CC BY
106
9
С 11 6 X U/ в химии и химической технологии. Том XXIV. 2010. № 2 (107)
2. Фатеев В.В. Кинетика гомогенной и гетерогенной нуклеации при кристаллизации карбоната кальция и ультразвуковая интенсификация процесса умягчения воды / В.В. Фатеев, С.К. Мясников, А.П. Чипрякова// Успехи в химии и химической технологии: Сб. науч. тр. [под ред. П.Д. Саркисова и В.Б. Сажина]; / РХТУ им. Д.И. Менделеева М.: Изд-во РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2009, т. XXIII, № 12, С. 53-57.
3. Фатеев В.В. Осаждение карбоната кальция при гетерогенной кристаллизации и ультразвуковом воздействии / В В. Фатеев, С.К. Мясников // Успехи в химии и химической технологии: Сб. науч. тр. [под ред. П.Д. Саркисова и В.Б. Сажина]; / РХТУ им. Д.И. Менделеева М.: Изд-во РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2008. Т. XXII. № 12. С. 17-20.
4. Мясников С.К. Осаждение карбоната кальция при гетерогенной кристаллизации и ультразвуковом воздействии / С.К. Мясников, В.В. Фатеев // Кинетика и механизм кристаллизации. Кристаллизация для нанотехнологий, техники и медицины: Тезисы V Международной научной конференции/Иваново; Иваново, 2008. С. 193.
5. Sohnel О. A method for determination of precipitation induction periods/ O. Sohnel, J.W. Mullin // J. Cryst. Growth., 1978. V. 44. PP. 377-382.
6. Cheng-hao Xu. Effects of operating variables and additive on the induction period of MgS04-Na0H system / Cheng-hao Xu, Dai-jun Liu, Wei Chen // Journal of Crystal Growth., 2008. V. 310. PP. 4138-4142.
7. Taty Costodes V.C. Reactive crystallization of nickel-carbonate in fluidized-bed reactor: Fines production and column design / V.C. Taty Costodes, Alison E. Lewis // Chemical Engineering Science, 2006. V. 61. PP. 1377-1385.
УДК 612.246.03:615.214.24:547.854.5.099.084
A.A. Труберг, И.Ф. Лапшинов, И.Ф. Ляпин, М.А. Носырев, О.В. Силос, Г.В. Терпугов, Д.Г. Терпугов
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия ПРЯМОЙ ОСМОС И ВОЗМОЖНОСТИ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ
The basic principle non-equivalent ion transfer (direct osmosis) is a selective transport of ions, dissolved substances through a charged semi-permeable ceramic membrane. A series of experiments show that the selectivity of ions in this membrane can have both positive and negative values, thereby obtaining a water solution with acid or alkaline pH. This technology can be used for softening water, and capturing carbon dioxide or ammonia.
Основной принцип неэквивалетного переноса ионов (прямого осмоса) заключается в селективном переносе ионов, растворенных в воде веществ, через заряженную полупроницаемую керамическую мембрану. Проведенные серии экспериментов показывают, что селективность по ионам на данной мембране может иметь как положительные, так и отрицательные значения, что способствует получению из воды растворов с кислым или щелочным рН. Данная технология может применяться для умягчения воды, а также улавливания выбросов углекислого газа или аммиака.
В настоящее время мембранная технология является одной из самых динамично развивающихся областей технологии. Она получила широкое
9
С Яг в X № в химии и химичесгай технологии. Том XXIV. 2010. №2(107)
распространение, как на промышленном, так и на бытовом уровне. Основной областью применения мембранной технологии является водоочистка и водоподготовка, однако ее применение не ограничивается этим.
В химической и нефтехимической промышленности мембранные методы разделения используются для разделения углеводородов, смесей высокомолекулярных и низкомолекулярных соединений, азеотропных смесей; смещения равновесия химических реакций путем удаления через мембрану одного из ее продуктов; концентрирование растворов; выделения гелия и водорода из природных газов, кислорода из воздуха и т.п.
В микробиологии и медицинской промышленности широкое применение мембранные методы находят в процессах выделения и очистки биологически активных веществ, вакцин, ферментов, гормонов, вирусов, очистки крови и решение других технологических задач.
Следует отметить, что наиболее успешным применением мембранных методов оказывается при сочетании с другими массообменными процессами (например, с абсорбцией).
Рис. 1. Схема разделения ионов, содержащихся в воде веществ, при приложении положительного (а) и отрицательного (б) потенциалов на мембрану.
1 - керамическая мембрана; 2 - нанесенное на мембрану, электропроводящее покрытие; 3 - металлическая ячейка.
Нами разработана технология неэквивалетного переноса (прямого осмоса) ионов. Основной принцип данной технологии состоит в селективном переносе ионов, растворенных в воде веществ, через полупроницаемую заряженную керамическую мембрану (рис. 1).
Наномембраны неэквивалентного переноса получают нанесением углеродного или металлического покрытия на типовую керамическую мембрану. Данные мембраны имеют размер пор 0,05-0,07 мкм.
Проведены серии экспериментов, по разделению ионов, содержащихся в воде веществ, на мембране неэквивалетного переноса. Исходная вода имела рН = 7,0 7,2. Диаметр керамической мембраны 8 мм, нанесенное покрытие - титан. Нанесение электропроводного покрытия производилось в
С 1Ь 6 X № в химии и химической технологии. Том XXIV. 2010. № 2 (107)
Курчатовском институте (Курч.) и МГТУ им. Н.Э. Баумана (Баумн.). Потенциал электропроводящего слоя мембраны - ф. Расход пермиата (раствора прошедшего через мебрану) -
Табл. Экспериментальные данные по расходы пермиата и изменению рН при пропускании воды через мембрану неэквивалетного переноса
Нанесе- Ф 100 мА 300 мА
Стенд ние слоя Б, м2 мемб +/- АрН 1 л/м ч АрН I, л/м2ч
Плоский Баум. 0,1125 + -1,0 12-16 - 10-12
апп. (1,0-2,0)
- 0,7-1,4 2,7-8,2 0,9-3 4,3-7,5
Одинарная ячейка I Баум. 0,0021 + (1,0-1,8) 8-12 (2,0-3,8) 4-6
- 0,9^2,6 2-4 1,0-1,9 2-4
Одинарная ячейка II Курч. 0,0021 + (1,0-1,5) 8-12 (2,2-3,6) 8-10
- 0,3-1,8 6-8 0,5-1,8 4-8
При эквивалентном переносе селективность разделения по катионам и анионам совпадают. Наномембраны неэквивалентного переноса обеспечивают разную величину пропускания катионов и анионов. Причем селективность неэквивалентного переноса может иметь отрицательное значение.
Получение растворов из воды с кислым и щелочным рН дает возможность решения некоторых экологических проблем, в частности улавливания углекислого газа и аммиака.
Изменение климата является важнейшей проблемой современности, и, по прогнозам специалистов, ситуация с климатом будет только ухудшаться. Изменение климата неразрывно связано с деградацией биосферы Земли.
Накопление в атмосфере С02 (интенсивность составляет 0,4% в год) вследствие процессов поглощения, преобразования и преимущественного излучения молекулами С02 инфракрасной части светового спектра внутрь земной атмосферы наблюдается "парниковый эффект" — глобальное потепление климата Земли.
Теоретически С02 эффективно улавливается только в скрубберах с использованием водного раствора Са(ОН)2 (гидроокиси кальция).
СаО + Н20 Са(ОН)2 Са(ОН)2 + С02 -> СаСОз^ + Н20
Природная и особенно жесткая вода, т.е. вода с повышенным содержанием ионов Са2+ и М^2+, может послужить источником сырья для мокрого улавливания С02, Б02 и других газовых выбросов тепловых электростанций. Причем получение гидроокисей Са и М^ следует совместить с другим процессом — умягчением воды, который проводиться на всех предприятиях энергетического комплекса. Соли ионов Са2+ и М^2+ образуют накипь на стенках тепло-энергетических устройств, что приводит к увеличению расхода топлива и снижению коэффициента полезного действия (КПД) всего энергетического комплекса. Поэтому умягчение воды проводится на всех
С 1Ь б X М в химии и химичесгай технологии. Том XXIV. 2010. №2(107)
тепловых и атомных электростанциях с использованием традиционных методов обессоливания — нанофильтрации, обратного осмоса, электродиализа, ионного обмена или их сочетания и очень редко методом выпаривания.
Рис. 2. Зависимость селективности мембраны с электропроводным слоем (нанесенным в Курчатовском институте) по ионам , К+, Са2+ от силы тока, проходящего через мембранную ячейку.
Все обессоливающие установки наряду с очищенной пресной водой производят определенное количество растворов со значительной концентрацией солей — рассолов и даже рапы. Эти концентрированные растворы должны быть утилизированы в производственных процессах, либо подвергнуты дальнейшему концентрированию для получения твердых солей с последующим их использованием или безопасным захоронением. Следует отметить, что проблема переработки рассолов и рапы даже в США и Японии решается крайне медленно.
При применение технологии неэквивалетного переноса ионов указанный недостаток отсутствует благодаря тому, что через мембрану проходят ионы растворенных веществ, например, ионы Са +. Полученная вода, имеющая щелочной рН, пригодна для улавливания углекислого газа в наса-дочном абсорбере.
Кроме нерешенной проблемы рассолов нанофильтрация, обратный осмос и традиционный электродиализ не позволяют решить и другую задачу современной теплоэнергетики — обеспечить выполнение более жестких показателей к технической воде, вплоть до глубокого умягчения (0,01-0,05 мг-экв/л и ниже). Также эти методы являются ресурсо- и энергозатратными.
В нашем методе используется эффект концентрационной поляризации и поэтому не требуется проводить интенсивное перемешивание разделяемого раствора, а наоборот — скорость движения разделяемого раствора вдоль поверхности мембраны должна быть как можно меньше. Это позволяет дополнительно снизить энергозатраты.
С 1Ь 6 X № в химии и химической технологии. Том XXIV. 2010. № 2 (107)
Разработанная технология неэквивалентного переноса или прямого осмоса решает одновременно несколько задач:
• Умягчать воду.
• Заменить установки обратного осмоса и ионного обмена.
• Исключить применение реагентов для регенерации ионообменных смол или мембран.
• Позволяет использовать воду с пониженным содержанием солей.
• Избежать образования рассолов и получить раствор Са(ОН)2+М£(ОН)2 с рН=9-11, который можно использовать для улавливания СОг, БСЬ, МОх и других газовых выбросов;
• И, самое главное, связать газовые выбросы в труднорастворимые соли (СаСОз, СаБОз и другие), пригодные для дальнейшего использования или утилизации.
Еще одной экологической проблемой современности является выделение большого количества аммиака на животноводческих предприятиях и птицефабриках. Аммиак опасен для здоровья и жизни животных и человека, также аммиак вносит значительный вклад в образование кислотных дождей.
Вопрос о разработке технологии эффективного улавливания аммиака рассматривался в 2009 году в ООН. Например, в Канаде уже более чем 15 лет выделяется финансирование на решение этой проблемы, однако оно до сих пор не найдено.
С другой стороны получение аммиака энерго- и ресурсоемкое производство. Промышленный способ получения аммиака основывается на реакции:
N2^) + ЗН2(Г) <-> 2ЯН3(Г)
Это реакция веществ в газовой фазе с уменьшением объема, то есть для повышения выхода целевого продукта (аммиака) требуется проводить реакцию при повышенном давлении и температуре, а также с использованием катализатора. Это в свою очередь требует высокой материалоемкости оборудования и больших затрат в эксплуатации. В противном случае выход продукта существенно уменьшается.
Политика развитых стран мира направлена на ресурсо- и энергосбережение и вместо затратного производства аммиака из водорода и азота можно использовать животноводческие хозяйства и птицыфабрики как сырьевую базу.
Полученный, с помощью технологии неэквивалетного переноса ионов, подкисленный раствор, содержащий в основном сульфат, нитрат и карбонат анионы пригоден для улавливания аммиака и связывания его в устойчивые соединения (сульфаты, карбонаты, нитраты аммония). Другая часть воды, содержащая щелочные ионы, обладает антиоксидантными свойствами и ее можно использовать для питья животным. Это будет способствовать росту животных, их здоровью и укреплению иммунитета.
То есть в одной технологии мы можем сочетать и улавливание аммиака, как опасного для жизни газа, и не просто его утилизацию, а получения ценных компонентов (сульфатов и нитратов аммония), которые могут быть применимы на тех же животноводческих хозяйствах для улучшения плодоносности почвы. Кроме того, получаемая щелочная вода обладает полезными свойствами для животных.
9
С 11 6 X И в химии и химической технологии. Том XXIV. 2010. № 2 (107)
Таким образом, мембранная технология неэквивалентного переноса растворенных в воде ионов через полупроницаемую мембрану является научно-техническим фундаментом процессов умягчения воды и эффективной очистки газовых выбросов от углекислого газа на предприятиях теплоэнергетического комплекса. Возможно также решение и другой экологической проблемы - улавливания аммиака, образующегося на животноводческих хозяйствах и птицефабриках.
УДК 612.246.03:615.214.24:547.854.5.099.084
А.А. Труберг, О.В. Кабанов, О.В. Кацерева, О.В. Силос, Г.В. Терпугов, Д.Г. Терпугов
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия
ПУТИ РЕШЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ ЦЕЛЛЮЛОЗНО-БУМАЖНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ
The main environmental problems in the pulp and paper mills are connected with the use of sulphate and sulphite technologies at the stage of cooking, as well as with the use of chlorine and chlorinated compounds in the stage of bleaching. Proposed sodium-oxygen technology for producing pulp free from this disadvantage, since at the stage of cooking is used sodium hydroxide, and the stage of bleaching - the oxygen of air or its mixture with ozone. It is also proposed to replace the traditional sources of raw materials for herbaceous plants, in particular cannabis.
Основные экологические проблемы на целлюлозно-бумажных предприятиях связанны с применением сульфатной и сульфитной технологий на стадии варки, а также с применением хлора и хлористых соединений на стадии отбеливания. Предлагаемая натронно-кислородная технология получения целлюлозы лишена этих недостатков, поскольку на стадии варки используется едкий натр, а на стадии отбеливания - кислород воздуха или его смесь с озоном. Кроме того, предлагается заменить сырьевую базу с традиционной на травянистые растения, в частности коноплю.
Одним из важнейших носителей информации была и остается бумага. Без производства и потребления бумаги не может существовать ни одна из стран мира. В настоящее время в большинстве стран производство бумаги осуществляют из древесных источников, более 90% мирового производства целлюлозной массы составляет древесина.
Потребность в целлюлозе в настоящее время в стране может быть оценена величиной 15-20 млн т в год. Производство же целлюлозы составляет порядка 7-9 млн т., причем получают ее по экологически грязным (сульфатной, сульфитной) технологиям.
Основные стадии получения целлюлозы состоят в проведении процесса варки материалов, содержащих целлюлозу и последующую обработку целлюлозной массы при помощи отбелки.
Сущность процесса варки состоит в выделении целлюлозы из природных материалов, основанная на действии реагентов, растворяющих или разрушающих содержащиеся в растительных тканях не целлюлозные компоненты (белки, жиры, вески, смолы), а так же в том, что бы убрать связь между волокнами, которая осуществляется за счет лигнинов. Варка ведется в варочных котлах при повышенных температурах порядка 130-160°С и как правило при
