СПОСОБ УДАЛЕНИЯ ОТЛОЖЕНИЙ И БИОЗАГРЯЗНЕНИЙ ИЗ МЕМБРАННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
METHOD OF REMOVING DEPOSITS AND BIOCONTAMINANTS FROM MEMBRANE ELEMENTS

Изобретение относится к области водоподготовки и водоочистки, а именно к оборудованию, используемому в мембранных установках, работающих на основе рулонных обратноосмотических (ОО) или нанофильтрационных (НФ) мембран.
В настоящее время фильтровальные установки на основе рулонных обратноосмотических (ОО) и нанофильтрационных (НФ) мембран находят широкое применение в практике в связи с высокой эффективностью очистки и относительной дешевизной используемого оборудования как самостоятельно, так и в качестве элемента более сложных комплексных систем.
Между собой конструкции установок НФ и ОО отличаются как общей схемой компоновки, так и отдельными узлами и элементами (деталями), типом используемых мембран и рабочим давлением исходного раствора, а также технологией восстановления работоспособности в период эксплуатации (JP 54-151571, JP 54-149383; US 3966616, US 4235723, US 5598642; SU 1205359, SU 1595553; Техническое описание и инструкция по эксплуатации для элементов фильтрующих нанофильтрационных типа ЭРН-КП", г.Владимир, 1999 г., ЗАО НТЦ "Владипор").
Установки ОО собираются из большого числа одиночных мембранных элементов, устанавливаемых по определенным схемам. При этом мембранные элементы, помещенные в корпуса - фильтродержатели, представляют собой единый базовый элемент-модуль (Б.Е. Рябчиков "Современная водоподготовка", М., ДеЛи плюс, 2013, с.204).
Одной из важнейших проблем работы с ОО и НФ установками является необходимость решения проблемы загрязнения поверхности мембран в рулонных обратноосмотических и нанофильтрационных элементах. В настоящее время существуют несколько способов обработки, предназначенных для удаления накопленных загрязнений.
Известен способ удаления загрязнений путем обработки мембранных элементов моющими растворами, содержащими реагенты (кислоты, щелочи, ПАВ, комплексообразователи, биоциды), способными вступать в химическое взаимодействие с загрязнениями, растворять или уничтожать их и удалять с поверхности мембран (The Dow Chemical Company - Filmtec Membrane. Technical Manual, 1995, 185 p.).
Недостатками данного способа являются относительно высокая стоимость применяемых реагентов, а также большие затраты времени, необходимые для химической обработки (как правило, от 2-х и до 24-х часов), т.к. реакции между жидкими реагентами и твердой фазами основаны на эффектах диффузии.
2
Известен двухстадийный способ восстановления работоспособности рулонного мембранного элемента ("Техническое описание и инструкция по эксплуатации для элементов фильтрующих ультрафильтрационных типа ЭРУ-П", г.Владимир, 2000 г., ЗАО НТЦ "Владипор"; Технический бюллетень "Загрязнители обратноосмотических мембран и их удаление", 1999 г., ТСВ 10706, Hydranautics), который заключается сначала в его промывке струей фильтрата, умягченной или обессоленной воды при давлении 0,5-1,0 кг/см, а затем в обработке элемента растворами химических соединений (т.н. "химическая промывка") типа фосфатов, лимонной кислоты, ПАВ, гипохлорита натрия.
Недостатками способа является использование метода "проточной фильтрации", которая не позволяет очистить фильтруемую жидкость полностью, и, следовательно, ограниченная область применения; а также применение реагентов (гипохлорит натрия), несовместимых с тонкопленочными композитными мембранами на основе полиамида или пиперазина, используемых в современных обратноосмотических и нанофильтрационных рулонных элементах.
3
3
Известен способ восстановления работоспособности рулонного ультра-микрофильтрационного элемента (RU 2262978, 2005), путем сначала его промывки фильтратом, подавая его противоточно через линию вывода рабочего фильтрата с расходом от 0,5 до 10,0 м/час в течение от 2 до 10 сек;, а затем обработки водо-воздушной смесью в соотношении от 5 до 30 объемных частей воздуха на 1 объемную часть воды, подавая эту смесь по линии движения фильтруемой среды с расходом от 1,0 до 15 м/час в течение от 2 до 10 сек. Недостатком способа является его невысокая эффективность для обратноосмотических и нанофильтрационных элементов (поскольку по механизму фильтрационного переноса вода устремляется, прежде всего, в область с минимальным гидравлическим сопротивлением, и, следовательно, практически не воздействует на наиболее загрязненные участки), а также высокая вероятность нарушения целостности мембранного пакета (разрыва клеевых швов) обратным током фильтрата.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ, согласно которому предложено для смыва загрязнений с поверхности мембранных элементов использовать высокоскоростной поток обрабатываемой воды, направляемой по концентратному каналу (т.н. режим "fast-flush"), который возникает в результате кратковременного резкого сбрасывания давления в линии концентрата (Amjad Z, Reverse Osmosis, Chapman & Hill, NY, 1993, p.214).
Недостатком указанного способа является то обстоятельство, что основная масса отложений и биообрастаний, сформировавшихся на мембране, находятся в пределах толщины пограничного слоя между движущейся жидкостью и неподвижной твердой поверхностью, а потому практически не подвергаются воздействию промывного потока.
Технической задачей, решаемой авторами, являлось создание более эффективного метода очистки рулонных мембранных элементов от загрязнений для ОО и НФ установок.
3
3
2
Технический результат достигался путем удаления отложений и биозагрязнений из мембранных элементов подачей в концентратный канал модуля высокоскоростного потока эмульсии газа в растворе хлорида натрия с концентрацией от 0,5 до 50 г/дм при расходе газа от 0,1 до 120 дм/(сек м) через поперечное сечение мембранного элемента.
3
3
Конкретные параметры обработки мембран определяются исходя из особенностей условий эксплуатации и природы загрязнений, поскольку, например, значения рабочего давления для промышленных обратноосмотических и нанофильтрационных установок с рулонными элементами варьируют в интервале от 3 до 83 бар; применяемые элементы могут иметь диаметры от 40 до 457 мм, а длину - от 300 до 1550 мм; расходы исходной воды через индивидуальный элемент могут находиться в интервале от 0,02 до 75 м/ч; солесодержание пермеата - от 5 до 4000 мг/дм.
3
3
Присутствие в промывном потоке хлорида натрия приводит к возникновению обратного тока жидкости из пермеатного канала через мембрану в концентратный канал по механизму прямого осмоса (т.е. посредством диффузионного переноса). Под воздействием обратного тока жидкости разрыхляются и приподнимаются с мембранной поверхности имеющиеся на ней отложения, облегчая процедуру их удаления высокоскоростным потоком эмульсии. При снижении концентрации хлорида натрия менее 0,5 г/дм эффективность прямого осмоса существенно падает, превышение концентрацией хлорида натрия значения 50 г/дм не приводит к ощутимому улучшению результатов, но сопровождается резким ростом вероятности разрыва клеевых швов мембранного пакета. В качестве газа используется воздух, и/или углекислый газ, и/или азот, но предпочтительным является применение двуокиси углерода, т.к. это упрощает дегазацию мембранных модулей перед включением их в работу.
3
2
3
2
Наличие в потоке жидкости газа в виде высокодисперсных пузырьков способствует разрушению целостности образовавшихся отложений и их выносу из мембранных элементов. При расходе газа менее 0,1 дм/(сек м) концентрация высокодисперсных пузырьков диаметром до 50 мкм незначительна и эффективность процесса падает, при расходе газа более 120 дм/(сек м) концентрация высокодисперсных пузырьков также снижается из-за их укрупнения.
Для удаления микробиологических загрязнений наиболее эффективно проводить процесс очистки мембран при рН от 9 до 14, для чего, при необходимости, в жидкость вводят раствор щелочи; а для удаления преимущественно неорганических отложений целесообразно подкислять жидкость добавками кислоты до значения рН от 1 до 3.
После удаления загрязнений мембранный модуль целесообразно освобождать от введенного газа.
Реализуется заявленный способ следующим образом. В исходный поток обрабатываемой жидкости дозируется раствор хлорида натрия и одновременно под давлением через диспергирующее устройство подается газообразный компонент. Затем открывается вентиль на линии концентрата и в результате сброса давления на величину от 2-50% от значения рабочего давления формируется высокоскоростной поток эмульсии, удаляющий отложения и биозагрязнения из мембранного модуля.
Сущность изобретения иллюстрируется следующими примерами.
о
3
3
Пример. Исследовали эффективность метода для очистки модулей с мембранным элементом Filmtec BW30-365 установки обратного осмоса, проработавшей при температуре 25С, рабочем давлении 10 бар и расходе исходной воды 6 м/ч через 9 недель эксплуатации на поверхностной воде с солесодержанием до 1 г/дм. Основными видами загрязнений являлись коллоиды, органические вещества и микроорганизмы.
Способ обработки
Гидравлическое сопротивление модуля перед обработкой, бар
Расход пермеата перед обработкой, м<sup>3</sup>/ч
Время обработки
Гидравлическое сопротивление модуля после обработки, бар
Расход пермеата после обработки, м<sup>3</sup>/ч
Подача жидкости в концентратный канал в режиме "fast-flush" при снижении рабочего давления до 8 бар
0,8
0,8
3 мин
0,6
0,83
Химическая промывка щелочным и кислотным растворами,
0,8
0,8
12 час
0,4
0,9
обработка перекисью водорода (в соответствии с рекомендациями Filmtec Membrane. Technical Manual, 1995, 185 р.)
Обработка в соответствии с RU 2262978,2005 (расход фильтрата 0,6 м<sup>3</sup>/ч∗, расход водовоздушной смеси 8 м<sup>3</sup>/ч) ∗превышение указанного значения приводило к повреждениям мембранных пакетов!
0,8
0,8
3 мин
0,6
0,83
Заявленный способ
1) NaCl - 0,5 г/дм<sup>3</sup>, расход газа 0,1 дм<sup>3</sup>/(сек м<sup>2</sup>), рН 8, снижение рабочего давления до 8 бар
3 мин
0,8
0,8
3 мин
0,4
0,86
2) NaCl - 0,5 г/дм<sup>3</sup>, расход газа 0,1 дм<sup>3</sup>/(сек м<sup>2</sup>), рН 13, снижение рабочего давления до 8 бар
0,8
0,8
3 мин
0,4
0,89
3) NaCl - 0,5 г/дм<sup>3</sup>, расход газа 120 дм<sup>3</sup>/(сек м<sup>2</sup>), рН 10, снижение рабочего давления до 8 бар
3 мин
0,8
0,8
3 мин
0,4
0,9
4) NaCl - 2 г/дм<sup>3</sup>, расход газа 0,1 дм<sup>3</sup>/(сек м<sup>2</sup>), рН 12, снижение рабочего давления до 8 бар
0,8
0,8
3 мин
0,4
0,9
5) NaCl - 2 г/дм<sup>3</sup>, расход газа 120 дм<sup>3</sup>/(сек м<sup>2</sup>), рН 9, снижение рабочего давления до 8 бар
3 мин
0,8
0,8
3 мин
0,4
0,9
6) NaCl - 2 г/дм<sup>3</sup>, расход газа 10 дм<sup>3</sup>/(сек м<sup>2</sup>), рН 8, снижение рабочего давления до 8 бар
0,8
0,8
3 мин
0,4
0,89
7) NaCl - 0,5 г/дм<sup>3</sup>, расход газа 60 дм<sup>3</sup>/(сек м<sup>2</sup>), рН 8, снижение рабочего
0,8
0,8
0,4
0,89
давления до 8 бар
8) NaCl - 0,5 г/дм<sup>3</sup>, расход газа 5 дм<sup>3</sup>/(сек м<sup>2</sup>), рН 11, снижение рабочего давления до 8 бар
0,8
0,8
0,4
0,9
9) NaCl - 2 г/дм<sup>3</sup>, расход газа 5 дм<sup>3</sup>/(сек м<sup>2</sup>), рН 9, снижение рабочего давления до 8 бар
0,8
0,8
0,4
0,9
Полученные результаты показали, что при использовании заявляемого способа за короткое время (3 минуты) удается добиться практически такого же эффекта очистки мембранного элемента, как и при проведении 12 часовой классической процедуры химической мойки.