Разработка лабораторных мембранных модулей для исследования очистки сточных вод

И. А. Храмова, М. В. Шулаев, К. Г. Ипполитов,

В. М. Емельянов

РАЗРАБОТКА ЛАБОРАТОРНЫХ МЕМБРАННЫХ МОДУЛЕЙ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД

Ключевые слова: мембранный модуль, ультрафильтрационная очистка, мембрана, сточные воды. membranous module, ultrafiltration treatment, membrane, waste water

Разработаны плоскокамерный мембранный модуль и модуль для трубчатых мембранных элементов для проведения лабораторных исследований по мембранной очистке сточных вод

The membranous flat chamber module and module for pipe membranous elements in developed for treatment of waste water for carrying out of laboratory researches..

Одной из актуальных задач современности является решение проблемы охраны природных ресурсов от загрязнений и рациональное их использование. Большое значение имеет воспроизводство водных ресурсов, предусматривающее защиту от загрязнения и истощения, глубокую очистку загрязненных сточных вод на очистных сооружениях с последующим их использованием в техническом водоснабжении, а также всемерное сокращение сброса промышленных сточных вод в реки. Решению указанного круга задач может в значительной степени способствовать разработка и развитие мембранных технологий.

Использование мембран сейчас идет чрезвычайно интенсивно - технологии упрощаются, совершенствуются аппараты и установки, расширяются области применения, для каждого типа воды. В каждом отдельном случае применения мембран разрабатывается собственный технологический процесс. В зависимости от размеров пор и необходимости задерживать те или иные загрязнения используют различные типы мембранных технологий. Применение стандартизированных мембранных аппаратов дает возможность создавать модульные системы различной производительности и назначения [1]. Таким образом, усовершенствование способов очистки, изучение областей применения мембран, разработка современных конструкций мембранных аппаратов и схем установок является актуальной задачей.

В настоящей работе нами была изучены различные конструкции аппаратов для проведения процессов ультрафильтрации. На основании проведенного обзора были разработаны аппараты для проведения лабораторных исследований ультрафильтрационной очистки СВ.

К основным мембранным методам разделения жидких систем относятся: обратный осмос, ультрафильтрация, диализ, электродиализ. В любом из этих процессов разделяемый раствор вводится в соприкосновение с полупроницаемой мембраной. Благодаря особой структуре полупроницаемых мембран, прошедшая через них смесь обогащается одним из компонентов. В ряде случаев процесс проходит настолько полно, что продукт практически не содержит примесей, задерживаемых мембраной. И наоборот, применяя тот или иной мембранный метод разделения, можно получить в растворе перед мембраной компонент или компоненты практически без посторонних примесей.

Аппараты для баромембранных процессов классифицируются по способу укладки мембран:

- с плоскими мембранными элементами;

- с трубчатыми мембранными элементами;

- с мембранными элементами рулонного типа;

- мембраны в виде полых волокон [2].

В процессе микрофильтрации применяются аппараты первого и второго типа [3], для ультрафильтрации и обратного осмоса пригодны аппараты всех типов [4], однако для процесса обратного осмоса наиболее характерно использование элементов рулонного типа [5], иногда - плоскорамных установок [6]. Ультрафильтры же чаще всего изготавливают в виде трубок или полых аппаратов. Каждый тип аппарата имеет свои преимущества и недостатки, связанные, прежде всего, с плотностью упаковки мембраны в элементе, что, в свою очередь, отражается в количестве потребной для установки площади. Кроме того, аппараты характеризуются различными гидродинамическими условиями, что позволяет выбрать тот или иной тип аппарата в зависимости от свойств и концентраций веществ в разделяемой смеси. Важным фактором является также удобство при монтаже или замене вышедшего из строя элемента.

Поскольку в настоящее время мембранные технологии активно развиваются, а промышленное использование мембран находится на стадии разработки и исследований, было принято решение разработать и спроектировать мембранный модуль очистки сточных вод для проведения научных лабораторных исследований с целью дальнейшего применения данного процесса в промышленности.

Существующие типы конструкций мембранных модулей можно классифицировать по конфигурации мембран в аппарате - плоской и трубчатой. В плоскорамных модулях применяются плоские мембраны, тогда как в трубчатых модулях используются мембраны с цилиндрической или трубчатой конфигурацией. Для проведения процессов ультрафильтрации пригодны аппараты всех типов. Важным условием работы в лабораторных условиях является возможность очистки модулей и возможность замены мембран. Каждый тип аппарата имеет свои преимущества и недостатки, и конфигурация модулей определяется конкретными требованиями и условиями. На основе анализа всего многообразия конструкций мембранных аппаратов, за основу создания лабораторных установок были выбраны два типа конструкций мембранных модулей - аппараты с плоскими и трубчатыми фильтрующими элементами.

Аппарат с плоскими фильтрующими элементами. К достоинствам плоскокамерных модулей можно отнести простоту конструкции, возможность использования широкого набора мембран. Плоскорамный мембранный аппарат выполнен на основе проведенных проектных расчетов. Аппарат имеет цилиндрическую форму диаметром 0,1 м и общей высотой

0,335 м, изготовлен из стали Х18Н10Т (ГОСТ 5632-72), что обусловлено использованием аппарата для обработки агрессивных сред. Толщина обечайки составляет 2-10"3 м. Аппарат предназначен для очистки сточных вод от различных загрязняющих веществ в лабораторных условиях и предполагает использование различных типов полимерных мембран, выбор которых зависит от типа загрязняющих веществ.

В данном мембранном модуле используется фронтальный тип подачи воды. Загрязненная вода подается в аппарат через штуцер диаметром 0,015 м, затем проходит через мембранную поверхность, расположенную на жесткой подложке - сетке, для отвода очищенной воды предназначен второй штуцер диаметром 0,015 м.

Температура воды, поступающей в аппарат, значение pH может варьироваться в широких пределах. Разработанный нами экспериментальный мембранный модуль работает под налив, в периодическом режиме, максимально возможное внутреннее избыточное давление аппарата составляет 1 МПа. Аппарат имеет приварной фланец с плоской гладкой поверхностью. Материал используемых прокладок - паронит.

В зависимости от типа используемой мембраны и величины рабочего давления в аппарате можно проводить процессы ультрафильтрации и нанофильтрации, в том числе очистку СВ от органических и неорганических растворенных загрязняющих веществ с

различной молекулярной массой. В данном аппарате можно проводить совместную очистку от нескольких типов загрязнений, что обеспечивается параметрами материала мембран. Кроме того, возможно совмещение различных типов очистки. Разработанный мембранный модуль имеет единственный фильтрующий элемент. Очевидно, что для увеличения эффективности процессов разделения необходима установка несколких фильтрующих элементов, а также включение нескольких мембранных модулей в технологическую схему. Поскольку для модулей такого типа известной проблемой является локальное концентрирование вещества у поверхности мембраны (так называемая концентрационная поляризация), в модуле у поверхности мембраны расположена тонкая сетка, которая препятствует образованию стационарного слоя жидкости в процессе фильтрации и способствует перемешиванию концентрата.

Модуль снабжен металлической рамой, изготовленной из арматуры, используемой в качестве держателя. Аппарат подвешен на двух винтах, что создает возможность его вращения для облегчения обслуживания в лабораторных условиях (извлечения концентрата, промывки фильтрующего элемента и т.п.). Произведен расчет плоского мембранного модуля. На основании расчетов выполнены чертежи (рис. 1), в соответствии с которыми аппарат был изготовлен (рис. 2), проведены необходимые гидравлические и пневматические испытания.

Рис. 1 - Схема мембранного модуля с плоскими фильтрующими элементами для проведения лабораторных исследований по очистке СВ: 1 - пластина; 2, 3 - обечайка; 4 -фланец; 5 - фланец йу=15, Ру=1 МПа ГОСТ 12820-80; 6 - труба йу=15, Ру=1 МПа, 1_=0,040 м; 7, 8 - паронит листовой; 9 - ткань мембранная

Рис. 2 - Мембранный модуль с плоскими фильтрующими элементами для проведения лабораторных исследований по очистке СВ

Аппарат с трубчатыми фильтрующими элементами. Достоинством трубчатых аппаратов является то, что трубки с нанесенной мембраной одновременно сочетают в себе функции несущего и разделительного элемента, а также дренажного материала, в связи с чем такие аппараты отличаются низкой материалоемкостью. Кроме того они характеризуются хорошими гидродинамическими характеристиками, возможностью очистки любыми известными способами. На основе аппаратов данного типа нами спроектирован мембранный модуль для проведения научных лабораторных исследований (рис. 3).

Рис. 3 - Схема ультрафильтрационного модуля с трубчатыми мембранами для проведения лабораторных исследований по очистке сточных вод: 1- патрубки для подачи жидкости и избыточного давления; 2 - съемная крышка; 3 - корпус; 4 - трубчатые мембранные элементы; 5 - втулки; 6 -днище

Аппарат для проведения лабораторных экспериментов - мембранный модуль с трубчатыми фильтрующими элементами - ультрафильтрами (рис.4). Аппарат имеет про-

стейшую тупиковую конструкцию, или конструкцию фильтр-пресса. Мембранный модуль представляет собой цилиндрическую емкость 3, изготовленную из лавсана, высотой 0,5 м и диаметром 0,1 м, в которой установлено пять трубчатых мембранных элементов 4 (наружный диаметр 0,015 м), закрепленных на съемных крышке 2 и днище 6, выполненных из органического стекла, с отверстиями. В верхней части аппарата отверстия предназначены для патрубков 1, выполненных из латуни и предназначенных для подачи исходной жидкости и создания избыточного давления, в нижней части - для втулок 5. Втулки и штуцера закреплены на мембранных элементах хомутами. Аппарат работает под налив в периодическом режиме, давление 0,2-0,4 МПа создается воздушным компрессором. Таким образом, при формировании мембранного модуля ультрафильтрационные элементы собираются в пакет, количество элементов при этом определяется необходимой производительностью модуля.

В аппарате в качестве мембран предполагается использование разделительных элементов типа БТУ 0,5/2 производства ОАО «Карпол», которые представляют собой стеклопластиковые трубки с открытыми торцами, покрытые внутри полупроницаемой мембраной на основе ацетата целлюлозы (А-1), фторопласта (Ф-1) или полисульфонамида (ПСА-1). В зависимости от типа нанесённой мембраны элементы можно использовать для разделения растворов при разных рН и температурах.

Загрязненная вода подается в аппарат параллельно поверхности мембраны через штуцера, диаметры к°т°рых равны 0,012 Рис. 4 - Ультрафильтрационный модуль с трубча-

м, затем поступает внутрь тыми мембранами для проведения лабораторных

трубчатого мембранного исследований по очистке сточных вод

элемента, в котором задерживаются загрязняющие вещества, образуя концентрат, а очищенная вода - пермеат - просачивается через стенки полупроницаемой мембраны. Температура воды, поступающей в аппарат, значение РН может варьироваться в широких пределах.

Проведены предварительные экспериментальные исследования по очистке СВ и уплотнению активного и анаэробного ила с использованием разработанных модулей. Полученные результаты показали возможность использования как трубчатого, так и плоскорамного мембранных модулей для данных целей, а также для получения концентрата в лабораторных условиях. В дальнейшем предполагается утилизация образовавшегося концентрата биологическим методом с использованием анаэробных микроорганизмов.

Ш

Выводы

В настоящее время мембранная технология находится в стадии развития. Стоимость промышленных мембранных установок по-прежнему довольно высока, а мембранные модули, используемые в бытовых целях, не могут быть использованы для очистки промышленных стоков. Поэтому для проведения лабораторных экспериментов по мембранной очистке сточных вод с использованием плоских и трубчатых мембранных элементов было разработано два аппарата простейшей конструкции, которые позволяют в зависимости от типа используемых мембран проводить очистку СВ от различных по природе и молекулярной массе загрязняющих веществ. Технические характеристики разработанных модулей представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Основные технические характеристики мембранных модулей

Параметр Плоскорамный мембранный модуль Трубчатый мембранный модуль

Габариты мембранного Диаметр 0,1 м Диаметр 0,1 м

модуля Высота 0,335 м Высота 0,5 м

Количество мембранных элементов в модуле 1 5

Материал корпуса Нержавеющая сталь Х18Н10Т (ГОСТ 5632-72) Лавсан

Масса укомплектованного модуля 36,0 кг 2,0 кг

Схема фильтрации Тупиковая, проточная

Рабочий размер пор Зависит от типа используемых мембран Зависит от типа используемых мембран

Площадь фильтрующей поверхности модуля 3,1410-4 м2 0,0175 м2

Рабочее давление 0,1 - 1,0 МПа в зависимости от задачи 0,35-0,5 МПа

Регенерация В ручном режиме, методом обратной продувки воздухом под давлением 6 МПа, либо горячим паром или промывка моющими растворами Для данного типа мембран подходит любой вид очистки, в т.ч. механический, горячим паром, моющими растворами

Литература

1. Первов, А.Г. Мембранные технологии очистки воды/ А.Г. Первов, Л.А. Телитченко // Экология производства. - 2005. - № 11. - С. 70-74.

2. Тимашев, С.Ф. Физико-химия мембранных процессов / С.Ф. Тимашев. - М.: Химия, 1988. -240 с.

3. Маслова, М.Н. Мембранные методы разделения смесей / М.Н. Маслова, В.А. Кичик, Н.Ф. Кулешов // Тез. докл. IV Всес. конф. - М.:,1987. - Т. 4. - С. 46-48.

4. Ясминов, А.А. Мембранная микрофильтрация в технологии очистки жидких веществ / А.А. Яс-минов [и др.]. - М.: НИИТЭХИМ., 1987. - 156 с.

5. Reichet Hernie technik: каталог № Е-1093. - М: Внешторгиздат, 1982. - 60 с.

6. Toray Reverse Osmosis Module: техническая информация фирмы Toray Ind., Inc. - штат Индиана, 1998. - 38 с.

© И. А. Храмова - асп. каф. химической кибернетики КГТУ, innakhramova@rambler.ru; М. В. Шулаев - канд. техн. наук, доц. той же кафедры, mshulaev@mail.ru; К. Г. Ипполитов - канд. техн. наук, доц. той же кафедры, runenmacht@mail.ru; В. М. Емельянов - д-р техн. наук, проф., зав. каф. химической кибернетики КГТУ, emelianov@kstu.ru.