мембранна система.

Харолд Фравел приема позицията на изпълнителен директор на Американската асоциация за мембранни технологии (AMTA), след като работи в Dow Chemical/FilmTec Corporation в продължение на 36 години. Той има докторска степен по органична химия от Университета на Северна Каролина и бакалавърска степен по химия от държавния университет на Флорида. Той живее в Юпитер, Флорида.