Загрязнение мембранных элементов

Причины изменения характеристик обратноосмотических мембран в процессе их эксплуатации

Физико-механическое воздействие на мембраны

Влияние давления

При фильтровании под давлением происходит как изменение структуры мембраны вследствие ее деформации, так и закупорка отдельных пор мембраны молекулами воды. Совокупность всех процессов, связанных с деформацией мембран (изменение структуры мембраны, текучесть полимерной матрицы, уменьшение толщины мембраны и т.д.) под действием давления, получила название крипа мембран. В силу того, что при крипе растет гидравлическое сопротивление, этот процесс в определенной мере сопровождается уменьшением селективности мембран. Однако наиболее сильно крип проявляется в падении производительности.

Влияние температуры

Для ацетатцеллюлозных мембран с повышением температуры вначале проницаемость увеличивается обратно пропорционально вязкости жидкости. Затем проницаемость уменьшается и при температуре примерно 85°С падает до нуля. Этот эффект можно объяснить только усадкой и полным стягиванием пор мембраны в процессе структурирования полимера, который заканчивается при указанной температуре, что подтверждается, в частности, необратимым изменением свойств этих мембран после работы при температуре выше 50°С. Селективность ацетатцеллюлозных мембран при повышении температуры сначала возрастает, затем остается примерно постоянной.

Химическая и биологическая деструкция мембран

При деминерализации природных вод обратноосмотические аппараты обычно не применяют при минерализации обрабатываемой воды более 50 г/л (с учетом концентрирования в обратноосмотических аппаратах), а рН воды остается в пределах от 5,5 (при предварительном ее подкислении) до 8,5. В таких растворах химически стойкими являются практически все выпускаемые промышленностью обратноосмотические мембраны. Наиболее распространенные в нашей стране – мембраны из ацетилцеллюлозы, которые могут устойчиво работать при обессоливании воды со значениями рН = 5–8. В более кислой среде ацетилцеллюлоза подвергается гидролизу, а в щелочной – омылению. Расчетным путем были получены данные, показывающие: если принять за срок службы мембраны период, в течение которого качество фильтрата ухудшается вдвое по сравнению с исходным, то при рН = 4–5 ацетилцеллюлозная мембрана может работать примерно 4 года, при рН = 3 – 2,5 года, а при рН = 1 или рН = 9 – только несколько дней. Мембраны из ароматического полиамида значительно более стойки в кислых и щелочных средах. Они могут работать длительное время без изменения своих свойств в интервале значений рН от 2 до 11. Вместе с тем мембраны из ароматических полиамидов подвержены разрушению хлором даже в небольших концентрациях, присутствующих в воде. Это их существенный недостаток по сравнению с ацетилцеллюлозными мембранами, на которые хлор в форме хлораминов не оказывает влияния даже при концентрации до 20 мг/л. Однако свободный хлор концентрацией 10–15 мг/л вызывает разрушение активного слоя мембран из ацетилцеллюлозы. Озон тоже изменяет свойства полиамидных, а при рН = 5,8 – и ацетицеллюлозных мембран. Необходимо также учитывать, что ацетилцеллюлозные мембраны нестойки в среде таких полярных органических растворителей, как ацетон, диметилформамид и др.

Мембраны из ароматических полиамидов позволяют обессоливать воды при одновременном значительном концентрировании солей. Многие полимерные материалы, в том числе и ацетилцеллюлоза, – хорошая питательная среда для микроорганизмов. Это создает предпосылки для развития на поверхности мембран колоний микроорганизмов, случайно занесенных с обрабатываемыми водами в обратноосмотический аппарат. Микрофлора, микрофауна и продукты их жизнедеятельности могут вызвать изменение в полимере мембраны, а также в структуре ее активного слоя, что приведет к ухудшению характеристик процесса обессоливания. Биохимическое воздействие микроорганизмов на полупроницаемые мембраны более опасно, чем их химическая деструкция. Оно может привести к разрушению активного слоя до такой степени, что на некоторых участках обнажится поддерживающий слой мембраны с порами, размер которых соизмерим с размерами бактерий. Последнее обстоятельство особенно опасно при использовании опресненной воды в питьевых целях, так как в этом случае возможно попадание патогенных микробов и вирусов из опресняемой воды в фильтрат (пермеат). В последние годы созданы мембраны, устойчивые к действию агрессивных и биологически активных сред, что осуществляется за счет подбора полимерных материалов.

Загрязнение мембран при их эксплуатации

При работе мембранных установок происходит постепенное снижение их производительности, обусловленное загрязнением мембран, образовавшимися на поверхности отложениями малорастворимых солей и микрочастиц, особенно при нарушении расчетного режима эксплуатации мембранной установки или системы предочистки. Плотные осадки на поверхности мембран создают барьер, препятствующий подводу обрабатываемой воды к полупроницаемой мембране, уменьшая фильтрующую поверхность и приводя к снижению производительности мембран. При загрязнении поверхности мембран в аппарате интенсивно развивается концентрационная поляризация, так как толщина пограничного слоя увеличивается на толщину осадка. Бактерии также могут восстанавливать сульфаты, присутствующие в обрабатываемой воде, до сероводорода, вызывая при подкислении воды переход H2S в фильтрат и ухудшение его органолептических свойств. Продукты метаболизма микроорганизмов также могут, частично проникая через мембрану, вызвать появление неприятного привкуса и запаха фильтрата, что особенно сильно проявляется при периодической работе обратноосмотических установок.

Природа и химический состав загрязнений

Обрабатываемые воды могут в разных количествах содержать взвешенные вещества различной дисперсности, соединения железа, соли кальция, магния, других элементов, фито- и зоопланктон, которые при обессоливании могут образовывать отложения на поверхности полупроницаемых мембран, а также загрязнять другие элементы аппаратов. Все отложения в аппаратах можно разделить на три большие группы, различающиеся как по химическому составу, структуре и размеру частиц осадка, так и по механизму их образования. К первой группе относятся осадки коллоидных и взвешенных частиц, в образовании которых принимают участие микроорганизмы, активно воздействующие на мембрану. Однако основная масса осадков этой группы состоит из частиц органического и неорганического происхождения, находящихся в исходной воде, а также образующихся в процессе ее обработки перед обратным осмосом, при ее взаимодействии с атмосферой и элементами установки. Вторую группу образуют труднорастворимые соединения, а третью – отложения высокомолекулярных органических веществ. В состав загрязнений, образующихся в обратноосмотических аппаратах, могут также входить продукты коррозии металлических трубопроводов, арматуры и других элементов установок (соединения железа, меди, никеля и т.п.).

Влияние гидродинамических условий в обратноосмотических аппаратах на загрязнение поверхности мембран

Скорость образования и характер загрязнений полупроницаемых мембран во многом определяются гидродинамическими условиями в аппаратах. Увеличение концентрации всех ионов около поверхности мембран по сравнению с их концентрацией в объеме раствора ускоряет процесс пересыщения растворов малорастворимыми соединениями. Загрязнение аппарата влияет на равномерность распределения раствора в напорной камере и, как следствие, на солезадержание полупроницаемых мембран. Неравномерность в движении жидкости по напорному каналу, обусловленная несовершенством конструкции установки или технологическими отклонениями при ее изготовлении так же может вызвать интенсивное загрязнение полупроницаемых мембран. Одним из типов возникновения неравномерности распределения потоков является то, что в очень узком (например, 0,02 мм) канале даже незначительный (порядка 0,01 мм) перекос вызывает значительное перераспределение потока вдоль мембраны. Образуется застойная зона, в которой и создаются благоприятные условия для отложения осадков. В предельном случае перераспределение потока может быть столь существенным, что солесодержание фильтрата, поступающего из застойных зон, равно солесодержанию обрабатываемой воды. Другой тип неравномерности распределения потока обессоливаемой воды – различие в расходе через параллельно соединенные аппараты или камеры фильтр-прессных аппаратов. Эта неравномерность может быть обусловлена дефектами конструкций аппарата или недостатками изготовления и регулировки обессоливающей установки.

Загрязнение напорного канала в некоторых случаях может привести к выходу обратноосмотического аппарата из строя. Так, при загрязнении турбулизатора-разделителя рулонного фильтрующего элемента перепад давлений с его разных торцов может увеличиваться до тех пор, пока не наступит разрушение элемента из-за относительного сдвига слоев рулона (так называемый «телескопинг»); при этом произойдет резкое значительное увеличение производительности и солесодержания фильтрата. Таким образом, загрязнение аппаратов оказывает влияние практически на все элементы и процессы, протекающие при обессоливании воды обратным осмосом, вызывая, в конечном счете, снижение полезной производительности аппаратов и ухудшение качества фильтрата.