CC BY
145
УДК 66.081.6 Шитова ВО*
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия. 125047, Москва А-47, Миусская пл., 9 (1-я Миусская ул. 3) * e-mail: poloika-poloika@mail.ru
ОСОБЕННОСТИ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД ОТ ДВУХВАЛЕНТНЫХ МЕТАЛЛОВ ВЫСОКОНАПОРНЫМ ОБРАТНЫМ ОСМОСОМ
Определены зависимости основных рабочих характеристик мембран - селективности и удельной производительности от определяющих технологических параметров: концентрации, давления, скорости в напорном канале и температуры, в процессе высоконапорного обратного осмоса.
Ключевые слова: мембраны, обратный осмос, селективность, удельная производительность, высококонцентрированные растворы.
1.Введение
Процесс обратного осмоса применяется для обессоливания и очистки водных растворов в широком диапазоне концентраций
неорганических солей. Современный рынок мембранных элементов, аппаратов и установок достаточно насыщен для решения практически любой задачи обессоливания. Можно рассчитать и подобрать определенную технологическую основную схему и аппаратуру, стоит отметить, что для растворов солей с относительно низкими концентрациями (до 2 г/л) проведено значительно больше исследований, чем для
высококонцентрированных растворов. Однако производители мембран и аппаратов предоставляют данные о селективности мембран только по модельным растворам (например, 2 г/л по №0, 2г/л по Mg2SO4). Поэтому предсказать значения характеристик мембраны
применительно к реальным растворам весьма сложно. И определение рабочих характеристик мембран - удельной производительности и селективности в реальных условиях высоких концентраций является абсолютно необходимым.
На кафедре мембранной технологии РХТУ им. Д. И. Менделеева проведены исследования влияния рабочего давления, температуры величины рН на селективность
обратноосмотических мембран по различным солям.
Получены данные по влиянию температуры, концентрации тяжелых металлов, типа и концентрации ко- и противоионов, рН исходного раствора на селективность и удельную производительность мембран, позволяющие произвести выбор типа мембран и технологических параметров для решения конкретных задач очистки.
Логичным продолжением данных работ будет выявление особенностей обратноосмотической очистки высококонцентрированных растворов солей.
Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:
- установить зависимость удельной производительности и селективности от скорости потока в напорном канале, давления, концентрации и доли отбора пермеата;
- выбрать оптимальный режим работы установки и определить диапазон рабочих параметров стадии мембранного разделения.
2. Материалы и методы исследования
Обратный осмос заключается в разделении растворов под давлением, превышающим осмотическое, через полупроницаемые мембраны, пропускающие молекулы воды, но задерживающие молекулы или ионы растворенных низкомолекулярных веществ.
Определяющей частью мембранной установки обратного осмоса является мембранный модуль. А главными характеристиками мембранных элементов -плотность упаковки мембраны и гидравлическое сопротивление в напорном канале.
Движущую силу процесса обратного осмоса можно рассчитать по формуле:
Др=ДР-Дп , где (1)
Др Рнап - Рперм, (2)
Дп = Пз - П2. (3)
Рнап - гидростатическое давление в напорном канале;
Рперм - гидростатическоедавление в канале пермеата;
п3, п2 - соответственно осмотическое давление разделяемого раствора у поверхности мембраны и осмотическое давление пермеата (очищенного раствора).
Но данные величины прямо пропорциональны - чем больше плотность упаковки, тем больше гидравлическое сопротивление в напорном канале. Движущей силой процесса массопереноса о обратном осмосе является разность давления в напорном канале и осмотического давления.
Наибольшее распространение в практике ОО получили рулонные модули, плотность упаковки мембран в которых достигает 1000 м2 рабочей поверхности мембраны на 1м3 аппарата при приемлемой (до 500 кПа) величине гидравлического сопротивления.
В исследованиях применялись мембранные элементы FILMTEC с оплеткой из стеклопластика для малых промышленных систем (модуль BW30 25-40, производства фирмы "Dow Chemical") (см. рис.1).
Для дальнейших исследований проводились при давлении 13,5 бар.
Рис.2. Принципиальная схема установки обратного осмоса Е1, Е2, Е4 - емкости для исходного раствора, сбора пермеата и концентрата соответственно;
Н1 - насос подачи исходного раствора; Н2 -насос высокого давления; ФК1-2 - механический и угольный фильтры; МК1-МК3 - мембранные модули.
Рис.1 Обратноосмотический модуль рулонного типа Пермеат - это поток очищенной воды, выходящий из установки мембранного разделения; Концентрат - это часть исходного потока, содержащего большую часть солей и примесей, задержаных мембраной.
Принципиальная схема установки
представлена на рис.2.
Исходный раствор подается из емкости Е1 насосом высокого давления Н2 на разделение. Установка состоит из трех мембранных модулей: двух на первой стадии и одного на второй (концентрат после первой стадии направляется на вторую, пермеат собирается в общий коллектор). Вода, поступающая на стадию ОО должна соответствовать жестким нормам по определенным показателям. Так, например:
- Концентрация свободного хлора не должна превышать 0,1 мг/л. (Для его удаления предусмотрен угольный фильтр - ФК2)
- В растворе не должно быть взвешенных частиц. (Для их удаления предусмотрен механический фильтр Ф1).
Исходная вода разделяется на 2 потока: очищенный (пермеат), поступающий в емкость Е2 и концентрат, поступающий в емкость Е4.
Для увеличения скорости в напорном канале используется циркуляционный насос Н1.
3. Результаты и обсуждение
На первом этапе исследований определяли зависимость удельной производительности от давления при постоянной концентрации, величине рН и температуре
Очевидно, что при увеличении давления селективность и удельная производительность возрастают (рис. 3).
G,
дм3/(м2^ ч)
120 110 100 90 80 70 60 50
Ф
10
11
14
15
0,990 0,985 0,980 0,975 0,970 0,965 0,960
12 13 Р, бар
Рис.3. Влияние рабочего давления на удельную
производительность и селективность мембран Тисх =298К; рН=7,5; С1^св=5 г/л
Обратный осмос проводится при температуре 10 - 200С. Однако технологические растворы могут иметь более высокую температуру. Кроме того, в системах с циркуляционным контуром очищаемый раствор может нагреваться от движущихся (трущихся) частей насоса. Поэтому важно знать зависимости селективности и удельной производительности от температуры.
Известно, что удельная производительность обратноосмотических мембран обратно пропорциональна вязкости, что подтверждается в ходе эксперимента .
Рекомендованный «верхний порог температур» для данной мембраны - 400С. Однако при температуре выше 300С селективность резко снижается, поэтому оптимальной температурой является 20-250 (рис.4).
Механизм разделения в обратном осмосе основан на предположении, что на поверхности и внутри пор мембран существует слой так называемой «связанной» воды, которая по своим свойствам отличается от свойств воды в объеме: имеет повышенную вязкость и плотность, пониженную температуру замерзания и растворяющую способность. Поэтому для ионов
растворенных веществ «связанная» вода представляет собой особую фазу, в которую они проникают с некоторым коэффициентом распределения. Чем толще и прочнее на мембране слой «связанной» воды, тем больше ее свойства отличаются от свойств воды в объеме, и тем выше селективность мембран.
При повышении температуры происходит разупорядочивание молекул воды в слое «связанной» воды, его толщина уменьшается, и, соответственно, селективность мембраны снижается.
Для исследованного образца такой «критической» температурой является значение 30 0С (резкое снижение селективности - рис. 4). Поэтому все дальнейшие эксперименты проводились при температуре 25±2 0С.
Основным параметром, определяющим эффективность обратного осмоса и даже саму возможность его проведения, является концентрация. Поэтому следующим этапом исследования стало изучение зависимости удельной производительности и селективности мембраны от концентрации исходного раствора (Рис. 5).
Очевидно, что при увеличении концентрации, производительность и селективность падают. Это происходит вследствие увеличения концентрации растворенных веществ вблизи поверхности мембран (концентрационной поляризации). Это явление негативно сказывается на характеристиках разделения: уменьшается наблюдаемая селективность мембран, возрастает риск отложения на мембране осадков малорастворимых соединений. Кроме того, растет осмотическое давление разделяемого раствора (в примембранной области), что уменьшает движущую силу обратного осмоса.
Ф
0,990 п
Т, 'Г
Рис. 4. Влияние температуры на селективность мембран
Р=13,5-14 бар; рН=7,5; См^с^ г/л
с,
дм3/(м2^ ч)
130 110 90 70 50 30
Ф
0,990 0,980 0,970 0,960 0,950
0,940
10
20
Рис.5. Влияние концентрации на удельную
производительность и селективность мембран Р=13,5-14 бар; рН=7,5; Тисх =298К
4. Выводы и дальнейшие направления исследований.
В результате проделанной работы получены профили изменения удельной
производительности (О) и селективности (ф) обратноосмотических мембран при различных значениях технологических параметров процесса:
1. Температура
2. Рабочее давление
3. Исходная концентрация
Дальнейшие испытания будут направлены на
изучение влияния скоростей в напорном канале, использование различных типов и концентраций разделяемых солей, хлоридов и сульфатов ионов Mg, гп, Са, N1, Си, Са и др.
15
20
25
30
35
С MgCl2i г/л
Шитова Вероника Олеговна студентка V курса. кафедры мембранной технологии ФГБОУ ВПО
«Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева», Россия, Москва
Литература
1. Дытнерский Ю.И. Баромембранные процессы разделения жидких смесей, М.: «Химия», 1986, 232 с.
2. Фарносова Е.Н., Каграманов Г.Г., Канделаки Г.И. Влияние состава раствора на извлечение никеля и цинка из сточных вод. // Перспективные материалы. Функциональные наноматериалы и высокочистые вещества. Специальный выпуск. 2010, №9, с. 272-276.
3. Kagramanov G.G., Farnosova E.N., Kandelaki G.I. Heavy Metal Cationic Treatment with Membrane Methods. // Water Treatment Technologies for the Removal of High-Toxicity Pollutants. Springer. 2010, p. 177-182.
4. Фарносова Е.Н., Каграманов Г.Г. Влияние состава раствора на селективность обратноосмотических и нанофильтрационных мембран. // Мембраны и мембранные технологии. 2012. Том 2, № 3. С. 233240.
5. Mohamed Belkacem, Saida Bekhti, Kenza Bensadok. Groundwater treatment by reverse osmosis Original // Desalination. 2007. № 206, р. 100-106.
6. A. Almansoori, Y. Saif, Structural optimization of osmosis processes for water and power production in desalination applications // Desalination, 2014, №344, р. 12-27.
7. Changwon Suh, SeockheonLee. Modeling reverse draw solute flux in forward osmosis with external concentration polarization in both sides of the draw and feed solutio // Journal of Membrane Science, 2013, №427, р. 365-374.
8. Lin Zhao, W.S. Winston Ho. Novel reverse osmosis membranes incorporated with a hydrophilic additive for seawater desalination // Journal of Membrane Science, 2014, №455, р. 44-54.
9. M.B. Minhas, Y.A.C. Jande, W.S., Combined reverse osmosis and constant-current operated capacitive deionization system for seawater desalination // Desalination, №344, р.299-305.
Shitova Veronika Olegovna
D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia. * e-mail: poloika-poloika@mail.ru
HIGH-PRESSURE REVERSE OSMOSIS IN SEVAGE TREATMENT FROM DIVALENT METALS
Abstract
The influence of concentration, pressure, rate, temperature on basic membrane characteristics (rejection and specific flow rate) in the process of high-pressure osmosis have been studied.'
Key words: membranes, reverse osmosis, selectivity, specific productivity, highly concentrated solutions.
