Мембранные фильтры для воды и их особенности

Формы мембран и геометрия потока

Геометрия с поперечным потоком

Тупиковая геометрия

Существует две основные конфигурации потока мембранных процессов: поперечный поток (или тангенциальный поток) и тупиковая фильтрация. При фильтрации с поперечным потоком поток исходных материалов является касательным к поверхности мембраны, ретентат удаляется с той же стороны дальше по потоку, тогда как поток пермеата отслеживается с другой стороны. При тупиковой фильтрации направление потока жидкости перпендикулярно поверхности мембраны. Обе геометрии потока обладают некоторыми преимуществами и недостатками. Обычно тупиковая фильтрация используется для технико-экономических обоснований в лабораторном масштабе. Тупиковые мембраны относительно легко изготовить, что снижает стоимость процесса разделения. Процесс тупиковой мембранной сепарации легко реализовать, и этот процесс обычно дешевле, чем поперечная мембранная фильтрация. Тупиковая фильтрация обычно представляет собой процесс периодического действия , когда фильтрующий раствор загружается (или медленно подается) в мембранное устройство, которое затем позволяет некоторым частицам проходить под действием движущей силы. Основным недостатком тупиковой фильтрации является сильное загрязнение мембраны и концентрационная поляризация . Обрастание обычно происходит быстрее при более высоких движущих силах. Загрязнение мембраны и задержка частиц в исходном растворе также создают градиенты концентрации и обратный поток частиц (поляризация концентрации). Устройства с тангенциальным потоком более дорогостоящие и трудоемкие, но они менее подвержены загрязнению из-за эффекта вытеснения и высоких скоростей сдвига проходящего потока. Наиболее часто используемые синтетические мембранные устройства (модули) представляют собой плоские листы / пластины, спиральные намотки и полые волокна .

Плоские пластины обычно представляют собой круглые тонкие плоские мембранные поверхности, которые используются в модулях с тупиковой геометрией. Спиральные раны состоят из аналогичных плоских мембран, но в форме «кармана», содержащего два мембранных листа, разделенных высокопористой опорной пластиной. Затем несколько таких карманов наматывают вокруг трубки для создания геометрии тангенциального потока и уменьшения загрязнения мембраны. Модули из полых волокон состоят из сборки самонесущих волокон с плотными разделительными слоями оболочки и более открытой матрицы, помогающей выдерживать градиенты давления и поддерживать структурную целостность. Модули из полых волокон могут содержать до 10 000 волокон диаметром от 200 до 2500 мкм; Основное преимущество половолоконных модулей — очень большая площадь поверхности в замкнутом объеме, повышающая эффективность процесса разделения.

Мембранный модуль со спиральной навивкой

В модуле дисковых трубок используется геометрия с поперечным потоком, и он состоит из напорной трубки и гидравлических дисков, удерживаемых центральным натяжным стержнем, и мембранных подушек, лежащих между двумя дисками.

Что такое мембранный фильтр

Мембранный фильтр для воды относят к устройствам глубокой очистки, благодаря малым порам фильтрационного материала он способен отсеивать загрязнения диаметром от 0,0001 мкм. Чтобы понять, что представляет собой такой фильтр, рассмотрим поэтапную технологию его производства:

Нарезают полипропиленовую сетку на прямоугольники необходимой длины и ширины, она служит прокладкой между слоями фильтрующего материала.
Отрезают куски полиэстера равного с сеткой размера, в нем имеются мельчайшие каналы, через которые проходит вода и задерживаются вредные примеси, материал является фильтрующим элементом мембраны.
Полиэстер укладывают в стопки по 15 листов и скрепляют между собой высокочастотными акустическими волнами по технологии ультразвуковой сварки, получая один из сборочных элементов устройства — фильтратор.
Разматывают рулон из специальной фильтровальной бумаги и пропускают ее через смесь жидкого пластика с растворителем, которым покрывает одну из сторон, после застывания пластика и испарения растворителя на бумажной ленте формируется уникальная мелкоячеистая структура мембраны.
Мембрану раскладывают на столе, накрывают ее сверху сеткой размером в 2 раза меньше, и заворачивают вторую часть ленты наверх — получают своеобразный конверт из двух фильтрующих поверхностей, между которыми расположена изолирующая сетка.

Основные этапы производства обратноосмотических фильтраторов

На края пластиковой трубки с круглыми отверстиями по всей длине наносят клей и прикладывают к нему стопку из ряда полиэстерных фильтраторов, закрепляя на трубе скотчем.
Укладывают на первый лист полиэстера мембранный конверт с сеткой посередине и приклеивают его по краям, сверху накладывают следующий лист фильтратора, мембрану и снова проклеивают.
Операцию повторяют несколько раз (число фильтрующих мембранных слоев зависит от качества фильтра), получая в итоге своеобразный мембранный сэндвич. В недорогих бытовых устройствах количество наматываемых на дренажную трубку рукавов не превышает одного — двух, в высокотехнологичных промышленных установках, где требуется высокое качество очистки, число фильтрующих слоев достигает 15.
Начинают вращать трубку, наматывая на нее все собранные в единое целое элементы фильтра, сверху сжимают и закрепляют фильтрующие слои скотчем.
По краям устанавливают торцевые пластиковые наконечники и фиксируют их на клей.
Наматывают на цилиндрическую поверхность фильтра стекловолоконную проклеенную нить с необходимым натяжением, излишки клея убирают. После высыхания клеевого состава на поверхности фильтра образуется прочная стекловолоконная оболочка.

Бытовые фильтраторы в процессе производства собирают из четырех листов в следующей последовательности: мембрана, поддерживающий полиэстерный фильтратор, полиэтиленовая подложка, сетка. Листы складывают вместе в один рукав и наматывают на дренажную трубу, в фильтре их может быть несколько, уложенных вплотную друг другу и скрученных в спираль.

По рассмотренной выше технологии изготавливают наиболее популярные рулонные мембраны, также на рынке встречаются мембранные умягчители в виде дисков или изготовленные из других материалов (керамика).

Устройство рулонного фильтра

Принцип работы

Рулонные фильтры для воды мембранного типа чаще других используют в системах бытовой водоочистки, их принцип работы основан на пропускании жидкости через специальную мелкоячеистую мембрану на пропитанной бумажной основе и отвода загрязнений с частичным улавливанием полиэстерным фильтратором. Он необходим для корректной работы системы — чтобы фильтр действовал, вода подается на мембрану под давлением, при этом слой полиэстера создает сопротивление на пути водного потока и препятствует его выходу через очиститель. При его отсутствии вода под давлением беспрепятственно проходит через фильтр в продольном направлении, не продавливаясь в мембрану и затем в дренажную трубу.

Работа мембранного рулонного фильтра состоит из следующей последовательности технологических операций:

Очищаемая вода поступает в торцевую часть фильтра и проходит вдоль мембраны, с этого конца внутренняя пластиковая трубка запаяна и не имеет дефрагментации.
С другого конца корпус закрывает крышка с выходным штуцером малого диаметра, ограничивающего давление. В результате внутри появляется избыточный напор и очищаемая вода продавливается сквозь ряд мембранных фильтров к круглым отверстиям на центральной трубе.
В процессе продавливания все частицы, размер которых превышает диаметр ячеек мембраны, собираются в полиэстерном фильтраторе и между ячейками сетки, а затем вымываются проходящим потоком воды.

Таким образом, фильтруемая жидкость движется одновременно вдоль фильтра и в радиальном направлении, просачиваясь в мембрану, скрученную в спираль. Очищенная вода (пермеат) через центральную дренажную трубу выводится наружу, а загрязненная жидкость (концентрат) с высоким содержанием вредных примесей собирается у выходного торца фильтра после продольного прохождения через сетку и полиэстеровую подложку.
Солевой концентрат отводится в накопительную емкость для дальнейшего использования в бытовом хозяйстве или утилизируется путем слива в канализационную систему.

Схема установки обратного осмоса

Как видно из принципа действия данного фильтра, значительная часть очищаемой жидкости (около 3/4) содержит высокую концентрацию вредных примесей и сливается, поэтому при бытовом использовании подобных систем следует продумывать вопрос о рациональном использовании этих водных объемов в хозяйственных целях.

Конструктивное устройство бытовой обратноосмотической установки

Системы водоподготовки воды ROCHEM

Фильтрационные системы служат для эффективной очистки артезианской или водопроводной воды и получения питьевой воды с помощью ультрафильтрационных, нанофильтрационных и обратноосмотических мембран по самым высоким международным нормам и с немецким качеством.

ROCHEM Service В зависимости от требований заказчика, фирма поставляет системы любой производительности, которые могут располагаться на небольших площадях на кухнях или в ванных комнатах. Сервис систем осуществляется фирмой ROCHEM Service г. Санкт-Петербург.

Установка низкоосмотическая типа LP-mini RONRO для очистки водопроводной воды и получения чистой питьевой воды с производительностью от 30 до 60 литров в час. Настенный или напольный вариант.

Системы водоподготовки фирмы изготавливаются «под ключ» и поставляются как проверенные стандартизированые системы раз-личной производительности для квартир, домов, офисов, ресторанов, баров. Кроме обеспечения питьевой водой можно оборудовать системы, обеспечивающие все потребности в воде всего дома в том числе для ванной, душа, бассейнов, посудомоечных и стиральных машин. В зависимости от потребностей в воде существуют различные по производительности установки. Некоторые из них устанавловаются на кухнях или в ванных, другие, обеспечивающие весь дом водой могут располагаться в подвале. Установки могут быть полуили полностью автоматические.

Модульная техника FMУстановки для очистки воды фирмы ROCHEM разработаны для удаления всех микроогранизмов и вредных продуктов из водопроводной, артезианоской, речной, озерной или солоноватой воды. Установки только нашей фирмы поставляются с систему НАТО для военных подводных и надводных судов. А эта организация плохих установок не покупает. Наши установки работают более 8-10 лет без замены фильтрационных мембран. Говоря это, мы основываемся на работоспособности некоторых фильтрационных систем, работающих это время на некоторых предприятиях города Санкт-Петербурга. К офисным установкам для дома или офиса можно отнести установку обратного осмоса низкого давления типа RO 052 DT, представленную на фотографии. Установка низкоосмотическая типа LP-mini RONRO для очистки водопроводной воды и получения чистой питьевой воды с произ-водительностью от 30 до 60 литров в час. Настенный или напольный вариант. С накопителем чистой воды или без него. Кран отбора чистой воды.

Установки для хозяйственно-бытового пользования (квартиры, офисы, жилые дома)Предназначены для очистки водопроводной или артезианской воды с жесткостью до 1500 мг/л и мутностью исходной воды не более 3 NTU, для хлорированной воды используются предфильтры активированного угля и волокнистый предварительный фильтр. Системы могут поставляться с накопителями чистой воды различного объема установки типа LP-NRO поставляются с выносным насосом рабочего давления, при давлении в сети выше 3 бар установки типа «Шарик» используются без выносных насосов давления.

Конструкция фильтрующей системы на основе мембран

В продаже имеется большое количество бытовых фильтрующих систем мембранного типа от отечественного производителя, заслуживших положительные отзывы потребителей, к ним относят известные бренды: Аквафор, Гейзер, Исток, Новая вода, Atoll, Роса. Типовые модели с обратным осмосом состоят из следующих элементов:

Фильтр первичной очистки. Из водного потока удаляет крупные механические частицы размером от 5 мкм, мелкие песчинки, взвешенную грязь, ржавчину. Картридж данного фильтра часто изготавливают из вспененного полипропилена, с его помощью производится механическое очищение воды от взвешенных загрязнений.
Адсорбционный фильтр. Фильтрующим элементом очистителя является активированный уголь, поверхностный слой которого впитывает в себя вредные вещества из воды. Уголь отлично очищает воду от хлорных соединений, органических примесей.
Высококачественный фильтр доочистки. Наполнителем картриджа является брикетированный активированный уголь, удаляющий из жидкости механические частицы диаметром до 1 мкм и производящий доочистку хлорных соединений и органики.
Обратноосмотический мембранный фильтр. Удаляет из воды все частицы размером от 0,001 до 0,0001 мкм или 96 – 98% всех загрязнений, в эту категорию попадают нерастворимые двухвалентные оксиды металлов (марганец, калий, железо), органические примеси, бактерии и вирусы.
Минерализатор. Очищенная стерилизованная дистиллированная вода не имеет в составе полезных для здоровья человека минералов и солей, которые были удалены в процессе очистки вместе с вредными примесями. При использовании в качестве питьевой, ее пропускают через проточный минерализатор с минеральными солями, насыщая воду, они повышают ее вкусовые качества и делают полезной для здоровья.
Накопительный бак. Питьевую воду отправляют в металлический накопительный бак с целью использования в любое время без ожидания завершения процесса очистки.
Электронный модуль управления (дополнительно, нужен при низком давлении воды в водопроводе). Запускает нагнетательную помпу при опустошении накопительного бака, производит очистку системы в автоматическом режиме.

Физические свойства мембран и режимы их работы

Классификация мембран по размерам пор

Мембраной называют тонкую эластичную пленку, закрепленную на несущей поверхности по периметру, данное определение не слишком подходит для систем водоочистки, где назначение мембранных гибких пластин — фильтрация воды.

Поры используемых в водоочистке материалов способны пропускать примеси разных диаметров, учитывая данный фактор, сложилась система разделения мембран по размерным параметрам пропускаемых частиц на следующие группы:

Микрофильтрационные (1-0,1 мкм). Включения с таким размером имеет мутная вода и сточные серые стоки, подобные фильтры также используются для очистки воды от крупных коллоидных частиц и крупнодисперсных органических примесей. Фильтры подобной очистки относят к разряду механических, в бытовых системах предварительной водоочистки аналогичные функции выполняет полипропиленовый картридж.
Ультрафильтрационные (0,1-0,01 мкм). Отсеивают мелкие коллоидные примеси и высокомолекулярные соединения, водоросли, бактерии, трехвалентные нерастворимые оксиды металлов.
Нанофильтрационные (0,01-0,001 мкм). Используются в системах для умягчения воды, способны очищать жидкость от растворимых двухвалентных оксидов железа, калия, марганца, хлора, различного вида красителей.
Обратноосмотические (0,001-0,0001 мкм). Фильтры глубокой очистки эффективностью до 99%, получили широкое распространение в промышленном опреснении морской воды. Удаляют из жидкости все соли и оксиды металлов, бактерии, нефтепродукты, красители, пестициды. Системы обратного осмоса широко используются в медицине, пищевой и химической промышленности для получения стерилизованной воды.

При выборе водоочистной установки важным критерием является давление в системе, для больших размеров пор в мембранах достаточно 1 — 2 атмосфер, наивысший напор требуется для фильтров обратного осмоса — минимум 3 атмосферы.

Дисковый фильтр – принцип работы

Как работает мембранный фильтр

Все системы для фильтрации воды имеют одно главное достоинство — они способны удерживать вредные примеси и их соединения. Мембрана представляет собой тонкую пленку из синтетического материала. Через специально подготовленные отверстия в пленке пропускается только вода и кислород. Чем меньше размер частиц, тем меньше должны быть поры мембраны. Все твердые частицы и растворенные органические вещества удерживаются на внешней поверхности фильтра.

В мембранных фильтрационных системах движение воды организовано по «тангенциальной» схеме, то есть вода собирается с обеих сторон пленки. Большой объем воды проходит через фильтр и очищается, а чтобы смыть скопившуюся грязь и вывести ее в дренаж, используется направленный водный поток. Чтобы мембранный фильтр без проблем функционировал, в его конструкции существует один вход и несколько выходов.

Мембранные системы подходят для воды, используемой в быту, в образовательных и медицинских учреждениях, а также для очистки стоков и т.д.

Статьи, рекомендуемые к прочтению:

Для увеличения производительности мембранных фильтров необходимо обеспечить высокую скорость фильтрации, а именно:

увеличить площадь фильтрующей пленки;
повысить давление (напор);
уменьшить толщину пленки;
повысить температуру воды;
уменьшить концентрацию примесей.

На сегодняшний день разработана еще одна система работы мембранных фильтров для экстренных случаев, когда невозможно подключиться к трубопроводной системе. Основной принцип — мембранная пленка располагается в резервуаре с водой, через трубку чистая вода поступает в другой сосуд по принципу работы сообщающихся сосудов.

Достоинства мембранных фильтрационных систем:

удобное использование;
простое обслуживание;
длительный эксплуатационный период;
высокое качество;
компактность.

К недостаткам стоит отнести высокую стоимость и медленную скорость очищения воды, что может потребовать использование нескольких накопительных резервуаров.

Методы эффективной очистки

Основные стадии очистки сточные воды проходят до сброса в реки. Фильтрация твердых частиц, отстаивание и септическая очистка позволяют удалить нерастворимый осадок и переработать содержащуюся в стоке органику. На момент, когда вода забирается в систему водопровода, она уже имеет приемлемое качество.

Резервуары на станции водоподготовки

Перед тем, как попасть в кран к потребителю, вода проходит многоступенчатую очистку, которая включает несколько шагов:

механическая очистка при помощи решеток, которые удаляют мелкий мусор и твердые частицы;
фильтрация или отстаивание позволяют удалить мелкодисперсные взвеси органического и минерального происхождения;
осаждение солей кальция и умягчение воды;
удаление других солей и минералов посредством ионного обмена;
удаление нефтепродуктов, газов и оксидов металлов;
обеззараживание при помощи хлора, фтора, ультрафиолета;
удаление сероводорода и хлора.

Контроль качества воды

Описанные выше этапы – стандартные, и полученная таким образом вода имеет хорошие показатели. Она не разрушает водопроводную систему, пригодна для любых бытовых нужд. Путем очистки из нее выводится большое количество примесей, однако удалить их полностью никак не возможно. На языке профессионалов это называется «срезать пики», то есть не допустить предельных концентраций. Для пользователя это означает, что вся таблица Менделеева попадает в дом, просто количество примесей не велико.

Бытовая станция очистки

Для того чтобы вода стала пригодной для питья, ее состав должен быть приближен к природному. Очевидно, что не существует таких фильтров, которые могли бы в полной мере решить эту задачу. Единственное, что может инженерная мысль – удалить из воды максимум примесей. Разработаны такие фильтры, которые способны просеивать воду на уровне молекул. Многие из них по эффективности соперничают с дистилляторами.

Виды барьерных фильтров

Барьер в системе фильтрации – это мембрана, то есть решетка с порами определенного размера и формы. Чем меньше диаметр пор, тем выше должно быть рабочее давление воды.

Мембранный фильтр из полимерных материалов

Микрофильтр – мембрана с размером пор от 10 до 0,15 микрон, способна отделять частицы активированного угля, капли масла микроскопических размеров, некоторые виды микроорганизмов.
Ультратонкий фильтр – размер пор от 0,15 до 0,05 микрон, отделяет вирусы и все типы микроорганизмов, а также коллоиды.
Нанофильтры – удаляют молекулы сахарозы, пестицидов, минеральных солей.
Обратноосмотические системы – отфильтровывают молекулы практически всех минеральных солей.

Сменный картридж

Фильтры для очистки воды с керамической мембраной могут иметь разнообразную форму и изготавливаться из различных материалов – металла, стекловолокна, полимеров и керамики. Мембраны не вечны, поэтому требуют регулярной очистки и периодической замены. Срок службы картриджей с полимерными барьерами составляет до 1 года, а стекловолоконные и керамические способны прослужить несколько лет.

Система фильтрации, обслуживающая весь дом

Комплексные системы

Грамотная эксплуатация фильтра подразумевает использование его в строгом соответствии с назначением. На простом языке это означает, что каждый тип загрязнений должен быть удален определенным типом фильтра. Например, установка на входе в квартиру ультратонких фильтрационных систем – неразумный шаг, так как содержащиеся в водопроводной воде твердые частицы быстро забьют его и выведут из строя. Процесс очистки должен быть разбит на этапы, а применяемые мембраны должны им соответствовать.

Сменный картридж: вид изнутри

Бытовые и промышленные системы очистки представляют собой несколько фильтров, которые установлены последовательно один за другим. Первые отсеиваю более крупные частицы, затем следуют тонкие фильтры.

Многоступенчатая система

Керамические мембранные фильтры для микро- и ультрафильтрации НПО НПО «Керамикфильтр»

Состав керамических мембран:

Селективные слоисетчатой структуры изсупертонких (< 0,1мкм) керамических волокон,связанных с керамической подложкой керамической связкой (на основе ZrO₂).

Микроструктура мембраны(x10000)

Мембрана:волокнистый SiC Подложка:порошковый Al ₂O 3

Эксплуатационные характеристики керамических мембран:

температура эксплуатации до 900°С;
стойкость в агрессивных средах с рН 0÷13;
стойкость в эрозионных потоках со скоростями 5÷10 м/сек;
эксплуатация при высоких (10÷15 атм) прямом и обратном давлении;
высокая (90÷95%) пористостость и трещиностойкость мембран.

Фильтрационный процесс и что на него влияет

Главным фактором, влияющим на процесс, является давление, в паспорте к каждому устройству указывается величина допустимого давления. Показатель давления имеет средние пределы 3.5-6 атм. Благодаря этой величине обеспечивается работа установки. Если параметр меньше положенного, то потребуется специальный насос, повышающий его. Если приобретать комплект, то там имеется автоматика, датчик и различного рода соединители. Когда насоса нет, то придется долго ждать, пока пройдет фильтрация. При повышении давления выше положенного произойдет разрушение мембраны.

Вторым не менее важным фактором является температура, при ее увеличении понижается вязкость и плотность раствора, а значит, мембрана начинает эффективнее работать. С температурой увеличивается и давление, поэтому в этом параметре есть тоже свои ограничения в пределах 10-40 градусов.