Мембраны для обратного осмоса: полимерные и керамические

Мембранная технология — отрасль промышленности, занимающаяся разделением жидких и газовых смесей с помощью полупроницаемых мембран.

Такие мембраны являются основным элементом мембранного устройства. В их конструктивные особенности входит перегородка, обеспечивающая при создании движущей силы разделение исходной смеси на два потока — проникший через мембрану пермеат и задержанный мембраной концентрат.

Наибольшее распространение получили мембранные процессы, протекающие под действием давления (баромембранные процессы). Полупроницаемость (селективность) мембран упрощенно объясняется соотношением размеров молекул или ионов вещества и пор мембраны (молекулярная фильтрация).

По размеру задерживаемых частиц баромембранные процессы разделяются на три группы — обратный осмос, ультрафильтрация, микрофильтрация. Группы отличаются друг от друга также величиной рабочего давления, интервалом размеров пор в мембране, величиной удельной производительности мембран.

Сегодня на рынке действует более 300 специализированных мембранных компаний при общем объеме продаж в 1999 году 7,5 млрд. долл. США. Первые промышленные мембранные установки начали работать в 1962 году. С тех пор наблюдается устойчивый постоянный рост рынка на 10-15% в год.

В настоящее время в России существует около 10 небольших мембранных фирм, удовлетворяющих внутренний рынок на 25-30%. Зарегистрировано также около 10 представительств ведущих западных компаний, исполняющих крупные заказы.

Потенциал рынка РФ и СНГ оценивается в 1,5 млрд. долл. США в год при благоприятном инвестиционном климате. Мембранная технология имеет применение практически в любой отрасли.

Полупроницаемые мембраны. Полимерные мембраны

Изначально основным материалом мембран были выбраны полимеры, прежде всего растительного происхождения — целлюлоза. Объясняется это тем, что полимеры наиболее близки к материалу биологических мембран. Кроме того, только на полимерных пленках удалось создать анизотропию, т.е. различную плотность по толщине мембраны.

Без анизотропии удельная производительность мембран настолько низка, что теряется смысл какого-либо их практического применения. Когда же все сопротивление массопереносу сосредоточено в тонкой кожице активного слоя, удельная производительность возрастает в тысячи раз.

Сегодня на рынке мембран 76% приходится на полимерные мембраны, хотя их недостатки очевидны:

  низкая механическая прочность;
  химическая деградация за счет гидролиза, окисления и т.п.;
  ограничения по температуре;
  микробное воздействие (полимер в качестве субстрата);
  радиационное разрушение.

Все вместе взятое приводит к сокращению ресурса мембран обычно до 1 года, в некоторых случаях до 3 лет, после чего мембраны подлежат полной замене.

Неорганические мембраны

С середины 80-х годов на рынке появляются мембраны из неорганических материалов — керамики и графита. Уже сегодня их доля на рынке 24%, при том, что особенности их технологии ограничивают применимость мембран процессами микро- и ультрафильтрации.

Неорганические мембраны практически лишены недостатков полимерных, но имеют очень крупный собственный недостаток — хрупкость. Это лимитирует их геометрическую форму — трубки или многоканальные блоки.

Следствием такой формы, соответственно, большой толщины стенок является очень низкая удельная производительность, ведущая к большим капитальным затратам на изготовление установок (большая площадь мембран, повышенная материалоемкость и т.д.). Тем не менее, доля неорганических мембран в объеме продаж постоянно неуклонно растет.

В России неорганические мембраны традиционного исполнения и мембранные установки на их основе изготавливают четыре организации. Качество мембран сопоставимо с зарубежными, стоимость установок на 20-25% ниже.

Композиционные неорганические мембраны «Трумем»

Уникальным мембранным продуктом на мировом рынке являются керамические мембраны «Трумем». Это сложные мембраны из двух материалов — пористой металлической подложки и активного керамического слоя. Поскольку для их изготовления используются нанодисперсные керамические материалы, неорганические мембраны «Трумем» обладают гибкостью, что по сути делает их мембранами третьего поколения.

Российский приоритет закреплен патентами РФ № 2040371, 1993 и США № 5364586, 1993.

Монопольным производителем мембран является ассоциация «Аспект». Потенциальная мощность производства до 3000 м² в год.

По технологическим параметрам мембраны «Трумем» сопоставимы с лучшими полимерными мембранами:

  размер пор от 0,03 до 1,0 мкм (т.е. класс ультра- и микрофильтрации);
  удельная производительность по международному объекту сравнения — чистой воде — от 250 до 4000 л/м²•ч;
  все преимущества неорганических мембран;
  срок службы не менее 10 лет (предполагаемый);
  выпускаются в виде пластин 287х287, трубок с диаметром более 10 мм, могут свариваться в листы большего размера;
  общая толщина до 200 мкм, толщина активного слоя до 10 мкм.

Конструкции разделительных аппаратов с мембранами «Трумем»

Для новых мембран разработаны новые мембранные аппараты. Принципиальная их новизна заключается в ином способе перемешивания жидкости в потоке, протекающем над мембраной. Перемешивание необходимо для предотвращения образования слоя загрязнений на мембране. Если в традиционных конструкциях перемешивание обеспечивается прокачиванием разделяемой жидкости с большой скоростью вдоль поверхности мембран, то в новом аппарате существенно больший эффект перемешивания достигается вращением плоских мешалок специальной конструкции. Это обеспечивает сохранение высокой производительности аппарата в течение всего периода его эксплуатации и практически исключает необходимость промывки и регенерации мембран.

Техническая характеристика аппарата

Площадь рабочей поверхности мембран:	3,5 м²
Число:	мембранных элементов:	35
	перемешивающих элементов:	36
Производительность по чистой воде:	при микрофильтрации:	6,0 куб.м/ч
	при ультрафильтрации:	2,5 куб.м/ч
Рабочее давление:		0,6 МПа
Частота вращения мешалок:		250-400 об./мин
Мощность привода мешалок:		3 кВт

Конструктивно аппарат выполнен следующим образом: в каждое межмембранное пространство помещена мешалка. Все мешалки закреплены на общем валу, вращение которого осуществляется электроприводом. Фильтрат отводится в кольцевой зазор между пакетом мембранных элементов и корпусом, а затем выводится из аппарата.

Габариты аппарата: колонна диаметром 400 мм и высотой 1600 мм; масса аппарата 200 кг.

Практическое применение

Новые мембранные аппараты разработаны универсальными для любой отрасли промышленности. Изменяемым элементом в них будет только лишь мембрана, которую необходимо подобрать для каждого конкретного случая. Переменным параметром мембраны является размер пор, через которые осуществляется фильтрация.

Очень эффективно применение новых мембран и аппаратов для очистки воды, загрязненной нефтью и нефтепродуктами, от мест добычи нефти до ливневых стоков нефтебаз.

Абсолютно новые технологические решения имеются для такой проблемы, как переработка рыбной продукции, с размещением мембранных установок, как на береговых предприятиях, так и на борту.

(По материалам семинара НТС «Стройинформ» «Очистка питьевой воды, горячее и холодное водоснабжение. Оборудование для очистки, теплообменники, тепловые пункты, насосы, трубы, арматура»)