Технологія мембранного розділення стала однією з найважливіших технологій очищення води в різних галузях промисловості, починаючи від повторного використання міської питної води та стічних вод і закінчуючи харчовою промисловістю, фармацевтичною промисловістю та опрісненням морської води. Серед доступних мембранних технологій ультрафільтрація (UF), нанофільтрація (NF) і зворотний осмос (RO) є трьома найбільш широко використовуваними рішеннями. Незважаючи на те, що всі вони покладаються на мембранне розділення-під тиском, вони суттєво відрізняються точністю фільтрації, механізмом розділення, робочим тиском, здатністю видалення забруднювачів і відповідним застосуванням.
Розуміння цих відмінностей є важливим при виборі правильної мембранної системи. Вибір невідповідної мембрани може призвести до непотрібних експлуатаційних витрат, недостатньої якості води або скорочення терміну служби мембрани. У цьому посібнику пояснюється, як працюють UF, NF та RO мембрани, порівнюється їх ефективність і обговорюється, де кожну технологію найкраще застосувати.
Що таке UF, NF та RO мембрани?
| технології | ПІБ | Абревіатура | Типовий розмір пор |
|---|---|---|---|
| Ультрафільтрація | Ультрафільтрація | UF | 10 нм |
| Нанофільтрація | Нанофільтрація | NF | 1 нм |
| Зворотній осмос | Зворотній осмос | RO | 0,1 нм |
Найбільш інтуїтивно зрозумілою відмінністю між трьома мембранними технологіями є точність фільтрації. Ультрафільтраційні мембрани зазвичай мають розмір пор приблизно 10 нм, нанофільтраційні мембрани – приблизно 1 нм, тоді як мембрани зворотнього осмосу мають ефективний розділовий шар, еквівалентний приблизно 0,1 нм. Оскільки пори мембрани зменшуються, їх здатність відторгати розчинені речовини зростає. Отже, RO мембрани забезпечують найвищу ефективність очищення, потім NF, тоді як UF в основному видаляє зважені забруднення.
Хоча всі три мембрани є системами,-керованими тиском, їх робочий тиск значно різниться. Ультрафільтрація зазвичай працює під відносно низьким тиском, нанофільтрація зазвичай вимагає 0,3–0,7 МПа, а зворотний осмос вимагає значно більшого тиску, досягаючи 10,5 МПа для систем опріснення морської води. Підвищений тиск дозволяє RO мембранам подолати природний осмотичний тиск і досягти глибокого опріснення.
Швидке порівняння UF проти NF проти RO
| Пункт | UF | NF | RO |
|---|---|---|---|
| Розмір пор мембрани | 10 нм | 1 нм | 0,1 нм |
| Матеріал мембрани | Порожнисте волокно, полісульфон, кераміка | Поліамід | Поліамідний композит |
| Будова мембрани | Асиметричний | Асиметричний | Асиметричний |
| Робочий тиск | Низький (0,1–0,5 МПа типово) | 0,3–0,7 МПа (типово 0,7 МПа) | До 10,5 МПа (залежить від застосування) |
| Видаляє зважені тверді речовини | Чудово | Чудово | Чудово |
| Видаляє бактерії | Чудово | Чудово | Чудово |
| Видаляє віруси | добре | Чудово | Чудово |
| Знімає твердість | немає | Частковий | Майже завершено |
| Видаляє одновалентні солі | немає | Частковий | Чудово |
| Швидкість опріснення | Жодного | Помірний | Дуже висока |
| Типове відновлення води | Дуже висока | Помірний | Нижче UF (залежить від конструкції) |
| Енергоспоживання | Низький | Середній | Найвищий |
Дані чітко демонструють прогресивне збільшення здатності розділення від UF до NF і, нарешті, до RO, особливо для розчинених солей і багатовалентних іонів.
У наведеній нижче таблиці показано типову ефективність утримування UF, NF і RO для різних компонентів у молочних продуктах і рідинах.
| компонент | UF | NF | RO |
|---|---|---|---|
| вода | 1 | 1 | 1 |
| лактоза | 0.8–0.9 | 0.02–0.15 | 0.001–0.002 |
| Хлорид (Cl⁻) | 1.0 | 0.25–0.9 | 0.02–0.06 |
| Зола / K⁺ / Na⁺ | 0.9–0.97 | 0.15–0.5 | 0.01–0.025 |
| Фосфор | 0.8–0.95 | 0.04–0.25 | 0.0007–0.0025 |
| Кальцій / Магній | 0.8–0.9 | 0.03–0.2 | 0.0005–0.0015 |
| Промисловість | UF | NF | RO |
|---|---|---|---|
| Питна вода | Попередня обробка | Пом'якшення води | Остаточне очищення |
| Молочна | Концентрація сироватки | Опріснення сироватки | Концентрація пермеату сироватки |
| Їжа та напої | Уточнення | Розділення цукру | Виробництво чистої води |
| Фармацевтичний | Попередня обробка | Технічна вода | Вода-високої чистоти |
| електроніка | Попередня обробка | Часткова демінералізація | Ультрачиста вода |
| Опріснення морської води | Попередня обробка | Попередня обробка | Основний процес опріснення |
| Повторне використання стічних вод | Видалення зважених частинок | Часткове опріснення | Глибинна рекультивація |
Незважаючи на те, що UF, NF і RO є технологіями мембранної фільтрації, речовини, які вони видаляють, значно відрізняються через різні розміри пор і механізми поділу.
Ультрафільтрація насамперед видаляє зважені тверді речовини та макромолекулярні забруднення. Він дуже ефективний у видаленні осаду, іржі, колоїдів, водоростей, бактерій і багатьох вірусів, одночасно пропускаючи розчинені солі та мінерали. У результаті UF покращує прозорість води без істотної зміни її мінерального складу.
Нанофільтрація забезпечує набагато вищий рівень очищення. Окрім видалення зважених часток і мікроорганізмів, мембрани NF відкидають більшість двовалентних іонів, таких як кальцій, магній і сульфат, що робить їх ідеальними для пом’якшення води. Вони також видаляють природні органічні речовини, пестициди, барвники та багато великих органічних молекул. Однак, оскільки нанофільтрація лише частково відкидає одновалентні іони, такі як натрій і хлорид, очищена вода все ще містить певний рівень розчинених мінералів.
Зворотний осмос пропонує найширші можливості видалення забруднень. Щільна RO мембрана ефективно видаляє розчинені солі, іони жорсткості, важкі метали, мікроорганізми, віруси, фториди, нітрати, миш’як, PFAS та багато інших розчинених забруднень. Лише молекули води та невеликі кількості дуже малих молекул можуть проникати через мембрану, що дозволяє системам RO виробляти воду високої-чистості, придатну для питної води, промислової технологічної води та опріснення морської води.
| Живильна вода | Рекомендована мембрана | Причина |
|---|---|---|
| Міська водопровідна вода | UF / NF / RO | Залежить від бажаної якості води |
| Поверхневі води | UF + RO | Видаляє завислі речовини перед опрісненням |
| Підземні води | NF або RO | Усуває твердість і розчинені солі |
| Солонувата вода з високим-TDS | RO | Необхідна відмова від великої кількості солі |
| Морська вода | SWRO | Глибоке опріснення |
| Річкова вода | UF | Відмінна попередня обробка |
| Повторне використання стічних вод | UF + RO | Високе відновлення та очищене повторне використання |
| Переробка молока | UF / NF / RO | Різні мембрани виконують різні розділові функції |
| Їжа та напої | NF / RO | Концентрація та очищення продукту |
