CC BY
28
УДК 66. 081. 6
ОБРАТНООСМОТИЧЕСКОЕ РАЗДЕЛЕНИЕ АНИЛИНОСОДЕРЖАЩИХ РАСТВОРОВ НА ИОННООБМЕННЫХ МЕМБРАНАХ МА-40 И МК-40
© С.И. Лазарев, В.Ю. Попов, А.Е. Стрельников, А.А. Ануфрьева
Ключевые слова: ионообменная мембрана; экспериментальная установка; удельный поток растворителя; коэффициент задержания.
В настоящей работе выполнены обратноосмотическое разделения анилиносодержащих растворов на ионнообменных мембранах МА-40 и МК-40. Получены кинетические кривые зависимости коэффициента задержания и удельного потока растворителя от времени проведения эксперимента.
Экспериментальные исследования по изучению технологических параметров мембран производились на экспериментальной установке плоскокамерного типа [1]. Схема данной установки изображена на рис. 1.
Экспериментальная установка функционирует следующим образом. Исходный раствор из расходной емкости (1) через систему вентилей высокого давления нагнетается плунжерным насосом НД 100/63 (2) в камеру разделения однокамерной ячейки плоскокамерного типа (3). После прохождения однокамерной ячейки (3), дросселей (4) и поплавковых ротаметров (5) разделяемый раствор по шлангу поступает обратно в расходную емкость (1). Для минимизации пульсаций давления и расхода разделяемого раствора в системе установлен ресивер (6), представляющий собой цилиндрический сосуд емкостью 3,5 л. Предварительно ресивер с помощью компрессора высокого давления (7) заполняется сжатым воздухом до давления, составляющего 30-40 % от рабочего. Давление в ресивере контролиро-
валось с помощью образцового манометра 16. Для контроля давления в системе перед разделительным модулем был установлен образцовый манометр (8). Элек-троконтактный манометр (9) с помощью реле отключает компрессор высокого давления (7) при превышении давления в системе выше заданного значения. Расход раствора задавался путем регулирования рабочего хода плунжерного насоса (2). Температура раствора в установке измерялась с помощью потенциометра (11), термометра (12) и поддерживалась на заданном уровне с помощью термостата (10). Регулирование напряжения и плотности тока в процессах электроультрафильтрации и электроосмофильтрации производилось с помощью блока питания (13). Жидкость, полученная в процессе разделения, собиралась в емкости (14). Для сброса давления в системе был установлен игольчатый вентиль (15). Трубопроводы, плунжер насоса, вентили, соприкасающиеся с разделяемым раствором, были изготовлены из нержавеющей стали.
Рис. 1. Схема экспериментальной установки по исследованию технологических параметров мембран
Таблица 1
Зависимость коэффициента задержания, коэффициента извлечения и удельного потока растворителя
от времени проведения эксперимента
Тип мембраны Сисх, кг/м3 т, с Спер, кг/м3 V, мл К Киз 7-10-6, м3/м2с
МА-40 1,35 1800 1,26 45 0,067 0,933 3,205
3600 1,32 88 0,022 0,978 3,134
5400 1,35 131 -0,023 1,023 3,110
7200 1,40 174 -0,061 1,061 3,098
9000 1,48 215 -0,121 1,121 3,063
10800 1,48 257 -0,121 1,121 3,051
1,62 1800 1,16 32 0,284 0,716 2,279
3600 1,48 64 0,086 0,914 2,279
5400 1,62 96 0 1,000 2,279
7200 1,80 119 -0,111 1,111 2,119
МК-40 1,25 1800 0,88 14 0,296 0,704 0,997
3600 0,90 28 0,280 0,720 0,997
5400 0,90 42 0,280 0,720 0,973
7200 0,90 56 0,280 0,720 0,979
9000 0,90 69 0,280 0,720 0,969
10800 0,90 82 0,280 0,720 0,962
1,35 1800 0,90 10 0,333 0,667 0,712
3600 0,70 20 0,481 0,519 0,712
5400 0,64 30 0,526 0,474 0,712
7200 0,62 40 0,541 0,459 0,712
9000 0,59 50 0,563 0,437 0,712
10800 0,59 60 0,563 0,437 0,712
1,4 1800 0,74 8 0,471 0,529 0,570
3600 0,71 19 0,493 0,507 0,677
5400 0,78 29 0,443 0,557 0,689
7200 0,84 41 0,400 0,600 0,73
9000 0,91 52 0,350 0,650 0,741
10800 0,97 63 0,307 0,693 0,748
Колебания давления и расхода в установке не превышали 5 % от установленных значений, а колебания температуры составили 1 °С.
Методика проведения экспериментальных исследований технологических параметров мембран состоит в следующем. Перед началом экспериментальных исследований производится сборка разделительного модуля, предварительно подготовленная мембрана располагается на подложке активным слоем к разделяемому раствору. Собранный разделительный модуль устанавливался на установку, показанную на рис. 1, и производилось его крепление. После этого задавался рабочий расход раствора установкой хода плунжера насоса (2) и производилось заполнение системы рабочим раствором V = 6-10-3 м3. Компрессором (7) нагнеталось давление в ресивере (6) до давления 30-40 % от рабочего давления при закрытом игольчатом вентиле (15). Далее включалась подача воды в систему промывки сальников и охлаждения плунжера насоса, полностью закрывались игольчатые дроссели (4) и производилось включение насоса. По мере роста избыточного давления в системе открывались перепускной игольчатый вентиль (15) и игольчатые дроссели (4) до тех пор, пока колебания стрелок манометров не устанавливалось около заданного значения давления. При этом производился контроль на наличие утечек раствора в разделительной ячейке (3). При электроультрафильтрации и электроосмофильтрации к электродам подводился электриче-
ский ток от блока питания (13). Раствор, прошедший через мембраны, собирался в емкости (14).
По данной методике проводился холостой опыт в течение 30 мин. По завершении опыта установка выключалась, с помощью игольчатого вентиля (15) производился сброс давления в системе, собранный раствор из емкостей (14) выливался в исходную емкость (1). Установка оставлялась на несколько часов. После выдержки раствор сливали из установки, тщательно перемешивали и заливали в исходную емкость (1) в объеме 6-10-3 м3. Затем по описанной выше методике запускали установку, при помощи термостата (10) и термометра (11) устанавливали заданный температурный режим и производили контрольный опыт в течение 4 ч. Пермеат, собранный в ходе контрольного опыта, из емкостей (14) возвращался в исходную емкость (1).
Рабочий опыт проводили в течение 30 мин., время фиксировалось секундомером. По завершении рабочего эксперимента установка приводилась к состоянию, соответствующему начальному этапу эксперимента. При необходимости проводился повторный рабочий эксперимент без контрольного.
Во время рабочего опыта данные о концентрации растворенных веществ в исходном растворе, пермеате и концентрате, объем концентрата, расход исходного раствора, давление, температура, напряжение и сила тока, время проведения опыта записывались в рабочий журнал.
На основе данных, полученных в ходе рабочего эксперимента, рассчитывались удельный поток растворителя 3, коэффициент задержания К и коэффициент извлечения Киз по следующим формулам.
Удельный поток растворителя
7 = V.,
где V - объем растворителя, прошедшего через мембрану; Fм - площадь мембраны; х - время проведения эксперимента.
Коэффициент задержания
С
К = 1 - пер С
исх
где Спер - концентрация растворенного вещества в пермеате, кг/м3; Сисх - концентрация растворенного вещества в исходном растворе, кг/м3.
Коэффициент извлечения
С
тг пер
Киз = ——.
В результате проведения экспериментальных исследований были получены данные по коэффициенту задержания, коэффициенту извлечения и удельному потоку растворителя от времени проведения эксперимента, которые представлены в табл. 1.
На рис. 2-4 приведены зависимости коэффициента задержания, коэффициента извлечения и удельного потока растворителя от времени проведения экспериментальных исследований по обратноосмотическому разделению анилиносодержащих растворов на ионообменных мембранах МА-40, МК-40. Коэффициент задержания, приведенный на рис. 2, с временем разделения анилиносодержащих растворов в основном уменьшается. Снижение коэффициента задержания объясняется процессами, происходящими в пограничном слое, а также диффузионными, осмотическими и конвективными явлениями массопереноса через ионнообменные мембраны МА-40, МК-40 [2-3].
Зависимости коэффициента извлечения обратноосмотического разделения анилиносодержащих растворов на ионнообменных мембранах МА-40, МК-40 приведены на рис. 3. На коэффициент извлечения влияют те же диффузионные, осмотические, конвективные и пограничные явления, что и на коэффициент задержания.
а) б)
Рис. 3. Зависимость коэффициента извлечения от времени разделения для мембран МА-40 (а, 1 - Сисх = 1,35 кг/м3; 2 - Сисх = = ,62 кг/м3) и МК-40 (б, 1 - Сисх = 1,25 кг/м3; 2 - Сисх = 1,35 кг/м3; 3 - Сисх = 1,40 кг/м3) в водном растворе анилина
Рис. 4. Зависимость удельного потока растворителя для мембран МА-40 (а, 1 - Сисх = 1,35 кг/м3; 2 - Сисх = 1,62 кг/м3) и МК-40 (б, 1 - Сисх = 1,25 кг/м3; 2 - Сисх = 1,35 кг/м3; 3 - Сисх = 1,40 кг/м3) от времени для водного раствора анилина
Анализируя кинетические зависимости удельного потока растворителя от времени можно отметить, что в основном с течением времени поток растворителя снижается. На это снижение влияют такие явления, как концентрационная поляризация, гелеобразование, осадкообразование и закономерности течения раствора через пористые тела.
ЛИТЕРАТУРА
1. Лазарев С.И. и др. // Известия вузов. Химия и химическая технология. 1993. Вып. 5. С. 76-80.
2. Богомолов В.Ю., Лазарев С.И. Вопросы теплопереноса в электро-баромембранных аппаратах плоскокамерного типа // Вестник Тамбовского государственного технического университета. 2013. № 4. С. 1-8.
3. Головашин В.Л., Лазарев С.И., Лавренченко А.А. Исследование кинетических коэффициентов электроультрафильтрационного
разделения промышленных растворов биохимических производств // Вестник Тамбовского государственного технического университета. 2014. № 1. С. 86-89.
Поступила в редакцию 3 июня 2014 г.
Lazarev S.I., Popov V.Y., Strelnikov A.E., Anufrieva A.A. REVERSE OSMOSIS SEPARATION ANILINOCONTAINED SOLUTIONS ON ION-EXCHANGE MEMBRANES MA-40 AND MK-40
In the present work performed reverse osmosis separation reverse osmosis solutions on ion-exchange membranes MA-40 and MK-40. Kinetic curves of dependence of the coefficient of detention and specific flow of solvent from the time of the experiment are received.
Key words: ion-exchange membrane; experimental set-up; specific flow of solvent; coefficient of detention.
Лазарев Сергей Иванович, Тамбовский государственный технический университет, г. Тамбов, Российская Федерация, доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой «Прикладная геометрия и компьютерная графика», е-mail: geometry@mail.nnn.tstu.ru
Lazarev Sergey Ivanovich, Tambov State Technical University, Tambov, Russian Federation, Doctor of Technics, Professor, Head of “Applied Geometry and Computer Graphics” Department, е-mail: geometry@mail.nnn.tstu.ru
Попов Вадим Юрьевич, Тамбовский государственный технический университет, г. Тамбов, Российская Федерация, аспирант, кафедра «Прикладная геометрия и компьютерная графика», е-mail: geometry@mail.nnn.tstu.ru
Popov Vadim Yuryevich, Tambov State Technical University, Tambov, Russian Federation, Post-graduate Student, “Applied Geometry and Computer Graphics” Department, е-mail: geometry@mail.nnn.tstu.ru
Стрельников Александр Евгеньевич, Тамбовский государственный технический университет, г. Тамбов, Российская Федерация, студент института архитектуры, строительства и транспорта, е-mail: geometry@mail.nnn.tstu.ru
Strelnikov Aleksander Evgenyevich, Tambov State Technical University, Tambov, Russian Federation, Student of Architecture, Building and Transport Institute, е-mail: geometry@mail.nnn.tstu.ru
Ануфрьева Александра Алексеевна, Тамбовский государственный технический университет, г. Тамбов, Российская Федерация, магистрант, е-mail: geometry@mail.nnn.tstu.ru
Anufrieva Aleksandra Aleksyevna, Tambov State Technical University, Tambov, Russian Federation, Candidate for Master’s Degree, е-mail: geometry@mail.nnn.tstu.ru
