Исследование кинетических характеристик обратноосмотического концентрирования водных белофоросодержащих растворов

УДК 544.722

ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ОБРАТНООСМОТИЧЕСКОГО КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ ВОДНЫХ БЕЛОФОРОСОДЕРЖАЩИХ РАСТВОРОВ

© С.А. Вязовов, С.И. Лазарев, М.А. Рябинский, Г.С. Кормильцин

Ключевые слова: обратноосмотическое концентрирование; белофоросодержащие растворы; давление; концентрация.

Проведены экспериментальные исследования кинетических характеристик процесса обратноосмотического концентрирования модельных и реальных белофоросодержащих растворов с учетом влияния на них давления и концентрации. Проанализированы и найдены уравнения связи кинетических характеристик процесса обратноосмотического концентрирования модельных и реальных водных белофоросодержащих растворов.

Во всем мире происходит интенсивное развитие мембранной технологии. Она широко применяется для концентрирования и разделения водных растворов солей в различных отраслях промышленности [1].

В химической промышленности, при производстве оптических отбеливателей, образуется большое количество промышленных белофоросодержащих растворов, которые для дальнейшего использования необходимо сконцентрировать.

Для исследования кинетических характеристик процесса обратноосмотического концентрирования водных белофоросодержащих растворов использовались различные типы промышленных мембран.

В качестве объектов исследования использовались модельные растворы, а также промышленные растворы, получаемые в процессах синтеза полупродуктов оптических отбеливателей на линиях ОАО «Пигмент» (г. Тамбов). Исследования удельной производительности и коэффициента задерживания мембран проводились на установке, представленной на рис. 1 [2].

Основным разделительным элементом установки является рабочая ячейка 4, в которой непосредственно происходит процесс обратноосмотического концентрирования. Из расходной емкости 1 через систему вентилей раствор нагнетался в камеру концентрирования плунжерным насосом НД 100/63 3. Пройдя дроссель 13, рабочую ячейку 4, дроссель 5 и ротаметр 6, частично разделенный раствор возвращался обратно в расходную емкость 1. Для контроля давления в установке предусмотрены образцовые манометры 10 и 11, электроконтактный манометр 12. Для исследования влияния пульсирующего потока на процесс концентрирования ячейка 4 была оснащена пьезоэлектрическим датчиком ЛХ-409 18, который подключен к крейтовой системе ЬТС-002/25 19. Это модульная система сбора данных с датчиков и управления в задачах промышленной и лабораторной автоматизации. Крейтовая система ЬТС-002/25, в свою очередь, подключена по коаксиальному кабелю к ПЭВМ 17. Температура раствора в системе поддерживалась водяным термостатом 16 и измерялась потенциометром 14 посредством термопары 15. Жидкость, прошедшая в процессе разделения

через мембрану, собиралась в емкость 2. Регулировка давления в системе осуществлялась игольчатым вентилем 5. Аварийный сброс давления в системе осуществляется игольчатым вентилем 9. В установке предусмотрена система ресиверов 7 и 20, которые представляют собой цилиндрические сосуды объемом 3,5-10-3 м3, предварительно заполненные сжатым воздухом компрессором 8, до давления, составляющего 10...40 % от рабочего.

Значение коэффициента задержания к определяли по формуле

к = 1 -

где Спер - концентрация белофора в пермеате, кг/м ; Сисх - концентрация белофора в исходном растворе,

кг/м3.

Значение удельной производительности О рассчитывали по зависимости

О = VI(Рыт),

где V - объем собранного пермеата, м3; - рабочая

площадь мембраны, м2; т - время проведения эксперимента, с.

1 15 14 19

Рис. 1. Схема экспериментальной обратноосмотической установки

Результаты экспериментальных исследований и их анализ. Важными характеристиками процесса обратного осмоса являются коэффициент задерживания и удельная производительность. Они исследовались при наложении внешних факторов (давления, концентрации) на процесс концентрирования. Влияние различных параметров (давления, концентрации) изучали на мембранах ЕБРЛ, МГА, ОПМ-К и на растворах белофо-ров ОБ-жидкого, КД-2 концентрации 20,9.65,8 кг/м3. Результаты экспериментов представлены на рис. 2.

Проведенные эксперименты выявили следующие закономерности. На всех типах мембран с увеличением величины давления наблюдается увеличение коэффициента задерживания и удельной производительности мембран. Вероятно, это связано с увеличением конвективной составляющей процесса обратноосмотического концентрирования. Также исследовалось влияние на коэффициент задерживания и удельную производительность мембран поля давлений при различных исходных концентрациях раствора белофоров ОБ-жидкого и КД-2. При увеличении концентрации белофоров ОБ-жидкого и КД-2 коэффициент задерживания для мембран МГА-95К, ЕБРЛ, ОПМ-К уменьшается [3].

Это объясняется тем, что увеличение концентрации растворенных веществ приводит к повышению осмотического давления раствора, что снижает эффективную движущую силу процесса, а также к возрастанию вязкости раствора. С увеличением исходной концентрации раствора уменьшается и удельная производи-

тельность мембран. Это связано с изменением структуры пограничного слоя и говорит о влиянии осмотического давления на процесс.

При расчете коэффициента задержания мембран использовалась модифицированная формула на основе предложенной Б.В. Дерягиным, Н.В. Чураевым, Г. А. Мартыновым, В.М. Старовым, которая для наших исследований имеет вид:

к = 1--

Лц

1 +

крк1

1 - ехр| -

ОИкрк

рл 2

Рд

ехр

00,00021к3

Р^ы

где кр - коэффициент распределения; кь к2, к3 - коэффициенты, зависящие от типа исследуемого раствора и мембраны; - коэффициент, учитывающий влияние

поля пульсаций давления на коэффициент задержания мембраны,

Лц = т

л„ъ

где Ар - амплитуда пульсации, МПа; т и Ь - эмпирические коэффициенты.

Для расчета значений удельной производительности мембраны от давления раствора над мембранной, концентрации и температуры получено следующее выражение:

Р

Р

а)

б)

в)

г)

Р

1

Рис. 2. Зависимость значений коэффициента задерживания и удельной производительности мембран от давления и исходной концентрации растворов: а, б - белофор ОБ-жидкий; в, г - белофор КД-2. Эксперимент: мембрана Е8РЛ, 2 - Сисх = 20,9 кг/м3, 3 -Сисх = 45 кг/м3, 4 - Сисх = 65,8 кг/м3; мембрана ОПМ-К, 5 - Сисх = 20,9 кг/м3, 6 - Сисх = 45 кг/м3, 7 - Сисх = 65,8 кг/м3; мембрана МГА-95К, 8 - Сие* = 20,9 кг/м3, 9 - Сисх = 45 кг/м3, 10 - Сисх = 65,8 кг/м3. Расчет: мембрана Е8РЛ, 1 - Сисх = 20,9 кг/м3

О = к

где к - коэффициент водопроницаемости мембраны; п, т - эмпирические коэффициенты; Т0 , Т - реперная (принятая нами 293 К) и рабочая температуры разделяемого раствора [4].

ЛИТЕРАТУРА

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

2. Лазарев С.И., Коробов В.Б., Коновалов В.И. Выделение анилина из водного раствора методом обратного осмоса // Ученые вуза -производству: тез. докл. XXV обл. конф. Тамбов, 1989. С. 50.

3. Лейси Р.Е., Леба С. Технологические процессы с применением мембран / пер. с англ. Л.А. Мазитова и Т.М. Мноцаканян. М.: Мир, 1976. 370 с.

4. Дубицкая Н.И., Перлов С.А. Применение метода обратного осмоса для очистки сточных вод // Бумажная пром-ть. 1987. № 6. С. 5-6.

Поступила в редакцию 17 февраля 2009 г.

Viazovov S.A., Lazarev S.I., Rjabinsky M.A., Kormiltsin G.S. Research of kinetic characteristics return osmotic concentration water solutions of belofor. Experimental researches of kinetic characteristics of process return osmotic concentration modeling and real water solutions of belofor taking into account influence on them of pressure and concentration are spent. The equations of communication of kinetic characteristics of process return osmotic concentration modeling and real water solutions of belofor are analyzed and found.

Key words: reverse osmosis concentration; belofor containing solutions; pressure; concentration.