Что такое ультрафильтрация воды и зачем она проводится

Новые разработки [ править ]

Для увеличения срока службы систем мембранной фильтрации в системах мембранных биореакторов разрабатываются энергоэффективные мембраны. Была внедрена технология, которая позволяет снизить мощность, необходимую для аэрации мембраны для очистки, при сохранении высокого уровня потока. Были также приняты процессы механической очистки с использованием гранулятов в качестве альтернативы обычным формам очистки; это снижает потребление энергии, а также уменьшает площадь, необходимую для фильтрующих резервуаров.

Свойства мембраны также были улучшены для снижения склонности к загрязнению за счет изменения свойств поверхности. Это можно отметить в биотехнологической промышленности, где поверхности мембран были изменены с целью уменьшения количества связывания с белками. Модули ультрафильтрации также были улучшены, чтобы учесть большее количество мембран для данной области без увеличения риска засорения за счет разработки более эффективных внутренних устройств модуля.

Текущая предварительная очистка морской воды для десульфонирования использует модули ультрафильтрации, которые были разработаны, чтобы выдерживать высокие температуры и давления, занимая при этом меньшую площадь. Каждый сосуд модуля является самоподдерживающимся, устойчивым к коррозии и позволяет легко снимать и заменять модуль без затрат на замену самого сосуда.

Практическое применение оборудования водоочистки

При обработке воды, содержащей значительные количества взвешенных веществ и коллоидных частиц, для ограничения слишком быстрого формирования осадка на мембране целесообразно поддерживать повышенную скорость движения воды вдоль всей длины мембраны, минимизируя таким образом толщину граничного слоя. На этом принципе основано функционирование так называемых систем с касательным фильтрованием, в которых рециркуляционный насос позволяет поддерживать скорость до 5 м/с на трубчатых керамических мембранах и до 0,5-1,0 м/с на полимерных волокнах. Нагнетающий насос поддерживает трансмембранное давление, компенсирую потери, возникающие при прохождении воды через мембрану.

Подобные системы рекомендуются для мембран с внутренней пленкой при обработке воды, содержащей более 20 мг/л взвешенных частиц, и их применение становится необходимым для поддержания потока фильтрата при увеличении их содержании свыше 40 мг/л.

Основным недостатком систем с касательным фильтрованием является повышенная мощность, потребляемая контуром рециркуляции при скорости 0,6-0,8 м/с.

Частоту промывки можно регулировать; обычно ее продолжительность составляет от 30 с до 1 мин. каждые 30-120 мин.

В случае применения модулей с мембранами, имеющими внешнюю пленку, возникают аналогичные проблемы, однако, в связи с невозможностью использования истинно касательного потока обрабатываемой воды в данном случае применяют воздух для создания турбулентности мембран. Частота введения воздуха меняется в зависимости от содержания взвешенных частиц в воде. Эта операция также является важным потребителем энергии.

Для борьбы с необратимым забиванием периодически следует применять более интенсивную промывку, например, химическую. Процедура заключается в обработке мембраны подходящими для данного случая растворами. Как правило, такая чистка осуществляется благодаря действию:

• Кислот и/или комплексообразователей; лимонной или щавелевой кислот, удаляющих отложения гидроксидов и оксидов металлов: Fe, Al, Mn, способных более или менее глубоко проникать в мембрану, причем Fe и Mn зачастую могут даже загрязнять поверхность мембраны, обращенную к пермеату. Особенно это касается воды, содержащей растворенные Fe и Mn, ионы которых проходят через мембрану. Если же в целях предотвращения повторного заселения мембраны бактериями (биообрастания) к фильтрату добавляют окислитель, имеющий стерилизующее действие (Cl₂, ClO₂, H₂O₂), то этот реагент окисляет Fe и Mn, переводя их в нерастворимую форму, так что при обратной промывке соответствующие оксиды забивают «чистую» поверхность мембраны. Подобный эффект наблюдается при концентрации растворимых форм Fe и Mn менее 0,05 мг/л;
• Моющих средств, имеющих щелочное значение рН, которые отслаивают и диспергируют осадки преимущественно органического состава;
• Окислителей (Cl₂, ClO₂), если они совместимы с материалом мембраны, осуществляющих окисление-десорбцию органических молекул, адсорбированных на мембране или внутри нее, и, разумеется, обеззараживание мембраны.

Все эти процессы замедлены и требуют определенного времени контакта и длительных операций последующей промывки, что влечет за собой остановку производства не менее чем на 4 часа, а иногда и до 24 часов. Подобные перерывы следует по возможности сокращать; оптимальной частотой является одна промывка в год, но, в любом случае, не более 12 промывок в год. Между тем, определенный интерес может представлять гораздо более кратковременная (около 1ч), но и более частая (1 раз в неделю) обработка мембраны замачиванием в растворе лимонной кислоты или хлорной воды в целях увеличения периода между двумя полными химическими чистками, которые, тем не менее, все равно остаются необходимыми.

Внешние ссылки [ править ]

vтеПроцессы разделения
Процессы	Абсорбция Кислотно-основная экстракция Адсорбция Хроматография Поперечная фильтрация Кристаллизация Циклонная сепарация Диализ (биохимия) Флотация растворенного воздуха Дистилляция Сушка Электрохроматография Электрофильтрация Фильтрация Флокуляция Пенная флотация Гравитационное разделение Выщелачивание Жидкостно-жидкостная экстракция Электроэкстракция Микрофильтрация Осмос Осадки (химия) Перекристаллизация Обратный осмос Седиментация Твердофазная экстракция Сублимация Ультрафильтрация
Устройства	Сепаратор масла и воды API Ленточный фильтр Центрифуга Фильтр глубины Электростатический фильтр Испаритель Фильтр-пресс Колонна фракционирования Фильтрат Смеситель-отстойник Протеиновый скиммер Быстрый песочный фильтр Ротационный вакуум-барабанный фильтр Скруббер Вращающийся конус Все еще Сублимационный аппарат Вакуумный керамический фильтр
Многофазные системы	Водная двухфазная система Азеотроп Эвтектика
Концепции

Установки ультрафильтрации

Типовая комплектация

• Мембранные модули половолоконного типа с различной отсекающей способностью отсекающей способностью (чаще всего 100 кДа).
• Система промывки мембран обратным током с насосом, фильтром и дозатором гипохлорита натрия для проведения химусиленной промывки.
• Система CIP-мойки в составе: емкость химического раствора, маточная емкость, насос циркуляции раствора и перекачивания из маточной емкости в основную, промывной насос.
• Система мембранных и электромагнитных вентилей для коммутации потоков.
• Компрессор для управляющего воздуха.
• PLC-контроллер для управления процессом.
• Комплект измерителей расхода (флоуметров).
• Дифференциальный манометр.

Дополнительное оборудование (опции):

• Фильтр сетчатый с автоматической промывкой для исходной воды 80-100 мкм.
• Насосная станция подачи исходной воды с частотным регулированием.
• Дозатор гипохлорита натрия для исходной воды.
• Измеритель мутности исходной воды и фильтрата (мутномер).
• Измеритель содержания остаточного хлора.
• Емкость для сбора фильтрата установки ультрафильтрации.
• Регулятор давления.
• Интеграция в АСУ ТП.
• рН-метр портативный для проведения химпромывки
• Набор рагентов портативный для измерения свободного хлора.

Описание работы установки:

Исходная вода с давлением 1,6 – 4,1 бар подается на сетчатый фильтр 80-100 мкм, а затем – непосредственно в мембранные модули установки ультрафильтрации. Фильтрование осуществляется изнутри волокна наружу. Для предотвращения биообрастания в исходную воду дозируется 0,5-1,0 мг/л гипохлорита натрия.

В процессе загрязнения внутренней поверхности волокна возникает необходимость проведения промывки из-за перепада давления, называемого трансмембранным. Промывка проводится сначала прямым потоком с расходом в 1,5 раза большим номинального, а затем обратным – с расходом в 2 раза большим номинального. В конце цикла промывки – снова прямой поток. Общая длительность цикла промывки – 2-3 минуты. Периодичность устанавливается в зависимости от степени загрязненности мембран, т.е. от величины трансмембранного давления.

В процессе промывки в воду автоматически подается гипохлорит натрия 200,0 мг/л для дезинфекции и улучшения отмывки (CEB1). Иногда требуется также проведение промывки с химическими реагентами (щелочами и кислотами) для отмывки или предупреждения загрязнений (CEB2).

В случае повышения трансмембранного давления до величины 1 бар срабатывает аварийное автоматическое включение цикла промывки во избежание порыва мембранных волокон.

Фильтрат (очищенная вода) накапливается в баке фильтрата, из него же ведется забор воды для промывки. Противодавление более 0,5 бар нежелательно.

Со временем слой загрязняющих отложений на мембране увеличивается, и возникает необходимость проведения более длительной промывки химическими веществами. Для такой промывки в установке предусмотрена система CIP-мойки, включающая емкости для рабочего и маточного растворов, а также насосы и картриджные фильтры.

Управление клапанной системой осуществляется PLC-контроллером посредством сжатого воздуха, производимого компрессором.

Ультрафильтрация – определение и область применения

Мембрана задерживает частицы до 0,01 микрона

Всем требованиям предварительной подготовки воды отвечают только мембранные технологии – нанофильтрация, системы обратного осмоса, УФ фильтр для воды. По сравнению со старыми методами – электрокоагуляцией, установкой ультрафиолетового обеззараживания питьевой воды, хлорированием – они наиболее прогрессивные и с каждым годом дают прирост количества качественной чистой питьевой воды.

Ультрафильтрация – это удаление взвешенных частиц с помощью фильтров со сверхонкими порами. К примеру, размер вируса 0,02 микрона, а поры – 0,01 микрона.

Перед финальной очисткой жидкость не должна содержать в себе вещества, которые влияют на показатель мутности – органические и неорганические загрязнители. Поэтому на начальной стадии процесса применяются установки ультрафильтрации, которые очищают воду от 99,99% веществ. Это позволяет сохранить последующие фильтры и увеличить срок эксплуатации.

Размер пор варьируется в зависимости от исходного качества жидкости. Если водозабор происходит из поверхностных источников, требуется более качественный фильтр. При поставке воды из подземных скважин можно обойтись фильтрами с увеличенной пористостью.

Ультрафильтрация. Промышленная водоподготовка

Ультрaфильтрaция воды по сравнению с альтернативными технологиями промышленной водоподготовки имеет массу преимуществ. Установка ультрафильтрации воды не требует высокого рабочего давления. Для эффективной ультрaфильтрaции достаточно давления 1-2 атм. При этом занимаемая площадь составляет одну треть от площади, которую занимают альтернативные системы фильтрaции  аналогичной производственной мощности, а расход энергозатрат уменьшается в два раза. Небольшая занимаемая площадь установки для ультрaфильтpации  в промышленной водоподготовке приводит к снижению капитальных затрат на строительство и обустройство помещения для размещения нового оборудования.

Промышленная водоподготовка.

Стоимостные и качественные показатели являются важным аспектом при внедрении новых технологий в промышленной водоподготовке. Устaновки ультрaфильтрaции вoды компактны, просты в обслуживании, в процессе фильтрации расходуется незначительное количество химических реагентов, что обуславливает низкую себестоимость отфильтрованной воды высокого качества. Стоимость единицы объема осветленной с помощью ультрафильтрации воды определяется в зависимости от качества исходной воды и производительной мощности установки. Чем больше объемы производства, тем ниже себестоимость кубометра очищенной воды. Высокий уровень бактерицидного воздействия при очистке воды, когда ультрафильтрация воды обеспечивает 99,99% устранение бактерий и вирусов, показывает высокую санитарную и технологическую надежность данного метода. По сравнению с другими методами обеззараж

ивания воды (хлорирование, озонирование, обеззараживание ультрафиолетом и т.п.) при прохождении через ультрафильтрационную мембрану микроорганизмы физически отфильтровываются, так как размер пор мембраны немного меньше размеров бактерий и вирусов.

Использование ультрафильтрационных установок, как предварительной ступени осветления, в системах водоподготовки где основной ступенью обессоливания используются обратноoсмотические установки, приводит к снижению эксплуатационных расходов за счет более длительного срока службы мембран, происходит стабилизация коллоидного индекса SDI на уровне 1-2, что уменьшает частоту плановых промывок и замены обратноoсмотических мембран.

Задачи и преимущества установок ультрафильтрации в системах промышленной водоподготовки

К типовым задачам, решаемым с установкой системы промышленной водоподготовки, наши инженеры относят:

• получение значительных объемов питьевой и технологической воды из поверхностных источников;
• подготовка технической воды для широкого спектра сфер промышленности и энергетики;
• использование в роли части системы предварительной фильтрации перед модулями обессоливания;
• эксплуатация в качестве очистного сооружения в промышленном или хозяйственном комплексе сточных вод.

Установив систему ультрафильтрации, вы получаете множество выгод. Прежде всего, снижение себестоимости очистки воды в 5 и более раз – в зависимости от используемой до этого системы. При этом снижается потребление химических реагентов, необходимых для очистки, в более чем 10 раз, а занимаемая оборудованием площадь уменьшается втрое.

Кроме этого, монтаж системы водоподготовки позволит добиться таких результатов:

• снизить потребление воды на собственные нужды оборудования в 2 и более раза;
• рационализировать потребление электроэнергии для очистки вдвое;
• наладить очистку методом, гарантирующим 100%-е удаление взвесей;
• также фильтр ультрафильтрации воды значительно снижает содержание кремния и органики, удаляет из воды железистые и марганцевые соединения;
• установка позволяет наладить полностью автономное производство питьевой воды в значительных масштабах.

Критерии выбора

В продаже можно найти бытовые компактные модели и более габаритные, предназначенные для предприятий, многоэтажек.

Чтобы правильно выбрать ультрафильтр, нужно учитывать:

• потребность семьи в чистой воде – сколько литров в сутки расходуется – от этого показателя будет зависеть стоимость;
• какой материал используется при изготовлении мембраны – от этого зависит срок службы и способность к самовосстановлению механизма очистки;
• насколько изделие выдерживает горячую воду;
• давление в городском водопроводе;
• размер пор, от которого будет зависеть, насколько вода качественно очистится.

Поскольку фильтры данного типа стоят не дешево, важно учесть все показатели, чтобы не переплачивать лишнее. Возможно, качество воды в городской системе позволяет использовать ее для купания и стирки, а также мытья посуды, но для употребления внутрь необходимо поставить дополнительный фильтр

В таком случае подойдет самый маленький вариант, который устанавливается в квартире или офисе.

Фильтры для воды: осмос или ультрафильтрация – как выбрать?

      

   В этой статье я попробую описать основные критерии выбора систем очистки, и на их основании приведу несколько достоинств или недостатков обсуждаемых фильтров:

   1.    Пространство. Обе системы устанавливаются под мойку. При этом чистая вода выводится с помощью дополнительного крана возле основного смесителя. В этом отношении система ультрафильтрации на порядок компактнее. Она не комплектуется накопительной емкостью, за счет чего не занимается лишнее пространство.

   1/0 в пользу ультрафильтрации

   2.    Если места под мойкой достаточно много, то переходим к следующему пункту – качество очистки.

   Система обратного осмоса, на сегодняшний день, самая универсальная и доскональная система очистки воды. Она устраняет до 99% всех видов загрязнений: от крупных до микроскопических.  На выходе вода получится близкая по составу к талой, только в намного большем объеме и с меньшими временными и энергетическими затратами.

   Что касается ультрафильтрации – эта система извлекает из воды только самые распространенные загрязнители. А вцелом, минеральный состав воды практически не меняется. Фильтры системы позволяют убрать крупные примеси, хлорорганические соединения, соли жесткости, тяжелые металлы, бактерии и вирусы.

   Таким образом, система обратного осмоса чистит воду намного лучше. Однако, система ультрафильтрации – оптимальный фильтр для получения полезной и вкусной воды.

   1/1 – равный счет

   3.    Экономическая целесообразность. Система ультрафильтрации – дешевле при покупке. Но по обслуживанию ее смело можно приравнивать к системам обратного осмоса. Поэтому здесь силы обеих систем уравнены. И при отсутствии экономической разницы, в качестве очистки преимущества обратного осмоса очевидны (см. п.2).

   2/2 – равный счет

   4.    Новизна технологий. Обратный осмос – передовые технологии. И самое главное – глубокая комплексная очистка от самых сложных примесей – радионуклиды, микроорганизмы, их споры, частицы антибиотиков и т.д.

   3/2 в пользу осмоса

   5.    Резервирование воды. Фильтры для воды (осмос) оснащены резервной емкостью, в которой всегда будет доступна вода в объеме 10-12 л. Объем бака регламентируется производителем. Система ультрафильтрации проточного типа. И отсутствие воды в водопроводных сетях

   4/2 в пользу осмоса

   По итогам сравнения, лучшие фильтры для воды на сегодняшний день – системы обратного осмоса. Они имеют массу преимуществ перед другими системами очистки, что делает их несомненными лидерами на рынке водоподготовки.

Характеристики процесса

Характеристики процесса ультрафильтрации сильно зависят от типа используемой мембраны и ее применения. Спецификации производителей мембраны ограничивают процесс следующими типичными спецификациями:

	Полое волокно	Спирально-намотанный	Керамическая трубка	Пластина и рама
pH	2–13	2–11	3–7
Давление подачи (psi)	9–15	<30–120	60–100
Давление обратной промывки (фунт / кв. Дюйм)	9–15	20–40	10–30
Температура (° C)	5–30	5–45	5–400
Общее количество растворенных твердых веществ (мг / л)	<1000	<600	<500
Общее количество взвешенных твердых веществ (мг / л)	<500	<450	<300
Мутность (NTU)	<15	<1	<10
Железо (мг / л)	<5	<5	<5
Масла и смазки (мг / л)	<0,1	<0,1	<0,1
Растворители, фенолы (мг / л)	<0,1	<0,1	<0,1

Классификация обратноосмотических систем

Все существующие системы классифицируются по таким параметрам, как габариты и производительность, на три категории. В свою очередь, каждая из них, подразделяется по ряду иных показателей.

1. Установки промышленного назначения.

Применяются на предприятиях:

• занимающихся розливом в бутылки питьевой воды и ароматизированных напитков, производимых на её основе;
• в микроэлектронике;
• в фармацевтике и т.п.

В странах, испытывающих проблемы с питьевой водой, обратноосмотические установки, комплектующиеся специальными мембранами с высокой селекцией, и могут применяться для опреснения морской воды.

Промышленные установки нельзя отнести к завершённым изделиям, которые выпускаются в заводской готовности к подключению и применению (смотри категории 2 и 3). Полноценно они реализуют лишь одну ступень очистки, обратноосмотическую, для чего комплектуются:

• несколькими (2 – 96) мембранами промышленного типа;
• насосной станцией высокой производительности;
• комплектом автоматики управления.

Производительность рассматриваемых систем задаётся количеством и размерами мембран.

2. Системы коммерческого назначения.

Они востребованы:

• предприятиями общественного питания;
• медицинскими учреждениями;
• учебными заведениями;
• небольшими производственными предприятиями, которые используют технологии, предусматривающие использование гарантированно чистой воды.

В отличие от систем, упомянутых в третьем пункте (смотри ниже) в их конструкциях существует ряд изменений, основными из которых являются следующие:

• Изделия комплектуются не одной мембраной обратного осмоса, а двумя и более. Как правило, это модели Filmtec, характеризующиеся удвоенной производительностью (1000GPD);
• В комплект таких фильтров не входит, в стандартной комплектации, питьевой кран. Объясняется это тем. Что, чаще всего, подобные фильтры подключаются напрямую к различным устройствам, потребляющим воду:
  • Кофемашины;
  • Автоматы, разливающие питьевую воду;
  • Льдогенераторы и т.п.

Предусмотрена возможность их приобретения и установки (в случае необходимости);

• В данных системах в стандартную комплектацию обязательно входит насос, используемый для повышения давления подаваемой воды, что увеличивает производительность фильтра;
• Накопительная ёмкость не предусмотрена. По желанию владельца он может приобрести бак нужной ёмкости, и установить его;
• На вводном канале монтируется соединитель, предусматривающей подключение трубки большего диаметра (вместо стандартного размера в ¼” он составляет ⅜”), что позволяет обеспечить увеличенный поток воды.

3. Системы бытового назначения.

Фильтр для воды с краном (бытовые модели) устанавливаются под мойкой на кухне. Если места там недостаточно, бак выносится в соседнюю тумбу мебельного гарнитура. При необходимости, туда (либо в санузел) может быть перенесён  весь фильтр в сборе. При необходимости потребуется просто докупить трубки соединительные.

Установка изделий упомянуто назначения осуществляется по следующему алгоритму:

• На мойку устанавливается кран для питьевой воды из комплекта фильтра. По желанию, его форма, дизайн и цвет могут быть подобраны в ближайшем специализированном магазине. Это позволит органично вписать кран в имеющийся интерьер кухни;
• Возможен вариант покупки крана комбинированного, представляющего собой обычный кухонный смеситель с дополнительно встроенным каналом подачи отфильтрованной воды.

Данный вариант имеет важное преимущество. Установить его можно, не просверливая в мойке дополнительного отверстия

Краны подобных конструкций также можно подобрать по любым, интересующим покупателя, характеристикам.

Бытовые фильтры рассматриваемой категории подразделяются на 2 типа. Какой лучше, следует учитывать, исходя из решаемых задач:

• Классические. Изготавливаются на базе картриджей и колб, изготовленных по американскому стандарту Slim Line 10”, имеющему статус единого общемирового норматива. Такие модели выпускаются на территории многих государств;
• Компактные. Изготавливаются на основе картриджей корпусных, для которых колбы не нужны. Подобное техническое решение позволило уменьшить их геометрические размеры. Ряд ведущих изготовителей аналогичной продукции производят её с картриджами собственных размеров. О какой-либо совместимости комплектующих речи не идёт. Подобное решение продиктовано стремлением монополизировать рынок. Параллельно существуют общемировые стандарты (например, Inline). С учётом требований последнего норматива изготавливаются все модели минерализаторов и постфильтров (в первую очередь, для систем классических типов).

Принцип действия

Принцип работы ультрафильтра

Основная задача ультрафильтра – обеззараживание и осветление жидкости. Происходит это при прохождении воды через мембрану. Есть два способа – напорный и безнапорный. В первом случае жидкость проходит через слой мембраны под давлением, создаваемым насосом, во втором – с внутренней стороны создается разреженное пространство, и вода всасывается мембраной.

Фильтрующие модули обычно расположены вертикально, чтобы жидкость распределялась равномерно. Элементы системы располагаются в такой последовательности:

1. Водозабор или питающий трубопровод.
2. Насос для регулирования давления.
3. Фильтр с мембраной.
4. Резервуар или труба для чистой воды.
5. Труба для сброса отходов и жидкости после промывки системы.

Мембрана часто засоряется, поэтому при отладке оборудования специалист устанавливает оптимальное давление и частоту промывания системы. Промывка происходит двумя способами – встречным потоком из уже очищенной жидкости или дренажом из водозаборной трубы. Отходы сбрасываются в отдельную емкость и утилизируются.

Материалы изготовления мембран

Основной материал, который используется для изготовления мелкопористой мембраны – полисульфон. Это вещество устойчиво к кислотам, щелочам, спиртам. Полисульфон нового поколения выдерживает температуру до 200 градусов, дает малую усадку и расширение при изменениях температурного режима, поэтому его используют для изготовления деталей, которые должны держать форму в любых условиях. Волокна по своей структуре полые, поэтому материал применяют для изготовления фильтров обратного осмоса и в системах ультрафильтрации. Слабое место полиэстерсульфона – соединения хлора, поэтому производители в качестве основного критерия срока службы выделяют работу с хлорированной жидкостью, исчисляемую в часах.