Концентрирование водного раствора хлорида кальция и хлорида натрия методом обратного осмоса Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 661.333.36

КОНЦЕНТРИРОВАНИЕ ВОДНОГО РАСТВОРА ХЛОРИДА КАЛЬЦИЯ И ХЛОРИДА НАТРИЯ МЕТОДОМ ОБРАТНОГО ОСМОСА

© Л. Р. Курбангалеева*, Р. Р. Даминев

Уфимский государственный нефтяной технический университет в г. Стерлитамаке Россия, Республика Башкортостан, 453118 г. Стерлитамак, пр. Октября, 2.

Тел./факс: +7(3473) 24 25 12.

E-mail: [email protected]

Приведены результаты исследований концентрирования раствора хлорида кальция и хлорида натрия методом обратного осмоса. Экспериментально определены эффективность очистки мембраны при различной концентрации хлорида кальция и хлорида натрия и коэффициент концентрирования данных растворов.

Ключевые слова: обратный осмос, пермеат, концентрат, мембрана, концентрирование.

В настоящее время мембранные методы разделения находят все большее применение во многих отраслях промышленности. В работе [1] показана возможность использования процесса обратного осмоса для концентрирования различных растворов с получением полезных компонентов.

Обратный осмос - это непрерывный процесс молекулярного разделения растворов путем их фильтрования под давлением через полупроницаемые мембраны, задерживающие полностью или частично молекулы либо ионы растворенного вещества.

К преимуществам обратного осмоса можно отнести: возможность проведения процесса при комнатной температуре; простоту аппаратного оформления; возможность автоматизации работающей установки.

К недостаткам мембранных методов можно отнести: возникновение явления концентрационной поляризации, которое заключается в росте концентрации растворенного вещества у поверхности мембраны; проведение процесса при повышенных давлениях, что вызывает необходимость специальной уплотненной аппаратуры [2].

Исследования, проведенные на лабораторных и полупромышленных установках [3-5], указывает на перспективность этого метода. В результате очистки сточных вод обратным осмосом получается очищенная вода и вода обогащенная растворенным веществом.

Основой любого мембранного процесса является полупроницаемая мембрана. В последнее время широкое применение находят тонкопленочные композитные мембраны, состоящие из нескольких слоев. Конструкция мембранных элементов включают три слоя: ультратонкий барьерный слой из полиамида, микропористый полисульфоновый слой и высокопрочную полиэфирную основу. Полиамидный барьерный слой хорошо пропускает воду, задерживая при этом минеральные соли, и обладает высокой химической стойкостью, а полисульфоновый средний слой обладает необходимой прочностью, предотвращающей повреждение мембраны под воздействием значительных перепадов давления [6].

Целью настоящей работы явилось изучение использования метода обратного осмоса для концентрирования минерализованных растворов хлорида

кальция и хлорида натрия, которые составляют основную часть дистиллерной жидкости - основного отхода производства кальцинированной соды.

Экспериментальная часть

Концентрирование растворов проводили на лабораторной установке, состоящей из патрона с мембранным фильтром, насоса, расходомеров, манометра, запорной и регулирующей арматуры, емкостей для исходного раствора, концентрата и пермеата (рис. 1). Использовали мембрану марки ЭРО-100-1600, проницаемость мембраны составляла 400 л/м2 • час -1. Выбор данной мембраны основан на том, что она задерживает минеральные соли, обладает высокой химической стойкостью, прочностью, возможность работы при высоких давлениях до 15 атм.

Одним из основных факторов процесса является давление, определяющих производительность установок обратного осмоса. Только при приложении давления выше осмотического (равновесного) осуществляется перенос растворителя в обратном направлении (по сравнению с обычным осмотическим переносом) - от раствора к чистому растворителю через мембрану и обеспечивается достаточная селективность. Для проведения данного способа проведен расчет осмотического давления растворов по следующей формуле:

р = у с ■ Я ■ Т (1)

осм 1

где р. - осмотическое давление исследуемой жидкости, Па; С, - концентрация компонента, моль/м3; Я - универсальная газовая постоянная, равная 8.31 Дж/моль;

Т - температура проведения процесса, К.

Осветленная часть дистиллерной жидкости представляет собой высокоминерализованный раствор, принадлежащий к хлоридно-натриево-кальциевому типу вод с массовой концентрацией хлорида кальция - 120 г/л, хлорида натрия - 50 г/л [7]. При таком солесодержании жидкости для проведения мембранного разделения ионов необходимо создать 80-85 атм. В лабораторных условиях нет возможностей создание такого давления для проведения обратного осмоса. Поэтому для изучения процессов концентрирования методом обратного осмоса исходную дистиллерную жидкость разбавляли дистиллированной водой в соотношении 1:9; 1:7; 1:6 по объему.

* автор, ответственный за переписку

ISSN 1998-4812

Вестник Башкирского университета. 2012. Т. 17. №2

907

Рис. 1. Схема лабораторной установки с обратноосмотическим мембранным модулем. А -кран концентрата, Б - кран фильтрата, В- кран на входе в фильтр, Г - кран рециркуляции потока, 1 - манометр, 2 - расходомер, 3 - насос, 4 - тонкопленочный композитный мембранный фильтр.

Качество концентрирования данных растворов оценивали по значениям массовых концентраций ионов кальция, натрия и хлорид-ионов в исходной воде, концентрате и фильтрате (пермеат). Содержание ионов кальция определяли трилонометриче-ским методом, хлорид-ионов - меркуриметриче-ским методом, натрия - атомно-абсорбционным методом. Также прослеживали водородный показатель в растворах потенциометрическим методом.

Результаты и обсуждение Результаты экспериментов по осмотическому концентрированию растворов хлорида кальция и хлорида натрия представлены в табл. 1.

С помощью мембран удается концентрировать растворы хлорида кальция и хлорида натрия, причем коэффициент концентрирования (К^) ионов кальция, натрия и хлорид-ионов, выраженная как отношение концентраций в концентрате и исходных растворах для данных мембран составило 3.02^3.50.

Большое значение имеет селективность мембраны (ф, %) , определяющая эффективность очистки сточной воды, которая определяется по формуле:

(р =

С, - С2 С1

100

(2)

где : С1 - концентрация вещества в исходном растворе; С2 - концентрация вещества в фильтрате.

Таблица 1

Результаты исследований по концентрированию растворов

Наименование пробы Рабочее давле- ние показатели Кс - коэффициент концентрирования

Водородный показатель Масс.конц. хлорид- ионов Масс.конц. ионов кальция Масс.конц. ионов натрия

атм ед. рН мг/л мг/л мг/л

Исходная дистиллерная жидкость, разб. с дист.водой по объему, в соотношении 1:9 8.7 11.04 12400 4790 2667 3.1

Концентрат 10.9 38440 14840 8267

Пермеат 6.7 210 74 98

Исходная дистиллерная жидкость, разб. с дист.водой по объему, в соотношении 1:7 11.0 11.04 15940 6158 3442 3.2

Концентрат 10.9 51008 19707 11017

Пермеат 7.3 320 85 123

Исходная дистиллерная жидкость, разб. с дист.водой по объему, в соотношении 1:6 13.5 11.04 18600 7185 4016 3.02

Концентрат 10.9 55800 21555 12310

Пермеат 6.8 350 85 95

Таблица 2

Эффективность очистки по компонентам

Наименование компонентов Массовая концентрация в исходной воде, мг/л Массовая концентрация в пермеате, мг/л ф, %

Исходная дистиллерная жидкость, разб. с дист. водой по объему, в соотношении 1:9

Хлорид -ионы 12400 210 98.3

Ионы кальция 4790 98.4 98.4

Ионы натрия 2667 98 96.3

Исходная дистиллерная жидкость, разб. с дист. водой по объему, в соотношении 1:7

Хлорид -ионы 15940 320 97.9

Ионы кальция 6158 98.6 98.6

Ионы натрия 3442 96.4 96.4

Исходная дистиллерная жидкость, разб. с дист. водой по объему, в соотношении 1:6

Хлорид -ионы 18600 350 98.1

Ионы кальция 7185 85 98.8

Ионы натрия 12310 95 96.4

В табл. 2 приведены результаты эффективности очистки по компонентам.

Как видно из представленных данных табл. 2, очистка от хлорид ионов в среднем составляет 98.1%, от ионов кальция - 98.6%. от ионов натрия 96.4%.

Выводы

1. Установлено, что обратноосмотические мембраны марки ЭРО - 100-1600 имеют селективность к кальций, натрий, хлорид -ионам. На установке достигнута очистка минерализованных стоков от хлорид-ионов 98.04%; от ионов кальция -98.8%, от ионов натрия - 96.4%.

2. Происходит концентрирование ионов кальция, натрия и хлорид-ионов из растворов, коэффициент концентрирования составляет в среднем 3.02^3.50, таким образом, обратный осмос может быть использован для получения концентратов хлорида кальция и хлорида натрия.

ЛИТЕРАТУРА

1. Карелин Ф. Н. Обессоливание воды обратным осмосом. М.: Стройиздат, 1988. 208 с.

2. Тимашев С. Ф. Физикохимия мембранных процессов. М.: Химия, 1988. 240 с.

3. Дытнерский Ю. И. Мембранные процессы разделения жидких смесей. М.: Химия, 1975. 232 с.

4. Дытнерский Ю. И., Кочаров Р. Г. Б., Добровольский А. А. Очистка сточных вод обратным осмосом и ультрафильтрацией. М.: изд. НИИТЭХИМ, 1973. 22 с.

5. Дытнерский Ю. И. Семенов В. П., Кожин В. В. и др. Очистка сточных вод целлюлозно-бумажной промышленности обратным осмосом и ультрафильтрацией М.: изд. ВНИПИЭИлеспром, 1973, 42 с.

6. Высоцкий С. П., Ковальчик М. В., Анализ параметров работы мембранного оборудования разных производителей. иЯЬ: http://www.adi.donntu.edu.ua

7. Кузнецов Д. А. и др. Общая химическая технология. Под ред. И. Э. Фурмер, М.: Высшая школа, 1970. 344 с.

Поступила в редакцию 25.01.2012 г. После доработки - 22.05.2012 г.