Обратноосмотични елементи

От обратноосмотичните мембрани се създават обратноосмотични елементи (ОО-елементи). В зависимост от вида на използваната мембрана, обратноосмотичните елементи се различават като куховлакнести и спираловидно-навити.

I. ОБРАТНООСМОТИЧНИ ЕЛЕМЕНТИ ОТ КУХИ ВЛАКНА

Първите индустриални обратноосмотични елементи с асиметрична мембрана, базирани на кухи влакна от ароматен полиамид с вътрешен диаметър от 42 микрона и външен от 85 микрона, на повърхността на които се нанася слой асиметрична мембрана с дебелина от 0,1 ~ 1 микрона, са били разработени от фирма DuPont (Франция). Стандартният обратноосмотичен елемент с диаметър от 10 инча съдържа около 4,4 милиона такива влакна. Те се подреждат в модул във формата на тръбна решетка, а краищата им се хирметизират с епоксидна смола.

Кухите влакна с асиметрична мембрана могат да бъдат свързани в дебелостенен порест цилиндър, чиято здравина зависи от съотношението на външния и вътрешния диаметър. Влакната се разполагат в паралелни снопове. Разстоянието между влакната може да се фиксира със спирална нишка, навивана около влакната. Входящият разтвор се движи по дължината на външната повърхност на влакната. Под налягане част от течността преминава през стените на влакната, пермеатът се движи по дължината на канала на влакното. При условие че това съотношение остава постоянно, докато и двата диаметра се увеличават, механичната здравина на цилиндъра ще остане постоянна, въпреки намаляването на дебелината на стените, което увеличава разхода на вода, преминаваща през стените. Това позволява създаването на мембрана с максимална повърхност на единица обем, която в същото време може да устои на високо налягане без механично засилване. Рекордната относителна повърхност на мембраната  20 000 м2/м3 е постигната от споменатата вече фирма DuPont в инсталации с мембрани от кухи влакна U-образна.

Конструкция на обратноосмотичния елемент от кухи влакна

При тази конструкция (фигура 1), няколко стотин хиляди влакна, разположени във формата на буква U (поз.4), се монтират във вътрешността на корпус от стъклопласт. За тази цел, отрязани с определена дължина, кухите влакна се групират в сноп, който се прегъва наполовина на 180 градуса под формата на "U", така че "изходите" и "входовете" на тръбите на влакната да са от едната страна на снопа. След това краищата на тръбите се заливат със специалено полимерно лепило. След втвърдяването на лепилото, част от снопа се отрязва, за да се открият входовете на тръбите. След това тази конструкция се поставя в корпуса, насочващ потока на водата, и филтър-елементът е готов! Високата специфична повърхност на модула се постига чрез използването на много влакна с малки диаметри (обикновено кухите влакна имат външен диаметър от 45 ~ 200 микрона и дебелина на стената от 10 ~ 50 микрона). Входящата се вода (Фиг. 6.1, поз.1) под налягане се разпределя радиално във вътрешността на модула с помощта на порест или перфориран колектор (поз.6), който минава по цялата дължина на модула. По външната повърхност на влакната входящата вода под налягане се разделя на концентрат (мръсната вода) и премеат (почистената вода), който преминава през стените на влакната (поз.4) и се натрупва в централния канал (през каналите на влакната), откъдето излиза. След това премеатът се събира от порест диск (поз.9) и се извежда от модула (поз.2). Свободните краища на влакната са закрепени в непроницаема плоча от епоксидна смола (поз.5). Концентратът се събира в пространството между външните повърхности на влакната, минава през порестата плоча (поз.7) и се извежда през отвора (поз.3), разположен във входната предна плоча на модула (поз.8), там, където е входът на входящата вода.

Фигура 1. Принципна конструкция на обратноосмотичния елемент от кухи влакна

С цифри са отбелязани: 1 - вход за входящата вода; 2 - изход за пречистената вода (пермеат); 3 - изход за концентрата; 4 - кухи влакна на обратноосмотичната мембрана; 5 - епоксидна смола; 6 - разпределителна тръба; 7 - порест диск; 8 - входна странична плоча; 9 - изходна странична плоча; 10 - О-образно уплътнение; 11 - опорна подложка.

Като цяло, производството и усъвършенстването на обратноосмотични елементи, базирани на куховлакнести мембрани, е неразделно свързано с фирмата DuPont.

През 1974 г. DuPont разработва и въвежда първите куховлакнести обратноосмотични елементи от серия Permasep. Това са елементи с диаметър от 4 инча, с производителност от 5,7 м3/ден (1500 GPD) и селективност от 98,5% (при условия: разтвор - 30000 мг/л NaCl, налягане - 5,5 МПа (800 psi), изходен пермеат - 30%, температура - 25°С).

В периода от 1974 до 1997 г. DuPont постоянно подобрява дизайна и производителността на своите куховлакнести обратноосмотични елементи. През 1992 г. биват представени двупроходни модули (модел 6880Т), с производителност от 60,5 м3/ден (16000 GPD) и селективност от 99,55% (при условия: разтвор - 35000 мг/л NaCl, налягане - 6,9 МПа (1000 psi), изходен пермеат - 35%, температура - 25°С).

В края на периода преди да спре производството на куховлакнестите обратноосмотични елементи, е представен модел SW-H-8540, изработен като един блок с размери 8 ½ инча и дължина 40 инча, с производителност от 30,3 м3/ден (8000 GPD) и селективност от 99,6% (при условия: разтвор - 35000 мг/л NaCl, налягане - 6,9 МПа (1000 psi), изходен пермеат - 35%, температура - 25°С).

За освежаване на морска вода с единопроходен модул в периода между 1983 и 1997 г. DuPont разработва куховлакнести обратноосмотични елементи от серия Permasep SWRO със следните характеристики:

• Изходен пермеат: 30-50%;
• Работно налягане: 6,9-8,3 МПа (1000-1200 psi);
• Качество на пермеата: <500 мг/л при входяща морска вода със соленост от 36000-45000 мг/л и температура от 17-38°С;
• Относителна консумация на електроенергия: 3,7-8,2 кВт*ч/м3.

Първоначално, през 70-те години на ХХ век, куховлакнестите обратноосмотични елементи имат някои предимства пред елементите със спирална форма поради простотата на дизайна и по-високото работно налягане (до 8,3 МПа (1200 psi)), което позволява постигането на по-голям изходен пермеат (до 60% при начална соленост от 38000 мг/л и температура 25°С).

Въпреки това, ред неотстраними недостатъци в работата на куховлакнестите мембрани става отправната точка за постепенното изтласкване от пазара на обратноосмотичните елементи, базирани на тях. Например, установено е, че за постигане на определена специфична производителност, спираловидно-навитият модул изисква налягане, което е с 50% по-ниско от необходимото за куховлакнестия модул.

Високата относителна повърхност на мембраните, в крайна сметка, произтича от малките напречни размери на каналите, през които се движат концентрата и пермеата. Това води до големи загуби на налягане в тези канали. Поради това скоростта на потока по дължината на тези канали е ограничена. Резултатът е, че в устройствата с куховлакнести елементи се изпитват сериозни затруднения, свързани с концентрационната поляризация, което налага особено грижлива предподготовка, например индексът SDI трябва да бъде под 3 (за спирално-навитите модули се допуска до 5).

Освен това, отлаганията върху мембраните при замърсяване и обрастване със соли от твърда вода са трудни за премахване поради ниските скорости на напречния поток и относително ограничения работен обхват на pH (4 – 11).

В края на 80-те и началото на 90-те години на миналия век, куховлакнестите обратноосмотични елементи на DuPont започват да губят позиции на пазара, устъпвайки на спираловидно-навитите, технологията на производство на които започва бързо да се развива поради острата конкуренция с фирми като Filmtec / Dow, Rohm & Haas / Hydranautics, Toray, Fluid Systems / Koch, TriSep и Osmonics / General Electrics и др. Това довежда до намаляване на цените на спираловидно-навитите модули, като за DuPont производството на куховлакнестите обратноосмотични елементи става непривлекателно от икономическа гледна точка. В края на краищата DuPont прекратява производството им.

Въпреки това, производството на куховлакнести обратноосмотични елементи по света не изчезва напълно. Няколко фирми продължават да произвеждат такива модули.

II. СПИРАЛОВИДНО-НАВИТИ ОБРАТНООСМОТИЧНИ ЕЛЕМЕНТИ

Спиралвидно-навитите обратноосмотични елементи (известни още като рулонни обратноосмотични елементи) са намерили най-широко приложение.

Конструкция на спираловидно-навит обратноосмотичен елемент

В този дизайн (фигура 2) върху централната тръба (поз.7), през която се отвежда филтратът, се навива "сандвич", състоящ се от две ОО-мембрани (поз.4), турбулентни мрежи (поз.5) и уплътнение за събиране на пермеата (поз.6). Ключов етап при изработката на спираловидните рулонни модули с мембрана е слойното подреждане на мембраните и уплътненията около перфорирана тръба за оттичане на пермеата, след което се извършва валцуване и запечатване на тази спираловидна конструкция. Притискащата сила, възникваща по време на валцуването, стяга допълнително спиралата и притиска уплътнението за входящата вода и съседните слоеве. След валцуването върху получения цилиндър се нанася външно покритие от армиран стъклопласт (поз.8), и се поставят конусовидни тапи (поз.9).

Водата, подлежаща на деминерализация (поз.1), тече паралелно на централната тръба през процепи, образувани от турбулентната мрежа (поз.5) между двете активни повърхности на мембраните (поз.4) и се принуждава да премине през мембраните. Филтратът (пермеат) се събира вътре в порест материал (поз.6) и се движи към централната тръба (поз.7). Концентратът (поз.2) се отвежда през перфорацията в тапата (поз.9).

Разбира се, обратноосмотичната мембрана е централен технологичен елемент на цялата конструкция, но не можем да пренебрегнем и другите конструктивни елементи, които значително подобряват процеса на пренос и повишават енергийната ефективност на обратната осмоза.

Фигура 2. Принципна конструкция на спираловидно-навития обратноосмотичен елемент

С цифри са отбелязани: 1 – входяща вода; 2 – изход на концентрата; 3 – изход на филтрата (пермеата); 4 – ОО-мембрана; 5 – уплътнение (турбулентна мрежа); 6 – уплътнение за събиране на пермеата; 7 – перфорирана тръба за събиране на пермеата; 8 – външно покритие от армиран стъклопласт; 9 – тапа.

Въпреки че рулонният тип ОО-елемент по същество има цилиндрична конфигурация, той е масообменно устройство с напречен поток, тъй като входящата вода преминава през модула в осева посока, а пермеатът се движи по спиралата в радиална посока – към перфорираната тръба за събиране.

През последните 20 години конструкцията и характеристиките на спираловидно-навитите мембрани са значително подобрени. Тяхната ефективност се е увеличила повече от два пъти, а солепроницаемостта се е намалила почти три пъти. Например, компанията FILMTEC успява да увеличи повърхността на мембраната в 8-инчов модул от 28 м² (300 sq.ft) през 1980 г. до 41 м² (440 sq.ft), а най-важното е, че се разглеждат възможности за допълнително увеличение на повърхността. Това може да се постигне чрез намаляване на дебелината на уплътненията, въпреки че такова конструктивно изменение е възможно докато конструкцията на модула остава стабилна. С появата на пазара на новата серия 16-инчови ОО елементи рязко се увеличава повърхността с 4,3 пъти до 158 м² (1725 sq.ft).

Освен това, максималното работно налягане на спираловидно-навитите мембрани на ОО елементи се е увеличило от 6,9 МПа (1000 psi) до 8,3 МПа (1200 psi), което позволява увеличаване на степента на изход на пермеата до 60% и повече. Това става възможно чрез въвеждане на конструктивни промени в системите за извеждане на на пермеата и концентрата. Работата по подобряване на конструкцията на свързващите елементи, включително страничните тапи на ОО елемента, непрекъснато продължава.

Последните постижения в областта на подобряване на конструкцията на спираловидно-навития ОО елемент спомагат за значителна икономия на ресурсите, изразходвани за производството на системите за обратна осмоза, като правят тази технология по-достъпна и широко разпространена в различни части на света.

Скици и размери на обратноосмотични рулонни елементи с външни диаметри 2,5" и 4"

От известно време всички производители на рулонни мембрани са преминали към обща (стандартизирана) система от конструктивни размери, която позволява при нужда да се подменя обратноосмотичният елемент, произведен от една фирма, с аналогичен по размер и характеристики от друга фирма. В съответствие с тази система обратноосмотичните елементи за индустриално и полуиндустриално приложение се произвеждат с външни диаметри от 2,5"; 4"; 8" и 16". Дължината на модулите варира.

На Фиг.3 и в Таблица 1 са представени скици и размери на обратноосмотични рулонни елементи с външни диаметри от 2,5" и 4".

Фигура 3

Таблица 1

Скици и размери на обратноосмотични рулонни елементи с външни диаметри 8" и 16"

На Фиг.4 и в Таблица 2 са представени скици и размери на обратноосмотични рулонни елементи с външни диаметри от 2,5" и 4".

Фигура 4

Таблица 2

В следващите статии ще акцентираме върху конфигурацията на 8-инчовите спираловидно-навити обратноосмотични елементи, които се използват широко в обратноосмотичните системи, предназначени за промишлено и комунално приложение.