Дипломная (вкр): Технологія попереднього очищення води

Ультрафільтрація - це мембранний процес, який за розмірами частинок затримуваних домішок займає проміжну ланку між нанофільтрацією та мікрофільтрацією. Ультрафільтраційні мембрани мають розміри пор (0,01 ÷ 0,1) мкм, що дозволяє їм затримувати тонкодисперсні та колоїдні домішки, макромолекули (нижня межа маси затримуваних молекул складає кілька тисяч одиниць), водорості, одноклітинні організми, цисти, бактерії та віруси. Видалення іонів та розчинених у воді речовин не відбувається. Таким чином, використання мембранної ультрафільтрації для очищення води дозволяє зберегти її сольовий склад і здійснити освітлення та знезараження без застосування хімічних речовин, що робить цю технологію перспективною з екологічної та економічної точки зору.

Слід зупинитися на основних характеристиках та закономірностях, властивих процесам мембранного розділення водних розчинів та колоїдних систем, в тому числі і процесу ультрафільтрації.

Найважливішими функціональними характеристиками будь-яких синтетичних мембран є коефіцієнт затримування (селективності) розчиненої речовини [5]:

        (3.1)

та продуктивність (об'ємний потік) крізь мембрану [5]:

   (3.2)

де С0 і Сф - відповідно концентрації розчиненої речовини в початковому розчині і в фільтраті; Δq - об'єм фільтрату, що пройшов крізь мембрану площею S за інтервал часу Δτ.

Об'ємний потік очищеної води через мембрану прямо пропорційно залежить від різниці тисків [5]:

,   (3.3)

де J - потік води через мембрану; К - константа проникності, яка враховує всі структурні фактори, що впливають на процес; ΔР - різниця тисків рідини з різних боків мембрани.

Окрім тиску, величина об'ємного потоку залежить від товщини мембрани. Чим тоншою є мембрана, тим вищою буде її продуктивність (за умови рівності інших умов). Для багатошарових мембран враховують товщину найщільнішого шару.

Вплив на значення об'ємного потоку має також температура [5]. Підвищення температури води зменшує її в'язкість і внаслідок цього підвищує пропускну здатність мембрани. Збільшення величини об'ємного потоку складає приблизно 3 % на кожен градус.

Продуктивність мембрани має властивість знижуватися при збільшенні концентрації домішок у воді, які затримуються даним типом мембрани.

Фільтрування води через крупнопористі мембрани можна проводити за будь-якого тиску. Проте, коли розмір отворів мембранної перегородки стає настільки малим, що наближається до розміру молекул, то картина принципово змінюється. Через те, що розчинені солі вже не можуть безперешкодно проходити крізь мембрану, виникає осмотичний тиск, який спрямований назустріч робочому тиску у мембранному елементі. У цій ситуації робочий тиск повинен перевищувати осмотичний тиск, який йому протидіє, інакше проникнення води крізь мембрану відбуватися не буде. При цьому величина осмотичного тиску прямо пропорційна вмісту розчинених солей у воді: збільшення концентрації на кожні 1000 мг/дм3 дає зростання осмотичного тиску на (0,6 ÷ 0,8) бар.

Зміна тиску впливає на селективність мембранного розділення. При збільшенні тиску потік води через мембрану зростає, а проходження домішок практично не змінюється. Крім того, під дією тиску полімерна мембрана дещо ущільнюється і стає менш проникною для домішок. Тому в області малого тиску селективність лінійно зростає разом із підвищенням тиску. Проте, при подальшому збільшенні тиску зростання сповільнюється та при певному значенні селективність досягає максимуму, значення якого залежить від типу мембрани та природи домішок, які видаляються. В області малих концентрацій селективність від концентрації домішок не залежить.

Відношення об'єму отриманого фільтрата до об'єму води на вході, виражене у відсотках, називають конверсією:

        (3.4)

де Vф - об'єм одержаного фільтрата, V0 - об'єм води на вході до мембранного модуля.

За способом створення рушійної сили процесу - трансмембранного тиску - ультрафільтрацію можна поділити на напірну та вакуумну. У випадку напірної ультрафільтрації різниця тисків, необхідна для забезпечення процесу фільтрування води крізь мембрану, створюється за рахунок тиску води, яка подається на мембрану. При вакуумній ультрафільтрації різниця тисків забезпечується створенням розрідження на виході мембранного елемента, який є зануреним у воді [5].

Тупикова фільтрація є характерною саме для мікрофільтрації та ультрафільтрації та майже не застосовується при нанофільтрації та зворотному осмосі. Подібна організація процесу передбачає періодичне очищення фільтрувальної перетинки від забруднень, наприклад, зворотними промивками пермеатом, на що може витрачатися до 15 % очищеної води.

При тангенціальній фільтрації забруднення постійно змиваються з поверхні мембрани тангенційно направленим потоком води, на що може витрачатися до 80 % пермеату. Процес тангенціальної фільтрації більш характерний для нанофільтрації та зворотного осмосу і майже не використовується в мікрофільтрації та ультрафільтрації через складнощі конструктивної організації процесу [5].

Технологія обробки води за допомогою ультрафільтраційних мембран полягає у тупиковій фільтрації води крізь мембрану без скидання концентрату. Такий режим роботи дозволяє зменшити витрати води для власних потреб станції очищення і знизити її загальне енергоспоживання. Процес фільтрації триває (20 ÷ 60) хв, після чого йде промивання мембрани в зворотному до фільтрування напрямку. Для цього частина очищеної води під тиском подається до фільтратного тракту протягом (20 ÷ 60) с. У процесі зворотного промивання вода видаляє з поверхні мембран накопичений шар забруднення [5].

Ефективність зворотного промивання залежить від його інтенсивності (при сталому тиску промивання можна оперувати величиною тривалості зворотного промивання τ) та інтервалу між промиваннями (тривалості фільтроциклу t) : чим менше t, тим ефективнішим буде відмивання мембрани від забруднень, але й тим більшою буде витрата води на промивання. Одним з способів інтенсифікування зворотних промивок є додаткова аерація, що проводиться безпосередньо перед зворотною промивкою водо-повітряною сумішшю.

У процесі тривалої роботи продуктивність мембранних апаратів поступово зменшується, адже на поверхні мембрани та на стінках пор мембран сорбуються різноманітні речовини і відкладаються частинки забруднень, які збільшують загальний гідравлічний опір мембранних апаратів. Для відновлення початкової продуктивності кілька разів на рік проводиться хімічне промивання мембранних апаратів спеціальними кислотними та лужними реагентами для видалення накопичених забруднень.

Варто звернути увагу на те, що застосування ультрафільтрації для очищення води може замінити не один лише процес фільтрування, а цілий ряд процесів: коагуляцію, флотацію та первинне знезараження. Або ж процес коагуляції може бути доповнений процесом ультрафільтрації для видалення утворених при коагуляції пластівців [5].

Таким чином, стають очевидними економічні та якісні переваги ультрафільтраційних мембран порівняно із інщими технологіями фільтрування води, які застосовуються у сучасних схемах водопідготовки[3]:

-   ефективне відфільтровування домішок при невеликих значеннях робочого тиску (2 ÷ 3) атм;

-        зниження собівартості очищеної води;

         зменшення зайнятої площі під обладнання;

         зменшення кількості використовуваних реагентів;

         зниження витрат води для потреб очищення;

         зменшення енерговитрат;

         простіша автоматизація;

         повне видалення завислих речовин;

         ефективна дезінфекція (видалення 99,99% бактерій і вірусів);

         освітлення води (зниження показників каламутності та колірності води);

         високий ступінь очищення води від заліза і марганцю;

         ефективне видалення колоїдного кремнію та органічних речовин;

         ультратонке очищення води (затримування частинок розміром від 0,01 мікрон);

         збереження сольового складу природної води;

         зниження капітальних витрат на будівництво споруди для розміщення нового обладнання.

В той же час ультрафільтрація має декілька недоліків порівняно із іншими методами фільтрування. Так, до обмежень ультрафільтрації можна віднести вузький технологічний діапазон - необхідність точного підтримування умов проведення процесу; порівняно невисоку межу концентрування, яка для гідрофільних речовин звичайно не перевищує 20-35%, а для гідрофобних - (50÷60)%; невеликий (1÷7 роки) термін служби мембран внаслідок осадоутворення в порах і на їх поверхні, що призводить до забруднення, отруєння і порушення структури мембран або погіршення їх механічних властивостей [6]. Відсутність можливості селективно видаляти ті, чи інші домішки, що власне є недоліком усіх баромембранних процесів.

3.2 Теоретичні основи методу коагуляції

Дисперсні системи поділяються на ліофільні та ліофобні. Відмінність у характері прояву сил міжмолекулярної взаємодії на межі поділу фаз дисперсної системи зумовлює різний механізм стабілізації та коагуляції ліофобних та ліофільних колоїдів. Ліофільні системи характеризуються сильною міжмолекулярною взаємодією часточок дисперсної фази з дисперсійним середовищем (водою), довільним диспергуванням і термодинамічною стійкістю системи. До ліофільних систем належать глини, мила, агрегати високомолекулярних сполук тощо, які утворюють у водному середовищі необмежено стійкі дисперсійні системи. Ліофобні системи характеризуються значною енергією зв’язку всередині дисперсної фази, яка значно перевищує енергію її взаємодії із середовищем. У цьому разі диспергування відбувається під дією зовнішніх сил - механічних і хімічних. Серед ліофобних колоїдів розрізняють седиментаційну та агрегативну стійкість. Седиментаційною називають стійкість дисперсії щодо сили гравітації. Розділення фаз у цьому разі відбувається як осадженням часточок під дією сил гравітації, так і втратою агрегативної стійкості в результаті об’єднання часточок при добавленні електролітів та флокулянтів.

Отже, під агрегативною стійкістю розуміють здатність часточок протистояти злипанню. Тонкодисперсні колоїдні розчини (золі, мікроемульсії) відрізняються від грубодисперсних суспензій (зависей) високою агрегативною стійкістю.

Між колоїдними часточками діють сили притягання і відштовхування. Стійкість дисперсної системи залежить від хімічної природи поверхні часточок і визначається балансом сил притягання і відштовхування. Між часточками переважно діють сили притягання - сили Ван дер Ваальса, електростатичні сили відштовхування (в деяких випадках вони можуть зумовити притягання), структурні сили відштовхування, спричинені взаємодією абсорбованих макромолекул. Молекулярні та електростатичні сили є універсальними , дія яких спостерігається завжди, навіть у разі переважання інших сил. Сили відштовхування адсорбованих молекул і структурні більш специфічні. Вони діють лише поблизу ліофільних або ліофілізованих (наприклад, за рахунок адсорбції поверхнево-активних речовин) поверхонь, перші - за наявності достатньо довгих адсорбційних шарів високомолекулярних сполук [7].

Електростатичні сили відштовхування. У дисперсній системі на межі поділу фаз виникає подвійний електричний шар (ПЕШ). У разі зближення колоїдних часток та внаслідок взаємодії ПЕШ виникають електростатичні сили відштовхування. Величина цих сил залежить від параметрів шару: розподілу зарядів і потенціалів та їх змін у разі добавляння електролітів, ПАР та полімерів.

Густина поверхневого заряду, що дорівнює числу елементарних зарядів на одиниці поверхні, визначають за формулою:

                                                                     (3.5)

де  - кількість йонів, адсорбованих на 1 см2 поверхні (різницю між  можна визначити за даними потенціометричного титрування).

Шари локалізованих на поверхні йонів, що створюють заряд, формують внутрішню обкладинку ПЕШ. Ці йони компенсуються такою самою кількістю протилежно заряджених йонів, які становлять зовнішню обкладинку цього шару. Відповідно до загальноприйнятої моделі Гуї-Штерна зовнішню обкладинку ПЕШ умовно поділяють на дві зони: щільну частину з моношару протийонів, що прилягає безпосередню до поверхні, і дифузну частину, в якій розподіл йонів зумовлюється конкуренцією між електричним полем сусідньої фази, яке притягує протилежно заряджені та відштовхує однойменно заряджені йони, і тепловим рухом, який прагне рівномірно розподілити йони в просторі. У дифузній частині протийони утримуються біля поверхні електростатичними силами, а в повній (штернівський) - до них долучається специфічні адсорбційні сили. Отже, заряд поверхні компенсується сумою зарядів, локалізованих у щільній () та дифузній () частинах ПЕШ:

.                                                                             (3.6)

Для опису структури ПЕШ потрібно знати три параметри: потенціал поверхні ψ0, потенціал шару Штерна ψ1 та електрокінетичний потенціал ζ.

Сьогодні для характеристики ПЕЩ в основному використовують здебільшого ζ - потенціал, за величиною якого оцінюють стійкість дисперсної системи.

Структура ПЕШ змінюється при добавлянні до дисперсних систем електролітів або ПАР. Із підвищенням концентрації електроліту, що не містить потенціал визначальних йонів, відбувається зменшення товщини ПЕШ. Це стискання супроводжується зниженням ψ1 та ζ потенціалів за незмінного поверхневого потенціалу.

Тонкодисперсні протийони феруму чи алюмінію або складні органічні йони (ПАР) внаслідок сил Ван дер Ваальса можуть адсорбуватися над еквівалентно, накопичуючись у штернівському шарі. В результаті цього може змінюватись не лише величина, а й знак електрокінетичного-потенціалу. Залежність електро-кінетичного потенціалу від концентрації проходить через ізо-електричну точку, коли система стає нестабільною, та втрачає агрегативну стійкість.

Баланс опозиційних сил

За теорією ДЛФО поведінка часток в воді описується як баланс між двома опозиційними силами - електростатичного відштовхування та Ван дер Ваальсовими силами притягання, саме ця теорія пояснює чому деякі частинки алгомеруються та осідають, а інші ні.

Сили відштовхування

Електростатичне відштовхування стає значним, коли дві частинки наближаються одна до одної і їх ПЕШ починають перекриватися. Енергія відштовхування - це енергія, яка потрібна на подолання сил відштовхування, щоб змусити агломерацію часток. Рівень енергії необхідний на подолання сил відштовхування зростає в міру зменшення відстані між частками. Крива електростатичного відштовхування використовується для визначення енергії, яка необхідна на подолання сил відштовхування в мірі зближення частинок.

Сили притягання

Ван дер Ваальсові сили притягання між двома частинками в основному це результат сил між індивідуальними молекулами кожної частинки. Ефект є адитивним, це значить, що одна молекула першої частинки притягаються до кожної молекули другої частинки. Це повторюється для кожної молекули першої частинки і в загальному - це сума всіх сил притягання між молекулами.

4. Опис технологічної схеми

Вода з річки Дніпро поступає у теплообмінник 1, де підігрівається до 40°С (±1), далі за допомогою насосів сирої води або насосів водоструминних ежекторів надходить в освітлювач 2. В освітлювач подається підігріта до 40°С вихідна вода, яка пройшла повітровідділювач. Дозуючі розчини реагентів окремо вводяться в нижню частину освітлювача - камеру змішування за допомогою тангенціально розташованих сопел, а саме: коагулянт FeSO4 (з мішалки коагулянту 5) та вапняне молоко Са(ОН)2 (з мішалки Са(ОН)2 6). Обертальний рух води сповільнюється за допомогою перфорованих вертикальних перегородок, а вирівнювання швидкості підйому води здійснюється горизонтальними решітками. Тверда фаза, що виділяється, підтримується водою у зваженому стані, причому максимальний рівень осаду підтримується на 1,5 м нижче верхнього збірного пристрою, у результаті чого утворюється захисний шар освітленої води. Основна частина води, піднімаючись, проходить шар зваженої фази і захисну зону, звільняючись при цьому від суспензії, збирається в кільцевому жолобі і виводиться з освітлювача. Менша частина води (10 - 15%) з верхньої частини зваженого шару разом із твердою фазою надходить через шламоприймальні вікна в шламоущільнювач, у якому через відсутність висхідного руху шлам відстоюється, частково зневоднюється і видаляється по лінії постійної чи періодичної продувки. Звільнена від осаду вода відводиться від шламоущільнювача і подається по трубопроводу в збірний жолоб освітлювача. Для видалення піску, що накопичується, і інших грубодисперсних домішок у нижній частині освітлювача роблять періодичну продувку.