CC BY
41
УДК 66.083.3
ВЛИЯНИЕ РАБОЧЕГО ДАВЛЕНИЯ НА КИНЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОБРАТНООСМОТИЧЕСКОГО РАЗДЕЛЕНИЯ ПРОМЫВНЫХ ВОД, СОДЕРЖАЩИХ КАПТАКС
© К.С. Лазарев, С.В. Ковалев, Е.Ю. Кондракова, Е.С. Бакунин
Ключевые слова: обратный осмос; мембрана; раствор.
В работе рассмотрено влияние давления на коэффициент задержания и удельный поток растворителя через мембрану ESPA. Усовершенствована технологическая схема электрохимического синтеза апьтакса. Предложено практическое применение конструкции электробаромембранного аппарата для разделения промывных растворов, содержащих каптакс.
ВВЕДЕНИЕ
В процессе электрохимического синтеза альтакса образуются промывные воды со стадии отмывки целевого продукта. Промывные воды содержат непрореаги-ровавшие натриевую соль каптакса и гидроксид натрия. Сбрасывать такие воды без предварительной очистки нельзя из экологических соображений. Кроме того, в них содержатся ценные вещества, которые могут быть вторично использованы в производстве альтакса. Эти обстоятельства требуют разработки способа разделения и очистки промывных вод и организации рецикла в производстве альтакса.
В качестве наиболее перспективного способа очистки промывных вод производства альтакса был выбран обратноосмотический метод разделения [1].
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Структура мембраны ESPA представляет собой пористую полимерную пленку на основе полиамида на подложке.
Перед проведением исследований мембраны подвергались предварительной подготовке: 1) образцы мембран подвернись визуальному осмотру с целью выявления внешних дефектов (уплотнений, утончений, смятий, порывов, трещин и неоднородности активного слоя); 2) после визуального осмотра и отсутствия дефектов каждый из образцов мембран помещался в дистиллированную воду на 24 часа для отмывания от веществ, попадающих в мембраны при их производстве и хранении, в растворе глицерина.
Экспериментальные исследования характеристик удельного потока растворителя и коэффициента задержания при разделении промывных вод, содержащих каптакс, проводились на экспериментальной обратно-осмотической установке, представленной на рис. 1.
Экспериментальные исследования по разделению промывных вод производства альтакса методом обратного осмоса проводились на промышленно выпускаемых мембранах серии ESPA, рабочие характеристики которой предст авлены в табл. 1.
Таблица 1
Характеристики исследуемой мембраны
Тип мембраны ESPA
Материал мембраны полиамид
Рабочее давление, МПа 5,0
Удельный поток растворителя, м3/м2с 1,25 10 5
Коэффициент задержания, по 0,15 %ЫаС1, не менее 0,98
Рабочий диапазон, рН 3-10
Максимальная температура, К 318
Производитель (фирма) «Hydranautics», США
-----1 ДО
л-1 1 1 Т '-J 8
1 !
£ТГ
• i □
Рис. 1. Схема экспериментальной обратноосмотической установки: 1 - исходная емкость; 2 - плунжерный насос; 3 - компрессор; 4 - ресивер; 5 - манометр; 6 - образцовый манометр; 7 - электроконтактный манометр; 8 - плоскокамерный разделительный модуль; 9 - дроссель; [0 - поплавковый ротаметр; 11 - емкость мермеата
Из исходной емкости 1 рис. I через систему вентилей высокого давления рабочий раствор нагнетался через ресивер 4 в камеру разделения плунжерным насосом 2 марки ИД 100/63. Пройдя рабочий плоскокамерный мембранный модуль 8, дроссель 9 и поплавковый ротаметр 10, разделяемый раствор возвращался обратно в исходную емкость 1. Для сглаживания пульсаций давления и расхода рабочего раствора в системе установлен ресивер 4, который представляет собой цилиндрический сосуд (У = 3,5 дм3) с манометром 5, предварительно заполненный сжатым воздухом до давления, составляющего 30-40 % от рабочего, компрессором высокого давления 3. Давление в установке контролируется образцовым манометром 6. Для регулирования давления в установке используется электроконтактный манометр 7, который выключает плунжерный насос с помощью элсктроконтактного реле при повышении давления выше установленного значения. Расход раствора задавался рабочим ходом плунжерного насоса дозатора 2. Жидкость, прошедшая в процессе разделения через мембрану плоскокамерного модуля, собиралась в емкость 11. Регулировка давления в системе осуществлялась дросселем 9.
Рабочие элементы установки (емкости, трубопроводы, вентили, плунжер насоса, переходники), соприкасающиеся с раствором, были изготовлены из нержавеющей стали.
Методика проведения эксперимента сводилась к следующему: перед началом эксперимента обратноос-мотичсскую установку промывали дистиллированной водой 6 часов, затем производилась промывка рабочим раствором 6 часов (для предотвращения попадания ранее исследуемых компонентов в исследуемый раствор). После предварительной подготовки образцов мембран собирали разделительный модуль плоскокамерного типа. Затем разделительный плоскокамерный модуль крепили к установке, показанной на рис. 1. Регулировкой хода плунжера устанавливали заданный расход для обеспечения необходимой скорости в межмембранном канале. Одновременно в рубашку плунжера подавали и холодную воду для охлаждения плунжера насоса. Далее при закрытом дросселе 9 включали насос. По мере увеличения рабочего давления проводился холостой опыт в течение 30 мин. Затем выключали установку, сбрасывали давление в системе. Собранный раствор из емкости 11 сливали в исходную емкость / и оставляли установку на несколько часов, с целью выравнивания концентрации исследуемого раствора по всей системе установки. После выдержки оставшийся раствор в установке сливали в емкость /. Запускали установку, выводили на рабочий режим и проводили контрольный опыт в течение четырех часов для обжатия образцов мембран и приведения их в нормальное рабочее состояние. После этого проводили рабочий опыт в течение 2-5 часов. После рабочего эксперимента сбрасывали давление в системе открытием дросселя 9, и установка отключалась.
Колебания давления и расхода на описанной установке не превышали 5 % от установленного значения.
Основным элементом установки являлся разделительный плоскокамерный модуль (рис. 2), в котором непосредственно происходил процесс обратноосмоти-чсского разделения растворов.
Рнс. 2. Разделительная ячейка с плоскими каналами
Разделительная ячейка с плоскими каналами состоит из двух камер с плоскими каналами, образованными фланцами 2 и средней частью разделительной ячейки 1. Для придания жесткости конструкции разделительная ячейка снабжена пластинами 3, которые стягиваются шестью болтами 7 с гайками 8 и шайбами 9. IIa нижней и верхней средней части разделительной ячейки 1 имеются штуцер 5 для ввода исходного раствора и штуцера 4 вывода раствора. Также на внешней поверхности фланца 2 вмонтированы на резьбе два штуцера 6. Фланцы, средняя часть разделительной ячейки, штуцера были изготовлены из капролона.
Рабочий раствор подавался через штуцер 5 разделительной ячейки с плоскими каналами (рис. 2) и равномерно распределялся по разделительным камерам корпуса, образованным двумя мембранами и поверхностью средней части I, и выходил по штуцерам 4. Часть раствора при этом под действием избыточного давления проникала через мембраны 10, затем через ватман 11, служащий прокладкой под мембраной, через пористую подложку 12 и металлическую сетку 13, выполненную из нержавеющей стали и по каналам во фланцах отводились через штуцера 6 в емкости пермеата. Для уплотнения фланцев 2 со средней частью модуля 1 использовались прокладки /4 из наронига толщиной (0,3-2)-10"3 м.
Значение удельного потока растворителя для мембраны ESPA рассчитывалось для плоскокамерного модуля по следующей зависимости [2]:
где V - объем собранного пермеата, м3; 1'и - рабочая площадь мембран, расположенных по обе стороны от средней части разделительного элемента с плоскими каналами, составляла 0,0156 м2; т - время проведения эксперимента, с.
По концентрациям растворенного вещества в нер-меате и исходном растворе определялся экспериментальный коэффициент задержания для каждой пробы по формуле [2]:
Я = (2)
Сцас
где Я - коэффициент задержания; С,кр - концентрация растворенного вещества в пермеате, кг/м3; С1ЮГ - концентрация растворенного вещества в исходном растворе, кг/м3.
Методика определения количества каптакса в исследуемых пробах раствора сводилась к следующему; для проведения анализа исследуемый раствор заданного объема нейтрализовался концентрированным раствором хлороводородной кислоты до рН « 6. В результате нейтрализации каптакс выпадал в осадок. Полученный раствор фильтровался на воронке Бюхнера на предварительно взвешенном и высушенном при 373 К до постоянной массы бумажном фильтре, промывался осадок дистиллированной водой. Фильтр с каптаксом высушивался при 373-378 К до постоянной массы и после охлаждения подвергался взвешиванию.
Расчет количества образующегося каптакса (С) в пробах проводился по формуле:
С -
т 1000
MV '
(3)
где т - масса каптакса, г; М - молярная масса каптакса, г/моль; V- объем исследуемого раствора, мл.
На рис. 3-4 представлены зависимости удельного потока растворителя и коэффициента задержания для мембраны ESPA от давления при разделении промывных вод, содержащих каптакс, полученных при 295 К.
Из приведенных на рис. 3-4 зависимостей видно, что увеличение удельного потока растворителя и коэффициента задержания для исследуемого типа мембран происходит при росте давления. Из представленной на рис. 3 зависимости следует, что удельный поток растворителя через мембрану при обратном осмосе увеличивается с ростом движущей силы, т. к. увеличивается конвективный поток растворителя через мембрану. Давление является движущей силой процесса обратноосмотического разделения, и при повышении давления происходит рост удельного потока растворителя. Также анализируя зависимость, приведенную на
рис. 4, можно отметить, что в нормальном положении мембраны активный слой, опираясь на крупнопористую основу (подложку), при повышении давления уплотняется, в результате чего увеличивается коэффициент задержания по каптаксу [2-5].
по ,
4.S Р.МПа
Рис. 3. Зависимость удельного потока растворителя через мембрану ESPA от давления при разделении промывных вод, содержащих каптакс
R С.956
0.5 1.5 3.5 3.5 J.5
Р, МП а
Рис. 4. Зависимость коэффициента задержания мембраны ESPA от давления при разделении промывных вод, содержащих каптакс
Рис. 5. Усовершенствованная технологическая схема электрохимического синтеза альтакса с применением стадии обратноосмотического разделения
Рис. 6. Элекгробаромембранный аппарат плоскокамерного типа
На основе полученных экспериментальных исследований, представленных в работе, была усовершенствована технологическая схема электрохимического синтеза альтакса, ранее представленная в работе [б], которая позволяет уменьшить расход реагентов при обработке растворов и уменьшить количество вспомогательных операций при получении целевого продукта.
Усовершенствованная технологическая схема процесса производства альтакса с замкнутым циклом использования воды показана на рис. 5. Рекомендуется использовать термостатированный реактор для приготовления реакционной массы в кислото-щелочс-стойком исполнении, электролизер колонного типа с горизонтально расположенными электродами и нутч-фильтр со сборником фильтрата. Насосы для перекачивания технологических растворов должны быть в ки-слото-шелочестойком исполнении (насосы на схеме не показаны) [6].
В качестве мембранных аппаратов при практической реализации данной технологической схемы могут использоваться и новые перспективные конструкции электробаромембранных аппаратов, которые без наложения электрического поля мо|-ут использоваться как баромембранные аппараты, пример, конструкция которого представлена на рис. 6 [7].
Аппарат работает следующим образом. Исходный раствор под давлением, превышающем осмотическое давление растворенных в нем веществ, через штуцер 11 подаегся в первую камеру разделения, образованную фланцем 3, прокладкой 5, прикатодной или прианод-ной обратноосмотической мембраной 15. Раствор, двигаясь, турбулизируется с помощью сетки гурбулизагора 13, на все вершины которой нанесен диэлектрический элемент 25 в точках касания с поверхностью мембран, и поступает к обратноосмотическим мембранам 15.
Из образовавшейся между фланцем 3, прокладкой 5, обратноосмотической мембраны 15 камеры разделения раствор пермеата, проникающий через обратноос-
мотическую мембрану 15, пористую подложку из ватмана 16, монополярный электрод-пластину 14 и дренажную сетку 17, расположенные последовательно на диэлектрической камере корпуса 1, отводятся с пер-мсатом по каналам 23. А оставшиеся растворенные вещества, движущиеся в камере разделения в ядре потока сетки турбулизатора 13 на все вершины которой нанесен диэлектрический элемент 25 в точках касания с поверхностью мембран, переходят через переточнос эллиптическое окно 19 в следующую камеру разделения, образованную соединенными выступ-впадиной между собой диэлектрическими камерами корпуса / и 2 с последовательно уложенными на них дренажными сетками 17, пористыми электродами-пластинами, пористыми подложками 16, обратноосмотическими мембранами 15, в виде рстентата.
Раствор переходит из камеры в камеру по переточным эллиптическим окнам 19 всего аппарата где происходит аналогичное разделение на пермеат через об-ратноосмотические мембраны 15 по штуцерам 7 для отвода псрмсата и ретентатом последовательно в ядре потока сетки турбулизатора 13, на все вершины которой нанесен диэлектрический элемент 25 в точках касания с поверхностью мембран через штуцер 12 вывода разделяемого раствора рстентата.
ВЫВОДЫ
1. Показано, что при росте рабочего давления возрастает коэффициент задержания и удельный поток растворителя через мембрану ESPA для промывных вод, содержащих каптакс.
2. Усовершенствована технологическая схема электрохимического синтеза альтакса с применением стадии обратноосмотического разделения.
3. Предложено практическое применение перспективной конструкции электробаромембранного аппарата для разделения промывных растворов, содержащих
каптакс, который может быть использован как для
Электр обаром ем бранного, так и для баром ем бранно го разделения.
ЛИТЕРАТУРА
!. Свитцов А. А. Введение в мембранную ICXHO.IOI ию М.: ДеЛи принт, 2007. 20S с.
2. Дытнчрскип Ю.И Ьаронеморанные процессы. Теория и расчет М.: Химия, 1986. 272 е.
3. Дьгтнерский Ю.И, Мембранные процессы разделения жидких смесей. М.: Химия, 1975. 252 с,
4. Дытнерский Ю И. Обратный осмос и ультрафнльграцня. М.: Химия, 197Ï 352 е.
5. Савбатавский К.Г., Соболев В.Д., Чураев Н.В Задержка концентрированных электролитов обрзтнетемотичеткими мембранами // Коллоидный журнал M , 1993 Т. 55. № 5. С 142-147.
6. Дегтярева /Г.Э. Кинетика н аппарптурко-технологическое оформление процесса синтеза альтакса на переменном токе: алтореф. дне. ... канд. техн. наук. Тамбов, 200Я. 16 с.
Т. С 1 2403957 RIJ BÛ1D61/42, BOlDfiJMfi Электробаром ембраиный аппарат плоскокамерного типа / Ковален C.B., Лааарен С.И , Чепе-няк П А., Данилов АЮ., Лазарев К.С. (ГОУ ВПО ТГТУ1 № 200910R996/12. Заяил. 11.03.2009.
БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена в рамках реализации Федеральной целевой программы к Научные и нау чно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-20 ¡3 годы.
Поступила в редакцию 22 июля 2011 г.
Lazarev K.S., Kovalev S.V., Kontlrakuva E.Yu., Bakunin E.S. INFLUENCE OF WORKING PRESSURE ON KINETIC CHARACTERISTICS OF REVERSE-OSMOTIC DIVISION OF WASHING WATERS CONTAINING CAPTAX
In work influence of pressure on factor of detention and a specific stream of solvent through membrane ESPA is considered. The technological scheme of electrochemical synthesis the altax is improved. Practical application of a construction electro-baromanbranes the device for division of washing solutions withholding cap tan is offered.
Key words: return osmosis; membrane, solution.
