Исследование массопереноса при обратноосмотическом разделении растворов электролитов Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 66.081.63 С. И. Анисимов

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125047, Москва, Миусская площадь, дом 9 e-mail: [email protected]

ИССЛЕДОВАНИЕ МАССОПЕРЕНОСА ПРИ ОБРАТНООСМОТИЧЕСКОМ РАЗДЕЛЕНИИ РАСТВОРОВ ЭЛЕКТРОЛИТОВ

Приведены результаты исследования коэффициентов переноса четырех электролитов через обратноосмотическую мембрану. Представлена аппроксимация зависимостей коэффициентов переноса от концентрации электролита у поверхности мембраны со стороны разделяемого раствора. Показано взаимное влияние электролитов на коэффициенты переноса в трехкомпонентном растворе.

Ключевые слова: обратный осмос, коэффициент переноса,

1) Введение. Двухступенчатый обратный осмос, в силу относительной простоты аппаратурного оформления и автоматизации, широко применяют для получения воды очищенной в фармацевтической промышленности и медицине. При обессоливании питьевой воды с исходной концентрацией 200-900 мг/л, селективность первой ступени обратного осмоса может достигать R1=99,5% и выше. Однако, при обессоливании пермеата на второй ступени обратного осмоса селективность мембран падает до R2=40-50%. Электропроводность пермеата второй ступени не всегда соответствует требованиям к воде очищенной - (4,3 мкСм/см). Для дальнейшего снижения электропроводности воды применяют ионный обмен либо электродеионизацию, что значительно удорожает стоимость водоподготовки. Чтобы определить - требуется ли применять электродеионизацию/ионный обмен для получения воды очищенной, необходимо рассчитать селективность мембраны на второй ступени обратного осмоса. Так как исходная вода -многокомпонентный раствор, то необходимо использовать методы расчета селективности мембраны в многокомпонентном растворе. Существующие методики [1] не учитывают снижения селективности при низких концентрациях разделяемого раствора.

Для описания обратноосмотического разделения нами была использована модель Кедем-Качальского [2].

JV = LP (АР - (1 -ст)Дя-)

J Si = LSi (C3i _ C2i ) + JV°C3

(1) (2)

Где: JV и JSi - удельная производительность мембраны по пермеату (м3/м2с) и ьму электролиту (моль/м2с), соответственно; LP и LSi -коэффициенты переноса; АР - трансмембранное давление; С3ь С2 и Ал - концентрации и разница осмотических давлений со стороны разделяемого потока и пермеата; Си - концентрация разделяемого раствора; о- коэффициент Ставермана.

многокомпонентный раствор.

Селективность для i-го электролита рассчитывается по формуле:

Ъ = 1 -

C,

= 1 -

Js, C J

V

(3)

Коэффициент переноса LSi находят из уравнения (2) на основании экспериментальных значений JSi, С3 и С2р При минимальной доле отбора пермеата -Р/Б<0.05 можно принять, что С3~Сн.

2) Экспериментальная часть. С целью получения экспериментальных значений JSi, С3 и С2 была сконструирована установка, схема которой представлена на рисунке 1.

Рис. 1. Схема лабораторной установки: Б1 -циркуляционный бак, Ф1 - фильтр с фильтрующим элементом 5мкм из полипропилена, Н1 - насос высокого давления, ОО1 - аппарат с обратноосмотическим элементом 1812.

Циркуляционный бак оснащен мешалкой, устройствам термостатирования, с точностью 1°С. Исследования проводились на обратноосмотическом рулонном элементе с мембраной из ароматического полиамида TW30-1812-50 фирмы <^8шошс8» с паспортной селективностью 98%

В экспериментах использовались водные растворы следующих электролитов: №С1, Ка2804,

Caa2

и MgQ2. Количественный анализ

производился потенциометрическим методом по ионам Nа+, Ca +, О-, при измерении использовались регуляторы ионной силы. Анализ концентрации Mg производился комплексонометрическим методом [3] и методом фотометрии пламени. Концентрация SO4 - измерялась

турбодиметрическим методом с хлоридом бария [4]. 3) Обсуждение результатов эксперимента. Коэффициент переноса глубоко деионизованной воды при 25°С; ЛP=1-10ат составил LP =3,69±0,Ы0- м/сПа.Зависимость коэффициента переноса воды от температуры хорошо согласуется с уравнением Аррениуса:

Т Т т 298

Ь8, = Ь8, еХР

Е

aW

Я

1

298

Т

Л

V

(4)

Где: EaW - энергия активации проницания воды, R -универсальная газовая константа, Т - температура в К. Для исследуемой мембраны EaW =22.5±0,5КДж/моль.

По экспериментальным данным было установлено, что зависимости Jsi от ЛP при различных концентрациях соответствует уравнению (2). Для №0 был рассчитан коэффициент Ставермана о=0,984±0,021.

Зависимость коэффициента проницаемости Lsi от температуры описывалась уравнением Аррениуса -(4) с энергией активации переноса соли EaS=31.1±2.lКдж/моль.

На рисунке 2(а) показаны зависимости коэффициентов переноса исследуемых электролитов от концентрации при разделении бинарного раствора: электролит - вода. Из графика видно, что при низких концентрациях коэффициенты переноса

по исследуемым солям резко возрастают. Что объясняет наблюдаемое на практике понижение селективности. Кроме того, что в области низких концентраций снижается различие между коэффициентами проницаемости исследованных электролитов. Представленные экспериментальные зависимости Lsi=f(C3i) были аппроксимированы уравнением:

В

ь

298

С

С В1

'0 + ^ 3г

Вп

^ (5)

Установлено, что коэффициенты Bo и B] одинаковы для всех исследуемых солей и составляют соответственно: 1п(В0)=-22,3; B1=0,12. Значение коэффициента B2 зависит от конкретного электролита.

Значения коэффициента B2 для исследованных электролитов приведены в таблице 1.

Таблица 1. Коэффициенты аппроксимирующего

уравнения (5)

Электролит ша Mgа2 СаС12 Nа2SO4

ЬП^) 13.8 15.7 17.6 19.0

* При расчете используется С3 в размерности моль экв./дм3

На рисунке 2(б) показаны результаты эксперимента по обессоливанию трехкомпонентной смеси вода-CaQ2-NaCl (точки) и расчетные значения, полученные по формуле (5) (сплошные линии). Экспериментальные зависимости Lsi=f(C3i) для трехкомпонентного раствора оказались смещены относительно бинарного на некоторую систематическую величину (пунктирные линии).

о ш —г"* □

\р о с СзС1г

ю-(

10'

10*

10"3 10"2 10"1 С моль экв./дм3

С3., моль экв./дм3

10-' в)

ю-3

Ю-1

ЕС моль экв./дм3

Рис. 2. Зависимость коэффициентов переноса ряда электролитов: (а) от концентрации индивидуального электролита Са

при разделении бинарных растворов (электролит+вода); (б) от концентрации индивидуального электролита С3| (сплошные линии) при обессоливании смеси в соотношении 1:1 СаС12 и (точки, пунктирные линии); (в) от общей концентрации смеси ЕС31 при разделении раствора (см. пункт б); 1=25°С; рН=7; Р/Е<5%; С3/С1<1,05; точки -экспериментальные данные, линии - вид уравнения (5).

Это смещение происходит из-за того, что в уравнении (5) не учитывается взаимное влияние электролитов в многокомпонентном растворе. Для учета взаимного влияния электролитов необходимо в расчете коэффициента проницаемости использовать суммарную концентрацию ХС31 вместо индивидуальной С31:

L

298

IQ

- +

G ^ Г

B,

(6)

На рисунке 2(в) представлены те же зависимости, что и 2(б), но рассчитанные по формуле (6) в координатах Ь31 - ЕС31. Из графика видно, что смещение между экспериментальными

и расчетными точками графика практически отсутствуют. Тот же эффект наблюдался при исследовании смеси вода - КаС1 - Ка2Б04. 4) Выводы. В результате исследований массопереноса компонентов водного раствора через обратноосмотическую мембрану модуля TW30-1812-50 определены значения

коэффициента проницаемости воды,

коэффициента Ставермана и зависимости коэффициентов переноса 4-х электролитов от концентрации. Представленные аппроксимации позволяют рассчитать селективность мембраны в трехкомпонентном растворе.

Анисимов Сергей Игоревич аспирант кафедры мембранной технологии РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва

Литература

1. M.S. Hall, D.R. Lloyd, V.M. Starov Reverse osmosis of multicomponent electrolyte solutions Part II. Experimental verification// J. of Membrane Sci. -1997. Vol 128. -P. 39-53

2. Kedem O., Katchalsky A. A physical interpretation of the phenomenological coefficients of membrane permeability/ O. Kedem and A. Katchalsky// JGP. -1961. Vol 45. №1. -P. 143-179

3. ГОСТ 31954-2012 Вода питьевая. Методы определения жесткости. - Москва: национальные стандарты, -2007.

4. ГОСТ 31940-2012 Вода питьевая. Методы определения содержания сульфатов. - Москва: национальные стандарты, -2007.

Anisimov Sergei Igorevich

D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia. e-mail: mail [email protected]

STUDY OF MASS TRANSFER IN REVERSE OSMOSIS SEPARATION OF ELECTROLYTE SOLUTIONS

Abstract

The research results of four electrolytes transport coefficients through the reverse osmosis membrane were observed. Approximation dependences transport coefficients from electrolyte concentration at the membrane surface on the feed solution side are presented. Mutual influence electrolytes on the mass transport coefficient in three-component solutions are shown.

Key words: reverse osmosis, transport coefficient, multi-electrolyte solution.