CC BY
71
УДК 628.543.142
И. А. Храмова(асп.), М. В. Шулаев (к.т.н., доц.), В. М. Емельянов (д.т.н., проф., заф. каф.)
Исследование мембранной очистки сточных вод с использованием материала отработанных пожарных рукавов
Казанский государственный технологический университет, 420015, Казань, ул. К. Маркса, 68, кафедра химической кибернетики, тел. (факс) 8(843)2314010, e-mail: [email protected]
I. A. Khramova, M. V. Shulaev, V. M. Emelianov
Research of membranous waste water treatment with application of the material of the used fire hoses
Kazan State Technological University, Department of Chemical Cybernetic, 68, Karl Marx str. Kazan, 420015, Russia, tel. (fax) 8(843)2314010, e-mail: [email protected]
Разработан аппарат для проведения лабораторных исследований по мембранной очистке сточных вод (СВ). Исследована возможность использования отработанных пожарных рукавов для мембранной очистки СВ от смазочно-ох-лаждающих жидкостей (СОЖ). Показано, что материал пожарного рукава может использоваться для очистки сточных вод от СОЖ.
Ключевые слова: конверсия; мембрана; мембранная очистка; пермеат; регенерация; сточные воды; смазочно-охлаждающие жидкости.
По причине огромного разнообразия промышленных объектов и индивидуального состава каждого объекта типовых решений систем очистки сточных вод не существует. Однако общее требование к этой проблеме следующее — максимальная локализация установок водоочистки на местах образования стоков для возврата очищенной воды и ценных компонентов в повторное использование. Главное преимущество мембранных процессов очистки стоков перед любой другой технологией — без-реагентность, что и позволяет удовлетворить это требование, а также повторное использование очищенных сточных вод в качестве полноценного ресурса '.
Использование мембран сейчас идет чрезвычайно интенсивно — технологии упрощаются, совершенствуются аппараты и установки, расширяются области применения, для каждого типа воды и для каждого случая применения мембран разрабатывается собственный технологический процесс. В зависимости от размеров пор мембран и необходимости задерживать те или иные загрязнения, используют различные типы мембранных технологий. Применение стандартизированных мембран-
Дата поступления 30.11.09
Башкирский химический журнал. 2009. Том 16. Жо 4
The device in developed for carrying out of laboratory researches on membranous treatment of waste water. Possibility of application of the used fire hoses has investigated for membranous separation of waste water from the cutting emulsion. It is shown that the material of the fire hoses can be used for waste water from the cutting emulsion.
Key words: COD; conversion; cutting emulsion; membrane; membranous treatment; permeate; regeneration; waste water,.
ных аппаратов дает возможность создавать
модульные системы различной производитель-2
ности и назначения 2.
Поэтому усовершенствование способов очистки: изучение областей применения мембран, разработка современных конструкций мембранных аппаратов и схем установок является актуальной задачей.
Материалы и методы
В настоящей работе нами была изучена возможность использования мембранной очистки для специфичных загрязнений сточных вод. Сначала мембранные технологии использовались только в научных областях, что достаточно типично для процесса внедрения инноваций. Обострение экологических проблем и рост цен на энергоносители сделали возможным применение мембранных технологий в водоподготовке для энергетических объектов, водоснабжении, очистке промышленных и бытовых стоков.
Нами был разработан и спроектирован мембранный модуль для проведения научных лабораторных исследований по очистке сточных вод .
Мембранный модуль представляет собой плоскорамный мембранный аппарат, выполненный на основе проведенных расчетов. Аппарат предназначен для очистки сточных вод от различных загрязняющих веществ в лабораторных условиях. Он имеет цилиндрическую форму с диаметром 100 мм и общей высотой 335 мм, изготовлен из нержавеющей стали Х18Н10Т (ГОСТ 5632-72), что обусловлено использованием аппарата для обработки агрессивных сред. Толщина обечайки аппарата составляет 2 мм. В нем могут использоваться различные типы плоских мембран, выбор которых зависит от типа загрязняющих веществ.
Аппарат имеет приварной фланец с плоской гладкой поверхностью. Материал используемых прокладок — резина.
В модуле используется фронтальный тип подачи воды, т. е. поток поступает перпендикулярно поверхности фильтрации. Загрязненная вода подается в аппарат через штуцер диаметром 15 мм, затем проходит через мембранную поверхность, расположенную на жесткой подложке — металлической сетке, для выхода очищенной воды предназначен второй штуцер, диаметр которого также равен 15 мм. Температура воды, поступающей в аппарат, составляет 20±5 оС, рН может варьироваться в широких пределах. Разработанный нами экспериментальный мембранный модуль работает под налив, в периодическом режиме, максимально возможное внутреннее избыточное давление аппарата составляет 10 атм. Рабочее давление 3— 3.5 атм создавалось воздушным компрессором.
Мембранный модуль, являющийся экспериментальной разработкой, имеет один фильтрующий элемент. Для увеличения эффективности возможна установка нескольких фильтрующих элементов, а также включение нескольких мембранных модулей в технологическую схему. В таком аппарате можно проводить совместную очистку от нескольких типов загрязнений, что обеспечивается параметрами материала мембран. Кроме того, возможно совмещение нескольких типов очистки.
В качестве объекта исследований была выбрана СВ, отобранная для эксперимента непосредственно с централизованной системы сбора отработанной СОЖ механического цеха одного из предприятий г.Казани, представляющая собой мутную гетерогенную жидкость серо-черного цвета, которая при отстаивании расслаивалась на 3 слоя, значение ХПК варьировалось. Подобный выбор обусловлен тем, что СОЖ являются распространенными отходами, так как на территории г. Казани распо-
лагаются различные промышленные предприятия. Кроме того, отработанные смазочно-ох-лаждающие масла для механической обработки, согласно Федеральному классификационному каталогу отходов, относятся к 3 классу опасности, поэтому очистка СВ предприятий от СОЖ является актуальной задачей.
На данном промышленном производстве используются водоэмульсионная СОЖ, содержащая Эмульсол Т (ТУ 6-14-254-87). Эмульсионные СОЖ содержат до 5—7 % эмульсола и 93—95% воды. Эмульсол, в свою очередь, состоит из минеральных масел, поверхностно-активных веществ (ПАВ), ингибиторов коррозии, антимикробных присадок, пеногасителей, смачивателей, противозадирных присадок и др.
Концентрацию загрязняющих веществ в СВ определяли титриметрическим методом-по значению показателя ХПК, который показывает общую загрязненность сточной воды. Данный метод основан на окислении органических веществ избытком бихромата калия в растворе серной кислоты при нагревании в присутствии катализатора — сульфата серебра. Остаток бихромата калия находят титрованием раствором соли Мора и по разности определяют количество К2Сг2О7, израсходованное на окисление органических веществ 3.
Разделяющую способность мембран принято характеризовать значением селективности И 4:
ХПКСВ - ХПК
^ _ _СВ_пермеата ^ 100%
" ХПКсв 0
Результаты и обсуждение
В качестве мембранных элементов использовались мембраны ЗАО «Владисарт» ФМПЭС—50 кДа, в качестве экспериментального плоского мембранного фильтра впервые было предложено использовать отработанный льняной материал гибкого трубопровода напорного пожарного рукава Универсал (диаметром 51 мм), для чего этот материал был отделен от резиновой камеры, и бумага подпергамент, ГОСТ 1760-86, ТУ 5434-00152162999-2000, марки П, жиростойкая без поверхностной обработки. Область применения — пищевая промышленность.
Первая серия экспериментов представлена в табл. 1. Мембранный элемент — мембраны ФМПЭС—50 кДа, изготовленные из поли-эфирсульфона. Начальное значение ХПК сточной воды было различным. Объем подаваемой сточной воды — 1 л (вместимость мембранного модуля).
Молекулярная масса СОЖ составляет около 10000—15000, а потому мембраны данного типа размером 50 кДа не подходят для полноценной очистки СВ, содержащих СОЖ, что и показывают результаты проведенных исследований. При начальных значениях ХПК около 4000 мг/дм3 селективность процесса мембранного разделения составляет около 15%, тогда как при уменьшении начальной концентрации до 1500 мг/дм3 селективность данного процесса повышается и составляет в среднем 55%, что связано с тем, что при меньшей концентрации СОЖ в СВ, она лучше в ней растворяется. Данный тип мембран лишь позволяет отделить минеральное масло от остальных компонентов СОЖ, не обеспечивая необходимой степени очистки и, следовательно, в дальнейшем их необходимо заменить на мембраны с меньшим размером пор. Кроме того, материал мембраны является непрочным и требует дополнительного слоя подложки, предотвращающего механическое повреждение материала мембраны о металлическую сетку.
Вторая серия экспериментов представлена в табл. 2. Мембранный элемент — материал пожарного рукава. Начальное значение ХПК сточной воды было различным. Объем подаваемой сточной воды также составлял 1 л.
Как показывают результаты данной серии экспериментов, материал отработанного пожарного рукава может быть использован в качестве мембранного элемента, он проявил себя лучше в сравнении с мембранным элементом ФМПЭС—50 кДа, но все же показатели селективности невысоки. Кроме того, полученные результаты свидетельствуют о том, что при пропускании СВ, содержащих СОЖ, через данный фильтрующий элемент, происхо-
дит постепенное его забивание, и селективность процесса постепенно падает с 56 до 34%. Тем не менее, предлагается использовать в дальнейшем этот материал либо для предварительной очистки сточных вод от СОЖ, либо в качестве подложки, что должно обеспечить увеличение селективности процесса разделения.
Третья серия экспериментов представлена в табл. 3. Мембранный элемент — материал пожарного рукава в сочетании с бумагой под-пергамент. Начальное значение ХПК сточной воды было различным. Объем подаваемой сточной воды 1 л.
Для предотвращения быстрого забивания материала отработанного пожарного рукава в данной серии экспериментов в качестве дополнительного слоя была использована бумага подпергамент. Как и прогнозировалось ранее, селективность очистки возросла и составила 74—99 % в зависимости от начального значения ХПК сточной воды. Кроме того, в данной серии экспериментов удалось собрать концентрат со значением ХПК от 5000 до 33000 мг/дм3, благодаря гидрофобным свойствам бумаги подперга-мент. В дальнейшем этот концентрат планируется утилизировать биологическим методом с помощью анаэробных микроорганизмов.
Четвертая серия экспериментов представлена в табл. 4. Мембранный элемент — материал пожарного рукава в сочетании с бумагой подпергамент. Начальное значение ХПК сточной воды было одинаковым. Объем подаваемой сточной воды — 1 л (вместимость мембранного модуля).
В данной серии экспериментов был использован материал отработанного пожарного рукава после предыдущих процессов мембранного разделения, предварительно подвергну-
Таблица 1
Мембранная очистка СВ от СОЖ на мембране ФМПЭС-50 кДа
Опыт №1 Опыт № 2 Опыт №3 Опыт № 4
исходная СВ пермеат исходная СВ пермеат исходная СВ пермеат исходная СВ пермеат
ХПК нач, мг/дм3 ХПК, мг/дм3 ХПК нач, мг/дм3 ХПК, мг/дм3 ХПК нач, мг/дм3 ХПК, мг/дм3 ХПК нач, мг/дм3 ХПК, мг/дм3
4000 3200 3800 3200 1400 600 1400 600
4000 3400 3800 3400 1600 800 1200 400
Р % 17.5 13.2 53.3 61.5
Таблица 2
Мембранная очистка СВ от СОЖ на мембране из материала отработанного
напорного пожарного рукава
Опыт №1 Опыт № 2 Опыт №3 Опыт № 4
исходная СВ пермеат исходная СВ пермеат исходная СВ пермеат исходная СВ пермеат
ХПК нач, ХПК, ХПК нач, ХПК, ХПК нач, ХПК, ХПК нач, ХПК,
мг/дм3 мг/дм3 мг/дм3 мг/дм3 мг/дм3 мг/дм3 мг/дм3 мг/дм3
4000 1800 3600 1800 3200 2200 3400 2200
3800 1600 3600 1800 3000 1800 3600 2400
Р % 56.4 50.0 35.5 34.3
Таблица 3
Мембранная очистка СВ от СОЖ на мембране из материала отработанного напорного
пожарного рукава с бумагой подпергамент
Опыт №1 Опыт №2 Опыт №3
исходная СВ пермеат концентрат исходная СВ пермеат концентрат исходная СВ пермеат концентрат
ХПК нач, мг/дм3 ХПК, мг/дм3 ХПК, мг/дм3 ХПК нач, мг/дм3 ХПК, мг/дм3 ХПК, мг/дм3 ХПК нач, мг/дм3 ХПК, мг/дм3 ХПК, мг/дм3
7600 2000 34000 3400 400 16000 3000 200 16000
7200 1800 32000 3200 400 16000 2800 0 15200
R, % 74.3 87.9 96.6
Опыт №4 Опыт №5
исходная СВ пермеат концентрат исходная СВ пермеат концентрат
ХПК нач, мг/дм3 ХПК, мг/дм3 ХПК, мг/дм3 ХПК нач, мг/дм3 ХПК, мг/дм3 ХПК, мг/дм3
2200 0 9600 1200 100 5200
1800 0 10400 1400 0 4600
R, 0%о 100.0 96.2
Таблица 4
Мембранная очистка СВ от СОЖ на мембране из материала отработанного напорного пожарного рукава после терморегенерации с бумагой подпергамент
Опыт №1 Опыт №2 Опыт №3
исходная СВ пермеат1 концентрат 1 пермеат 2 концентрат 2 пермеат 3 концентрат 3
ХПК нач, мг/дм3 ХПК, мг/дм3 ХПК, мг/дм3 ХПК, мг/дм3 ХПК, мг/дм3 ХПК, мг/дм3 ХПК, мг/дм3
2200 400 20500 400 24000 400 24000
1800 200 20500 400 22000 400 22000
R, % 85.0 80.0 80.0
тый термической регенерации при температуре 150 оС в течение 1—3 ч. Регенерация мембран, скорее всего, происходит в результате того, что часть компонентов СОЖ легко сжигается в процессе термообработки (поэтому при регенерации мембранных элементов нужно предусмотреть газоотвод), другая часть загрязнений адсорбируется, спекается на поверхности мембраны, за счет чего происходит уменьшение размера пор.
В этой серии экспериментов использовалась СВ с постоянным значением ХПК 2000 мг/дм3 для подтверждения полученных ранее результатов. Селективность очистки составила 80%, значение ХПК пермеата или очищенной воды 400 мг/дм3.
Таким образом, проведенные лабораторные исследования подтверждают, что материал отработанного напорного пожарного рукава действительно можно использовать в качестве
подложки для улучшения показателей селективности процесса мембранного разделения. Использование этого материала позволяет решить важную экологическую задачу и создать малоотходное производство: повторное использование отходов, сохранение сырья и очистка воды.
Литература
1. // Eau, ind., nuisances.— 2003.— № 262.— P. 45.
2. Первов, А. Г. Мембранные технологии очистки воды / А. Г. Первов, Л. А. Телитченко // Экология производства.— 2005.— № 11.— С. 70.
3. Лурье Ю. Ю. Аналитическая химия промышленных сточных вод.— М.: Химия, 1984.— 448 с.
4. Мулдер М. Введение в мембранную технологию: Пер. с англ.- М.: Мир, 1999.- 513 с.
