способ жидкофазного мембранного разделения

Формула изобретения

Способ жидкофазного мембранного разделения, включающий введение в обрабатываемый раствор добавок с последующим его фильтрованием через ультрафильтрационную мембрану, отличающийся тем, что обрабатываемый раствор насыщают под рабочим давлением фильтрования вводимыми в качестве добавок инертными по отношению к разделяемым компонентам и к материалам мембранного аппарата газами.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к очистке жидкостей с помощью мембран и может быть использовано при очистке природных и сточных вод.

В процессе ультрафильтрации через мембрану преимущественно проходят растворитель и низкомолекулярные растворенные вещества. При этом наблюдается повышение концентрации задерживаемого вещества в пограничном слое у поверхности мембраны (концентрационная поляризация). Это явление значительно уменьшает производительность мембранных установок вследствие снижения движущей силы процесса, способствует гелеобразованию и отложению осадка на поверхности мембраны, которые могут модифицировать поверхность мембраны и привести ее к деградации.

Поиск эффективных способов борьбы с концентрационной поляризацией и отложением осадка на мембранах является актуальной задачей.

Известны следующие основные способы решения этой задачи [Дытнерский Ю.И. Обратный осмос и УФ. 1978, 328 с.].

1. Поддерживание малых потоков жидкости через мембрану. Оно возможно только при достаточной производительности ультрафильтрационного модуля, т.е. при очень большой рабочей площади мембран, умещающихся в компактный модуль.

2. Поддерживание низкой разницы концентраций между примембранным слоем и основным объемом жидкости. Для достижения этого условия используют различные способы перемешивания. Перемешивание, формирующее перпендикулярные к мембране потоки, часто используется для уменьшения концентрационной поляризации в небольших лабораторных модулях с помощью лопастной мешалки. В промышленных масштабах этот способ практически невозможен. Практически во всех промышленных мембранных аппаратах увеличение конвективного массопереноса растворенных веществ с поверхности мембраны в основной объем жидкости достигается за счет высоких градиентов скорости вдоль мембраны. Высокие скорости потоков вдоль мембраны получают путем прокачивания жидкости или движения мембраны относительно жидкости, например путем вращения мембраны вокруг центральной оси (ротационные модули) [Bruin S.A., Kikkert A., Wetdring J.A. // Desalination. 1980. V.35, №4, р.365]. Использование этих способов приводит к большим энергозатратам.

Повышение скорости часто сочетают с использованием турбулизирующих вставок [Тарасова Т.А., Ханхунов Ю.М., Орлов Н.С. Технико-экономический расчет процесса ультрафильтрации //Мембранные процессы разделения жидких и газовых смесей. Труды МХТИ им. Д.И.Менделеева. М. 1982, вып.122, с.138-146].

Общим недостатком применения турбулизаторов является резкое повышение гидравлического сопротивления межмембранного канала, что связано со значительным увеличением энергетических затрат на разделение раствора.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) к предлагаемому изобретению является способ жидкофазного мембранного разделения, где влияние концентрационной поляризации и гелеобразования уменьшают введением в обрабатываемый поток тонкоизмельченных твердых частиц [Хванг С.Т., Каммермейер К. Мембранные процессы разделения. М.: Химия. 1981, 463 с.].

Однако этот способ имеет следующие недостатки.

1. Сложность подбора вводимых добавок, обусловленная строгими требованиями, предъявляемыми к геометрической форме и размеру твердых частиц, к их удельному весу и химическому составу. Эти требования во многом зависят от химического состава и природы обрабатываемой жидкости и материала мембраны.

2. При изменяющихся характеристиках и химического состава обрабатываемой жидкости, что часто наблюдается при очистке природных и особенно сточных вод, надежность проведения процесса разделения резко падает, а в некоторых случаях процесс останавливается из-за необратимого ухудшения проницаемости мембран.

Предлагаемое изобретение решает задачу повышения производительности и надежности жидкофазного разделения, например, при очистке природных и сточных вод на ультрафильтрационных мембранах.

Указанная задача решается тем, что в способе жидкофазного мембранного разделения, включающем введение в обрабатываемый раствор добавок с последующей его фильтрацией через ультрафильтрационную мембрану, согласно изобретению обрабатываемый раствор насыщают под рабочим давлением фильтрования вводимыми в качестве добавок инертными по отношению к разделяемым компонентам и к материалам мембранного аппарата газами.

Способ осуществляют следующим образом.

Обрабатываемый раствор насыщают под рабочим давлением фильтрования инертным по отношению к разделяемым компонентам и к материалам мембранного аппарата газом, затем подвергают фильтрованию через ультрафильтрационную мембрану. В процессе мембранного разделения на поверхности мембраны со стороны ретентата образуется слой с повышенной концентрацией задерживаемых мембраной веществ, который создает значительное гидравлическое сопротивление для растворителя. Вследствие этого гидростатическое давление в слое сконцентрированных задерживаемых веществ уменьшается, и из растворителя начинают выделяться пузырьки растворенного в нем газа, которые разрыхляют образовавшийся слой и нарушают его сплошность, что способствует полному разрушению сдоя движущимся вдоль мембраны потоком ретентата.

Пример 1.

Раствор 25% соляной кислоты, содержащий сажу в концентрации 1,5 г/дм², подается в мембранный аппарат, состоящий из керамических ультрафильтрационных мембран, с целью концентрирования сажи и очистки кислоты. Предварительно этот раствор насыщается воздухом в сатураторе под рабочим давлением фильтрования мембранного аппарата - 0,25 МПа. Изменение производительности мембраны от продолжительности ее работы представлено на графике (фиг.1), где представлена Зависимость производительности ультрафильтрационной мембраны от продолжительности ее работы при разделении сажи и раствора соляной кислоты

Пример 2.

Сточная вода, содержащая нефтепродукты в концентрации 2 мг/дм³, подается на очистку в мембранный аппарат, состоящий из полиамидных ультрафильтрационных мембран. Предварительно эта вода насыщается воздухом в сатураторе под рабочим давлением фильтрования мембранного аппарата - 0,25 МПа. Изменение производительности мембраны от продолжительности ее работы представлено на графике (фиг.2), где представлена зависимость производительности ультрафильтрационной мембраны от продолжительности ее работы при очистке сточных вод от нефтепродуктов.

Часть применяемых газов, оставшихся со стороны ретентата, можно повторно использовать в процессе жидкофазного мембранного разделения, осуществив рециркуляцию ретентата через сатуратор, например, с помощью циркуляционного насоса.

Предлагаемый способ найдет применение при ультрафильтрационной очистке природных и сточных вод и мембранном разделении компонентов растворов других жидкостей. Использование предлагаемого способа повысит производительность и надежность работы ультрафильтрационных мембранных аппаратов.