Очистка природных вод от цветности и мутности с применением нанофильтрационных мембран

РАЗДЕЛ I. ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

УДК628.16.067.1

А.Е. Бровкин, В.В. Потапов

ОЧИСТКА ПРИРОДНЫХ ВОД ОТ ЦВЕТНОСТИ И МУТНОСТИ С ПРИМЕНЕНИЕМ НАНОФИЛЬТРАЦИОННЫХ МЕМБРАН

Проведены эксперименты по определению проницаемости, селективной способности по цветности и селективности по мутности нанофильтрационной мембраны. В диапазоне давления исходной воды перед нанофильтрационной мембраной 0,26-0,44МПа и при температуре воды 21°С расход фильтрата находится в диапазоне 0,175-0,434 м3/ч, проницаемость - 0,022-0,055 м3/м2-ч. При фильтрации природной воды из поверхностного источника Крутоберегово-1 Петропавловска-Камчатского через нанофильтра-ционный мембранный элемент при температуре воды 8-11°С селективная способность по цветности составила 73-93%, селективность по мутности - 100%.

Ключевые слова: мембранное фильтрование, нанофильтрационная мембрана, селективность нанофильтрационной мембраны, селективная способность по цветности нанофильтрационной мембраны, проницаемость нанофильтрационной мембраны.

A.E. Brovkin, V.V. Potapov

CLEANING OF NATURAL WATER FROM COLOR AND TURBIDITY USING NANOFILTRATION MEMBRANES

The experiments to determine permeability, selectivity for color and for turbidity of the nanoffltration membrane were carried out. In the range of initial water pressure in front of the nanoffltration membrane of 0,26-0,44 MPa and the water temperature of 21°C, the filtrate flow is in the range of 0,175-0,434 m3 / h, the permeability is 0,022-0,055 m3/m2-h. When filtering the natural water from the surface source of Krutoberegovo-1 in Petropav-lovsk-Kamchatsky through a nanoffltration membrane element at the water temperature of 8-11°С, the selectivity for color was 73-93%, the selectivity for turbidity was 100%.

Key words: membrane filtration, nanoffltration membrane, selectivity of nanoffltration membrane, selectivity for color of nanoffltration membrane, permeability of nanoffltration membrane.

DOI: 10.17217/2079-0333-2017-41-6-14

Введение

Мембранная фильтрация - один из перспективных способов очистки природных вод. Ее основные преимущества - небольшие размер и вес мембранных элементов, простота обслуживания, высокий уровень автоматизации, энергоэффективность. В настоящее время данный тип фильтров находит все большее применение в различных регионах нашей страны и за рубежом [1-4].

Одним из самых современных методов мембранной очистки является нанофильтрация. В ее основе заложен баромембранный процесс на пористых заряженных мембранах.

Основными отличительными признаками нанофильтрации являются:

- высокая водопроницаемость при малых давлениях из-за большого размера пор;

- применение заряженных мембран;

- высокая селективность по многозарядным ионам при низкой (20-60%) селективности по №С1.

В области очистки природных вод нанофильтрационные мембраны (НФМ) в основном применяют для обезжелезивания, умягчения, ликвидации пестицидов и уменьшения цветности воды [5].

Основные преимущества НФМ:

- высокая эффективность при удалении в природных водах цветности (на 70-95%), окис-ляемости (на 50-80%), солей жесткости (на 50-80%). Эти показатели позволяют применять НФМ для очистки любых вод, кроме морской, вплоть до питьевого качества. При этом в достаточном объеме удается сохранить хлориды и гидрокарбонаты, что повышает качество воды для питьевых нужд;

- высокая эффективность НФМ при удалении бактерий и вирусов, микрозагрязнений и хло-рорганики. Это позволяет существенно снижать дозу хлора при последующей дезинфекции;

- сравнительно высокий КПД установок водоподготовки (для вод из поверхностных источников, как правило, на уровне 80-85% в условиях одноступенчатой двухкаскадной схемы);

- небольшое потребление ингибиторов солеотложения приводит к сокращению эксплуатационных затрат и снижению себестоимости обработанной воды.

Основные недостатки НФМ:

- непредсказуемость в реальных условиях эксплуатации солевого состава пермеата фильтрационной установки. Из-за этого необходимо проводить пилотные испытания на стадии проектирования, если требуется предоставить гарантии потребителю;

- возможность применения только тангенциального режима фильтрования ввиду низкой проницаемости этих мембран, поскольку их композиционная структура не позволяет производить обратную промывку.

Все НФМ изготавливаются из органических полимеров и разделяются по составу и способу изготовления на два основных типа: изготовленные непосредственно из ионогенного полимера и изготовленные путем химической модификации незаряженной мембраны [5, 6].

В настоящее время в мире НФМ активно применяются в очистке воды для питьевого водоснабжения. В качестве примеров можно привести станции водоочистки в Париже производительностью 5800 мЗ/ч и Норвегии производительностью 600 мЗ/ч [6].

Несмотря на возрастающую потребность в воде высокого качества для хозяйственно -питьевых и промышленных нужд, в Камчатском крае, как и на территории Российской Федерации, мембранные методы, так же, как и коагулянты-флокулянты нового поколения, не получили широкого распространения в практике водоподготовки. Основные причины - недостаточность последовательного изучения физико-химических процессов коагуляции-флокуляции и фильтрования через мембранный слой примесных частиц различных по размерам, концентрации и химическому составу на макро- и микроуровне, в том числе с образованием гелевого слоя на наружной поверхности мембран. Значительное отставание отечественной промышленности в этой области объясняется отсутствием опытно-промышленной базы для разработки аппаратов и оборудования для этих процессов и почти полным отсутствием химико-технологических производств самих мембран. Данная работа является продолжением наших исследований, направленных на поиск оптимальной технологической схемы с применением коагулянтов, флокулянтов и мембранного фильтрования [7]. В ней представлены гидродинамические характеристики проницаемости, селективной способности по цветности и мутности образца нанофильтрационной мембраны при фильтровании природной воды поверхностного источника и сопоставление с результатами нашего предыдущего исследования процессов микро- и ультрафильтрации [7].

Материалы и методы

Для проведения опыта по фильтрованию был использован нанофильтрационный мембранный элемент марки CSM NE 4040-70 с параметрами, приведенными в табл. 1 [8].

Таблица 1

Основные параметры нанофильтрационного мембранного элемента марки CSM NE 4040—70

Длина картриджа, мм Диаметр картриджа, мм Площадь фильтрующего слоя, м2 Диапазон пределов отсечения частиц мембраной по размерам, мкм Диапазон пределов отсечения частиц мембраной по массе, кДа

1016 102 7,9 0,0005-0,001 0,4-1

Мембраны CSM производит южнокорейская фирма Woongjin Chemical [9]. Внешний вид и схема работы нанофильтрационного мембранного элемента марки CSM NE 4040-70 приведены на рис. 1 и 2 [10].

б

Рис. 1. Внешний вид нанофильтрационного мембранного элемента CSMЫБ 4040-70, применявшегося при экспериментах по очистке природных вод от цветности и мутности: а - внешний корпус; б - мембранный элемент

Рис. 2. Схема работы нанофильтрационного мембранного элемента CSM ЫБ 4040-70

Природная вода для фильтрования получена из поверхностного источника - водозабора Крутобереговый-1 Петропавловск-Камчатского городского округа. В предыдущих исследованиях определялась молекулярная масса воды данного источника, составившая 8-10 кДа [7]. Предел отсечения мембраны составляет 0,4-1 кДа (табл. 1), что позволяет эффективно применять для очистки от цветности в местных условиях эксплуатации. При проведении опытов по фильтрованию анализы состава исходной воды, фильтрата и концентрата производились в лаборатории КГУП «Камчатский водоканал».

Результаты и обсуждение

Проводились эксперименты по определению характеристик НФМ, входящих в число наиболее важных в условиях реальной эксплуатации [11]. Эксперименты проводились на опытной установке в лабораторных условиях. Схема установки показана на рис. 3.

Рис. 3. Схема лабораторной установки для фильтрации воды с нанофильтрационным мембранным элементом: 1 - бак исходной воды; 2 - насос центробежного типа; 3 - манометр; 4 - прибор учета исходной воды;5 - нанофильтрационный мембранный элемент; 6 - прибор учета фильтрата; 7 - приемный бак фильтрата; 8 - приемный бак концентрата

Перед началом опытов производилась предварительная фильтрация исходной воды. Селективность (или коэффициент задержания растворенного вещества) определяется соотношением [10]:

Я =

где с и с"- концентрации растворенного вещества в исходном растворе и фильтрате (мг/л).

а

Селективная способность нанофильтрационной мембраны по цветности Эц определяется по формуле:

Эц =

где Ц и Ц2 - цветность воды до и после фильтрования (градус). Проницаемость мембраны определяется по формуле [3]:

J = Дд / БЫ,

где Дд - объем фильтрата, прошедшего через мембрану (м3); Б - площадь мембраны (м2); Дt -время получения фильтрата объемом Дд (ч).

Удельная проницаемость мембраны определяется по формуле [12]:

Jр = J / ДР,

где ДР - перепад давления на мембранном слое (МПа).

Описание и результаты эксперимента по определению проницаемости НФМ

Основные данные по эксперименту:

- температура воды + 21°С;

- для стабилизации потока воды при изменении параметров давления между замерами выдерживалось время - 5 мин;

- регулирование режимов на этапах опыта производилось вентилем на сбросной трубе концентрата (рис. 3).

Результаты опытов приведены в табл. 2. Расчет проницаемости и константы проницаемости производился по формулам (3) и (4).

Таблица 2

Результаты эксперимента по определению проницаемости НФМ

Абсолютное давление, МПа 2 о й Расходы

еМ л 3 оГ к Т ¡Чг" I % ва е до 3 5 п е р ре С Потери напора в осевом направлении ДР^Р^Рз, М Фильтрат (чистая) Концентрат

№ этапа Исходной воды Р1 а таа & © Концентрата Р3 с < л Д -5! 33 < Д и, О) Время с Объем V, л -5! 3м и и О) 3 м 4 ть с о м и й но оПр н, лде ть еа но опр

1 0,26 0,1 0,13 0,16 0,13 20,6 1 0,175 21,2 10 1,698 0,022 0,14

2 0,28 0,1 0,17 0,18 0,11 18,3 1 0,197 22,4 10 1,607 0,025 0,14

3 0,3 0,1 0,21 0,2 0,09 16 1 0,225 25,5 10 1,412 0,028 0,14

4 0,32 0,1 0,28 0,22 0,04 13,5 1 0,267 29 10 1,241 0,034 0,15

5 0,34 0,1 0,29 0,24 0,05 12,7 1 0,283 35,5 10 1,014 0,036 0,15

6 0,35 0,1 0,31 0,25 0,04 12,3 1 0,293 38,5 10 0,935 0,037 0,15

7 0,36 0,1 0,33 0,26 0,03 11,3 1 0,319 44,8 10 0,804 0,040 0,16

8 0,38 0,1 0,38 0,28 0,01 10,2 1 0,353 58,5 10 0,615 0,045 0,16

9 0,4 0,1 0,39 0,3 0,01 9,5 1 0,379 88 10 0,409 0,048 0,16

10 0,42 0,1 0,42 0,32 0 8,9 1 0,404 182 10 0,198 0,051 0,16

11 0,43 0,1 0,43 0,33 0 8,3 1 0,434 0 10 0,000 0,055 0,16

Графики зависимостей величин по табл. 2 показаны на рис. 4.

Зависимость расхода фильтрата от перепада давления на мембранном слое

0,05

0,1

0,15 0,2

АР, МПа а

0,25

0,3

0,35

0,4

Зависимость проницаемости от перепада давления на мембранном слое

0,05

0,1

0,15

0,2

АР, МПа б

0,25

0,3

0,35

0,4

0,5 0,4 0,3 0,2 0,1

0,0

0,1

Зависимость удельной проницаемости от перепада давления на мембранном слое

у = 0,15

Я2 = 0,9033

0,15

^^-О-^

0,2

0,25

0,3

АР, МПа в

0,35

Зависимость потерь напора в осевом направлении от расхода концентрата

0,15

0,1

0,05

у = 0,0318х2,4609 ♦

Я2 = 0,802

♦ ♦♦

♦ ♦—Т^

0,5

1

дк, м3/ч

1,5

Рис. 4. Показатели нанофильтрационного мембранного элемента CSMЫБ 4040-70: а - зависимость расхода фильтрата от перепада давления на мембранном слое; б - зависимость производительности от перепада давления на мембранном слое; в - зависимость проницаемости от перепада давления на мембранном слое (константа проницаемости); г - зависимость потерь напора в осевом направлении от расхода концентрата

0

0

0

0

2

г

Описание и результаты эксперимента по фильтрованию природной воды через НФМ при цветности 33 градуса и мутности 2,2 мг/дм3

Основные данные:

- общий объем фильтруемой воды 108 л;

- скорость фильтрования (расход фильтрата) 0,07 л/с, или 0,252 м3/ч;

- абсолютное давление на входе в фильтр Р\ = 0,45 МПа;

- режим фильтрования - тупиковый;

- температура воды определялась непосредственно в процессе опытов. Данные по составу воды приведены в табл. 3.

Таблица 3

Состав исходной воды и фильтрата

Место отбора Температура, °С Цветность, градус Мутность, мг/дм3 Щелочность, мг-экв/л рн

Исходная вода 8 33 2,2 0,84 6,84

Фильтрат 9 7 <0,29 0,91 6,85

Определение селективной способности по цветности, селективности по мутности и проницаемости НФМ при цветности 33 градуса и мутности 2,2 мг/дм3

Результаты расчетов селективной способности по цветности и селективности по мутности по формулам (1) и (2) приведены в табл. 4.

Таблица 4

Результаты экспериментов по определению эффективности НФМ при цветности 33 градуса,

мутности 2,2 мг/дм3, температуре 8°С

Цветность, градус Мутность, мг/дм3 Селективная способность по цветности Эц, % Селективность по мутности Ям,%

Начальная Ц После фильтрования Ц2 Начальная с м После фильтрования с м

33 7 2,2 <0,29 78,79 100

По формуле (3) определили проницаемость НФМ: 3 = 0,032 м3/м2-ч. Внешний вид проб воды до и после фильтрования приведен на рис. 5.

Рис. 5. Внешний вид проб воды до и после фильтрования при цветности 33 градуса и мутности 2,2 мг/дм3: 1 - проба исходной воды; 2 - проба фильтрата

Описание и результаты эксперимента по фильтрованию природной воды через НФМ при цветности 58 градусов и мутности 17,3 мг/дм3

Проводился эксперимент по фильтрованию природной воды повышенной цветности и мутности при различном перепаде давления на мембранном слое. Цветность воды - 58 градусов, мутность - 17,3 мг/дм3. Температура исходной воды 11°С, фильтрата - 12°С.

Регулирование режимов на этапах эксперимента производилось вентилем на сбросной трубе концентрата (рис. 3).

Рабочие параметры процесса указаны в табл. 5. Сравнение данных по проницаемости НФМ, полученных в результате опытов при различных температурах воды, приведены в табл. 6. Проницаемость нанофильтрационного мембранного элемента определили по формуле (3).

Таблица 5

Основные параметры процесса фильтрования природной воды через НФМ при цветности 58 градусов, мутности 17,3 мг/дм3, температуре 11°С

« нч Абсолютное давление, МПа Расход фильтрата Qф, м3/ч Ч ть с § ? 1 2 Я" СЛ В 33 но оПр

№ опыта Положение вентиля концентрата Объем фильтруемо природной воды, л Объем фильтрата воды, л Исходной воды

1 Полностью закрыт 87 87 0,46 0,1 0,46 0,3 0,038

2 Открыт 50% 90 21 0,4 0,1 0,38 0,152 0,02

3 Открыт 90% 90 12 0,3 0,1 0,23 0,144 0,018

Таблица 6

Сравнение данных по проницаемости НФМ, полученных в результате опытов при различных температурах воды

Абсолютное давление исходной воды (Р[), МПа Температура, °С Расход фильтрата Qф, м3/ч Проницаемость 7, м3/м2^ч

0,43-0,46 8 0,252 0,032

11 0,3 0,038

21 0,434 0,055

0,4 11 0,152 0,02

21 0,379 0,048

0,3 11 0,144 0,018

21 0,225 0,028

При анализе полученных результатов, указанных в табл. 6 и на рис. 6 (при тупиковом режиме фильтрации - диапазоне абсолютного давления исходной воды 0,43-0,46 МПа), наблюдается потеря проницаемости мембраны в размере 3,2-3,1% на 1°С снижения температуры фильтруемой воды вследствие повышения вязкости.

0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01

Зависимость проницаемости НФМ от температуры фильтруемой воды при тупиковом режиме фильтрации

10 15

Температура воды, °С

20

25

Рис. 6. Зависимость проницаемости НФМ от температуры фильтруемой воды при тупиковом режиме фильтрации

0

0

5

Определение селективной способности по цветности и селективности по мутности НФМ при цветности 33 градуса и мутности 2,2 мг/дм3

Данные по составу воды приведены в табл. 7. Результаты расчетов селективной способности по цветности и селективности по мутности по формулам (1) и (2) приведены в табл. 8.

Таблица 7

Состав исходной воды и фильтрата

№ пробы Место отбора* Температура, °С Цветность, градус Мутность, мг/дм3 Запах при 20/60°С рН

1 Исходная вода 11 58 17,3 0 6,74

2 Эксперимент № 1 11 5 <0,29 0 6,88

3 Эксперимент № 2 11 5 <0,29 0 6,91

4 Эксперимент № 3 11 4 <0,29 0 6,90

"Номера опытов соответствуют табл. 5.

Таблица 8

Результаты экспериментов по нанофильтрации при цветности 58 градусов, мутности 17,3 мг/дм3, температуре 11°С

№ эксперимента Параметры воды Цветность, градус Мутность, мг/дм3 Селективная способность по цветности Эц, % Селективность по мутности Ям, %

Температура Т , 0С рН После фильтрования Ц2 Начальная с м После фильтрования е"м

1 11 6,88 58 5 17,3 <0,29 92 100

2 11 6,91 58 5 17,3 <0,29 92 100

3 11 6,90 58 4 17,3 <0,29 93 100

По данным в табл. 6 наблюдается резкое снижение проницаемости при снижении давления фильтруемой воды. В то же время при сравнении данных табл. 6-8 видно, что температура воды несущественно влияет на селективную способность по цветности и селективность по мутности НФМ.

Внешний вид проб воды до и после фильтрования приведен на рис. 7.

Рис. 7. Внешний вид проб воды до и после фильтрования при цветности 58 градуса и мутности 17,3 мг/дм3: 1 - проба исходной воды; 2 - проба после эксперимента № 1; 3 - проба после эксперимента № 2;

4 - проба после эксперимента № 3

Выводы

1. В результате проведенного эксперимента по определению проницаемости установлено, что в диапазоне давления исходной воды перед фильтром 0,26-0,43 МПа расход фильтрата линейно зависит от перепада давления на мембранном слое и находится в диапазоне 0,175-0,434 м3/ч, производительность - 0,022-0,055 м3/м2-ч (при температуре воды 21°С). Установлена зависимость расхода концентрата от перепада давления в осевом направлении.

2. При температуре исходной воды 8-11°С селективная способность по цветности составила 73-93%, селективность по мутности - 100%. Эти высокие показатели характеризуют нано-фильтрацию как эффективный метод для очистки природных вод от цветности и мутности. Селективная способность нанофильтрационных мембран существенно выше, чем у микро-и ультрафильтрационных мембран, при этом проницаемость сопоставима с ультрафильтрационными мембранами [7]. Удержание примесных частиц нанофильтрационной мембраны происходит без участия гелевого слоя, как в случае микрофильтрационных и ультрафильтрационных мембран, что позволяет рассматривать их применение для очистки воды от цветности и мутности без предварительного ввода коагулянтов-флокулянтов.

3. Наблюдается потеря проницаемости мембраны в размере 3,2-3,1% на 1°С снижения температуры фильтруемой воды вследствие повышения вязкости жидкости. Изменение температуры фильтруемой воды существенного влияния на селективную способность по цветности и селективность по мутности нанофильтрационной мембраны не оказало.

Литература

1. Хванг С.-Т., Каммермейер К. Мембранные процессы разделения: пер. с англ. / под ред. проф. Дытнерского Ю.И. - М.: Химия, 1981. - 464 с.

2. Френкель В.С. Мембранные технологии: прошлое, настоящее и будущее (на примере Северной Америки) // Водоснабжение и санитарная техника. - 2010. - № 8. - С. 48-55.

3. Технологии мембранного разделения в промышленной водоподготовке / А.А. Пантелеев, Б.Е. Рябчиков, О.В. Хоружий и др. - М.: ДеЛи плюс, 2012. - 429 с.

4. Дзюбенко В.Г., Кондрашев А.С. Мембранные технологии в программе «Чистая вода» // Водоснабжение и канализация. - 2012. - № 1-2. - С. 41-46.

5. MembraneEngineeringSystems [Электронный ресурс]. - URL: http://me-system.ru (дата обращения: 19.02.2017).

6. Органические полимерные мембраны [Электронный ресурс]. - URL: http://www.mediana-filter.ru (дата обращения: 17.02.2017).

7. Потапов В.В., Бровкин А.Е., Мангазеев А.В. Мембранная очистка природной воды от цветности и мутности // Водоочистка, водоподготовка, водоснабжение. - 2016. - № 12. - С. 46-53.

8. Каталог фирмы aqua-trading. Системы водоснабжения и водоотведения [Электронный ресурс]. - URL: http://aqua-trading.ru (дата обращения: 17.02.2017).

9. ToraymembraneEurope. Промышленные мембраны для обратного осмоса [Электронный ресурс]. - URL: http://membranes.com.ua (дата обращения: 17.02.2017).

10. Первая мембранная компания ПМК [Электронный ресурс]. - URL: http://osmos-membrana.ru (дата обращения: 17.02.2017).

11. Водоподготовка: справочник / под ред. д.т.н., действительного члена Академии промышленной экологии С.Е. Беликова. - М.: Аква-Терм, 2007. - 240 с.

12. МулдерМ. Введение в мембранную технологию: пер. а англ. - М.: Мир, 1999. - 513с.

Информация об авторах Information about the authors

Бровкин Алексей Евгеньевич - Государственное унитарное предприятда Камчатского края «Камчатский водоканал»; 683009, Россия, Петропавловск-Камчатский; мастер водопроводных сетей; brovkin120371@mail.ru

Brovkin Aleksey Evgenevich - Kamchatka State Unitary Enterprise "Kamchatsky Vodokanal"; 683009, Russia, Petropavlovsk-Kamchatskу; Foreman of Water Supply System; brovkin120371@mail.ru

Потапов Вадим Владимирович - Научно-исследовательский геотехнологический центр (НИГТЦ) ДВО РАН; 683014, Россия, Петропавловск-Камчатский; доктор технических наук, профессор, заведующий лабораторией химии кремнезема в современных геотермальных процессах; vadim_p@inbox.ru

Potapov Vadim Vadimovich - Research Geotechnological Centre FEB RAS; 683014, Russia, Petropav-lovsk-KamchatskY; Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of Silica Chemistry in Modern Hydrothermal Processes Laboratory; vadim_p@inbox.ru