Кинетические характеристики электромикрофильтрационной очистки технологических растворов от синтетических поверхностно-активных веществ

Полный текст

Введение

Отечественные предприятия ежесуточно используют воду в объеме 8…10 млн м³, и в результате образуются сточные воды, содержащие токсичные загрязняющие вещества, одними из которых являются синтетические поверхностно-активные вещества (СПАВ). Современные требования к сбросу промышленных сточных вод обуславливают поиск и разработку более эффективных решений в области их очистки [1, 2]. Наиболее рациональный путь для достижения таких целей – создание локальной системы очистки с возможностью извлечения ценных компонентов и использования очищенных вод в оборотном цикле [3 – 5].

Наибольший успех в отношении эффективности и технологичности очистки сточных вод достигнут при использовании методов мембранного разделения, в частности, обратного осмоса, ультрафильтрации и электромембранных процессов [6 – 11]. Для расчета процесса электромембранного разделения необходимо иметь экспериментальные данные по кинетическим параметрам и характеристикам процесса. Одними из основных параметров, характеризующих эффективность процесса при электромембранном разделении, являются выходная удельная производительность и коэффициент задержания мембраны [6].

Цель работы – исследование кинетических характеристик электромикрофильтрационной очистки растворов от синтетических поверхностно-активных веществ.

Результаты экспериментальных исследований

В целях исследования основных параметров электромембранного разделения проведен эксперимент по очистке модельных растворов, имитирующих реальные сточные воды с промышленных объектов г. Тамбова, содержащих тринатрийфосфат и триполифосфат натрия. Основные характеристики модельных растворов приведены в табл. 1.

Таблица 1

Основные характеристики модельных растворов

В эксперименте использовали лабораторную электромембранную установку, рабочей частью которой служит плоско-камерная ячейка. При изучении кинетических характеристик процесса электромембранного разделения применялись отечественные мембраны МФФК-2Г, ММК 0,45 и МФФК-0, промышленно выпускаемые ЗАО НТЦ «Владипор» (г. Владимир). При выборе мембран учитывалось наиболее оптимальное соотношение удельной производительности и задерживающей способности, обеспечивающее требования к качеству пермеата.

Методика проведения подробно представлены в работе [12].

Коэффициент задержания мембраны K и выходной удельный поток растворителя J находятся в определенной зависимости от материала мембран, природы растворенных веществ и их концентраций в исходном растворе, а также от давления, при котором происходит процесс разделения, и плотности тока [13 – 18].

Полученные в ходе экспериментальных исследований данные по влиянию этих параметров на величину K при электромембранном разделении водных растворов тринатрийфосфата и триполифосфата натрия представлены на рис. 1 – 3. Из приведенных данных следует, что при увеличении выходного удельного потока растворителя через мембрану коэффициент задержания снижается для всех представленных зависимостей. Это явление объясняется тем, что перенос растворенного вещества через мембрану обусловлен в основном конвективным потоком растворителя.

Анализ зависимости удельного потока от концентрации показал, что удельный поток через исследуемые мембраны незначительно уменьшается с ростом концентрации для всех веществ. По значениям концентраций исследуемых растворов их можно отнести к разбавленным. Для таких растворов характерно незначительное влияние роста концентрации на проницаемость мембран. В зависимости от типа мембран отмечается бо́льшая удельная производительность мембраны МФФК-2Г, чем ММК 0,45 и МФФК-0.

Коэффициент задержания также находится в линейной зависимости от плотности тока, однако отмечается различное поведение кривых коэффициента задержания для приканодных и прианодных мембран. Данное явление вызвано «блокировкой» пор прикатодных мембран за счет отвода основной группы ионов [18].

Рис. 1. Зависимости коэффициента задержания от выходного удельного потока растворителя прикатодной (а, в) и прианодной (б, г) мембраны МФФК-0 для растворов тринатрийфосфата (а, б) и триполифосфата натрия (в, г):
а, б – с_исх = 0,5 кг/м³ (1) и 2,0 кг/м³ (2); в, г – с_исх = 0,3 кг/м³ (1) и 1,5 кг/м³ (2)

Рис. 2. Зависимости коэффициента задержания от выходного удельного потока растворителя прикатодной (а, в) и прианодной (б, г) мембраны ММК 0,45 для растворов тринатрийфосфата (а, б) и триполифосфата натрия (в, г):
а, б – с_исх = 0,5 кг/м³ (1) и 2,0 кг/м³ (2); в, г – с_исх = 0,3 кг/м³ (1) и 1,5 кг/м³ (2)

Рис. 3. Зависимости коэффициента задержания от выходного удельного потока растворителя прикатодной (а, в) и прианодной (б, г) мембраны МФФК-2Г для растворов тринатрийфосфата (а, б) и триполифосфата натрия (в, г):
а, б – с_исх = 0,5 кг/м³ (1) и 2,0 кг/м³ (2); в, г – с_исх = 0,3 кг/м³ (1) и 1,5 кг/м³ (2)

Для теоретического расчета коэффициента задержания K с наложением электрического тока применялось выражение [18, 19]

$K=1-{\left\{1+\left(\frac{1}{k_1{k}_{\text{p}}}-1\right)\left[1-\exp \left(-\frac{k_{2}J}{D}\right)\right]\exp \left(-k_{3}J\right)\right\}}^{-1},$           (1)

где k₁, k₂, k₃ – эмпирические коэффициенты (табл. 2); i – плотность тока, А/м²; η – выход по току, %; k_р – коэффициент распределения мембран; D – коэффициент диффузии, м²/с; J – удельная производительность, м³/(м²×с).

Сравнение экспериментальных и расчетных значений коэффициента задержания показало их удовлетворительное совпадение.

Для математического описания и физического объяснения явления переноса при электромембранном разделении, а также методик расчета применяются различные подходы, основанные, преимущественно, на уравнениях переноса растворенного вещества и растворителя через мембрану [19, 20].

При расчете и проектировании электромембранных процессов целесообразно знать основные параметры разделения. Параметры для процесса разделения: коэффициент задержания K; V – объем в емкости исходного раствора, м³; С – концентрация растворенного вещества в емкости исходного раствора, кг/м³, J_ƒ, J_k, J_p – расходы исследуемого раствора, ретентата и пермеата соответственно, кг/с; С_ƒ, С_k, С_p – концентрации растворенных веществ в исследуемом растворе, ретентате и пермеате соответственно, кг/м³, t – продолжительность проведения электромембранного процесса, с.

Таблица 2

Значения эмпирических коэффициентов для выражения (1)

Рассмотрим задачу массопереноса при электромембранном разделении раствора в мембранном канале.

Исходные условия:

$V\left(\tau =0\right)=V_0$;                                                                                         (2)

${С}_f(\tau =0)=C{f}_0$.                                                                                       (3)

Материальный баланс:

• – по растворителю в промежуточной емкости:

$dV=-J_{f}d\tau +J_{k}d\tau$;                                                                                  (4)

$dV/d\tau =-J_f+J_k$;                                                                                   (5)

• – растворенному веществу в промежуточной емкости

$d\left(V{c}_f\right)=-J_f{c}_{f}d\tau +J_k{c}_{k}d\tau$;                                                                      (6)

• – расход мембранного модуля по растворителю

$J_f=J_k+J_p+J_{\text{осм}}$;                                                                                   (7)

• – мембранного модуля по растворенному веществу

$c_{f}dV+Vd{c}_f=-J_f{c}_{f}d\tau +J_p{c}_{p}d\tau -J_{\text{м}}{с}_{\text{м}}$.                                           (8)

После несложных математических преобразований получим следующее выражение для определения концентрации веществ в исследуемом растворе

$C_f=C_{f0}\exp \left(\frac{k\left(\Delta P-tRTK{C}_0\right)F_{m}R\tau }{V}\right)$,                                                           (9)

где k – числовой коэффициент; ∆P – разность давлений; t – изоклонический коэффициент; R – универсальная газовая постоянная; T – температура 293,15 K; С₀ – концентрация растворенного вещества в исходном растворе, кг/м³; F_m – площадь мембраны, м².

Адекватность математического описания оценивали путем сравнения расчетных значений концентраций растворенного вещества в ретентате С_рет и исходном растворе С_исх с экспериментальными данными, полученными при электромембранном разделении растворов тринатрийфосфата и триполифосфата натрия для мембран МФФК-0 и ММК 0,45 (рис. 4, 5).

Рис. 4. Сопоставление экспериментальных и расчетных данных концентрационных зависимостей от давления для мембраны МФФК-0 при температуре T = 293 K для раствора тринатрийфосфата (а) и триполифосфата (б) Р, МПа:
1 – 0,1; 2 – 0,15; 3 – 0,20 (сплошные линии – эксперимент, штриховые – расчет)

Рис. 5. Сопоставление экспериментальных и расчетных данных концентрационных зависимостей от давления для мембраны ММК-0,45 при температуре T = 293 K для раствора тринатрийфосфата (а) и триполифосфата (б) Р, МПа:
1 – 0,1; 2 – 0,15; 3 – 0,20 (сплошные линии – эксперимент, штриховые – расчет)

Сопоставление показало, что расхождение расчетных и экспериментальных данных не превышает 15 %. На основе проведенных исследований по электромембранному разделению водных растворов предложено модернизировать схему очистки технологических и сточных вод от СПАВ и фосфатосодержащих веществ.

Рис. 6. Схема очистки технологических и сточных вод от СПАВ и фосфатосодержащих веществ

На рисунке 6 представлена комбинированная схема очистки технологических и сточных вод от СПАВ и фосфатосодержащих веществ. Схема предусматривает первоначальную нейтрализацию сточных вод с последующим удалением гидроокисей и дальнейшую электромембранную очистку осветленных вод от ПАВ и фосфатосодержащих веществ. Такая комбинация методов очистки позволяет получать до 80 – 85 % очищенной воды для повторного применения.

Схема работает следующим образом. Технологическая вода со станции промывки поступает в накопитель, откуда подается в реактор для нейтрализации в зависимости от величины значения рН очищаемого раствора. После нейтрализации раствор подается в тонкослойный осадитель. Шлам с осадителя подается на фильтр-пресс и выводится с технологической линии для утилизации. Осветленная вода после осадителя нагнетается насосом-дозатором высокого давления в электромембранную установку, где происходит разделение раствора на фильтрат (пермеат) и концентрат (ретентат). Под действием трансмембранного давления и разности электрических потенциалов протекает процесс задержания ионов растворенных веществ и проницание растворителя. Концентрат подается в накопитель и далее для нового цикла очистки. Очищенная вода (пермеат) подается в накопитель и далее возвращается обратно на станцию помывки.

Заключение

На основании проведенных исследований получены и интерпретированы экспериментальные данные по коэффициенту задержания и выходному удельному потоку растворителя технологических растворов в зависимости от концентрации разделяемого раствора, трансмембранного давления и плотности тока. Выявлены аппроксимационные зависимости и вычислены значения эмпирических коэффициентов для теоретического расчета коэффициента задержания электромикрофильтрационного процесса разделения технологических растворов в зависимости от физико-химической природы мембраны, концентрации, трансмембранного давления и плотности тока. Представленные критериальные зависимости могут быть использованы при прогнозировании и разработке лабораторных, пилотных и промышленных электрохимических мембранных аппаратов и установок. Разработанное математическое описание позволяет получать концентрации растворенных веществ на выходе из электромембранного аппарата при заданных параметрах процесса разделения. Модернизировано технологическое оформление процесса электромикрофильтрационной очистки технологических растворов от СПАВ и фосфатосодержащих веществ.

Работа выполнена в рамках проведения исследования по государственному заданию, проект № FEMU-2024-0011.

Об авторах

Сергей Игоревич Котенев

Автор, ответственный за переписку.
Email: mig@tstu.ru

ассистент кафедры «Механика и инженерная графика»

Список литературы

Дополнительные файлы

Доп. файлы

Действие

1. JATS XML

Скачать

2. Рис. 1. Зависимости коэффициента задержания от выходного удельного потока растворителя прикатодной (а, в) и прианодной (б, г) мембраны МФФК-0 для растворов тринатрийфосфата (а, б) и триполифосфата натрия (в, г):

Скачать (122KB)

Метаданные

3. Рис. 2. Зависимости коэффициента задержания от выходного удельного потока растворителя прикатодной (а, в) и прианодной (б, г) мембраны ММК 0,45 для растворов тринатрийфосфата (а, б) и триполифосфата натрия (в, г):

Скачать (121KB)

Метаданные

4. Рис. 3. Зависимости коэффициента задержания от выходного удельного потока растворителя прикатодной (а, в) и прианодной (б, г) мембраны МФФК-2Г для растворов тринатрийфосфата (а, б) и триполифосфата натрия (в, г):

Скачать (133KB)

Метаданные

5. Рис. 4. Сопоставление экспериментальных и расчетных данных концентрационных зависимостей от давления для мембраны МФФК-0 при температуре T = 293 K для раствора тринатрийфосфата (а) и триполифосфата (б) Р, МПа:

Скачать (72KB)

Метаданные

6. Рис. 5. Сопоставление экспериментальных и расчетных данных концентрационных зависимостей от давления для мембраны ММК-0,45 при температуре T = 293 K для раствора тринатрийфосфата (а) и триполифосфата (б) Р, МПа:

Скачать (82KB)

Метаданные

7. Рис. 6. Схема очистки технологических и сточных вод от СПАВ и фосфатосодержащих веществ

Скачать (219KB)

Метаданные