Мембранні технології у водопідготовці
Ірина Косогіна
Останнім часом для різних галузей промисловості, таких як харчова, фармацевтична, текстильна, нафтохімічна та очищення стічних вод, все частіше почали використовувати мембранні технології із застосуванням полімерних та керамічних мембран.
Перевагою використання полімерних мембран є їх відносно низька вартість та вузький діапазон розподілу пор, а їх недоліком – низька стійкість до дії високих температур, кислотного середовища і схильність до забруднення. У цьому плані керамічні мембрани є перспективнішими, оскільки вони є термічно та хімічно стійкими, легкі в очищенні та мають тривалий строк служби. Додатковою перевагою керамічних мембран, на відміну від полімерних, є їх висока стійкість до біологічного обростання. Однак, використання вартісної сировини та висока температура їх виготовлення (>1200 °C), є обмежуючими факторами для індустріалізації керамічних мембран.
При підготовці води з природних джерел різні види керамічних мембран можуть використовуватись окремо на трьох етапах:
- видалення завислих частинок і, як наслідок, усунення каламутності води;
- зменшення кольоровості води, зумовленої наявністю високомолекулярних органічних речовин природного походження (гумусові речовини);
- знезараження води (видалення вірусів та бактерій).
Для видалення частинок, що викликають каламутність води, можуть бути використані керамічні мембрани (часто, у поєднанні з коагуляцією), виготовлені з неорганічних матеріалів, наприклад, оксиду цирконію, глинозему, оксиду титану, карбіду чи оксиду кремнію, і складаються з декількох шарів, що утворюють асиметричну структуру.
Традиційна сировина для виготовлення керамічних мембран, така як оксид титану (TiO2), кремнезем (SiO2), оксид алюмінію (Al2O3), карбід кремнію (SiC) та оксид цирконію (ZrO2), досить вартісна і вимагає високих температур спікання – від 1300 °C до 1500 °C. Середня вартість керамічних мембран на основі оксидів алюмінію та цирконію коливається в межах 500–3000 $/м2. В порівняння – вартість полімерних мембран коливається від 20 до 200 $/м2.
Однією з проблем виготовлення керамічних мембран промислових масштабів є їх висока крихкість та схильність до розтріскування. Для уникнення цієї проблеми наразі виготовляються композитні мембрани, а саме, керамо-керамічні композити; нанокомпозити з вбудованими наночастинками металів, оксидів металів або нановуглецевих частинок; металокерамічні мембрани; нанокомпозити на основі кераміки та полімерів.
Кераміко-керамічні композити складаються з декількох керамічних фаз, наприклад, змішаних оксидів ZrO2 і SiO2, що збільшує хімічну та механічну стійкість. Нанокомпозити утворюються внаслідок формування наночастинок на поверхні або стінках пор (активного шару) керамічної мембрани, тобто роль підтримуючого шару відіграють саме керамічні матриці. Наявність наночастинок змінює мікроструктуру (розмір частинок, пористість, розмір пор) і властивості (гідрофільність, стабільність) керамічних мембран. Введення до складу керамічних мембран сполук срібла або TiO2 дозволяє надати мембранам антибактеріальних або фотокаталітичних властивостей відповідно. Керамо-полімерні мембрани являють собою полімерний активний шар, сформований на керамічній матриці, за рахунок чого мембрана володіє високою пористістю, хімічною і термічною стійкістю та механічною міцністю.
Наразі виготовляти керамічні мембрани з сировини на основі промислових відходів, наприклад, золи або попелу рисового лушпиння. Керамічні мембрани, які виготовлені з альтернативної сировини, мають високу термічну, хімічну та механічну стабільність, завдяки чому поступово набувають популярності. Такі керамічні мембрани доцільно використовувати для видалення завислих речовин зі стічних вод.
Наразі великий інтерес представляє синтез пористих керамічних мембран з підвищеною пористістю та високою ефективністю затримання забруднюючих речовин в процесі фільтрування. Для створення високої пористості можуть бути використані такі пороутворювачі, як алюмінієва пудра, тирса, крохмаль, вуглець або органічні сполуки.
Якісна керамічна мембранна матриця не повинна мати дефектів і мати достатню механічну міцність, відносно правильну форму пор, вузький розподіл розмірів пор, високу відкриту пористість. Методи підготовки пласких і трубчастих керамічних матриць відрізняються. Наприклад, екструзія часто використовується для виготовлення трубчастих матриць, а лиття пастою та метод сухого пресування частіше використовуються для виготовлення пласких матриць.
Основними етапами виготовлення керамічних мембран є вибір відповідної сировини, обробка сировини механічними способами (подрібнення, просіювання, змішування) для отримання однорідної суміші, формування геометрії мембрани та термічна обробка матриці.
Метод пресування є найпростішим та найбільш розповсюдженим для виготовлення пласких керамічних матриць, є економічно ефективним і застосовується для багатотонажного виробництва. Зазвичай, керамічні матриці синтезовані методом порошкового пресування мають рівномірну пористість та однорідні фізичні властивості за всією площею.
Матриці керамічних мембран (КМ) виготовляли методом сухого пресування попередньо подрібненої та змішаної у різних співвідношеннях вихідної сировини з подальшим спіканням. Пресування проводили за допомогою ручного гідравлічного пресу, тиск пресування 8 тон.
Для отриманих керамічних матриць визначені пористість та вологопоглинання.
Здійснено перевірку ефективності застосування отриманих керамічних матриць по відношенню до неорганічних нерозчинних забруднень, які надають воді каламутності.
Встановлено (рисунок), що найвищою ефективністю по відношенню до нерозчинних сполук з досліджуваних керамічних матриць володіє зразок КМ-1, для якого ступінь вилучення нерозчинних речовин склав 38 %, решта зразків керамічних матриць показали ефективність від 10 % для зразка КМ-2 до 24 % для КМ-4-14 з вмістом пороутворювача 14 %. Така низька ефективність може бути спричинена наявністю в керамічних матрицях пор більшого розміру.
Рисунок Ефективність вилучення нерозчинних завислих речовин зразками керамічних матриць
Решта з досліджених зразків керамічних матриць продемонстрували дуже низьку ефективність затримання нерозчинних сполук (менше 10 %), що може бути пов’язано з формуванням в процесі спікання малої кількості пор велико-го діаметру, які виконують роль наскрізних каналів при проходженні рідини в процесі фільтрування.
Підвищити ефективність затримання забруднювачів можливо шляхом нанесення селективного шару на керамічні матриць, що дозволить отримати композитну структуру мембран з меншим розміром пор.