CC BY
44
УДК 687,55
А. В. Локарев, В. В. Потапов, А. В. Канарский КОНЦЕНТРИРОВАНИЕ СОЛЕЙ ГИДРОТЕРМАЛЬНЫХ ВОД МЕТОДОМ ОБРАТНОГО ОСМОСА
Ключевые слова: гидротермальный раствор, обратный осмос, мембранное концентрирование, характеристики
концентрата.
Выполнены эксперименты по мембранному обратноосмотическому концентрированию гидротермального раствора Паратунского месторождения подземных теплоэнергетических вод. Определены концентрации полезных химических компонентов в исходном растворе и концентрате. Показано, что общее солесодержание концентрата, определяющее направления его медикобиологического применения, может быть повышено мембранным концентрированием в 4 - 5 раз по сравнению с исходным растворов.
Key words: hydrothermal solution, reverse osmosis, membrane concentration, concentrate characteristics.
Experiments on membrane reverse-osmotic concentration of a hydrothermal solution of the Pauzhetskoye deposit of underground heat-energy water have been performed. The concentration of useful chemical components in the initial solution and concentrate was determined. It is shown that the total salt content of the concentrate, which determines the directions of its medicobiological application, can be increased by 4 - 5 times membrane concentration in comparison with the initial solution.
Введение
Косметические средства на основе воды из термального источника благоприятно действует на ко-жу[1, 2]. Она обладает увлажняющими, разглаживающими и очищающими свойствами. Маски и спреи избавляют сухую кожу от мимических морщин, сужают поры, защищают от воспалений. Особенно интересны в этом отношении азотно-кремнистые термальные воды широко распространенные на Дальнем Востоке и Камчатке [3,4]. Даже минимальные дозы кремниевой кислоты обеспечивают регенерирующее действие на кожу [5].
Вода в Верхне-Паратунских термальных источниках на Камчатке обладает целебными свойствами и представляет интерес для медицины человека и ветеринарной медицины. Вода — хлоридно-сульфатная, кальциево-натриевая, умеренно кремнистая (до 45 мг/л) с общей минерализацией около 1 г/л и содержанием мышьяка около 0,3 мг/л [6]. Уникальная концентрация минеральных элементов и солей делает воду хорошим средством для ухода за кожей. Она находится в полном осмотическом равновесии с клетками эпидермиса и их естественной средой [7]. Вода прошла испытания, подтвердившие её омолаживающий, увлажняющий, освежающий эффект и прекрасную переносимость [8].
Однако отсутствие нужной промышленной базы и удаленность источников от основных рынков сбыта требует транспортировки воды на большие расстояния, что приводит к существенному удорожанию конечной продукции. В этой связи весьма актуален поиск способов концентрирования воды термальных источников без потери их целебных свойств [10-16].
Цель настоящих исследований: определение целесообразности использования метода обратного осмоса для концентрирования солей в воде термальных источников.
Материалы и методы
В эксперименте использовали баромембранную обратноосмотическую установку. Схема установки представлена на рис. 1. Установка состоит из
центробежного насоса, обратноосмотического мембранного фильтра из тонкопленочного композита, емкостей для исходной воды и фильтрата.
Подача исходной
среды
Рис. 1 - Схема обратноосмотической установки: 1 - полиэтиленовая емкость с исходной водой; 2 - центробежный насос; 3 - обратноосмотический фильтр-патрон; 4 - полиэтиленовая емкость с фильтратом.
Характеристика, использованных в
экспериментах обратноосмотических элементов рулонного типа Desal®TFM представлена в табл. 1.
Таблица 1 - Характеристика
обратноосмотических фильтрующих элементов
Назначение фильтрующих элементов Высокоэффективная очистка питьевой воды
Рабочее давление, бар 4 -5
Максимальное рабочее давление, бар 17
Максимальная температура, °С 35
рН фильтруемой жидкости 4 -11
Фильтрующая 2 поверхность, м 0,3
Размер пор в полупроницаемой мембране, мкм 0,001 - 0,0001
Схема спиральной укладки полупроницаемых мембран показана на рисунке 2.
Рис. 2 - Схема спиральной укладки мембранного слоя в обратноосмотическом фильтрующем элементе: 1 - мембранный слой; 2 - дренажный слой для отвода фильтрата; 3 - перфорированная труба для отвода фильтрата; 4 - слой для отвода концентрата
Геометрические размеры рулонного мембранного элемента представлены на рисунке. 3 и таблице 2.
Рис. 3 - Геометрические размеры рулонного мембранного элемента
Таблица 2 - Размеры обратноосмотического мембранного элемента
Модель A, мм B, мм C, мм D, мм E, мм
TFM-50 45,7 298,5 254,0 22,2 17,2
Исходной водой в эксперименте была вода гидротермальной скважины Паратунского месторождения теплоэнергетических подземных вод (южная Камчатка). В исходной воде и после ее концентрирования определяли анионный состав: Ca2+, Mg2^ Cl-, K+, Na+, Fe2+, Fe3+, HCO3-, SO42-, H3SiO4- [7, 9]. Концентрацию катионов Na+, K+ определяли на атомно-адсорбционном
спектрофотометре, содержание кремнекислоты H4SiO4 - желто-молибдатным методом.
Эксперимент проводился в следующих условиях: t = 20 оС, общее солесодержание исходного раствора TDS = 1600 мг/кг, общий объем исходного раствора 50 л. В ходе эксперимента периодически производились замеры расходов фильтрата, солесодержания фильтрата (текущие и интегральные показатели) и концентрата, температуру концентрата, повышающуюся при нагреве (изменяющуюся в сторону нагрева,) за счет теплообмена раствора с
работающим насосом. Результаты эксперимента по концентрированию представлены в таблице 4.
Результаты исследований
В результате эксперимента получен концентрат паратунских гидротерм V-5^, TDS-9200ppm при 26 °C (при 20 °C TDS - 5840 ppm) и фильтрат V -44,2 л TDS - 480 ppm при 20 °C.
Характеристики концентрирования
представлены в таблице 3, данные по исходной воде и концентрату - в табл.4. Спустя двое суток концентрат был разделен в следствие выпадения осадка, отделен 1 литр концентрата с осадком, остальной объем концентрата был стабильным.
Таблица 3 - Влияние продолжительности фильтрации гидротермального раствора на общее содержание солей в концентрате и фильтрате (н/о) - определение не проводили
Продолж ительност ь Произв одител ьность TD Sфил TD S '-'кон TD ^.и TDSK.
фильтрац ии, час -мин по фильтр ату, л/ч мг/ кг ц, мг/ кг нт, мг/ кг инт, мг/кг
29 февраля
0-0 3 - 160 0 н\о н\о
1 ч 2,7 108 173 0 н\о н\о
2 ч 17 мин 2,7 114 226 0 н\о н\о
3 ч 37 мин 2,6 137 248 0 н\о н\о
5 ч 55 мин 2,5 157 360 0 н\о н\о
7 ч 30 мин 2,3 172 400 0 н\о н\о
8 ч 18 мин 2,22 200 500 0 н\о н\о
1 марта
0-0 1,35 260 553 0 490 н\о
1 ч 13 мин 1,35 280 670 0 660 н\о
3 ч 56 мин 0,96 340 760 0 960 н\о
4 ч 29 мин 0,78 340 840 0 153 0 н\о
6 ч 4 мин 0,7 460 870 0 178 0 н\о
2 Марта
0-0 0,75 805 860 0 111 0 8860
1 ч 33 мин 0,55 980 865 0 133 0 9000
2 ч 38 мин 0,39 112 0 880 0 160 0 9370
Таблица 4 - Характеристики исходного раствора и концентрата. ТDS (мг/кг) - общее солесодержание
Название элемента Исходный раствор Концентрат
Количество, (мг/дм3)/(мг. экв. /дм3) Количество, (мг/дм3)/(мг. экв. /дм3)
Са+2 12,5/250,5 3O/6O1,2
Мg+2 0/0 O,2S/3,O4
AL+3 0/0 O,O37/O,33
Fe+2 0/0 O/ менее O.2S
Fe+3 0/0 O/ менее O.2S
13,7/314,0 77,7/17S7
К+ 0,28/10,9 1,4^3^
Ж/ 0,01/0,2 O,O22/O,4
сумма 26,5/712,8 1O9,4/2446,O
СОз-2 0/0 O/O
ИСОз" 0,5/31,7 1^/91^
SO4"2 16/768 62/2976
СГ 8,03/248.7 2S/992.9
сумма 24,6/1084,5 91,S/4O6O,4
Н 3ВО 3 11,9 61,9
рИ 7,6 S,2
раствори мая 65,5 12S,O
2 общая 71,5 2SS,S
Электропр оводность (мСм/см) 0,649 9,26
Общее солесодер жание ТDS (мг/кг) 1600 SS4O
Выводы
Получен концентрат Паратунской
гидротермальной воды с содержанием солей, в 4 - 5 раз превышающим соответствующие содержания в исходной гидротермальной воде.
Литература
1. Коршунова О.В., Сафонова И.Н., Норина А.Е. Сравнительный анализ термальной воды применяемой для ухода
за кожей лица, Фармацевтические науки, Выпуск Август, С 153-155. (2016).
2. Интернет сайт о термальной воде [Электронный ре-cypc]//[web-caftr] http://www.aquathermae.net.
3. Куликов Г.В., Адилов В.Б., Жевлаков А.В. Районирование минеральных вод СССР. -Бюл. МОИП,отд.геол,. Т. 62, вып.3. С.100 - 105. (1987)
4. Завгорудько Т.И. Комплексное лечение детей с хроническими заболеваниями на азотно-кремнистых вода Дальнего Востока. Хабаровск: Изд. Дальневосточного гос. мед. унив. 300 С. (2002).
5. Завгорудько В.Н. Механизм лечебного действия азотно-кремнистых термальных вод. Хабаровск: Изд. Хабаровского мед. ин-та. С.10 - 22. (1993).
6. Шараевский Г.Ю., Барчуков В.Г., Белый Ю.Н., Саленко А.Н., Татевосян Л.Н. Лечебные эффекты термальных источников военного санатория «Паратунка». Военно-медицинский журнал. № 7. С. 29 - 33. (2000).
7. Ткаченко А.В., Лынова Е.Н., Дробышева О.М. Бальнеологические свойства термальных вод. Журнал «Здоровье и образование в XXI веке». Том 19, № 9, С. 122 - 124. (2017).
8. Электронный ресурс http://medlinpharm.ru/ann/ann_voda.html.
9. Резников А.А., Муликовская Е.П., Соколов И.Ю. Методы анализа природных вод. М.: Недра, 488 C. (1970).
10. Мулдер М. Введение в мембранную технологию. М.: Мир. 513 С. (1999).
11. Оки Р.В. Обработка промышленных стоков с помощью мембранных процессов, осуществляемых по давлением. В кн.: "Технологические процессы с применением мембран". Пер. с англ. Под редакцией Лэйси Р.Е., Лаеба С. М.: Мир. Глава 12. С. 270 - 301. (1976).
12. Лонсдейл Х.К. Теория и практика обратного осмоса и ультрафильтрации. В кн.: "Технологические процессы с применением мембран". Пер. с англ. Под редакцией Лэйси Р.Е., Лаеба С. М.: Мир. 1976. Глава 8. С. 131-196.
13. Хванг С.Т., Каммермейер К. Мембранные процессы разделения: Пер. с англ. Под ред. проф. Дытнерского Ю.И. - М.: Химия, 464 с. (1981).
14. Френкель В.С. Мембранные технологии: прошлое, настоящее и будущее (на примере Северной Америки). Водоснабжение и санитарная техника. № 8. С. 48 - 55. (2010).
15. Пантелеев А.А. Технологии мембранного разделения в промышленной водоподготовке. М.: ДеЛи плюс. 429 C. (2012).
16. Потапов В.В., Аллахвердов Г.Р., Сердан А.А., Мин Г.М., Кашутина И.А. Химическая технология. № 6.С. 14-22. (2008).
© А. В. Локарев - к.т.н, старший научный сотрудник, ведущий научный сотрудник ФГБНУ «Всероссийский научный и технологический институт биологической промышленности РАН», [email protected], В. В. Потапов - д.т.н., профессор, главный научный сотрудник, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Научно-исследовательский геотехнологический центр Дальневосточного отделения Российской академии наук, [email protected], А. В. Канарский -д.т.н., профессор, каф. пищевой биотехнологии, КНИТУ, [email protected].
© A V. Lokarev -PhD, senior researcher, leading researcher of FSBSI «All-Russian Scientific and Technological Institute of Biological Industry RAS», [email protected]; V. V. Potapov, doctor of technical Sciences, Professor, chief researcher of FSBSI «Institution of science research geotechnological center, far Eastern branch of the RAS», [email protected], A. V. Kanarskiy, Dr. Tech. Sci., professor, Department of Food Biotechnology, Kazan National Research Technological University, [email protected].
SO
