Удельный поток растворителя при баромембранном разделении водных растворов металлообрабатывающих производств

УДК 66.081.6

УДЕЛЬНЫЙ ПОТОК РАСТВОРИТЕЛЯ ПРИ БАРОМЕМБРАННОМ РАЗДЕЛЕНИИ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ МЕТАЛЛООБРАБАТЫВАЮЩИХ ПРОИЗВОДСТВ

© С.В. Ковалев, К.С. Лазарев

Ключевые слова: раствор; мембрана; обратный осмос; удельный поток растворителя; разделение; установка; методика.

Разработана экспериментальная обратноосмотическая установка с одномодульным рулонным аппаратом и методика исследования удельного потока растворителя через мембрану МГА-95 при разделении растворов неорганических солей. Проведены экспериментальные исследования удельного потока растворителя через мембрану МГА-95 по водным растворам сульфата цинка, железа и олова.

Реальные сточные воды машиностроительных предприятий содержат в своем компонентном составе в большей мере неорганические металлсодержащие соединения, которые необходимо извлекать из стоков из-за их ценности, токсичности или возможности вторичного использования. Все это вызывает необходимость исследования и применения баромембранных методов разделения для стоков машиностроительных предприятий [1]. Стоит отметить, что проблемы очистки данных стоков присущи предприятиям Тамбовской области: металлосодержащие стоки после локальных ванн промывки - ОАО «Электроприбор», г. Тамбов.

Широкое применение процесса обратноосмотического разделения сдерживается малоизученностью кинетики массопереноса и отсутствием аппаратурнотехнологического оформления для его реализации.

Цель настоящей работы - разработка методики для исследования удельного потока растворителя через обратноосмотическую мембрану МГА-95 при разделении водных растворов, содержащих металлсодержащие соединения.

Большое количество работ по обратноосмотическому разделению водных растворов в России посвящено исследованию влияния неорганических компонентов на удельный поток растворителя через обратноосмотические мембраны на конструкциях плоскокамерных баромембранных аппаратов [2-5].

В литературных источниках представлен ряд исследований по кинетике обратноосмотического разделения на трубчатых мембранных аппаратах, которые применяются при разделении растворов, содержащих неорганические растворенные вещества в большом количестве [6].

Незначительное количество экспериментальных работ посвящено исследованию кинетических коэффициентов для неорганических растворов на баромембранных аппаратах рулонного типа. Эти работы носят отрывистый характер и сопровождаются достаточно типовыми конструкциями экспериментальных установок [7]. Для исследования кинетических коэффициентов обратноосмотического разделения растворов, содержащих растворенные неорганические соли, пред-

ложена усовершенствованная методика и конструкция одномодульного рулонного аппарата.

При экспериментальных исследованиях использовалась серийно выпускаемая ЗАО НТЦ «Владипор» мембрана МГА-95. Структура мембраны представляет собой пористую полимерную полупрозрачную пленку на основе ацетатов целлюлозы МГА-95 (нетканый полипропилен, тканный и нетканый лавсан). Характеристики исследуемых мембран представлены в табл. 1.

Неорганические вещества, эмитирующие реальные стоки гальванических производств ОАО «Электроприбор», после локальных ванн промывки подвергались разделению на экспериментальной установке, представленной на рис. 1.

Установка работает следующим образом: из исходной емкости 1 через систему вентилей рабочий раствор нагнетался через ресивер 4 в камеру разделения плунжерным насосом 2. Пройдя рабочий рулонный мембранный модуль 8, дроссель 9 и поплавковый ротаметр 10 разделяемый раствор возвращался обратно в исходную емкость 1, пермеат собирался в емкость 11. Для сглаживания пульсаций давления и расхода рабочего раствора в системе установлен ресивер 4, с манометром 5, предварительно заполненный сжатым воздухом компрессором высокого давления 3. Для контроля и регулировки давления использовался образцовый 6 и элек-троконтактный 7 манометры. Регулировка давления в системе осуществлялась дросселем 9.

Таблица 1

Характеристики исследуемых мембран

Рабочие параметры Тип мембраны

МГА-95

Рабочее давление, МПа 5,0

Производительность по воде, м3/м2^с 1,1110-5

Коэффициент задерживания, по 0,15 % №01, не менее 0,95

Рабочий диапазон, рН 3-8

Максимальная температура, °С 50

Рис. 1. Схема экспериментальной обратноосмотической установки: 1 - исходная емкость; 2 - насос высокого давления; 3 - компрессор высокого давления; 4 - ресивер; 5 - манометр; 6 - образцовый манометр; 7 - электроконтактный манометр; 8 - рулонный мембранный модуль; 9 - дроссель; 10 - ротаметр; 11 - емкость пермеата

Рис. 2. Схема обратноосмотического рулонного модуля:

I - корпус; 2 - рулонный элемент; 3- резиновая манжета; 4 - штуцер ввода исходного раствора; 5, 6, 7 - болт, гайка и шайба; 8 - прокладка; 9 - резиновое кольцо; 10 - крышка;

II - резиновое кольцо; 12 - фланец; 13 - штуцер вывода ре-тентата; 14 - трубка для отвода пермеата; 15 - заглушка; 16 -решетка; 17 - втулка; 18 - накидная гайка; 19 - мембраны; 20 - сетка-сепаратор (турбулизатор); 21 - отверстия отвода пермеата; 22 - дренажный слой

Основным элементом установки являлся разделительный рулонный модуль (рис. 2), который представляет собой в сборе обратноосмотический аппарат с элементом ЭР0-К-3,0/475 площадью фильтрации 3 м2.

Исходный раствор подается через штуцер 4 и движется по межмембранным напорным каналам рулонного элемента в продольном направлении, под действием избыточного давления часть раствора продавливается через мембраны 19 и образует пермеат, а обогащенный растворенными веществами ретентат проходит по всему рулонному элементу и отводится через штуцер вывода ретентата 13.

Пермеат по спирально расположенному дренажному слою поступает через отверстия отвода пермеата 21 в отводящую трубку 14 и выводится из аппарата через крышку 10. Для предотвращения телескопического

эффекта, возникающего вследствие разностей давления у торцов элемента и приводящего к сдвигу слоев в рулоне вдоль его оси, задний торец упирается в антителе-скопическую решетку 16 (перфорированный диск) и втулку 17.

Для предотвращения байпасирования жидкости в аппарате служит резиновая манжета 3, перекрывающая зазор между рулонным элементом 2 и внутренней стенкой корпуса 1.

Методика проведения эксперимента сводилась к следующему: перед началом эксперимента обратноосмотическую установку промывали дистиллированной водой 6 ч, затем рабочим раствором 6 ч (для предотвращения попадания ранее исследуемых компонентов в исследуемый раствор). После предварительной подготовки рулонного элемента собирали разделительный модуль и крепили его к установке, показанной на рис. 1. Регулировкой хода плунжера устанавливали заданный расход для обеспечения необходимой скорости в меж-мембранном канале. Одновременно подавая холодную воду для охлаждения плунжера насоса. Далее при закрытом дросселе 9 включали насос. По мере увеличения рабочего давления проводился холостой опыт в течение 30 мин. Затем выключали установку, сбрасывали давление в системе. Собранный раствор из емкости 11 сливали в исходную емкость 1 и оставляли установку на несколько часов с целью выравнивания концентрации исследуемого раствора по всей системе установки. После выдержки оставшийся раствор в установке сливали в емкость 1. Запускали установку, выводили на рабочий режим и проводили контрольный опыт в течение 4 ч для обжатия образцов мембран и приведения их в нормальное рабочее состояние. После этого проводили рабочий опыт в течение 0,5-2 ч, в зависимости от производительности мембран и необходимого количества собранного пермеата, требуемого для анализа. Время проведения экспериментальных исследований фиксировали секундомером. После рабочего эксперимента сбрасывали давление в системе открытием дросселя 9, и установка отключалась.

Колебания давления и расхода на описанной установке не превышали 5 % от установленного значения.

Значение удельного потока растворителя рассчитывали для рулонного модуля по следующей зависимости [8-10]:

3 =-^,

Р 'т

м

где V - объем собранного пермеата, м3; Fм - рабочая площадь мембраны, м2; т - время проведения эксперимента, с.

В работе проводились исследования по влиянию концентрации на удельный поток растворителя через мембраны. Наиболее распространенные в промышленности при гальванической обработке поверхностей деталей и механизмов являются водные растворы неорганических веществ, образующиеся после промывки их в каскадных ваннах. Подвергшиеся разделению на экспериментальной обратноосмотической установке модельные водные растворы, содержащие растворенные соли металлов, подвергались анализу по методикам, описанным в [11].

Рис. 3. Экспериментальная зависимость удельного потока растворителя для мембраны МГ А-95 от концентрации исследуемого раствора: а) водный раствор сульфата олова; б) водный раствор сульфата цинка; в) водный раствор сульфата железа. Рабочее давление: 1 - 1 МПа; 2 - 2 МПа; 3 - 3 МПа; 4 - 4 МПа

ВЫВОДЫ

1. Разработана экспериментальная обратноосмотическая установка и методика, позволяющая исследовать удельный поток растворителя на одномодульном рулонном аппарате при разделении металлсодержащих растворов.

2. Получены экспериментальные данные, устанавливающие зависимость удельного потока растворителя для мембраны МГА-95 от концентрации и вида исследуемых растворов.

3. Представлено теоретическое описание зависимостей удельного потока растворителя для мембраны МГА-95 от концентрации и вида исследуемых растворов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Терпугов Г.В. Очистка сточных вод технологических жидкостей машиностроительных предприятий с использованием неорганических мембран. М.: РХТУ им. Д. И. Менделеева, 2000. 96 с.

2. Лазарев С.И., Вязовов С.А. Исследования кинетических характеристик ионообменной мембраны МК-40 при обратноосмотическом разделении водных растворов белофора // Химия и химическая технология. 2005. Т. 48. № 3. С. 91-94.

3. Мамонтов В.В., Редин Д.Ю., Лазарев К.С., Головашин В.Л. Исследование коэффициента задержания и удельной производительности в процессе обратноосмотической очистки технической воды // Химия и химическая технология. 2007. Т. 50. № 9. С. 18-20.

4. Лазарев С.И., Горбачев А.С. Исследование коэффициента задерживания и удельного потока растворителя при обратноосмотическом разделении раствора сульфоанилата натрия // Конденсированные среды межфазные границы. 2005. Т. 7. № 4. С. 409-412.

5. Лазарев С.И., Горбачев А.С., Шапошник В.А., Стамов В.М. Исследование кинетических характеристик обратноосмотического разделения водных растворов сульфанилата натрия // Журнал прикладной химии. 2006. Т. 79. № 5. С. 747-751.

6. Головашин В.Л., Лазарев С.И., Мамонтов В.В., Ворожейкин Ю.А. Математическое моделирование обратноосмотического аппарата трубчатого типа // Конденсированные среды и межфазные границы. 2009. Т. 11. № 3. С. 203-207.

7. Абоносимов О.А., Лазарев С.И., Лазарев А.С. О некоторых особенностях гидродинамики потока раствора в баромембранных аппаратах рулонного типа // Конденсированные среды и межфазные границы. 2009. Т. 11. № 1. С. 16-20.

8. Дытнерский Ю.И. Мембранные процессы разделения жидких смесей. М.: Химия, 1975. 252 с.

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

10. Мулдер М. Введение в мембранную технологию / пер. с англ. под ред. Ю.П. Ямпольского, В.П. Дубяги. М.: Мир, 1999. 513 с.

11. Крешков А.П. // Основы аналитической химии. Физико-химические (инструментальные) методы анализа. М.: Химия, 1970. 472 с.

На рис. 3 представлены зависимости удельного потока растворителя через мембрану МГА-95 от концентрации, полученные при 295 К и рН = 3^4.

Удельный поток растворителя для мембраны МГА-95 от исходной концентрации соли в растворе рис. 3 по водному раствору сульфата цинка, олова и железа снижается из-за того, что возрастает осмотическая составляющая давления в растворе при его концентрировании и соответственно снижается эффективная движущая сила процесса баромембранного разделения. Значение удельного потока растворителя для ацетатцел-люлозной мембраны зависит также и от скорости прокачки раствора над поверхностью мембраны, от вида взаимодействия растворенного вещества с поверхностью мембраны и ее пористой структурой [11].

БЛАГОДАРНОСТИ: Научно-исследовательская работа выполнена в рамках реализации федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы.

Поступила в редакцию 16 января 2012 г.

Kovalev S.V., Lazarev K.S. SOLVENT FLUX AT BAROMEMBRANE SEPARATION OF WATER SOLUTIONS OF METAL-WORKING INDUSTRIES

An experimental reverse-osmosis system with single module roll apparatus and method of investigation of the solvent flux through the membrane of MGA-95 for the separation of solutions of inorganic salts is developed. Experimental studies of the solvent flux through the membrane MGA-95 for water solutions of zinc sulphate, iron and tin are made.

Key words: solution; membrane; reverse osmosis; solvent flux; separation; setting; methodology.