Расчетная работа По учебной дисциплине «Теоретические основы защиты окружающей среды», часть 1 (Вариант 14) (стр. 7 )

Эксплуатационные свойства мембран во многом зависят от гидродинамических условий у поверхности мембраны. Свойства мембран могут изменяться и при продолжительном хранении.

В мембранном аппарате размещают мембранные модули, включающие в себя один либо несколько соединенных мембранных частей.

По способу укладки мембран модули для разделения способами ультрафильтрации и обратного осмоса подразделяют на четыре главных типа: плоскорамные типа фильтр-пресс, трубчатые, рулонные, капиллярные (в виде полых волокон).

Конструкции мембранных модулей различаются меж собой распределением исходного потока, рабочим давлением, капитальными и эксплуатационными расходами.

К недостаткам трубчатых систем можно отнести сравнимо высокие капитальные и эксплуатационные расходы. Аппараты с трубчатыми фильтрующими элементами используют для процесса ультрафильтрации.

Таблица 13. Ультрафильтрационные мембранные модули, используемые при ультрафильтрации

Тип модуля	Уд. Поверхность, м2/м3	Капзатраты	Экспл. Расходы	Регулирование потока	Легкость очистки
Трубчатый	25-50	Высокие	Высокие	не плохое	отменная
Плоскорамный	400-600	Высокие	Низкие	Среднее	нехорошая
Рулонный	800-1000	совсем низкие	Низкие	нехорошее	нехорошая
Полые волокна	600-1200	Низкие	Низкие	не плохое	Средняя

Рулонный модуль представляет собой систему плоских рам и плит, свернутых в виде спирали. Аппараты рулонного типа обширно используют в технике разделения и концентрации растворов.

Высокоэффективно внедрение ультрафильтрационных аппаратов для очистки и обесцвечивания высокоцветных маломутных природных вод от растворенных органических веществ и микроорганизмов.

Таблица 14. характеристики свойства исходной высокоцветной маломутной воды, обработанной ультрафильтрационным способом

Показатель	До установки	После установки
Мутность, мг/л	0,1-4	0
Перманганатная окисляемость, мг О2/л	15-20	3,4-5,5
твердость общественная, мг. Экв/л	0,44	0,18
Щелочность, мг. Экв/л	0,29	0,22
Сульфаты, мг/л	Следы	Следы
Температура, °С	0,2-0,5	0,3-0,6
если-индекс	2380	< 3

Процессы ультрафильтрации отлично смешиваются с различными способами разделения и концентрирования жидких сред: обратный осмос, диализ, электродиализ и др. При этом создаются высокоэффективные технологические цепи с замкнутым водоснабжением и возвратом в создание ценных товаров в концентрированном виде.

Технико-экономические характеристики мембранных способов разделения характеризуют процесс ультрафильтрации как малоэнергоемкий с рядом преимуществ по сравнению с другими способами.

Таблица 15. Сравнительные технико-экономические характеристики способов на стадии предварительной очистки природных вод

Показатель	Очистка
электрокоагуляция	ультрафильтрация
Степень очистки от орг. Веществ, %	50-60	40-70
Степень очистки от коллоидов железа, %	30-40	70-90
Обескремнивание, %	20-30	20-30
Степень задержания микрочастиц размером > 0,5 мкм, %	-	99,9
Расход электроэнергии, кВт/м3	0,6	1,1
Расход железа, г/м3	30	0
Удельная производительность, м2/(м3.ч)	2	0,7
Металлоемкость, кг/м3	0,8	0,2

Обратный осмос

Осмотическое давление, возникающее при диффузионном процессе самопроизвольного перехода растворителя через разделительную полупроницаемую мембрану в область более концентрированного раствора, называют осмосом. Обратный осмос - процесс мембранного разделения жидких растворов методом преимущественного проникания через полупроницаемую мембрану растворителя под действием приложенного к раствору давления, превышающего его осмотическое давление. Осмос - самопроизвольный переход растворителя через полупроницаемую перегородку в раствор.

Обратный осмос употребляют для разделения растворов без фазовых перевоплощений. Растворитель диффундирует через мембрану, а растворенное вещество задерживается. Как и при ультрафильтрации, при обратном осмосе не требуется повышения температуры и химического действия.

Процесс обратного осмоса различается от ультрафильтрации областью внедрения и аппаратами. Недочеты способа обратного осмоса - процессы концентрационной поляризации и завышенное требование к уплотняющим устройствам аппаратов. Для удаления концентрационного слоя употребляют разные устройства, турбулизирующие сгусток ближней зоны раствора у мембраны. При обратном осмосе размер молекул отделяемого растворителя соизмерим с размером молекул вещества в растворе (при ультрафильтрации различие было значимым).

Существенным преимуществом обратного осмоса перед всеми другими способами очистки сточных вод является одновременная очистка от неорганических и органических примесей, что в особенности принципиально в системах оборотного водоснабжения. Обеспечивается возможность получения более незапятанной воды, так как мембраны могут задерживать фактически все растворенные вещества и взвеси минерального  и органического характера, в том числе вирусов, микробов, микробов и т. Д. Такую очистку воды в настоящее время обширно используют при водоподготовке для промышленных целей.

Характерные требования, предъявляемые к обратимосмотическим мембранам - высокие проницаемости и селективность, а также способность противостоять значимой разности давления по обеим сторонам мембраны. Свойства разных мембран приведены в таблице.

Таблица 16. черта ацетатцеллюлозных мембран разных типов

Показатель	МГА-80	МГА-90	МГА-95	МГА-100
Дефектность в структуре	-	-	Отсутствие поперечных и долевых полос
общественная пористость,%	75±3	75±3	75±3	75±3
Водопроницаемость при давлении 5 МПа, л/(м2.сут), не менее	600	350	250	150
Солезадержание, %, не менее	80	90	95	97,5

кроме уплотняющихся мембран из разных полимеров употребляют мембраны с твердой структурой, полученные плазменной полимеризацией. Их способность - стабильное увеличение селективности и проницаемости в течение долгого времени (первые 6-8 сут), хорошие свойства при сравнимо высокой концентрации исходного раствора. К мембранам с твердой структурой относятся металлические, из пористого стекла, динамические и др. Огромное развитие получают динамические мембраны.

На установках обратного осмоса используют предварительную фильтрацию исходной воды от жестких частиц и загрязнений. Количества концентрата составляет традиционно 25-50% от количества поступающего раствора.

2.2. Осмотическое давление равно:

Где V10 – мольный объем воды; а1 = γ1·х1 – активность воды; γ1 – коэффициент активности.

Примем коэффициент активности равным 1. Тогда а1 = х1= 1- х2, подставляя в уравнение получаем:

Где х2 – мольная доля масляной кислоты в водном растворе. Для предельно разбавленного раствора уравнение упрощается:

Где С – молярность раствора масляной кислоты (моль/м3)

Получен раствор с концентрацией хаб = 0,978% (Саб = 0,51 моль/л = 0,51·103 моль/м3). Осмотическое давление такого раствора определим в приближении бесконечно разбавленного и идеального раствора

Вычислим мольный объем воды через её плотность d=1 г/см3:

Так как концентрация достаточно велика, то получилось некоторое расхождение в результатах по двум уравнениям.

Произведем концентрирование этого раствора до такой концентрации, при которой раствор можно повторно использовать в производстве или будет экономически целесообразно разделить его на компоненты, например ректификацией. Примем эту концентрацию равной хн = 0,11. При такой концентрации осмотическое давление будет равно

Рассчитаем материальные потоки, если необходимо получить Gн = 150 кг концентрированного раствора. В точном расчете необходимо учесть селективность мембраны, здесь для упрощения принята 100% селективность, т. е. через мембрану проходит чистая вода и концентрация масляной кислоты в ней хв = 0.

Целесообразно массу раствора Gн представить в молях, для этого рассчитываем среднюю молекулярную массу раствора с хн = 0,11