Типы мембран для ультрафильтрации

В системах водоподготовки могут использоваться ультрафильтрационные мембраны различных типов. Одноканальные /Многоканальные Ультрафильтрационные мембраны изготавливают в виде плоских листов, или же - полых волокон. Мембраны первого типа используются, например, для обработки сильнозагрязненных сточных вод, мембраны с полыми волокнами используются системах водоподготовки. В большинстве случаев для ультрафильтрации применяются одноканальные волокна с внутренним диаметром 0.8 мм или меньше, для исходной воды с высоким содержанием взвешенных твердых веществ используются волокна с большим внутренним диаметром – до 1.5 мм.

Размер диаметра волокон является компромиссом между требующейся высокой плотностью упаковки, простотой обратной промывки, малой загрязняемостью, уровнем эксплуатационных затрат, высокой проницаемостью, и в то же время высокой механической прочностью, что обеспечивает целостность мембраны. Механическая целостность мембраны является критическим фактором и напрямую зависит от наличия поврежденных волокон. Вследствие их размеров, одноканальные волокна особенно хрупки к нагрузкам, которым они подвергаются во время частых циклов обратных промывок. Для многоканальных (Multibore®) волокон возможность их повреждения исключается, так как каждое волокно состоит из 7 капилляров с внутренним диаметром 0.9 мм, что существенно увеличивает механическую прочность и гарантирует целостность мембраны.

Химия волокон ультрафильтрационных мембран

Коммерческие ультрафильтрационные мембраны охватывают диапазон от полностью гидрофильных до полностью гидрофобных, причем полиэстерсульфон (PES) занимает промежуточное положение. Характеристики полиэстерсульфона (PES) делают этот материал идеальным для смешивания с другими полимерами, при этом требуемым образом могут изменяться свойства мембраны. При смешивании с гидрофильными полимерами гидрофильность полиэстерсульфона (PES) повышается, достигая качеств мембран из ацетата целлюлозы. При этом получаемый материал лишен таких недостатков, как высокое биозагрязнение и малый диапазон допустимых значений величины рН, что приводит к сложности очистки мембран. Полиэстерсульфон (PES) стоек к высоким концентрациям хлора. Также данный материал стоек к изменениям величины рН в диапазоне от 1 до 13, в результате чего может эффективно проводится очистка мембран как от неорганических, так и органических веществ. Загрязнение, вызванное растворенной органикой, может быть эффективно удалено при обратной промывке с величиной рН, равной 12 или больше.

Подача исходной воды изнутри/выход фильтрата снаружи

Обычно исходная вода вводится внутрь капилляров волокон, при этом фильтрат отводится с их внешней стороны (режим «in-out»). Однако, подача исходной воды может осуществляться снаружи мембран, при этом фильтрат будет выходить из капилляров. При обратной промывке направления потоков меняются на противоположные (по сравнению с режимом фильтрования). На внешней поверхности волокон во время обратной промывки достигается большая скорость потока. Это обеспечивает выравнивание распределения потока вдоль всей длины волокна, что повышает эффективность удаления загрязнений из капилляров. При конфигурации «in-out» объем использованной загрязненной воды оказывается очень маленьким, так как питающая вода проникает внутрь волокон, и заполняя объем существенно меньший наружного. При этом оказывается экономически выгодно производить обратные промывки через относительно короткие интервалы, предотвращая образование загрязняющего слоя. Результатом этого является малое рабочее давление и очень редкие офф-лайновые химические мойки мембран. Более того, поток обратной промывки может быть полностью сброшен через капиллярные каналы.

Напорные/ погружные

При напорном режиме работы ультрафильтрационного модуля, мембраны заключены в кожух. Вода на модуль может подаваться при помощи нагнетающего насоса. Погружная система обычно представляет из себя мембраны, погруженные в открытый бак. Со стороны фильтрата прикладывается вакуум, заставляя фильтрат протекать через мембрану. Погружные мембраны обычно работают при меньших скоростях потока. При работе под давлением, необходима меньшая площадь мембран вследствие больших скоростей потока, кроме того, такая система может доставляться к месту эксплуатации почти полностью собранной. Техническое обслуживание, замена элементов и очистка на месте проще выполняется для погружной системы, вследствие простого доступа к мембранам.

Вертикальная/горизонтальная установка

В первых ультрафильтрационных системах конструкция установок предполагала размещение модулей установке аналогичное установкам обратного осмоса/нанофильтрации. В одном корпусе (фильтродержателе) помещались до 4- х модулей. Питающая вода подавалась с обоих концов одновременно, образуя «мертвую зону» в центре. Однако дизайн, когда элементы располагались горизонтально, имел несколько серьезных недостатков. Самый серьезный недостаток – малая эффективность обратной промывки из-за невозможности достижения равномерного потока по всей длине корпуса. Кроме того, отсутствовала возможность производить промывку в «мертвой зоне» в центре фильтродержателя, где скапливалась основная масса загрязнений. В случае механического повреждения одного из 4 мембранных модулей, находящихся в одном корпусе, проблема идентификации дефектного модуля становилась весьма трудоемкой. Кольцевые прокладки для герметизации стыков между модулями таили в себе потенциальную угрозу протечек. При вертикальной конфигурации (с одним или двумя модулями) питающая вода подводится в нижнюю или в верхнюю часть модуля, промывная вода отводится с соответствующего противоположного конца, одновременно или попеременно. Доступ к модулю прост, модуль легко может быть извлечен для технического обслуживания. Двухмодульная стойка занимает аналогичную или даже меньшую площадь по сравнению с горизонтальной установкой. Другое преимущество вертикального расположения заключается в легкости проведения так называемого воздушного теста целостности мембран, так как вентиляция вертикальной системы легче, а возможность механического повреждения вследствие гидравлического удара минимальна (для горизонтальной системы проведение указанного воздушного теста является сложной задачей).

Тупиковый режим / Режим тангенциального фильтрования

Фильтрование на половолоконных ультрафильтрационных мембранах может осуществляться в двух режимах: 1. тупиковый режим 2. режим тангенциального фильтрования В тупиковом режиме фильтрования вся вода, подающаяся на мембрану фильтруется через нее. Все загрязнения, содержащиеся в исходной воде, накапливаются на поверхности мембраны и удаляются при проведении промывки обратным током, см. рис. 2

Рисунок 2. Тупиковый режим фильтрования

Тупиковый режим применяется в большинстве случаев, относящихся к водоподготовке, т.к. содержание взвесей в основной массе источников водоснабжения значительно ниже, чем в таких традиционных областях применения тангенциального режима фильтрования, как концентрирование крахмала и белков.

Иногда в процессах ультра/микрофильтрации используется режим тангенциального фильтрования для предотвращения чрезмерного роста отложений на поверхности мембраны. Диаграмма потоков при таком режиме проиллюстрирована на рис. 2-3. Высокие скорости тангенциального потока создают турбулентности в канале подачи воды, обеспечивая высокую эффективность очистки поверхности от накопленных загрязнений, что особенно эффективно для воды с высоким содержанием нерастворимых взвесей. Основной же недостаток такой системы – необходимость использования дополнительного мощного насоса для обеспечения требуемой скорости потока и трубопроводов обвязки, что приводит к увеличению капитальных и энергозатрат.