CC BY
92
УДК 544.726
ДИФФУЗИОННАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ ПОЛИМЕРНЫХ МЕМБРАН В ВОДНЫХ РАСТВОРАХ БЕЛОФОРА ОЦД
© В.Ю. Богомолов, С.А. Вязовов, С.И. Лазарев
Ключевые слова: мембрана; диффузионная проницаемость.
Приведены результаты исследования диффузионной проницаемости ультрафильтрационных мембран УПМ-100 и УФМ-100. Выявлены зависимости коэффициентов диффузионной проницаемости этих мембран от концентраций и температур в водных растворах белофора ОЦД.
ВВЕДЕНИЕ
В химической промышленности при производстве оптических отбеливателей образуется большое количество промышленных белофоросодержащих сточных вод, которые для дальнейшего использования требуют новых перспективных методов очистки воды, более компактных, дешевых, простых в эксплуатации по сравнению с традиционными [1]. К их числу относятся мембранные методы, такие как ультрафильтрация. Одной из составляющих массопереноса при ультрафильт-рационной очистке является диффузионная проницаемость мембран. Данная величина является одной из важнейших характеристик мембраны и зависит от большого числа факторов, таких как характер взаимодействий растворенного вещества-растворителя, растворенного вещества-мембраны, растворителя-мембраны, природы мембран и растворов [2].
Целью данной работы является исследование диффузионной проницаемости различных типов промышленных мембран при мембранной очистке промышленных белофоросодержащих растворов, с учетом влияния
на них концентрации растворенного вещества, интенсификация процесса мембранного разделения и его аппаратурно-технологическое оформление. Для выполнения поставленной цели были проведены экспериментальные исследования диффузионной проницаемости различных типов промышленных мембран при процессах разделения модельных белофоросодержа-щих растворов с учетом влияния концентрации растворенного вещества.
В качестве объектов исследования использовались модельные растворы, а также промышленные растворы, получаемые в процессах синтеза полупродуктов оптических отбеливателей на линиях одного из предприятий г. Тамбова. В качестве модельных растворов использовались растворы веществ, входящие в состав промышленных стоков.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Исследования диффузионной проницаемости мембран проводились на экспериментальной установке, схема которой приведена на рис. 1.
Рис. 1. Схема установки для определения диффузионной проницаемости 688
Установка состоит из двухкамерной, термостати-руемой ячейки, измерительных капилляров (13, 14), емкостей для исходных (2, 4) и отработанных (3, 5) растворов, двух опорных решеток (15), изготовленных из оргстекла. Основным элементом установки является ячейка, состоящая из двух камер, I и II, которые разделены исследуемой мембраной (1). Перемешивание в камерах I и II осуществляется с помощью магнитных мешалок (6, 7). Для поддержания необходимой температуры растворов в обе камеры были встроены змеевиковые теплообменники (16, 17), в которых циркулировала вода из термостатов (12, 19). Контроль за температурой растворов в камерах I и II осуществляется с помощью термопар (8, 9) градуировки ХК, подключенных к потенциометрам (10, 18). Объем камер ячейки 0,62-10-3 м3, рабочая площадь мембран составляла 26,7-Ю-4 м2. Материал выполнения камер I и II - оргстекло.
Исследования по определению диффузионной проницаемости осуществляются по следующей методике. Сначала мембраны подготавливались следующим способом: их выдерживали в дистиллированной воде 24 ч.
Предварительно подготовленная таким способом мембрана размещается в установке для ультрафильтра-ционного разделения [3], заполненной дистиллированной водой, и обжимается при рабочем давлении в течение 4 часов. Затем мембрана извлекается из установки и размещается в ячейке для исследования диффузионной проницаемости. Камера I заполняется раствором определенной концентрации, а камера II - дистиллированной водой. Для установления стационарного диффузионного и осмотического потоков растворы остаются в камерах продолжительное время (10-14 ч), а затем сливаются. После этого камеры ячейки в течение 15 мин. промываются дистиллированной водой. Затем проводят заполнение камер, как и в предшествующем опыте: камеру I заполняют раствором той же концентрации, а камеру II - дистиллированной водой, и проводится опыт по определению диффузионной проницаемости. Продолжительность эксперимента составляет 5 ч. По завершению эксперимента проводят отбор проб из камер через емкости отработанных растворов 3 и 5. Во время опыта осуществляется интенсивное перемешивание растворов магнитными мешалками.
Количество воды, прошедшее через мембрану 1 , и интенсивность ее осмотического переноса в камеру II измеряются по уменьшению объема в измерительном капилляре (11) и увеличению объема в измерительном капилляре (12).
Коэффициент диффузионной проницаемости рассчитывается по формуле:
(1)
где Рд - коэффициент диффузионной проницаемости (м2х-1); У2 - объем исследуемого раствора (м3); 5 -толщина мембраны (м); Б - рабочая поверхность мембраны (м2); С1 - концентрации растворенного вещества в исходном растворе (ктм-3); С2 - концентрации растворенного вещества, перешедшего через мембрану (кг-м-3); т - время проведения эксперимента (с).
Полученная зависимость диффузионной проницаемости от концентрации и температуры имеет более плавный характер, аппроксимировалась функцией вида:
(2)
где Рд - коэффициент диффузионной проницаемости (м2-с- ); А, В, т - эмпирические коэффициенты; С -концентрация растворенного вещества в исходном растворе (кг-м-3); Т - рабочая температура (К); Т0 -начальная температура (К).
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
После обработки экспериментальных данных были получены конкретные значения коэффициентов А, В, т для исследованных растворов и мембран (табл. 1).
Зависимости коэффициента диффузионной проницаемости мембран УПМ-100 и УФМ-100 от начальной концентрации и температуры раствора белофора ОЦД представлены на рис. 2-3.
Для всех исследованных мембран с увеличением концентрации белофора ОЦД диффузионная проницаемость падает. Также видно, что для мембран УФМ-100 диффузионная проницаемость на несколько порядков меньше, чем для мембран УПМ-100. Возможно, это связано с тем, что на величину и на вид зависимостей диффузионной проницаемости от концентрации внешнего раствора основное влияние оказывает природа мембран и распределение пор по радиусу в слое мембран. Для мембран УПМ-100 при небольших концентрациях, вероятно, преобладающее значение имеют сорбционные факторы. С увеличением концентрации внешнего раствора поровое пространство уменьшается, а т. к. проницание через ультрафильтрационные мембраны осуществляется в основном вязким течением через поры, а проницание через материал мембраны, вероятно, пренебрежимо мало, то диффузионная проницаемость также уменьшается. Увеличение концентрации растворенных веществ приводит к снижению эффективности движущей силы процесса и возрастанию вязкости. Все это также вызывает снижение диффузионной проницаемости.
Установлено, что с повышением температуры раствора белофора ОЦД диффузионная проницаемость
Таблица 1
Значения коэффициентов А, В, т
Мембрана Раствор А-1013 В т
УПМ-100 УФМ-100 Белофор ОЦД - вода 9,21765 11,45907 -0,00621 -0,00436 19,55583 21,77106
Рис. 2. Зависимость коэффициента диффузионной проницаемости мембраны УПМ-100 Рд (м2-с-1) от исходной концентрации белофора ОЦД в растворе С (кг-м-3). Эксперимент - температура (К): 1 - 313, 3 - 305, 5 - 298, 7 - 293. Аппроксимация - температура (К): 2 - 313, 4 - 305, 6 - 298, 8 - 293
фора ОЦД, приведенных на рис. 2-3, показало, что погрешность расчета находится в допустимых пределах (± 15 %).
ВЫВОДЫ
Проведены экспериментальные исследования диффузионной проницаемости различных типов промышленных мембран при разделении модельных растворов белофора ОЦД с учетом влияния на них концентрации и температуры раствора. Установлено, что с повышением температуры раствора белофора ОЦД диффузионная проницаемость всех исследованных мембран увеличивается. Для всех исследованных мембран с увеличением концентрации белофора ОЦД диффузионная проницаемость падает. Таким образом, полученные в результате проведенных экспериментов данные могут использоваться в качестве рекомендаций при разработке систем обезжелезивания на основе мембранной ультрафильтрации.
ЛИТЕРАТУРА
Рис. 3. Зависимость коэффициента диффузионной проницаемости мембраны УФМ-100 Рд (м2-с-1) от исходной концентрации белофора ОЦД в растворе С (кг-м-3). Эксперимент - температура (К): 1 - 313, 3 - 305, 5 - 298, 7 - 293. Аппроксимация - температура (К): 2 - 313, 4 - 305, 6 - 298, 8 - 293
1. Дытнерский Ю.И. Мембранные процессы разделения жидких смесей. М.: Химия, 1975. 252 с.
2. Первов А.Г., Мотовилова Н.Б., Андрианов А.П. Ультрафильтрация - технология будущего // Водоснабжение и сантехника. 2001. № 9.
3. Лазарев С.И., Коробов В.Б., Коновалов В.И. Исследование диффузионной и осмотической проницаемости полимерных мембран. Тамбов, 1989. 12 с. Деп. ОНИИТЭХИМ 21.08.1989. № 807-хп 89.
4. Николаев Н.И. Диффузия в мембранах. М.: Химия, 1980. 232 с.
5. Laine J.-M., VialD., MoulartP. Status after 10 years of operation - overview of UF technology today // Proc. of the Conf. on Membranes in Drinking and Industrial Water Production (Paris, 3-6 October). 2000. V. 1.
БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при поддержке целевой федеральной программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг.
Поступила в редакцию 3 марта 2012 г.
всех исследованных мембран увеличивается, что соответствует общепринятым представлениям [4]. С увеличением температуры вязкость растворов несколько падает, и также происходит разрушение объемных структур раствора диффузионных и пограничных слоев мембраны, что, в свою очередь, тоже влияет на увеличение диффузионной проницаемости мембран [5].
Сравнение экспериментальных и расчетных значений диффузионной проницаемости раствора бело-
Bogomolov V.Yu., Vyazov S.A., Lazarev S.I. DIFFUSION PENETRATION OF POLYMER MEMBRANE IN WATER SOLUTIONS OF BELOFOR OTSD
The research results of diffusion penetration of ultra-violet membranes UPM-100 and UFM-100 are given. The dependencies of diffusion penetration coefficients of these membranes from concentrations and temperatures in water solutions of belofor OTSD are revealed.
Key words: membrane; diffusion penetration.
