Теоретична частина

Розрізняють дійсну селективність, і ту, що спостерігається. Дійсна селективність визначається за співвідношенням

, (1)

а та, що спостерігається

, (2)

де —концентрація солі в розчині, що розділяється, —в фільтраті, — біля поверхні мембрани з боку розчину

В свою чергу, концентрація солі в розчині визначається як середнє арифметичне концентрацій розчину на вході і на виході з апарату:

(3)

де — відповідно концентрації солі в розчині на вході в апарат та на виході з нього.

Матеріальний баланс для апарату зворотнього осмосу:

По потокам:

, (4)

По розчиненій речовині:

, (5)

де — витрата ретанту (концентрату), — витрата фільтрату (пермеату),

— витрата вихідного розчину.

Витрата фільтрату може бути розрахована за рівнянням:

, (6)

де k — степінь концентрування

(7)

Середня концентрація розчиненої речовини у фільтраті:

(8)

Дійсна проникність мембрани розраховується на основі експерементальних даних та характеристик установки зі співвіднощення:

, (9)

де F — робоча поверхня мембрани

Рушійною силою процесу зворотного осмосу є різниця між робочим тиском та осмотичним тиском для даного розчину.

₍₁₀₎

Так як мембрани не мають ідеальної селективності й спостерігається деякий перехід крізь них розчиненої речовини, при розрахунку рушійної сили враховують осмотичний тиск пермеату :

(11)

Але величину осмотичного тиску на поверхні мембрани визначити дуже важко, тому його прирівнюють до осмотичного тиску у розділюваному розчині :

(12)

Теоретична проникність мембрани для розчину розраховується за формулою:

(13)

де G₀ - проникненість по дистильованій воді, м³/(м²с)

Опис експериментальної установки

В даній лабораторній роботі використовується багатоступінчаста система очищення води з використанням з використанням на останньому етапі зворотноосмотичного модуля.

П ринципова схема установки зворотного осмосу зображена на рисунку 1.

1 – ємність вихідного розчину, 2 – мірник рівня , 3 – витратомір, 4 – механічний фільтр, 5 – вугільний фільтр, 6,10,12,14 – вимірювальні ємності концентрацій відповідно розчину після вугільного фільтра, перміату, ретанту та вихідного розчину, 7 – насос, 8 – манометр, 9 – мембранний модуль, 11, 13 – збірники перміату та ретанту, 15 – голчастий вентиль.

Рисунок 1. – Схема установки для очищення води з використанням зворотного осмосу

Стенд працює наступним чином. Вихідний водний розчин (суміш дистильованої води та солі NaCl), витрата якого вимірюється, як витратоміром 3, так і мірником рівня 2 і секундоміром, із ємності 1 під гідростатичним тиском стовпа рідини подається на попередній механічний 20-мікронний фільтр 4, де очищується від механічних забруднень (іржи, піску і інших механічних домішок) і поступає далі до вугільного фільтру 5, який видаляє з водного розчину леткі субстанції (хлор та його з’єднання, органічні речовини, гази).

Після вугільного фільтру встановлено насос 7, що підвищує тиск в магістралі. Головним елементом стенду є рулонний мембранний модуль 9, який складається з рулонного фільтруючого елемента та циліндричного корпусу. Спіральний фільтруючий елемент, представлений на рисунку 2, прикріплений до перфорованого стрижня і накручений на нього у вигляді пакета, що складається з двох напівпроникних мембран і розташованого між ними дренажного шару. Для утворення міжмембранних каналів накручування пакету проводять спільно з сіткою-сепаратором. Вихідний розчин рухається по міжмембранних каналах в повздовжньому напрямі та відводиться з протилежного кінця у вигляді ретанту. Перміат по спіральнорозташованому дренажному шару поступає у перфоровану трубку і виводиться з апарату. Він видаляє з води 96-98% розчинених у воді з’єднань. Стандартні мембрани, що використовувались, мають робочу площу 1,5 м². При тиску 0,3 МПа очищається 3 л перміату за 10-40 хв. Стенд може працювати при тиску в водопроводній мережі 0,2 МПа. Але коли тиск в магістралі менший від 0,2 МПа, використовується насос 7.

Рисунок 2. – Спіральний фільтруючий елемент

Продуктивність установки по перміату і ретанту змінюється шляхом регулювання голчастим вентилем потоку ретанту. Вимірювання солевмісту розчинів відповідно вихідного після ємності 1, після вугільного фільтра 5 та мембранного модуля 9 (як ретанту, так і перміату) здійснювався портативним приладом TDS, датчик якого занурюється в проточні відбірник 6,10,12,15, через які безперервно протікає рідина.