Анализ кинетических зависимостей обратноосмотического разделения сточных вод гальванопроизводств Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 66.081.6

АНАЛИЗ КИНЕТИЧЕСКИХ ЗАВИСИМОСТЕЙ ОБРАТНООСМОТИЧЕСКОГО РАЗДЕЛЕНИЯ СТОЧНЫХ ВОД ГАЛЬВАНОПРОИЗВОДСТВ

© В.Ю. Попов, С.И. Лазарев, В.С. Ковалев

Ключевые слова: обратный осмос, мембрана, эмпирический коэффициент.

Проведен анализ кинетических кривых по коэффициенту задержания и удельному потоку растворителя обрат-ноосмотического разделения сточных вод гальванопроизводств. Получены значения эмпирических коэффициентов для теоретического расчета коэффициента задержания и удельного потока.

ВВЕДЕНИЕ

Гальванические производства характеризуются большими объемами сточных вод, которые необходимо очищать. Одним из методов обратноосмотической очистки является процесс обратного осмоса, который характеризуется малой металлоемкостью, низкими энергозатратами и простотой конструктивного оформления. Для изучения механизма разделения необходимо исследовать кинетические зависимости процесса обрат-ноосмотического разделения. Поэтому задачей данной работы были анализ и расчет коэффициента задержания и удельного потока растворителя.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Экспериментальные исследования проводились на обратноосмотической установке с рулонным разделительным элементом, схема которого приведена в работе [1]. Исследовалось влияние давления и вида растворенного вещества на коэффициент задержания и удельный поток растворителя на ацетатцеллюлозных мембранах МГА-95 и МГА-80П. Наиболее распространенными загрязнителями в промывных водах гальванических производств являются ионы Zn2+, Ви4+, Ее3+, образующиеся после промывки деталей в каскадных ваннах. Полученные после разделения на обратноосмо-тической установке значения концентраций пермеата подвергались анализу по методикам, представленным в [2]: железо (комплексометрический метод), олово (экс-тракционно-фотометрический метод), цинк (фотометрический дитизоновый метод).

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ

Анализируя кинетические зависимости, приведенные на рис. 1, можно отметить, что в нормальном положении мембраны активный слой, опираясь на крупнопористую основу, при повышении давления уплотняется, в результате чего изменяется геометрия пор в активном слое и аморфная часть мембраны приобретает другое физическое состояние, что ведет к снижению проницания растворенного вещества в пермеате и, соответственно, увеличивается коэффициент задержания, что косвенно подтверждается в работах [3-6]. Также

стоит отметить, что для мембраны МГА-80П зависимость коэффициента задержания по ионам олова имеет максимум (рис. 1), что свидетельствует о наличии эффекта концентрационной поляризации и, соответственно, о возрастании концентрации растворенного вещества у поверхности активного слоя мембраны. Возрастание ведет к повышению количества проницаемого растворенного вещества (олова) в пермеат. Дальнейшее повышение давления, согласно явлению концентрационной поляризации, снижает коэффициент задержания на данной мембране. Для растворенных веществ, железа и цинка в диапазоне исследуемых веществ явления концентрационной поляризации не наблюдали.

Сравнение расчетных и экспериментальных значений по коэффициенту задержания, приведенных на рис. 1, свидетельствует о том, что расхождения незначительные и лежат в пределах ошибки расчета и эксперимента.

Из анализа представленных зависимостей на рис. 2 следует, что удельный поток при обратном осмосе увеличивается с ростом движущей силы, т. к. увеличивается конвективный поток растворителя через мембрану. Давление является движущей силой процесса об-ратноосмотического разделения, и при повышении значения давления происходит возрастание скорости проницания потока растворителя через мембрану.

Коэффициент задержания и удельный поток также зависят и от вида мембран. У мембраны МГА-80П, в отличие от мембраны МГА-95, значения удельного потока и коэффициента задержания увеличиваются с повышением давления. Это связано с различным строением матрицы мембраны, видом взаимодействия растворенного вещества с активным слоем мембран и разной пористой структурой активного слоя мембран [7-8].

РАСЧЕТ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ

Расчет коэффициента задержания и удельного потока растворителя производили по математическим выражениям (1) и (2), приведенным ниже.

К = 1__^_

J = к-(ДР-В-ехр(С„и -п)-ехр(£). (2)

1889

а)

б)

Рис. 1. Зависимость коэффициента задержания мембран МГА-95 (а) и МГА-80П (б) от давления по компонентам раствора 8п4+; Бе3+) при обратноосмотическом разделении стоков гальванических производств

Рис. 2. Зависимость удельного потока мембран МГА-95 и МГА-80П от давления при обратноосмотическом разделении стоков гальванических производств

1890

Таблица 1

Значения эмпирических коэффициентов для расчета коэффициента задержания

Мембрана Вещество ki k2 k3

Zn2+ -0,1715 -3,08725 4,699428

МГА-95 Fe3+ -0,1951541 -2,209774105 1,051807924

Sn4+ -0,18364282 -0,285599289 0,623669066

Zn2+ -0,000379588 -0,000476956 0,052885072

МГА-80П Fe3+ 0,1664 6,175426 -0,09447

Sn4+ 0,125861436 0,483313776 0,02433837

Таблица 2

Значения эмпирических коэффициентов для расчета удельного потока растворителя

Мембрана B n A

МГА-95 -1,880543655 0,093498103 -80,79286145

МГА-80П -4,917619134 0,550726611 -37,48862606

Значение эмпирических коэффициентов приведено в табл. 1 и 2.

ВЫВОДЫ

1. Интерпретированы и обобщены экспериментальные данные по коэффициенту задержания и удельному потоку растворителя в зависимости от движущей силы процесса, вида растворенного вещества и природы мембраны.

2. Получены значения эмпирических коэффициентов для теоретического расчета кинетических коэффициентов, позволяющих прогнозировать массопере-нос растворенного от вещества и растворителя через мембрану.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ковалев С.В. Исследования коэффициентов разделения и водопроницаемости мембран МГА-95 и МГА-80П при обратноосмоти-ческой очистке сточных вод гальванических производств // Известия вузов. Химия и химическая технология. Иваново, 2010. Т. 53. Вып. 6. С. 107-110.

2. Лурье Ю.Ю. Аналитическая химия промышленных сточных вод. М.: Химия, 1984. 448 с.

3. Дытнерский Ю.И. Баромембранные процессы. Теория и расчет. М.: Химия, 1986. 272 с.

4. Дытнерский Ю.И. Мембранные процессы разделения жидких смесей. М.: Химия, 1975. 252 с.

5. Потехина Л.Н., Панина О.В. Мембранные технологии в переработке вторичного молочного сырья // В мире научных открытий. 2010. № 4 (10). Ч. 15. C. 117-118.

6. Котельникова (Хорохорина) И.В., Головашин В.Л., Лазарев С.И. Исследование кинетических характеристик мембранного разделения растворов, содержащих поверхностно-активные вещества и нефтепродукты // Вестник Тамбовского университета. Серия Естественные и технические науки. Тамбов, 2012. Т. 17. Вып. 2. С. 685687.

7. Богданов А.П., Чураев Н.В., Эман М.И. Физико-химические характеристики обратноосмотических мембран с тонким делящим слоем // Коллоидный журнал. 1988. Т. 50. № 6. С. 1058-1061.

8. Ярощук А.Э., Мещерякова Е.В. Влияние распределения пор в мембране по размерам на обратный осмос // Химия и технология воды. 1983. Т. 5. № 1. С. 8-12.

Поступила в редакцию 27 октября 2014 г.

Popov V.Y., Lazarev S.I., Kovalev V.S. ANALYSIS OF KINETIC DEPENDENCES OF REVERSE OSMOSIS SEPARATION OF ELECTROPLATING WASTEWATER

The analysis of the kinetic curves at a rate of retention and flux of the solvent reverse osmotic separation electroplating wastewater is made. The values of the empirical coefficients for the theoretical calculation of the coefficient of detention and specific flow are received.

Key words: reverse osmosis; membrane; empirical coefficient.

Попов Вадим Юрьевич, Тамбовский государственный технический университет, г. Тамбов, Российская Федерация, аспирант, кафедра прикладной геометрии и компьютерной графики, е-mail: [email protected]

Popov Vadim Yuryevich, Tambov State Technical University, Tambov, Russian Federation, Post-graduate Student, Applied Geometry and Computer Graphics Department, е-mail: [email protected]

Лазарев Сергей Иванович, Тамбовский государственный технический университет, г. Тамбов, Российская Федерация, доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой прикладной геометрии и компьютерной графики, е-mail: [email protected]

Lazarev Sergey Ivanovich, Tambov State Technical University, Tambov, Russian Federation, Doctor of Technics, Professor, Head of Applied Geometry and Computer Graphics Department, е-mail: [email protected]

Ковалев Сергей Владимирович, Тамбовский государственный технический университет, г. Тамбов, Российская Федерация, кандидат технических наук, доцент кафедры прикладной геометрии и компьютерной графики, е-mail: [email protected]

Kovalev Sergey Vladimirovich, Tambov State Technical University, Tambov, Russian Federation, Candidate of Technics, Associate Professor of Applied Geometry and Computer Graphics Department, e-mail: [email protected]

1891