Современные вопросы водоочистки и использование бароэлектрохимического метода

Размещено на http://www.allbest.ru/

Московский государственный областной университет

Современные вопросы водоочистки и использование бароэлектрохимического метода

УДК 574: 544.636/.638

Юнусов Х.Б., Лялина И.Ю.

Аннотация

В работе рассмотрены современные проблемы водоочистки мембранными технологиями и изложены возможности применения бароэлектрохимического метода, как одного из передовых и эффективных направлений для подготовки и обеспечения населения чистой питьевой водой. Проанализированы преимущества и выявлены недостатки различных электромембранных методов очистки воды. Даны рекомендации и схемы использования различных методов с использованием мембранных технологий для потребителей с особыми требованиями к чистоте используемой воды.

Ключевые слова: ультрачистая вода, дистилляция, электромембрана, электродиализ, электросорбция, бароэлектрохимический ионообмен

До середины прошлого века ультрачистую воду могли получать одним методом - дистилляцией. Она не требует использования химических реагентов и является непрерывным и простым процессом, протекающим в едином корпусе, удовлетворяющим требования многих потребителей, хотя остается одним из самих дорогостоящих способов получении чистой воды. Благодаря таким преимуществам, несмотря на высокую себестоимость, дистилляция и сегодня применяется достаточно часто.

Известно, что с развитием промышленности, биомедицины, сельского хозяйства и других отраслей человеческой деятельности экологические и технологические требования к качеству очищенной воды возросли. Степень чистоты, обеспечиваемая дистилляцией, не удовлетворяет требованиям таких производств, как биотехнология, фармацевтика, энергетика, химические технологии и ряд других. В результате появились ионообменные технологии, которые позволяют обеспечить ультрачистой водой в больших объемах, но существенным минусом этого метода является использование концентрированных кислот и щелочей для регенерации ионообменных фильтров. При производстве 10 м³/час (18,3 Мом/см) с минерализацией воды 250 мг/л суточное потребление HCl и NaCl составляет 1-1,5 тн [1].

В России и других странах многие исследователи видят замену ионообменному методу в электродиализе. Метод использует инертные сепараторы-турбулизаторы и имеет ограничения по применимости: для рационального использования солесодержание должно быть на уровне 200-300 мг/л (4-6- мг-экв/л) [2]. В основе электродиализа лежит использование ионообменных смол, ионоселективных мембран и постоянного электрического тока с непрерывным процессом деминерализации воды. За счет разности потенциалов происходит перенос ионов через ионоселективные мембраны и регенерация ионита.

Еще одним способом получения чистой воды является электросорбция. В отличие от электродиализа, этот процесс не является непрерывным. В этом методе используются мембранные мешки, противоположные стороны которых проявляют катионо- и анионообменные свойства, и для реализации процесса не требуются химические реагенты, коллекторы для растворов и прокладки, что дает преимущество этому методу.

В целом электромембранные процессы используются (табл. 1) при:

- очистке неэлектролитов и их растворов (суспензии, эмульсии, очистка от органических загрязнителей);

- очистке вод и водных растворов электролитов (обессоливание и деминерализация, предварительная очистка);

- концентрировании растворов (концентрирование сточных вод);

- обменных процессах (получение и концентрирование кислот и щелочей из солей);

- фракционированиях (разделение многозарядных катионов от однозарядных и др.) [2].

Известно, что поверхностные воды имеют относительно невысокое солесодержание (до 1000 мг/л), а потому вполне пригодны для задач понижения солезадержания мембранными методами. Органические же вещества и взвешенные частицы присутствуют в поверхностных водах в значительном количестве, и необходимо их предварительное извлечение (пред-очистка) из поверхностных вод. Вместе с тем подземные воды вблизи морей (солоноватые воды) характеризуются высоким солесодержанием (до 10000 мг/л). водоочистка мембранный бароэлектрохимический

Таблица 1. Области применения мембранной фильтрации [2]

Снижение солесодержания солоноватых вод, к примеру, вод для жителей Крымского полуострова, не под силу традиционным муниципальным методам очистки. Удаление солей на ионообменных установках не только экономически неэффективно, но и сопряжено с большими проблемами захоронения отработавших ионообменных смол. Поэтому муниципальные водоочистительные станции, к примеру, воды Крыма не могут использовать в качестве источников солоноватые воды.

В последние годы с расширением применения мембранных технологий очистки вод мембранные методы стали использовать для получения питьевой воды из поверхностных вод, солоноватых вод, а также из морской воды. Практически безреагентные мембранные методы позволяют очищать сточные муниципальные воды, давая возможность для их дальнейшего использования в промышленных целях, а когда очищаются индустриальные сточные воды, делать ее пригодной для оборотного использования в тех же целях.

Широкому использованию мембранных методов способствуют такие преимущества, как компактность оборудования, простота наращивания мощностей, надёжная барьерная фильтрация, достаточно низкое энергопотребление, минимальное использование химикатов, возможность полной автоматизации процессов обработки и контроля качества воды, бурно развивающаяся технология производства новых мембран, что вызывает повышенный интерес научного сообщества. Например, если в конце прошлого века затраты на 1 м³ обработанной воды мембранными методами были в несколько раз больше по сравнению с традиционными методами, то в последние годы затраты существенно снизились. Так, по расчетам фирмы «ZENON», затраты по применению ультрафильтрационных мембран к настоящему времени снизились в процентном выражении со 100% до 10% [3]. Если в 2001 году доля мембранного оборудования составляла 1% (30 млрд. долларов США), то к 2010 году доля мембранного оборудования превысила 22% (54 млрд. долларов США) от общей стоимости оборудования на фильтрацию, что четко отражает снижение себестоимости и увеличение доли мембранных технологий (рис. 1) [4].

Рис. 1. Темпы снижения затрат на 1 м³ обработанной воды мембранными технологиями [4]

Отечественные производители данные по анализу затрат не публикуют, но следует отметить, что, по данным ВНИИВОДГЕО и ГУП «МОСВОДОКАНАЛ», прирост применения мембран микрофильтрации/ультрафильтрации (МФ/УФ) в области муниципальных и сточных вод оценивается в 11%.

На развитие мембранных технологий отрицательно влияют такие факторы, как сложившаяся инфраструктура традиционных (устаревших) технологий, бюджетные ограничения для единовременного вложения, слабый приток частных инвестиций в эту сферу, политическая ситуация и др.

Результаты многолетних исследований [1-7] показали, что если микрофильтрация (МФ) микропористыми, с симметричной структурой пор, мембранами с размерами пор в 0,1-1 мкм применяется при осветлении, то ультрафильтрационные мембраны (УФ) с микропористой асимметричной структурой пор в 0,001-0,1 мкм применяются не только при осветлении, но и извлечении макромолекул. Соответственно, если нанофильтрация (НФ) с асимметричной, композитной с однородным слоем мембраной с размерами пор 0,0001-0,001 мкм применяется для удаления молекул и некоторых крупноразмерных ионов солей, то обратный осмос (ОО) с асимметричной, композитной с однородным слоем мембраной < 0,0001мкм применяется для удаления ионов солей. В этом ряду особое место занимает бароэлектрохимический (БЭХ) метод, обладающий всеми преимуществами ОО, но за счет жесткой структуры и возможности на поверхности полупроницаемых мембран адсорбировать и окислять органические вещества с возможностью самоочищения превосходящий его.

Если процессы УФ и МФ проходят при относительно небольших избыточных давлениях в несколько десятых единиц МПа, то ОО и БЭХ процессы проходят при давлениях до 27,0 и более МПа. Если МФ ещё может использоваться для удаления рожденных в воде патогенных микроорганизмов, таких как Cryptosporidium Parvum и Giardia Lamblia, то удаление из воды бактерий малого размера и вирусов с помощью МФ не представляется возможным.

УФ не является абсолютным барьером для некоторых разновидностей вирусов и органических фульво- и гуминовых кислот. Для обеспечения полного извлечения растворённого железа необходимо производить предварительное окисление и коагулирование исходной воды.

Нанофильтрация (НФ) по рабочим параметрам приближена к ОО и БЭХ методам фильтрации, но имеет более низкий уровень селективности (20-85 %). В результате НФ вода обессоливается частично, к примеру, по солям кальция и магния, цветности, карбонат и фосфат анионам.

Вместе с тем ОО и БЭХ - это процессы удаления из воды низкомолекулярных примесей, например, неорганических солей, и небольших органических молекул, что не свойственно процессам МФ и УФ. В связи с тем, что давление исходного раствора в процессах ОО и БЭХ значительно выше, чем в процессах МФ и УФ, характеристики разделения ОО и БЭХ мембран в значительной степени зависят от времени их работы, температуры исходного раствора, концентрации растворённого вещества и его природы, а также рН исходного раствора и его давления. Исследования [3-7] показали, что к влиянию внешних факторов добавляются влияния внутренних факторов, обусловленные изменением структуры широко применяемых в настоящее время полимерных мембран. Поэтому актуальность работы по интенсификации процесса БЭХ и особенно ОО-процесса имеют исключительное значение.

В результате исследований выявлено, что наиболее широко применяемые полимерные мембраны в ОО подвержены усадке. Согласно изменениям в результате усадки меняется динамика по характеристикам разделения. Аналогичным образом подвержены усадке и нанофильтрационные мембраны, к тому же их селективность (отношение разности концентраций исходного раствора и пермеата (фильтрата) к концентрации исходного раствора в долях единицы или в процентах) меньше селективности обратноосмотических мембран. Благодаря жесткопористой структуре композитные БЭХ мембраны этого недостатка лишены. Пористая структура УФ, МФ и НФ мембран более рыхлая и в связи с этим подвержена усадке в большей степени по сравнению с пористой структурой обратноосмотических мембран. При совсем низкой селективности нанофильтрационных мембран (до 20%) вполне возможен «проскок» болезнетворных бактерий и вирусов, которые ни при каких обстоятельствах не могут «проскочить» через ОО и БЭХ мембраны. Для повышения селективности НФ фильтров предлагается предварительная подготовка поверхностных вод по следующей схеме:

- флокуляция (осаждение + быстрая песочная фильтрация + НФ);

- (двойная) быстрая песочная фильтрация + НФ;

- (капиллярная) УФ +НФ.

Исследования показали необходимость обязательной промывки и химической очистки мембран НФ. Аппараты НФ применяют для работы по принципу полутупиковой фильтрации, когда в рабочем режиме регулирующий вентиль закрыт, и вся исходная среда возвращается в той или иной пропорции в ёмкость исходного раствора. Результаты исследования свидетельствуют о том, что структура пор тонкослойных полимерных НФ мембран не столь развита, как, к примеру, стабильная структура БЭХ мембран [7], поэтому предполагаемый МГУП «Мосводоканалом» режим для полутупиковой работы НФ мембран требует существенной коррекции.

Исследование НФ мембран осуществлялось с использованием сульфатов, хлоридов и нитратов Ca и Mg. Применялось три режима исследования: тупиковый режим, когда вентиль регулирования закрыт полностью; режим, при котором вентиль регулирования приоткрыт наполовину и режим, при котором через каждые 10 минут фильтрации выполняется 20-тисекундная прямая промывка с аэрацией. При этом давление исходного раствора в 0,29 МПа не способствовало интенсификации процесса (селективность варьировалась в интервале 50-80 %). Аналогичное исследование с использованием ацетатцеллюлозной ОО-мембраны осуществлялось при давлении исходного раствора не ниже 0,5 МП, что значительно интенсифицировало процесс (селективность достигала 99,8%). При этом режимы промывки заменялись в значительной мере режимами предочистки исходного раствора.

Основные параметры и характеристики различных видов мембран представлены в таблице 2 [4].

Таблица 2. Основные параметры и характеристики различных видов мембранной фильтрации [4]

Рабочие элементы мембранных аппаратов ОО и БЭХ унифицированы и выпускаются многими производителями со стандартным набором диаметров: 2,5; 4; 6; 8 и 8,5 дюймов и постоянной длиной рабочих элементов - 40 дюймов.

Производители ОО и БЭХ элементов аппаратов делят их на классы в зависимости от уровня селективности, рабочего давления и области применения. Унификация классов в настоящее время отсутствует. Например, из всех классов рабочих элементов «TORAY» (Япония) мы выделяем класс высокого давления (Sea Water), а из рабочих элементов компании «Hydranautics» (США) высокоселективные (СPA) и обессоливания морской воды (SWC).

В результате многолетних исследований в аппаратах разной конструкции выявлено, что чем меньше размеры пор мембран, тем большее давление необходимо приложить к исходному раствору.

Интенсивная разработка мембранных аппаратов предполагает унификацию:

- основных рабочих элементов аппаратов по их размерам, монтажной арматуры и средств автоматизации;

- основных рабочих элементов по набору показателей, условий применения (рабочее давление, температура исходного раствора, диапазон рН, стойкость к окислителям и др.), корпусов для размещения основных рабочих элементов, рабочим давлениям, размерам и соединительным частям;

- условий испытания рабочих элементов.

Сложилось устойчивое понимание, что характеристики полимерных мембран (размеры пор, селективность мембран по отношению к ионам солей, бактериям, микроорганизмам и вирусам), выпускаемых в настоящее время производителями, могут служить только для ориентировочной оценки качества очищенной воды. Отсутствие имитационных/математических моделей определения качества очищенной воды в зависимости от качества входной не позволяет с необходимой для практики степенью точности прогнозировать эффективность мембранной очистки воды, заранее выбрать требуемые мембраны и спроектировать оборудование мембранной фильтрации.

Проектирование ответственных систем водоподготовки, включающее разработку технологии обработки воды и выбор параметров оборудования, не может обойтись без предварительных экспериментальных исследований характеристик и свойств мембран в конкретных условиях эксплуатации на небольших пилотных установках.

Список использованных источников

1. Березина Н.П. Синтетические ионообменные мембраны // Соросовский образовательный журнал. - 2000, т. 6 , № 9. - С. 37-42.

2. Захаров С.Л., Исследование процесса обратного осмоса на мембранах из микропористого стекла. - М. - 2004. - 96 с.

3. Дытнерский Ю.И. Баромембранные процессы. - М.: Химия. - 1986. - 272 с.

4. Ефремов А.В., Кинетика процесса разделения растворов методом обратного осмоса с использованием ацетатцеллюлозных и боросиликатных мембран. Автореферат диссертации к.т.н. - 24.04.2014.

5. Захаров С.Л., Юнусов Х.Б. Бароэлектрохимические процессы и аппараты на мембранах различной пористости (монография). - М.: МГОУ. - 2009. - 207 с.

6. Хванг С-Т., Каммермейер К. Мембранные процессы разделения. - М.: Химия. - 1981. - 464 с.

7. Yunusov, Kh., Improving ecological parameters of wastewater by integrating various cleaning methods. Chemical And Petroleum Engineering/Изд.: Springer New York Consultants Bureau. - ISSN: 0009-2355. - 2011, том 47. - с. 133-139.

Цитирование:

Юнусов Х.Б., Лялина И.Ю. Современные вопросы водоочистки и использование бароэлектрохимического метода // АгроЭкоИнфо. - 2016, №4. http://agroecoinfo.narod.ru/journal/STATYI/2016/4/st_426.doc.

Размещено на Allbest.ru