Ультрафильтрация

Многим хорошо знакомы простые механические и сорбционные картриджные фильтры для очистки, которые требуют периодических замен картриджей и эффективно работают в квартирах, частных домах и на дачах. А что такое ультрафильтрация? Это один из типов баромембранной технологии.

Вода в системе ультрафильтрации идёт под давлением и с напором пропускается через мембрану изнутри снаружи. Фильтрующий элемент имеет форму полой трубки, рамы или рулона из особого материала. Во время продавливания через неё происходит очистка. Все химические, органические и другие примеси оседают на внутренней поверхности, задерживаются и направляются в дренаж, сливаются в канализационную систему. А молекулы воды и некоторые другие безопасные частицы проходят через поры и направляются в трубопровод водоснабжения, подаются пользователю через кран.

Главный элемент системы ультрафильтрации воды – это специальная мембрана. Она имеет очень маленькие размеры пор волокон – от 0,002 мкм до 0,1. Структура мембраны – полупроницаемая, мелкопористая. Через неё проходят исключительно самые мелкие ионы и микромолекулы. Более крупные частицы, включая коллоиды и макромолекулы, оседают на детали. И они формируют своеобразный дополнительный фильтрующий слой, благодаря которому по мере эксплуатации рабочее сопротивление мембраны увеличивается.

В основе принципа работы технологии ультрафильтрации лежит мембранное разделение потока воды и концентрирование потоков. Разное давление с двух сторон фильтрующего элемента, а также разница молекулярных масс растворителя и растворённых веществ и соединений позволяют достигать эффективной очистки от множества посторонних примесей. Жидкость в процессе водоподготовки разделяется на две части: фильтрат, подаваемый в систему водоснабжения, и концентрат, который подлежит удалению через дренаж.

Полезная информация! Суть метода ультрафильтрации – механическое, физическое удаление из воды примесей. То есть технология не предполагает использование химических реагентов, как в других системах очистки.

Система ультрафильтрации воды работает следующим образом:

1. Исходная вода поступает в так называемый грязевик – часть системы ультрафильтрации с сетчатым фильтром, размер ячеек которого составляет около 100 мкм. Такая предварительная очистка требуется для удаления относительно крупных частиц, которые очень быстро засоряют мембрану и сокращают срок её службы. Исходный водный поток идёт под давлением от 1,5 до 4 бар.
2. Затем вода проходит на следующий уровень установки ультрафильтрации – в модуль с полупроницаемой мембраной. Если исходное качество жидкости не очень высокое, то для повышения эффективности очистки и защиты фильтрующего элемента от засорения и обрастания биологическими частицами может добавляться антикоагулянт или реагент, например, гипохлорит натрия. Его количество зависит от степени загрязнённости воды, составляет в среднем от 0,5 до 1 мг на 1 литр.
3. Далее чистая вода направляется в накопительный бак и в резервуар обратной промывки. Из первой ёмкости она подаётся в кран. Этап фильтрации заканчивается.
4. Так как в процессе работы поры мембраны ультрафильтрации постепенно забиваются, а поверхность покрывается осадком, предусмотрены периодические промывки установки, которые проходят в автоматическом режиме. Сначала запускается прямая промывка с расходом, который больше номинального в 1,5 раза. Далее начинается обратный промывочный процесс. Расходное количество превышает заданное уже в 2 раза. Потом снова запускается промывка прямым потоком воды. Полная длительность цикла – около трёх минут.

Периодичность прямых и обратных промывок задаётся во время первичной настройки при установке системы ультрафильтрации. Частота запуска циклов зависит от загрязнённости используемой мембраны, которая напрямую влияет на показатель трансмембранного давления (определяется манометром). Если такое давление повышается до 1 бар, то процесс промывки запускается аварийно и автоматически. Эта функция предусмотрена для защиты мембранных волокон от повреждений и разрывов. Для более эффективных промывок и дополнительной дезинфекции может подготавливаться раствор с реагентами.

Но по мере эксплуатации слой загрязняющих частиц утолщается, что требует более эффективных решений промывки. Процесс более длительный, происходит с применением химических веществ или соединений. Для таких промывок высокого качества в установку ультрафильтрации внедряется система CIP-мойки. Она предусматривает картриджные фильтры, специальные насосы и отдельные ёмкости для маточного и рабочего растворов.

К сведению! Модули систем ультрафильтрации, в зависимости от конструкции и аппаратного исполнения, работают при показателе рабочего давления, составляющем примерно от 0,5 атм до 4. Это не очень высокие значения, поэтому требовательность оборудования к техническим характеристикам системы водоснабжения невелика. Если давление ниже, осуществляется установка насоса.

В стандартный комплект установки ультрафильтрации входят:

• Мембранные модули, обычно половолоконные. Имеют разную отсекающую способность (как правило, 100 кДа).
• Система прямых и обратных промывок, оснащённая фильтром, насосом, а также автоматическим дозатором реагента для химической очистки мембраны.
• Система дополнительной CIP-мойки с двумя ёмкостями (маточной и для химического состава) и насосами (промывным, перекачивающим раствор из маточного резервуара в основной, а также обеспечивающим циркуляцию промывочной жидкости).
• Компрессор для нагнетания управляющего воздуха.
• Электромагнитные, мембранные вентили, которые позволяют осуществлять коммутацию потоков.
• Контроллер для эффективного управления процессами очистки и промывки.
• Манометр для анализа точного давления в установке ультрафильтрации.
• Флоуметры – специальные измерители расхода.

Опционально в комплект ультрафильтрации могут включаться другие узлы, устройства и детали:

• pH-метр для выполнения химических промывок;
• измеритель и набор реагентов для определения концентрации хлора;
• блок для интеграции в автоматизированную систему управления;
• регулятор рабочего давления;
• мутнометр – автоматический определитель мутности воды (исходной, а также прошедшей очистку);
• дозатор реагентов;
• насосная станция с возможностью частотного регулирования;
• сетчатый фильтр с автопромывкой.

Что такое ультрафильтрация, чем она отличается от систем обратного осмоса, которые тоже работают по принципу пропускания воды через полупроницаемую мембрану? Вообще, все мембранные технологии, в зависимости от размеров пор, делятся на следующие виды:

• Микрофильтрация. Поры мембран имеют размеры от 0,05 мкм до 1. Такой вариант подходит для применения в обычных проточных установках для очистки.
• Ультрафильтрация. Размер пор волокон – от 1 нм (0,001 мкм) до 0,05 мкм. Это некая золотая середина, что-то среднее между системами обратного осмоса и микрофильтрацией.
• Обратный осмос. Поры мембран, используемых в обратноосмотических установках, имеют минимальные размеры – около 0,3 нм. Такая очистка считается самой тонкой. Через мелкопористую мембрану пропускаются только молекулы воды. Все прочие вещества и соединения, включая металлы, соли, органику, вирусы, бактерии и иные примеси, задерживаются на внутренней поверхности и подлежат удалению.

Чтобы лучше понять, что такое ультрафильтрация, в таблице ниже рассмотрим сравнение этого метода и систем обратного осмоса.

Метод ультрафильтрации имеет много общего с процессом очистки в системах обратного осмоса. Но обратноосмотические установки позволяют достигать полного удаления всех взвешенных частиц, бактерий, вирусов и прочих примесей. Система ультрафильтрации воды – это эффективная очистка от органики, устранение мутности и неприятных запахов, дезинфекция.

Рассмотрим плюсы ультрафильтрационных мембранных технологий очистки воды:

• Применение мембран ультрафильтрации не требует использования химикатов.
• Стоимость мембранной очистки ниже, чем использование других фильтров.
• Удаление из воды многих веществ и примесей: органических частиц, железа, патогенных микроорганизмов, взвешенных примесей, магния.
• Высокая производительность, отличная скорость ультрафильтрационной очистки воды.
• Устойчивость используемых для фильтрации мембран к контактам с химическими веществами, агрессивными средами.
• Несложное обслуживание оборудования. Работа установок ультрафильтрации автоматическая, с минимальными вмешательствами пользователя.
• Сохранение после процесса ультрафильтрации в составе воды полезных микроэлементов, минералов.
• Универсальность – очистка сточных вод, промышленных, питьевой жидкости, технической. Технология ультрафильтрации подходит для любых масштабов обработки, для бытовых и иных целей.
• Соответствие получаемой после очистки питьевой воды всем стандартам СанПиН.
• Долгий срок службы используемых для очистки воды мембран.
• Минимальный расход воды – очистка всего её объёма.
• Осветление воды, её обезжелезивание, дезинфекция высокого качества.
• Невысокая цена сменных мембран фильтров.
• Снижение себестоимости готовой питьевой воды. Фильтр не требует постоянных вложений, обеспечивает подачу всего объёма исходной жидкости после очистки.
• Средняя стоимость оборудования.
• Широкий ассортимент фильтров, а также сменных деталей.
• Отсутствие необходимости специальной утилизации использованных мембран фильтров.

Технология ультрафильтрации имеет минимум минусов. Первый – это невозможность умягчения. Соли жёсткости следует удалять другими способами, например, фильтрами ионного обмена. Также для безопасной очистки высокого качества должны соблюдаться некоторые условия – диапазон температур и рабочего давления воды.

Системы ультрафильтрации воды применяются в следующих сферах:

• удаление из состава опасных веществ, фильтрация воды в пищевой промышленности, например, для технологий молочного производства;
• фильтрация для подготовки питьевой воды высокого качества (как на предприятиях, так и в квартирах, домах);
• обработка воды для последующей очистки сырья в текстильной, кожевенной промышленности;
• оборудование для очистки сточных вод;
• подготовка жидкости для металлургических комбинатов;
• очистка воды для последующего производства бумаги;
• фильтрация жидкости на химических предприятиях;
• очистка воды для фармацевтики – изготовление активных веществ для лекарств, выпуск медикаментозных препаратов.

Системы ультрафильтрации воды подходят для очистки жидкости из любых источников: скважины, колодца, центрального водопровода, водоёма, даже сточных вод.

Работа любой системы ультрафильтрации воды невозможна без мембраны. И такие фильтрующие элементы бывают разными. По конструкции они делятся на:

• Трубчатые. Их подвид – половолоконные мембраны ультрафильтрации, в которых трубка заполнена полыми много- или одноканальными волокнами с разными диаметрами (определяются с учётом содержания взвешенных частиц в воде). Трубчатые модификации справляются с мутностью до 35-40 мг/л.
• Пластинчатые (плоскорамные). Изготавливаются из различных микропористых материалов, чаще органических.
• Рулонные. Это гибкие материалы, скручиваемые в многослойные рулоны. Такие мембраны подходят для фильтров доочистки при степени мутности воды не больше 0,5 мг/л.
• Половолоконные модульные блоки. Конструкция таких модулей ультрафильтрации позволяет проводить многократные прямые и обратные промывки, поэтому время службы увеличивается.

Обычно структура ультрафильтрационных мембран – асимметричная. Волокна имеют участки низкой и высокой плотности. Менее плотные обеспечивают хорошую прочность. А остальные зоны являются селективными, то есть гарантируют эффективное удаление загрязняющих веществ.

Мембраны для ультрафильтрационных установок изготавливаются из разных органических и полимерных материалов: полиэфирсульфона, поливинилхлорида, полиамида, поливинилиденфторида, полиакрилонитрила, композитного фторполимера, полисульфона, восстановленного ацетата целлюлозы.

Полезно знать! В среднем ультрафильтрационная мембрана служит от 2-3 до 5 лет, в зависимости от активности эксплуатации установки, степени очистки поступающей в систему воды, мутности и концентрации примесей. Примерно столько же времени работает мембрана для оборудования обратного осмоса.

Из полезной статьи на этом сайте вы узнали, что такое ультрафильтрация, выяснили основные особенности такого метода очистки воды, минусы и плюсы оборудования. Данная информация позволит выбрать подходящую систему, чтобы обеспечить водоподготовку высокого качества и добиться идеальных результатов фильтрации.