Материал: Комплексные проблемы техносферной безопасности. материалы Международной научно-практической конференции. Колодяжный С.А., Небольсин В.А
рывки органических молекул селиконовых масел (о чем свидетельствуют пики на рисунке а). При режиме обработки 12000 об/мин эффективность очистки составляет – 99,6 %. В очищенной воде наблюдаются только пики фона, соответствующие молекулам воды (представлено на рисунок б) [5].
Сравнительный анализ эффективности очистки стока методом флотации и методом гидротермодинамической кавитации
Сооружения |
Взвешенные вещества, |
Кремнийорганические |
pH |
|
|
|||||||
|
|
|
мг/дм3 |
|
|
масла, мг/дм3 |
|
|
|
|
||
|
|
|
ДО |
ПОСЛЕ |
ЭФ, |
ДО |
|
ПОСЛЕ |
ЭФ, % |
ДО |
ПОСЛЕ |
ЭФ, % |
|
|
|
|
|
% |
|
|
|
|
|
|
|
СУЩЕСТВУЮЩАЯ СХЕМА |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Аккумулирующая |
770- |
749,8 |
3,2 |
|
100-150 |
0 |
|
10 |
0 |
|||
емкость |
|
|
780 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Флотатор |
|
749,8 |
164,9 |
78 |
100 |
|
42 |
42 |
10 |
8,6 |
14 |
|
Общая |
эффектив- |
|
|
40,75 |
|
|
|
21 |
|
|
14 |
|
ность очистки, % |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
РЕКОМЕНДУЕМАЯ СХЕМА |
|
|
|
|
||||
Отстойник |
с |
770- |
20 |
97,4 |
100 |
|
42 |
42 |
|
10 |
0 |
|
фильтр-кассетой |
780 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Скорый |
напорный |
20 |
0,8 |
96 |
42 |
|
8 |
92 |
10 |
8,2 |
18 |
|
фильтр |
с |
фильер- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ной загрузкой |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Кавитатор |
|
0,8 |
0 |
100 |
|
|
|
100 |
8,2 |
7 |
Норма |
|
Общая |
эффектив- |
|
|
97,8 |
|
|
|
100 |
|
|
Норма |
|
ность очистки, % |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
а)
151
б)
Хромотограммы: а) обработка при скорости 9000 об/мин, б) обработка при скорости 12000 об/мин
На основе комплексного подхода решена задача усовершенствования методов, технологических схем и устройств для повышения эффективности работы оборудования для кондиционирования сточных вод энергетических систем с использованием эффектов кавитации. Внедрение данной технологии, описанной выше, позволяет организовать оборотное водопользование, что экологически целесообразно и экономически эффективно.
Литература
1.Режим доступа: https://www.ngpedia.ru/id642741p3.html
2.Режим доступа: http://sol-voda.ru/articles/voda-v-prirode/vody-otravlennye-neftyu-i- nefteproduktami/
3.Долина Л.Ф. Современная технология и сооружения для очистки нефтесодержащих сточных вод / Л.Ф. Долина. - Днепропетровск: Континент, 2005. - 296 с.
4.Пирсол И. Кавитация. - Издательство: Мир, 1975. - 95 с.
5.Дубровская О.Г. Технология гидротермодинамической обработки природных и сточных вод с использованием эффектов кавитации. – Красноярск, 2007. – 134 с.
6.Ивченко В.М., Кулагин В.А., Немчин А.Ф. Кавитационная технология / Под ред. Акад. Г.В. Логвиновича. - Красноярск: Изд-во КГУ, 1990. - 200 с.
7.Криволуцкий А.С., Кулагин В.А. Изменение физико-химических Свойств воды под воздействием гидродинамической кавитации // Социальные проблемы инженерной экологии, природопользования и ресурсосбережения: материалы НТК. - Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2003. - Вып. IX. - С. 61-74.
8.Кулагин В.А., Ивченш В.М., Есиков С.А. Кавитационная технология интенсификации различных производственных процессов // Тез. докл. V Семинара преподавателей и научных сотрудников кафедр и групп теплофизического профиля вузов Сибири и Дальнего Востока. - Кемерово, 1986. - С. 97.
9.Кульский Л.А. Теоретические основы и технология кондиционирования воды. - 4-е изд. перераб. и доп. - Киев: Наукова думка, 1983. - 528 с.
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Сибирский федеральный университет» (СФУ). Политехнический институт, г. Красноярск
152
Ya.G. Turubanova, I.V. Andrunyak
IMPROVEMENT OF TECHNOLOGY CONDITIONING OF SEWAGE WITH USE
OF CAVITATIONAL TECHNOLOGY
Results of technology which provides purification of oil-containing sewage are shown, using cavitational technologies Key words: cavitation, sewage treatment, oil products, water treatment, thermal power plant
Federal public autonomous educational institution of the higher education «Siberian Federal University» (SFU). Polytechnical institute, Krasnoyarsk
УДК 628.3
И.Н. Трус
МЕМБРАННЫЕ МЕТОДЫ ОПРЕСНЕНИЯ ВОДЫ
В статье рассмотрены основные преимущества метода мембранного опреснения воды, который в последнее время быстро развивается. Использование методов мембранного опреснения увеличивается в связи с улучшением материалов мембран, что позволяет уменьшить расходы
Ключевые слова: мембранное опреснение, сульфаты, хлориды, ионы жесткости, эффективность, извлечение
На сегодняшний день достаточно остро стоят проблемы загрязнения водных объектов, что вызвано резким повышением минерализации воды в поверхностных водоемах, особенно это касается промышленных густонаселенных регионов. Повышение минерализации происходит в результате сброса недостаточно очищенных шахтных и промышленных сточных вод. Для решения данной проблемы в промышленности, коммунальных хозяйствах и быту используются высокоэффективные процессы обессоливания воды - баромембранные процессы, такие как обратный осмос и нанофильтрация. Для широкого внедрения данных процессов необходимо изучить процессы эффективного осветления и обесцвечивания воды и решить проблему стабилизационной обработки воды перед стадией мембранной очистки, для предотвращения осадкоотложений на мембранах. Сейчас наблюдается ухудшение качества воды в природных источниках, кроме того устанавливаются более жесткие требования к качеству питьевой воды. В результате нанофильтрационные мембраны имеют огромные перспективы при применении их в системах подготовки воды. Особенно эффективен процесс нанофильтрации при обработке вод с высокими показателями цветности. Для широкомасштабного применения мембранных технологий обратного осмоса и нанофильтрации необходимо упрощение и удешевление технологий очистки воды, повышения их надежности и эффективности. Баромембранные методы очистки воды имеют следующие преимущества: высокая надежность барьерной фильтрации; надежность и компактность оборудования; возможность полной автоматизации процесса; минимальное использование реагентов, низкое энергопотребление, возможность получения качественного пермиата (фильтрата) за один шаг обработки, простота наращивания мощности, использование химических реагентов почти исключено (только для регенерации мембран) [1]. К недостаткам относят: высокая стоимость оборудования; образование отложений на мембранах; определенные требования к качеству исходной воды. Авторами работы [2] отмечается, что главным недостатком мембранных систем водоподготовки является большой расход воды на собственные нужды, то есть потока концентрата, который сбрасывается. Главным элементом всех мембранных установок является полупроницаемая мембрана, поэтому основные особенности мембранных процессов и режимы их проведения определяются характеристиками и свойствами используемых полупроницаемых мембран (табл. 1). Мембраны должны отвечать следующим требованиям: иметь высокую селективность и удельную производительность
153
(проницаемость); достаточную механическую прочность при монтаже, транспортировке и хранении; быть химически стойкими к действию водных растворов; свойства мембраны в процессе эксплуатации не должны существенно изменяться [3]. Удельная производительность нанофильтрационных мембран является одной из важнейших их характеристик. Она зависит от многих факторов: состава жидкости, давления, рН среды, температуры. Анализ научно-технической литературы показывает, что наиболее целесообразно для очистки низкоконцентрированных, концентрированных, низко- и высокоминерализованных сточных вод использовать нанофильтрационные технологии [4]. Ультра и нанофильтрация являются одними из самых эффективных и многофункциональных методов баромембранного опреснения загрязненных вод. Проблему утилизации концентратов можно решить с помощью осаждения сульфатов в виде сульфогидроксоалюминату кальция. В большинстве случаев в шахтных водах содержание сульфатов значительно выше, чем хлоридов, и количество последних не превышает допустимый уровень и составляет 100−200 мг/дм3. Соответственно, применение методов нанофильтрации в данном случае является целесообразным, поскольку происходит достаточно эффективное удаление сульфатов при допустимых уровнях хлоридов в воде.
Таблица 1 Основные параметры и характеристики различных видов мембранной фильтрации
поверхностных вод
Характеристика |
Микрофильтрация |
Ультрафильтрация |
Нанофильтрация |
Обратный ос- |
|
|
|
|
|
мос |
|
|
|
|
Целлюлоза, тон- |
Целлюлоза, |
|
|
Полиамид, полип- |
|
тонкопленча- |
||
|
Целлюлоза, поли- |
копленчастые |
|||
Материал |
ропилен, полису- |
сульфон, керамика |
композитные ма- |
стые композит- |
|
|
льфон, керамика |
|
териалы |
ные материалы, |
|
|
|
|
полисульфон, |
||
|
|
|
|
||
Размер пор, мкм |
0,01–1,0 |
0,001–0,01 |
0,0001–0,001 |
< 0,0001 |
|
Размер молекул, что |
|
|
|
|
|
удаляются (кДаль- |
> 100,0 |
2,0–100,0 |
0,3–1,0 |
0,1–0,3 |
|
тон) |
|
|
|
|
|
Рабочее давление, |
> 2,0 |
1,5–7,0 |
3,5–20,0 |
15,0–70,0 |
|
бар |
|||||
|
|
|
|
||
Удаление взвешен- |
Да (крупные колои- |
Да (колоиды) |
Да |
Да |
|
ных веществ |
ды, эмульсии) |
||||
|
|
|
|||
Удаление раство- |
|
|
|
|
|
ренных органичес- |
Нет |
Да |
Да |
Да |
|
ких веществ |
|
|
|
|
|
Удаление раство- |
|
|
|
|
|
ренных неорганиче- |
Нет |
Нет |
20,0–85,0 |
95,0–99,0 |
|
ских веществ, % |
|
|
|
|
|
Удаление микроор- |
Цисты, большие ба- |
Цисты, большие ба- |
Все микроорга- |
Все микроорга- |
|
ганизмов |
ктерии, водоросли |
ктерии, водоросли, |
низмы |
низмы |
|
вирусы |
|||||
|
|
|
|
||
Химический состав |
Не изменяется |
Частично изменяет- |
Изменяется |
Изменяется |
|
воды |
ся |
||||
|
|
|
|||
Энергопотребление, |
Низкое |
Низкое |
Низкоумеренное |
Умеренное |
|
кВт•год/м3 |
В работе были изучены процессы очистки слабоминерализованных вод при использовании нанофильтрационной мембраны ОПМН-П в статических условиях при перемешивании раствора, свойства которой приведены в табл. 2.
При проведении исследований на первом этапе использовали киевскую
154
водопроводную воду, которая имела следующие характеристики: Ж = 4,1 мг-экв/дм3, С(Са2+) = 3,0 мг-экв/дм3, С(Mg2+) = 1,1 мг-экв/дм3, Щ = 3,8 мг-экв/дм3, С(SO42-) = 0,57 мг-экв/дм3,
С(Сl-) = 0,54 мг-экв/дм3, рН =7,8. В результате проведенных исследований было установлено, что производительность мембраны уменьшается с увеличением степени отбора пермиата и возрастает при повышении рабочего давления в пределах от 0,3 до 0,4 МПа. При фильтровании водопроводной воды при рабочем давлении 0,4 МПа через нанофильтрационную мембрану ОПМН−П произошло снижение производительности от 12,95 до 7,08 дм3/м2∙∙ч, то есть на 5,87 дм3/м2∙∙ч. При давлении 0,3 МПа при увеличении степени отбора пермиат от 10 до 70 % эта разница была значительно меньше и составляла 3,77 дм3/м2∙∙ч. Очевидно, что при повышении давления от 0,3 до 0,4 МПа, происходит повышении осмотического давления раствора и увеличении в нем концентрации солей, что призводит к большему уплотнению мембраны.
Таблица 2
Свойства нанофильтрационной мембраны ОПМН−П
Показатель |
Значение |
Максимальная температура, °С |
45 |
Рабочий диапазон рН |
2–12 |
Рабочее давление, МПа |
1,6 |
Минимальная производительность по фильтрату при |
100 |
температуре 25 °С, дм3/м2·год |
|
Селективность, %: |
|
По 0,2 % MgSO4, не меньше |
98,5 |
По 0,15% NaCl, не меньше |
55,0 |
Стойкость с Cl, млн-1, не меньше |
1 |
На следующем этапе исследований нанофильтрационного обессоливания воды был использован модельный раствор: Ж = 9,5 мг-экв/дм3, С(Са2+) = 2,9 мг-экв/дм3, С(Mg2+) = 6,6 мг-экв/дм3, Щ = 4,5 мг-экв/дм3, С(SO42-) = 13,0 мг-экв/дм3, С(Сl-) = 3,0 мг-экв/дм3, рН = 8,50.
При очистке модельного раствора с высокой концентрацией солей производительность зависит от рабочего давления и в меньшей степени от степени отбора пермиата (табл. 3). Таким образом, рост осмотического давления раствора играет более значительную роль. Снижение производительности мембраны со временем в данном случае при давлении 0,30, 0,35 и 0,40 МПа составляет соответственно 0,50, 0,81 и 1,37 дм3/м2∙∙ч.
Таблица 3 Зависимость производительности нанофильтрационной мембраны ОПМН−П от степени отбора пермиата при фильтровании водопроводной воды (I) и модельного раствора (II)
|
J, дм3/м2∙год |
|
|
|
|
|
Z, % |
І |
|
|
ІІ |
|
|
Р, МПа |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,30 |
0,35 |
0,40 |
0,30 |
0,35 |
0,40 |
10 |
10,01 |
11,80 |
12,95 |
4,58 |
5,59 |
8,17 |
20 |
7,92 |
10,41 |
10,83 |
4,42 |
5,36 |
7,58 |
30 |
7,37 |
9,15 |
9,83 |
4,35 |
5,26 |
7,27 |
40 |
7,08 |
8,43 |
8,85 |
4,21 |
5,15 |
7,17 |
50 |
6,63 |
7,92 |
8,43 |
4,15 |
4,96 |
6,89 |
60 |
6,40 |
7,58 |
7,92 |
4,11 |
4,87 |
7,08 |
70 |
6,24 |
6,80 |
7,08 |
4,08 |
4,78 |
6,80 |
Производительность мембраны значительно ниже при всех значениях рабочего давления при фильтровании модельного раствора, чем водопроводной воды. Это связано с
155