Мембранные процессы как методы разделения считаются достаточно новыми. Однако в живой природе, на клеточном уровне, мембраны играют очень важную роль и не только обеспечивают целостность клетки и отделяют ее содержимое от внешней среды, но регулируют обмен между клеткой и средой. Именно последнее свойство, способность мембран избирательно пропускать одни вещества и задерживать другие, является наиболее важным для современной промышленности.
Цель исследования. Мембранные методы, такие как ультрафильтрация, нанофильтрация и обратный осмос, находят все более широкое применение в области водоочистки. Так нанофильтрация и обратный осмос используются для обессоливания воды, ультрафильтрация применяется в качестве предочистки перед системами обратного осмоса, а также в качестве «финишной» очистки в технологических схемах водоподготовки [1, 2].
Распространение мембранных методов для разделения коллоидных систем, в частности гидроксидов поливалентных металлов, ограничено по причине интенсивного забивания пор мембраны, образования гелевого слоя и как следствии резкого снижения ее проницаемости [3]. Целью данного исследования является определение возможности использования мембранного метода для очистки природных вод от соединений железа. Применение мембран для обезжелезивания является перспективным при правильном подборе типа мембраны, а также выборе оптимального режима проведения процесса мембранного разделения, способствующего снижению концентрационной, гелевой поляризации, предотвращению накопления осадка.
Материалы и методы исследования
Для исследования мембранного процесса очистки воды от соединений железа была выбрана трубчатая ультрафильтрационная мембрана диаметром 13 мм и длиной 0,5 м. Такой выбор обусловлен несколькими причинами, во-первых, ультрафильтрационная мембрана способна обеспечить высокую степень очистки от рассматриваемых соединений, во-вторых, трубчатая форма мембраны препятствует образованию «застойных» зон.
Для исследования мембранного процесса очистки воды от гидроксида железа использовались модельные растворы с концентрацией Fe2+ Сн=2 мг/л и 10 мг/л, рН исходной воды выдерживалось в интервалах 6,5-6,8, температура исходного раствора составляла 18-20 ºС. Исследования проводились при различных расходах исходного потока (q=10 л/мин и 30 л/мин) в режиме рециркуляции при рабочем давлении 0,3 МПа, при этом осуществлялась упрощенная аэрация разделяемого раствора. Аэрация проводится с целью повышения окислительно-востановительного потенциала раствора, окисления Fe2+ и перевода Fe3+ в гидроксид. Результаты исследований представлены на рис. 1–3.
Рис. 1. Зависимость эффективности очистки (Э) от соединений Fe2+ во времени (τ)
Рис. 2. Зависимость изменения проницаемости от времени: Gнач,Gi – начальная и текущая проницаемость мембраны соответственно
Результаты исследования и их обсуждения
Как видно из рис. 1, при очистке воды на ультрафильтрационной трубчатой мембране от ионов железа, при проведении предварительной упрощенной аэрации, эффективность очистки варьируется от 96 % до 100 % и не зависит от концентрации железа и расхода исходного потока (скорости потока над мембраной).
Рис. 3. Зависимость образования осадка от времени
Для сопоставления процесса очистки при снижении проницаемости мембраны при проведении, график построен в координатах Gi/Gнач от времени (рис. 2), при этом начальное значение равняется единице (Gi=Gнач). Из рисунка видно, что проницаемость мембраны зависит как от концентрации, так и от транзитного расхода, причем для сохранения проницаемости не менее чем 0,8 от начальной при увеличении концентрации железа в исходной воде необходимо увеличивать скорость движения воды над мембранной.
На рис. 3 приведена зависимость количества образовавшегося осадка на мембране (N, мг/см2) от времени. При сравнении снижения проницаемости (рис. 2) и количества накопленного осадка (рис. 3) наблюдается корреляция, причем наибольшее снижение проницаемости от первоначальной происходит при максимальном количестве осадка (0,6 мг/см2) при С=10 мг/л, q=10 л/мин, это можно объяснить низкой скорость движения раствора над мембраной, что способствует интенсивному накоплению осадка на ее поверхности. Минимальное количество накопленного осадка наблюдается при С=2 мг/л и q=30 л/мин, что согласуется с литературными данными [3, 4], и составляет 0,07 мг/см2, причем снижение проницаемости наблюдается не более чем на 0,3 от первоначальной, что можно объяснить рыхлостью осадка, а также невысоким рабочим давлением, недостаточным для уплотнения осадка и высоким расходом исходного потока, предотвращающим гелеобразование на поверхности мембраны.
Выводы и заключение
Проведенные исследования показывают высокую эффективность очистки от ионов железа при использовании трубчатых ультрафильтрационных мембран, а незначительное снижение проницаемости мембраны говорит о перспективности их использования для обезжелезивания природных вод.