Мембранный фильтр для очистки воды: особенности

Содержание

Как работает мембранный фильтр

Все системы для фильтрации воды имеют одно главное достоинство — они способны удерживать вредные примеси и их соединения. Мембрана представляет собой тонкую пленку из синтетического материала. Через специально подготовленные отверстия в пленке пропускается только вода и кислород. Чем меньше размер частиц, тем меньше должны быть поры мембраны. Все твердые частицы и растворенные органические вещества удерживаются на внешней поверхности фильтра.

В мембранных фильтрационных системах движение воды организовано по «тангенциальной» схеме, то есть вода собирается с обеих сторон пленки. Большой объем воды проходит через фильтр и очищается, а чтобы смыть скопившуюся грязь и вывести ее в дренаж, используется направленный водный поток. Чтобы мембранный фильтр без проблем функционировал, в его конструкции существует один вход и несколько выходов.

Мембранные системы подходят для воды, используемой в быту, в образовательных и медицинских учреждениях, а также для очистки стоков и т.д.

Статьи, рекомендуемые к прочтению:

Для увеличения производительности мембранных фильтров необходимо обеспечить высокую скорость фильтрации, а именно:

увеличить площадь фильтрующей пленки;
повысить давление (напор);
уменьшить толщину пленки;
повысить температуру воды;
уменьшить концентрацию примесей.

На сегодняшний день разработана еще одна система работы мембранных фильтров для экстренных случаев, когда невозможно подключиться к трубопроводной системе. Основной принцип — мембранная пленка располагается в резервуаре с водой, через трубку чистая вода поступает в другой сосуд по принципу работы сообщающихся сосудов.

Достоинства мембранных фильтрационных систем:

удобное использование;
простое обслуживание;
длительный эксплуатационный период;
высокое качество;
компактность.

К недостаткам стоит отнести высокую стоимость и медленную скорость очищения воды, что может потребовать использование нескольких накопительных резервуаров.

Мембранные процессы

В зависимости от градиента давления и размера пор мы имеем:

Микрофильтрации : он состоит в удалении частиц , имеющих размер от 0,1 до 10 мкм при прохождении тангенциальной (а не перпендикулярно) технологической жидкости через мембрану, и, благодаря разности давлений и другой стороне мембраны.
- Сохраненные элементы: бактерии, фрагменты клеток, коллоидные материалы.
- Области применения: очистка воды и очистка сточных вод.

В ультрафильтрации используются мембраны с диаметром пор от 1 до 100 нм. Через мембрану проходят только вода и небольшие молекулы с низкой молекулярной массой, молекулы с высокой молекулярной массой остаются.
- Сохраняются элементы: полимеры, белки, коллоиды.
- Области применения: пищевая промышленность, очистка и концентрирование макромолекул (103-106 Да), таких как белки, биопромышленность, механика (автомобилестроение, обработка поверхностей …), нефтехимия …

Нанофильтрации
Области применения: Селективная деминерализация, регенерация ванн отработанных отложений меди, …

обеспечивают емкость, очень интересной для разделения низкомолекулярных соединений до давлений, которые от низких до среднего. Он останавливает мультивалентные ионизированные соли (кальций, магний и т. Д.) И органические соединения с молярной массой менее 300 дальтон и, таким образом, производит воду, которая не полностью деминерализована, в отличие от обратного осмоса.

Обратный осмос
Области применения: опреснение морской воды, извлечение драгоценных материалов и др.

Первапорация
Области применения: обезвоживание этанола (и других растворителей и органических смесей), экстракция органических соединений, …

представляет собой способ для разделения составляющих жидкой смеси путем частичного испарения через плотную мембрану , имеющую предпочтительное сродство к одному из компонентов.

Электромембранные методы ( простой электродиализ , электродиализ с биполярной мембраной, электролиз, электроэзионизация) избирательно переносят ионы через ионообменную мембрану.

Как установить мембранный фильтр

При установке фильтрационной системы своими руками (например, при монтаже фильтра под раковиной к крану с питьевой водой и при подключении к колену для слива стоков) нужно знать последовательность действий. Монтажные работы по установке под мойку мембранной фильтрационной системы займут по времени у специалиста не более получаса. Если пользователь планирует самостоятельно устанавливать фильтр, то инструкции, приложенной к фильтру, ему будет достаточно. Все этапы монтажа должны строго соответствовать информации, изложенной в методических указаниях.

Основные этапы:

Предварительно необходимо подготовить место работы, то есть убрать ненужные предметы мебели и очистить пространство для размещения фильтра

Важно перекрыть воду!

Далее раскручивают соединение магистрали со смесителем. В линию монтируется резьбовой тройник и шаровой кран для подачи воды в систему фильтрации.

Устанавливается кран под питьевую воду в мойку

В колене просверливают отверстие для отведения сточных вод из фильтра. При подаваемом большом давлении следует установить редуктор и манометр.

Далее необходимо собрать все элементы мембранного фильтра в единое целое согласно инструкции и соединить его с системой подачи воды и сливом. Важно контролировать правильность соединения вывода для сточных вод и шланга подачи на кран.

В состав мембранного обратноосмотического фильтра обычно входит фильтр для предварительной обработки и пост-фильтр. Предфильтры должны эффективно удалять большинство частиц и коллоидных загрязнений, отличаться высокой грязеемкостью, природной гидрофильностью, прекрасной термостойкостью, обеспечивать высокие показатели скорости потока и стабильно высокий ресурс в течение долгого времени. Финишные мембранные фильтры должны эффективно удалять микроорганизмы и бактериальные эндотоксины (пирогены), подвергаться проверке на целостность. Согласованная комбинация предфильтра и финишного фильтра обеспечивает высокую скорость потока и стабильность рабочего ресурса.

После монтажа необходимо в течение десяти минут прогнать систему без мембраны, затем – заново перекрыть воду. В систему крепится мембрана и также в течение 10 минут проверяется работа фильтра.

Отфильтрованная вода в питьевом кране должна соответствовать установленным нормам по содержанию солей. Для контроля используется TDS-тестер.

Другие модели фильтрационных мембранных систем монтируются аналогичным способом.

Читайте материал по теме: Промывной фильтр для воды

Массообмен

Можно выделить две основные модели массопереноса через мембрану:

модель раствора-диффузии и
гидродинамическая модель .

В реальных мембранах эти два механизма переноса определенно действуют бок о бок, особенно во время ультрафильтрации.

Модель диффузии раствора

В модели диффузии раствора перенос происходит только за счет диффузии . Компонент, который необходимо транспортировать, сначала необходимо растворить в мембране. Общий подход модели диффузии раствора заключается в предположении, что химический потенциал исходной жидкости и жидкости пермеата находится в равновесии с прилегающими поверхностями мембраны, так что соответствующие выражения для химического потенциала в фазах жидкости и мембраны могут быть приравнены к раствору -мембранный интерфейс. Этот принцип более важен для плотных мембран без естественных пор, таких как те, которые используются для обратного осмоса и в топливных элементах. Во время фильтрации процесс А пограничного слоя формы на мембране. Этот градиент концентрации создается молекулами, которые не могут проходить через мембрану. Эффект называется концентрационной поляризацией и, возникающий во время фильтрации, приводит к уменьшению трансмембранного потока ( потока ). Концентрационная поляризация, в принципе, обратима путем очистки мембраны, что приводит к почти полному восстановлению первоначального потока. Использование тангенциального потока к мембране (фильтрация с поперечным потоком) также может минимизировать поляризацию концентрации.

Гидродинамическая модель

Транспортировка через поры — в простейшем случае — осуществляется конвективно . Это требует, чтобы размер пор был меньше диаметра двух отдельных компонентов. Мембраны, работающие по этому принципу, используются в основном при микро- и ультрафильтрации. Они используются для отделения макромолекул от растворов , коллоидов от дисперсии или удаления бактерий. Во время этого процесса задержанные частицы или молекулы образуют на мембране мясистую массу ( фильтровальную лепешку ), и это засорение мембраны затрудняет фильтрацию. Это засорение можно уменьшить, используя метод поперечного потока (фильтрация поперечного потока ). Здесь фильтруемая жидкость течет вдоль передней части мембраны и разделяется разницей давления между передней и задней частью мембраны на ретентат (текущий концентрат) спереди и пермеат (фильтрат) на задней стороне. Тангенциальный поток в передней части создает напряжение сдвига, которое приводит к растрескиванию фильтрационной корки и уменьшению загрязнения .

Замена картриджей

Производители в сопроводительной документации всегда пишут сроки службы фильтрующего элемента. Также указываются параметры картриджей и инструкция по их замене.

Как правило, процесс сводится к следующему:

перекрывается подача воды;
разбирается конструкция;
достается и устанавливается новая мембрана.

Далее все происходит в обратном порядке: сбор, открывается подача. В завершение пропускается какое-то количество воды для тестирования.

Относительно периодичности замены мембраны однозначного времени нет. Все зависит от состояния поступающей жидкости. Может пройти меньше года или больше 5 лет. В среднем проходит 3 года.

Существует 2 способа определения необходимости в замене:

Первый опирается на скорость очистки. Если она снижается, значит, происходит процесс засорения.
Для второго понадобится анализ жидкости на предмет содержания солей и элементов, которые должны быть отфильтрованы.

Виды и конструкция мембран

Мембранные элементы различаются по величине пор и степени очистки жидкости:

Микрофильтрация – размер отверстий 0,1-1 мкм. Материал используется для предварительной фильтрации, отделяющей тонкодисперсные взвеси и коллоидные примеси. Жидкость становится прозрачной.
Ультрафильтрация – параметры 0,1-0,02 мкм, удаляются водоросли, микроорганизмы, оксиды металлов, мелкие коллоиды.
Нанофильтрация – диаметр пор 0,02-0,001 мкм. Фильтр способен извлекать из воды тяжелые металлы и соединения хлора. Жидкость выходит умягченная, солевой состав меняется незначительно.
Обратный осмос – в мембране наиболее мелкие отверстия 0,001-0,0001 мкм. Материал задерживает все примеси, растворенные в воде. Обратноосмотические системы удаляют бактерии, соли, пестициды, нефтепродукты. Они применяются в фармакологии, установках опреснения морской воды.

Мембранные фильтры классифицируются по форме очищающего элемента.

Плоские дисковые

Фильтрующие пленки дискового исполнения обычно устанавливают для очистки больших объемов воды. Рабочие элементы бывают трех видов:

армированные – полимерная пористая пленка наносится на тканевую основу;
подложечные – конструкция предусматривает использование дополнительного слоя из материала с крупными отверстиями;
бесподложечные – изготавливаются из однородного материала (полиамид, капрон, фторопласт).

Дисковые мембранные элементы пользуются наименьшим спросом.

Рулонные

Наиболее удачное конструктивное решение, этот вариант используется для установок обратного осмоса. Он представляет мембранный элемент, накрученный в виде рулона на перфорированную трубку. Вода поступает с торца модуля, по спирали движется к центру. Проходя несколько слоев из основной мембраны и полиэстеровых подложек, она избавляется от примесей. Разделительные сетки предотвращают слипание рабочего материала. Концентрат сбрасывается в канализацию.

Трубчатые

Фильтрующий модуль заполняется трубками из пористого материала (керамики, металлокерамики или пластика). Расположение отверстий в них бывает симметричным и асимметричным. Жидкость под напором проходит рабочий слой, на котором остается загрязнение. Очищенная вода собирается в накопительной емкости, концентрат через отдельное отверстие сбрасывается в дренаж. Трубчатые керамические модули — оптимальный вариант для установки в сети централизованного водоснабжения. Они задерживают частицы железа, соли, не чувствительны к абразивным частицам.

Половолоконные

Модули состоят из большого количества тонких трубочек (диаметром около 1 мм). Их стенки покрыты микроскопическими отверстиями. Фильтры улавливают примеси железа, микроорганизмы, бактерии, цисты лямблий. Использование множества элементов увеличивает общую площадь фильтрующей поверхности. Половолоконные мембраны склонны к скорому засорению. Перед ними рекомендуется проводить механическую очистку жидкости.

Фильтрационный процесс и что на него влияет

Главным фактором, влияющим на процесс, является давление, в паспорте к каждому устройству указывается величина допустимого давления. Показатель давления имеет средние пределы 3.5-6 атм. Благодаря этой величине обеспечивается работа установки. Если параметр меньше положенного, то потребуется специальный насос, повышающий его. Если приобретать комплект, то там имеется автоматика, датчик и различного рода соединители. Когда насоса нет, то придется долго ждать, пока пройдет фильтрация. При повышении давления выше положенного произойдет разрушение мембраны.

Вторым не менее важным фактором является температура, при ее увеличении понижается вязкость и плотность раствора, а значит, мембрана начинает эффективнее работать. С температурой увеличивается и давление, поэтому в этом параметре есть тоже свои ограничения в пределах 10-40 градусов.

2 Как очистить фильтрационную мембрану?

Необходимость чистки или замены фильтрующей мембраны и срок её службы, во многом зависят от качества воды, которая подаётся на фильтр, а также от её количества. Поэтому определить универсальное время, когда мембрану нужно заменить или очистить – достаточно сложно (в среднем от полугода до четырёх лет).

В случае, когда пользователь не стеснён в средствах – мембрана в фильтре может быть просто заменена (в фильтре картриджного типа достаточно просто заменить один блок на другой). Одним из вариантов решения данной проблемы может быть не замена, а промывка фильтрующей мембраны.

В фильтрах некоторых производителей также может быть предусмотрена промывка мембраны, режим которой предполагает подачу воды на мембрану со стороны, противоположной обычному потоку или резкий сброс давления.

Промывка мембраны таким способом может организована и непосредственно пользователем (если корпус и конструкция фильтра это позволяют). Мембрана извлекается и полощется просто в воде, воде с мылом или в воде с лимонной кислотой. Кроме того, мембрану можно промыть, направив на неё струю воды того же состава.

Также возможен вариант, когда в пятипроцентный раствор лимонной кислоты и тёплой воды погружается корпус фильтра полностью на время около пяти часов, после чего промывается чистой водой. Поле этого, первые полчаса воду, которая будет поступать из фильтра использовать нельзя.

Периодическое проведение таких процедур существенно увеличит срок службы мембраны. Не в быту промывка (регенерация) мембраны производится с помощью более сложных щелочных или кислотных реагентов, очистить мембрану таким способом на дому не представляется возможным.

Промышленные установки обратного осмоса

Процедура очистки промышленных мембран, которые применяются для опреснения воды или для фильтрации сточных вод достаточно комплексная и производится с помощью предусмотренных самими механизмами режимов работы.

2.1 Как установить мембранный фильтр?

В случае бытовой и самостоятельной установки мембранного фильтра или фильтра, работающего по технологии обратного осмоса (обычно ставятся «под мойку», непосредственно к крану, который планируется использовать как питьевой, и подключаются к колену для слива сточных вод) – нужно выполнить определённую последовательность действий.

Нужно очистить пространство, где будет размещён фильтр и перекрыть воду. Далее следует раскрутить соединение, которое идёт от магистрали на смеситель.

В линию устанавливается тройник на резьбу и шаровой кран на него, что позволит подать на фильтр воду. Также, производится установка крана для питьевой воды в мойку и просверливание отверстия в колене для сточных вод. Если давление в основной системе подачи воды больше 6 бар – может понадобиться установить редуктор давления (проверять манометром).

Далее происходит сборка фильтра, работающего по технологии обратного осмоса, согласно инструкции и соединение фильтра с системой подачи воды и слива сточных вод. При этом нужно следить, чтобы согласно схеме были правильно соединены также выводы для сточных вод и шланг подачи на кран питьевой воды.

Поскольку в состав системы обратного осмоса обычно входят фильтры для предварительной фильтрации и пост-фильтр – система прогоняется около десяти минут без мембраны, затем – перекрывается. На данном этапе она уже собрана и подключена к линии водоснабжения и сливу сточных вод.

В систему устанавливается мембрана и также подаётся вода на 10 минут. Производится тестирование результатов с помощь TDS-тестера (измеряет содержание солей в воде).

Установка мембранного фильтра другой системы производится аналогично приведённым этапам (обычно, это отдельный корпус, или несколько сменных картриджей на общей основе).

Типы мембранных фильтров для очистки воды

Мембраны, входящие в состав данного вида фильтров, классифицируются исходя из диаметра пор и их строения:

до 4 мкм (микрофильтрационные),
0,2 — 0,02 мкм (ультрафильтрационные),
0,01 — 0,001 мкм (нанофильтрационные),
0,001 — 0,0001 мкм (обратноосмотические).

Диаметр пор определяет сферу использования устройства. Они используются для очистки воды от крупных загрязнений, от тяжелых металлов и даже деминерализации воды.

Устройства обратного осмоса — это отдельная категория, но перечисленные выше детали могут входить в состав одной очистительной системы

К тому же важно понимать, что небольшой размер пор предполагает установку системы предварительной очистки

Мембраны различаются и по структуре волокон, и по форме. Эти показатели определяют производительность устройства.

Виды мембран:

трубчатые,
половолоконные,
рулонного типа,
плоские дискообразные.

Мембранные фильтры обратного осмоса

Такие фильтры дают возможность получить воду с высокими показателями качества. По своим характеристикам ее можно сравнить с талой ледниковой водой.

Обмен веществ любых организмов схож с технологией осмоса, когда во все клетки попадают полезные вещества и выводятся токсины.

Действие осмос можно наблюдать, когда два соляных раствора разделяются мембраной. Она пропускает ионы и молекулы одного размера, но не дает проникнуть более крупного размера.

В итоге вода просачивается через мембрану, а молекулы растворенных солей остаются. Таким образом, по одну сторону скапливается очищенная вода, а загрязнения задерживаются по другую сторону.

Наиболее широко данный вид фильтров применяется в Америке и в Европе. Их используют для очистки морской и солоноватой воды, которая становится пригодной для питья. Устройства устраняют из воды ионы кальция, хлора, натрия, железа, тяжелые металлы, мышьяк, инсектициды.

Эти фильтры эффективно очищают от металлов, различных примесей, микроорганизмов. Очистка выполняется с помощью керамических мембран. Добавление в воду каких-либо реагентов не требуется.

Устройства с керамическими мембранами исключают повторное заражение воды, что часто случается с картриджными фильтрами.

Конструкция устройства включает в себя мембранный блок, который помещен в прочный корпус из нержавеющей стали. Он предохраняет мембрану от повреждений.

Сами мембраны не боятся ни кислот и щелочей, ни абразивных частиц, выдерживают высокое давление, могут прослужить до 10 лет без необходимости замены каких-либо деталей. Со временем на мембране появляется слой загрязнений. В некоторых моделях устройств налет можно удалять вручную мягкой губкой без чистящих средств, в ряде фильтров работает система обратной промывки.

Обзор фирм производителей

Самым известным производителем данного типа устройств в России является компания «Гейзер». В фильтр этого бренда входят три блока. Он предназначен для установки под раковину на кухне. Предочистка воды выполняется двумя картриджами – сорбентом и картриджем механической очистки. Далее вода поступает в дополнительные элементы очистки – активированный уголь и серебро, а затем очищается через мембрану. Наиболее востребована на рынке модель «Гейзер Престиж». Еще один популярный бренд – «Nerox». Он использует в своих устройствах трековые мембраны, задерживающие опасные примеси, но сохраняющие в воде полезные компоненты. Производительность устройства – до 15 литров в день

Также устройство оснащено системой оповещения об уровне загрязненности фильтра. Компания «Аквафор» — российский производитель мембранных и других видов фильтров, хорошо зарекомендовавших себя на отечественном рынке

Стоит обратить внимание на продукцию бренда «Atoll», которая появилась в России относительно недавно

Приведенные выше производители выпускают бытовые устройства, которые могут использоваться как в квартирах и на дачах, так и в офисах, медицинских, образовательных учреждениях.

ВИДЕО ПО ТЕМЕ

Уход

Любой мембранный фильтр, независимо от фирмы-производителя, требует ухода. Дважды в год рекомендуется замена фильтра предочистки, саму мембрану заменяют один раз в три года, а также, если ухудшились вкусовые свойства воды или ее напор.

Промывка мембраны выполняется под проточной водой или с помощью специальной жидкости. Очистка выполняется под высоким давлением и при температуре +40С.

Конструкция фильтрующей системы на основе мембран

В продаже имеется большое количество бытовых фильтрующих систем мембранного типа от отечественного производителя, заслуживших положительные отзывы потребителей, к ним относят известные бренды: Аквафор, Гейзер, Исток, Новая вода, Atoll, Роса. Типовые модели с обратным осмосом состоят из следующих элементов:

Фильтр первичной очистки. Из водного потока удаляет крупные механические частицы размером от 5 мкм, мелкие песчинки, взвешенную грязь, ржавчину. Картридж данного фильтра часто изготавливают из вспененного полипропилена, с его помощью производится механическое очищение воды от взвешенных загрязнений.
Адсорбционный фильтр. Фильтрующим элементом очистителя является активированный уголь, поверхностный слой которого впитывает в себя вредные вещества из воды. Уголь отлично очищает воду от хлорных соединений, органических примесей.
Высококачественный фильтр доочистки. Наполнителем картриджа является брикетированный активированный уголь, удаляющий из жидкости механические частицы диаметром до 1 мкм и производящий доочистку хлорных соединений и органики.
Обратноосмотический мембранный фильтр. Удаляет из воды все частицы размером от 0,001 до 0,0001 мкм или 96 – 98% всех загрязнений, в эту категорию попадают нерастворимые двухвалентные оксиды металлов (марганец, калий, железо), органические примеси, бактерии и вирусы.
Минерализатор. Очищенная стерилизованная дистиллированная вода не имеет в составе полезных для здоровья человека минералов и солей, которые были удалены в процессе очистки вместе с вредными примесями. При использовании в качестве питьевой, ее пропускают через проточный минерализатор с минеральными солями, насыщая воду, они повышают ее вкусовые качества и делают полезной для здоровья.
Накопительный бак. Питьевую воду отправляют в металлический накопительный бак с целью использования в любое время без ожидания завершения процесса очистки.
Электронный модуль управления (дополнительно, нужен при низком давлении воды в водопроводе). Запускает нагнетательную помпу при опустошении накопительного бака, производит очистку системы в автоматическом режиме.

Физические свойства мембран и режимы их работы

Классификация мембран по размерам пор

Мембраной называют тонкую эластичную пленку, закрепленную на несущей поверхности по периметру, данное определение не слишком подходит для систем водоочистки, где назначение мембранных гибких пластин — фильтрация воды.

Поры используемых в водоочистке материалов способны пропускать примеси разных диаметров, учитывая данный фактор, сложилась система разделения мембран по размерным параметрам пропускаемых частиц на следующие группы:

Микрофильтрационные (1-0,1 мкм). Включения с таким размером имеет мутная вода и сточные серые стоки, подобные фильтры также используются для очистки воды от крупных коллоидных частиц и крупнодисперсных органических примесей. Фильтры подобной очистки относят к разряду механических, в бытовых системах предварительной водоочистки аналогичные функции выполняет полипропиленовый картридж.
Ультрафильтрационные (0,1-0,01 мкм). Отсеивают мелкие коллоидные примеси и высокомолекулярные соединения, водоросли, бактерии, трехвалентные нерастворимые оксиды металлов.
Нанофильтрационные (0,01-0,001 мкм). Используются в системах для умягчения воды, способны очищать жидкость от растворимых двухвалентных оксидов железа, калия, марганца, хлора, различного вида красителей.
Обратноосмотические (0,001-0,0001 мкм). Фильтры глубокой очистки эффективностью до 99%, получили широкое распространение в промышленном опреснении морской воды. Удаляют из жидкости все соли и оксиды металлов, бактерии, нефтепродукты, красители, пестициды. Системы обратного осмоса широко используются в медицине, пищевой и химической промышленности для получения стерилизованной воды.

При выборе водоочистной установки важным критерием является давление в системе, для больших размеров пор в мембранах достаточно 1 — 2 атмосфер, наивысший напор требуется для фильтров обратного осмоса — минимум 3 атмосферы.

Дисковый фильтр – принцип работы