Kinetic Characteristics of Electromicrofiltration Purification of Technological Solutions from Synthetic Surfactants

Full Text

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.

About the authors

S. I. Kotenev

Author for correspondence.
Email: mig@tstu.ru

ассистент кафедры «Механика и инженерная графика»

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Fig. 1. Dependences of the retention coefficient on the output specific flow of the solvent of the cathode (a, c) and anode (b, d) membranes MFFK-0 for solutions of trisodium phosphate (a, b) and sodium tripolyphosphate (c, d):

Download (122KB)

Indexing metadata

3. Fig. 2. Dependences of the retention coefficient on the output specific flow of the solvent of the cathode (a, c) and anode (b, d) membranes MMK 0.45 for solutions of trisodium phosphate (a, b) and sodium tripolyphosphate (c, d):

Download (121KB)

Indexing metadata

4. Fig. 3. Dependences of the retention coefficient on the output specific flow of the solvent of the cathode (a, c) and anode (b, d) membranes MFFK-2G for solutions of trisodium phosphate (a, b) and sodium tripolyphosphate (c, d):

Download (133KB)

Indexing metadata

5. Fig. 4. Comparison of experimental and calculated data of concentration dependences on pressure for the MFFK-0 membrane at temperature T = 293 K for a solution of trisodium phosphate (a) and tripolyphosphate (b) P, MPa:

Download (72KB)

Indexing metadata

6. Fig. 5. Comparison of experimental and calculated data of concentration dependences on pressure for the membrane MMK-0.45 at temperature T = 293 K for a solution of trisodium phosphate (a) and tripolyphosphate (b) P, MPa:

Download (82KB)

Indexing metadata

7. Fig. 6. Scheme of purification of process and waste water from surfactants and phosphate-containing substances

Download (219KB)

Indexing metadata