Технологический подход в совершенствовании принципиальных схем электробаромембранного разделения промышленных растворов

УДК 66.081.6

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПОДХОД В СОВЕРШЕНСТВОВАНИИ ПРИНЦИПИАЛЬНЫХ СХЕМ ЭЛЕКТРОБАРОМЕМБРАННОГО РАЗДЕЛЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ РАСТВОРОВ

© С.В. Ковалев, С.И. Лазарев

Ключевые слова: технологические схемы; электробаромембранное разделение; мембрана; аппарат.

Разработана методика совершенствования принципиальных технологических схем проведения процесса элек-тробаромембранного разделения растворов.

Во втором десятилетии XXI в. активно развивающимся направлением считается применение методов мембранной технологии с наложением на систему мембрана-раствор разности электрических потенциалов совместно с перепадом давления до и после мембраны. Данное направление является актуальным из-за возможности применения схем дифференцированного выделения ионов по потокам раствора, что является плодотворным для дальнейших схем переработки технологических растворов и сточных вод. Так как потоки, обедненные или обогащенные соединениями определенных групп, легче перерабатывать и утилизировать с применением традиционных методов очистки.

Применяемые в промышленности и лабораторной практике принципиальные технологические схемы баромембранного разделения жидких смесей можно классифицировать: по типу осуществляемого процесса (установки микрофильтрации, нанофильтрации, ультрафильтрации, обратноосмотические, электродиализ-ные); по назначению (промышленные и опытные установки для научных исследований); по режиму работы (периодические и непрерывные); по числу ступеней; по организации потока разделяемой смеси. На основании тщательного подбора методов и способов разделения для конкретного технологического раствора, баромембранные методы могут быть модернизированы с наложением на процесс постоянного электрического тока и переменного. Конкретных принципиальных технологических рекомендаций по схемам очистки электроба-ромембранными методами по наличию разделяющего действия не обнаружено, и встречаются только разрозненные литературные данные по данным перспективным методам разделения растворов [1-3].

Существуют два способа принципиального проведения процессов мембранного разделения - тупиковый (фильтрационный) и проточный (мембранный), показанные на рис. 1а, 1б. Их модификацией является дифференцированное выделение ионов по потокам прика-тодного пермеата, прианодного пермеата и ретентата (рис. 1в), а для схем очистки, содержащих легко поли-меризующиеся соединения, особенностью является дифференцированное выделение ионов по потокам прикатодного пермеата и прианодного ретентата, т. к. известно, что в процессах электролиза и электробаро-мембранного разделения происходит налипание целевого продукта на поверхность анодного электрода и

налипание продукта на поверхность мембран перед прианодным электродом. Для того чтобы избавиться от отрицательного воздействия этого фактора, разработан проточный вариант схемы разделения (рис. 1г).

Тупиковый способ разделения применяется в основном на патронных мембранных элементах [4].

Для применения проточной (мембранной) схемы организации процесса мембранного разделения необходимо учитывать следующие особенности [5]: 1) по длине аппарата объемный расход разделяемого потока уменьшается за счет оттока пермеата, и принципиально уменьшается линейная скорость жидкости вдоль мембраны; 2) по длине аппарата концентрация задерживаемых мембраной компонентов растет, пропорционально повышается и концентрация их в пермеате;

а)

б)

в)

г)

Рис. 1. Способы принципиального проведения процессов мембранного разделения: а - тупиковый

3170

а)

б)

в)

ная) [5] (рис. 2а, 2б) и электробаромембранная (прямоточная и циркуляционная) (рис. 2в-е).

Циркуляционные схемы мембранного и электроба-ромембранного разделения (рис. 2б, 2г, 2е) применяются, когда крайне необходимо обеспечить высокую скорость потока в напорном канале (например, для того чтобы не происходили процессы осадкообразования на мембране (концентрационная поляризация, образование слоя геля)).

По числу ступеней установки можно разделить на одноступенчатые и многоступенчатые (каскадные). Под одной ступенью можно понимать часть технологической схемы процесса мембранного разделения, в котором происходит однократное проникновение растворенного вещества через мембрану. Многоступенчатые установки применяются, когда одноступенчатые схемы разделения не обеспечивают выполнение требований по качеству разделения [4].

На рис. 3а-в показан простейший вариант многоступенчатой установки мембранного и электробаро-мембранного разделения на примере двухступенчатой схемы процесса разделения исходного раствора.

г)

а)

д)

е)

Рис. 2. Схемы осуществления мембранных и электробаро-мембранных процессов разделения растворов

3) по длине аппарата давление над мембраной падает из-за гидравлического сопротивления в напорном канале, соответственно, снижается движущая сила процесса разделения; 4) эффективное концентрирование целевого газа или компонента жидкой смеси требует каскадной схемы соединения аппаратов; 5) глубокая очистка растворов требует многоступенчатых схем соединения аппаратов.

В проточных схемах мембранного разделения растворов применяются две конфигурации потоков -транзитная (прямоточная мембранная и циркуляцион-

б)

в)

Рис. 3. Схема двухступенчатой установки: а - мембранной; б, в - электробаромембранной

3171

По организации потока разделяемой смеси различают секционированные и несекционированные установки. В секционированных установках все аппараты группируются по секциям, в каждой такой секции разделительные аппараты соединены параллельно, но сами секции соединены последовательно. Для оптимального распределения потоков разделяемого раствора между мембранными аппаратами, обеспечивающими наиболее благоприятные гидродинамические усло-

вия в межмембранных каналах всех разделительных элементов установки, с учетом изменения концентрации веществ в разделяемом растворе аппараты соединяют в секции [6] (рис. 4а-в).

Другая конфигурация - это рециркуляционная система, показанная на рис. 5а-в. В этом случае исходный раствор прокачивается несколько раз через одну и ту же ступень, состоящую из нескольких модулей [7].

а)

б)

в)

Рис. 4. Схема трехсекционной установки: а - мембранная; б, в - электробаромембранная 3172

а)

б)

в)

Рис. 5. Схема рециркуляционной установки: а - мембранная; б, в - электробаромембранная

3173

Каждая ступень снабжена рециркуляционным насосом, что позволяет оптимизировать гидродинамические условия. При этом наблюдается лишь небольшое падение давления в каждой ступени, где можно регулировать скорость потока и давление. Система рециркуляции сырья является гораздо более гибкой, чем однопроходная система, и ей следует отдать предпочтение в процессах ультра- и микрофильтрации, когда ожидаются сильная концентрационная поляризация и быстрое отложение осадков на мембранах [7].

Технологическое оформление электробаромем-бранных методов разделения растворов применяется с аппаратами, представленными в работах [8-18].

ЛИТЕРАТУРА

1. Горбачев А.С. Кинетика электробаромембранного разделения водных сульфатсодержащих растворов (в производстве оптических отбеливателей): автореф. дис. ... канд. тех. наук. Тамбов, 2006.

2. Лазарев С.И. Научные основы электрохимических и баромембранных методов очистки, выделения и получения органических веществ из промышленных стоков: автореф. дис. ... д-ра тех. наук. Тамбов, 2001.

3. Карлин Ю.В. Влияние электрического поля на ионный транспорт через обратноосмотические мембраны: автореф. дис. . канд. хим. наук. М., 1984.

4. Свитцов А.А. Введение в мембранную технологию. М.: ДеЛи принт, 2007. 208 с.

5. Хараев Г.И., Ямпилов С.С., Хантургаев А.Г. Баромембранные процессы. Улан-Удэ: Изд-во ВСГТУ, 2005. 126 с.

6. Дытнерский Ю.И. Баромембранные процессы. Теория и расчет. М.: Химия, 1986. 272 с.

7. Мулдер М. Введение в мембранную технологию: пер. с англ. М.: Мир, 1999. 513 с.

8. Патент РФ № 2403957. В0Ю61/42, В0Ю61/46. Ковалев С.В., Лазарев С.И., Чепеняк П.А., Данилов А.Ю., Лазарев К.С. Элек-тробаромембранный аппарат плоскокамерного типа. Бюл. № 32. 2010.

9. Лазарев КС., Ковалев С.В., Лазарев С.И., Кочетов В.И. Проектирование и расчет электробаромембранных аппаратов плоскокамерного типа для очистки промышленных стоков // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2013. № 5. С. 5-9.

10. Патент РФ № 2447930. B01D61/42, B01D61/14. Ковалев С.В., Лазарев С.И., Кормильцин Г.С., Лазарев К.С., Ковалева Т.Д., Во-рожейкин Ю.А., Эрлих А.В. Электробаромембранный аппарат плоскокамерного типа. Бюл. № 11. 2012.

11. Патент РФ № 2268085. B01D 61/42. Лазарев С.И., Горбачев А.С., Абоносимов О.А. Электробаромембранный аппарат рулонного типа. Бюл. № 02. 2006.

12. Патент РФ № 2411986. B01D 61/46. Лазарев С.И., Ковалев С.В., Абоносимов О.А., Ансимова З.А., Лазарев К.С. Электробаромем-бранный аппарат рулонного типа. Бюл. № 11. 2008.

13. Патент РФ № 2273512. B01D 61/42. Лазарев С.И., Головашин В.Л., Мамонтов В.В. Электробаромембранный аппарат трубчатого типа. Бюл. № 10. 2006.

14. Патент РФ № 2324529. B01D 61/42. Лазарев С.И., Вязовов С.А., Рябинский М.А. Электробаромембранный аппарат плоскокамерного типа. Бюл. № 05. 2006.

15. Патент РФ № 2326721. B01D 61/42. Лазарев С.И., Абоноси-мов О.А., Рябинский М.А. Электробаромембранный аппарат рулонного типа. Бюл. № 11. 2008.

16. Лазарев С.И., Коробов В.Б., Коновалов В.И. Мембранный аппарат с плоскими фильтрующими элементами. А.с. 1745284 СССР // Б. И. 1992. № 25. С. 6.

17. Лазарев С.И., Коробов В.Б., Коновалов В.И. Мембранный аппарат. А.с. 1681926 СССР // Б. И. 1991. № 37. С. 7.

18. Патент РФ № 2487746. B01D 61/42. Ковалев С.В., Лазарев С.И., Соломина О.А., Лазарев К.С. Электробаромембранный аппарат рулонного типа. Бюл. № 20. 2013.

БЛАГОДАРНОСТИ: Данная работа выполнена в рамках реализации Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг.

Поступила в редакцию 10 октября 2013 г.

Kovalev S.V., Lazarev S.I., TECHNOLOGICAL APPROACH TO PRINCIPLED SCHEMES IMPROVING ELEC-TROBAROMEMBRANE DIVISION OF INDUSTRIAL SOLUTIONS

The technique improvement of technological schemes of the process of electrotrobaromembrane separation solutions is developed.

Key words: flow charts; electrobaromembrane division; membrane; apparatus.

3174