Основни параметри на мембраните за обратна осмоза

Основните параметри на обратноосмотичните мембрани са:

1. Специфична производителност (капацитет) на мембраната (G, J) - количеството пречистена вода, преминаваща през единица време през единица площ на мембраната. Изразява се като количество пермеат, което може да бъде произведено от 1 кв. м. повърхност на мембраната за един ден или за един час. Обозначение: м³/м²ден, м³/м²час (метрична система); галон/кв.футден (GFD), галон/кв.футчас (GFH) (англо-американска система).

2. Селективност - определя се като процент на разтвореното вещество, задържано от мембраната. В случая на обратната осмоза се описва като отразяване (задържане) на NaCl при определени работни условия (налягане, температура, pH, степен на отделяне на концентрата, съдържание на соли).

3. Солепроницаемост - това е процентното съотношение между количеството соли, което не е задържано от мембраната и "прониква" в пермеата по време на процеса на обратна осмоза, спрямо количеството соли във входящата вода.

4. Солезадържане - това е процентното съотношение между количеството разтворени соли, задържани от мембраната, и количеството соли във входящата вода. По същество това е 100% минус солепроницаемост (%). За еднокомпонентен разтвор солезадържането е равно на селективността.

5. Степен на извличане на пермеата (изхода на пречистената вода) - изразява се в проценти и се определя като отношението на обема на пречистената вода към обема на входящата вода. Понякога се използва и степента на извличане на концентрата - отношението на обема на концентрата към обема на входяшата вода.

Ще разгледаме последователно тези характеристики, както и факторите, които влияят на тях.

Специфичният капацитет на мембрана по отчистена вода (поток на пермеата) Jw може да се определи чрез следното уравнение:

Jw=A⋅(ΔP−Δπ)

където, ΔP е разликата на налягането върху мембраната; A е коэфициентът на пропускливост на вода (м³/м²∙ч∙бар) за дадената мембрана, чиято стойност зависи от коефициентите на разтворимост и дифузия на водата през мембраната; Δπ е разликата в осмотичното налягане върху мембраната.

Така дебитът на пречистена вода през ОО-мембраните Jw предимно зависи от разликата между приложеното налягане и осмотичното налягане върху мембраната. При това осмотичното налягане зависи директно от общото съдържание на сол във входящата вода:

π=R⋅T⋅c

където π е осмотичното налягане; R - универсалната газова константа; T - температурата; c - концентрацията.

Приема се, че за всеки 100 мг/л твърди вещества, разтворени във водата, приблизително се получават 0,07 бара (1 psi) осмотично налягане.

Тъй като съдържанието на сол в пермеата е доста ниско, а налягането му е малко повече от атмосферното, обикновено се пренебрегва с осмотското налягане от страна на пермеата.

Специфичната пропускливост на мембрана за минаващите през мембраната соли (разтворени твърди вещества) - специфична солепроницаемост на мембраната Js, се описва от израза:

Js=B⋅Δcs

където Δcs е разликата в концентрацията на определено разтворено вещество от двете страни на мембраната (Δcs=cf−cp); B е коэфициентът на пропускливост за определено разтворено вещество за дадената мембрана, чиято стойност зависи от коефициентите на разтворимост и дифузия на това разтворено вещество през мембраната.

Очевидно е, че дебитът на минаващото през мембраната определено разтворено вещество предимно зависи от неговата концентрация от двете страни на мембраната и практически не зависи от разликата в налягането върху мембраната.

Селективността на мембраната към даден разтворим компонент се определя като процент от разтвореното вещество, задържано от мембраната (солезадържане) и се описва с израза:

R=(Ax(ΔP−Δp)+B​) / C

Ясно е, че в този израз единствено стойността на разликата в налягането върху мембраната е променлива. Следователно можем да кажем, че селективността на мембраната се увеличава с нарастването на налягането, което е свързано с намаляването на концентрацията на определен разтворен компонент в пермеата.

Фиг. 1 илюстрира зависимостта на относителния (специфичния) дебит на мембраната (а) и солезадържането (б) от наложеното налягане за нисконапорна полиамидна мембрана при температура от 25°C и пропускливост през нея на воден разтвор на натриев хлорид с концентрация от 5000 мг/л.

Както се вижда на графиката от Фиг. 1 а), докато приложеното налягане не превиши осмотичното налягане от 0,7 МПа (100 psi), не се наблюдава поток на очистена вода през мембраната, след което стойността на удельния дебит на мембраната (дебита на пермеата през мембраната) започва линейно да нараства, което корелира с Уравнение 1.

Солезадържането при ниско налягане е ниско, а при увеличение на налягането бързо се увеличава, докато не достигне асимптота при стойност на налягането от 10,5 МПа (150 psi). Вероятно това се дължи на факта, че при почти константна стойност на удельната пропускливост на полиамидната мембрана за натриев хлорид, при увеличаване на налягането настъпва бърз ръст на удельната дебит на пермеата. Това води до разреждане на пермеата или увеличаване на селективността.

Следва да се отбележи, че зависимостите, показани на Фиг.1, са получени при тестване на мембраната в идеални условия, т.е. при условия, при които липсват краен ефект и недостатъци в системата. В практиката винаги трябва да се вземат предвид дефектите, възникващи при производството на мембраните и сглобката на мембранните модули, които влияят на проникването на началната вода в пермеата.

Коефициентът на пропускливост на водата A не е константен и зависи не само от посочените по-горе стойности, но и от температурата.

Температурната зависимост на производителността на мембрания може да се оцени чрез следния израз:

Qt​ / Q25​​= ex

където Q25​ е производителността при температура от 25°C; Qt​ е производителността при температура T°C; e е основата на натурален логаритъм ( e=2,71828 ), и накрая

x = U ⋅ [1/(Т +273) – 1/298]

където U е характеристичната константа за обратноосмотичната мембрана (например, за ацетилцелулоза е 2723).

На Фиг.2 е показана зависимостта на съотношението Qt​ / Q25​​ от температурата за ОО-мембрана от ацетилцелулоза.

Обикновено производителността на обратноосмотичната мембрана при постоянно налягане се увеличава около 3% при увеличаване на температурата с една градус. Също така, солепроницаемостта на мембраните се увеличава пропорционално на нарастването на температурата, докато съотношението между потоците на сол и вода, преминаващи през мембраната, остава постоянно при различни температури. Затова се счита, че селективността на мембраната почти не зависи от температурата.

Селективността на обратноосмотичната мембрана към натриевия хлорид се различава от селективността към други неорганични и органични разтворени вещества, поради което производителите на обратноосмотични мембрани трябва да предоставят информация относно селективността на мембраната към отделни йони или вещества.

В Таблица 2 са представени данни за селективността на типична композитна обратноосмотична мембрана.

Таблица 2

От таблицата става ясно, че селективността за задържане на двувалентни йони, като калций или сулфат, е по-висока отколкото за едновалентни йони, като натрий и хлорид.

Всички изпитания, описани горе, и съответно предоставените от производителите на обратноосмотични мембрани данни, се извършват при ниска степен на извличане на пермеата (с нисък изход на пермеата), за да се минимизират ефектите от концентрационната поляризация. Параметрите, при които се провеждат изпитанията на обратноосмотичните мембрани, трябва задължително да бъдат посочени от производителите в паспорта на обратноосмотичната мембрана.

Сравнителните условия за тестовете на нисконапорни обратноосмотични мембрани от серия 4040 за различни производители на обратноосмотични мембрани са представени в Таблица 3 (като пример).

Таблица 3

 * - работно налягане по паспорт на ОО-мембрана.