VI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2014

Цель работы:

1. Ознакомиться с процессом водоочистки при помощи мембранного метода.

2. Изучить устройство и принцип работы мембранного фильтра.

3. Изучить устройство и принцип работы приборов, используемых для контроля чистоты воды.

Общие вопросы

С каждым годом растет потребность людей в воде, пригодной для использования, и в то же время, естественные воды непрерывно загрязняются деятельностью человека. Индустриальная деятельность человека сопровождается непрерывным сбросом многообразных по своему химическому составу сточных вод, которые, попадая в источники питьевой воды, создают серьезную угрозу здоровью людей.

В такой ситуации международные организации и правительства многих стран вынуждены усиливать требования к качеству сточных вод и осуществлять строгий контроль качества питьевой воды, что приводит к удорожанию стоимости питьевой воды для населения и технической воды для промышленных предприятий.

Стремительно растущая потребность в воде и ограниченные ресурсы источников воды в виде рек, озер и подземных вод, с одной стороны, и удорожание подготовки питьевой и технической воды, с другой стороны, приводят к необходимости создания и использования новых энергоэффективных технологий обработки воды, которые позволяют быстро, эффективно и экономически выгодно очищать воды, а также получать питьевую и индустриальную воду из огромных запасов морской воды. В последние 10 - 15 лет широкое применение находят мембранные технологии обработки воды, которые позволяют при подготовке питьевой воды надежно очищать исходную воду от примесей, вызывающих болезни. При обработке сточных муниципальных вод получать воду, пригодную для использования в промышленных целях, а при обработке индустриальных сточных вод получать воду, пригодную для повторного использования. Кроме того, с помощью мембран можно достаточно эффективно удалить соли из морской воды (т. е. произвести обессоливание воды), что открывает огромные перспективы в получении питьевой и индустриальной воды практически из неисчерпаемого источника.

Современные мембранные технологии, применяемые для водоснабжения и водоотведения, включают четыре вида: микрофильтрацию, ультрафильтрацию, нанофильтрацию и гиперфильтрацию (обратный осмос). Мембраны этих видов отличаются размером пор мембран и соответственно размером задерживаемых примесей.

Затраты на 1 м³ воды, обработанной мембранной технологией, по сравнению с традиционными технологиями неуклонно снижаются. Если десять лет назад они были в несколько раз больше, то в настоящее время не только сравнялись, но стали меньше.

Все виды мембранной фильтрации выполняются под давлением, увеличивающимся в зависимости от размера пор.

Процесс прохождения примесей через мембраны микрофильтрации и ультрафильтрации является процессом просеивания. В мембранах нанофильтрации и обратного осмоса процесс прохождения ионов и молекул через мембраны является более сложным процессом диффузии, и поэтому этот процесс зависит от ряда факторов, таких как состав исходной воды, загрязнение мембран, заряд мембран и коэффициент концентрации солей.

Все виды мембран имеют определенные требования к качеству входной воды. Наименее требовательны к составу входной воды мембраны микро- и ультрафильтрации. Эти мембраны допускают обработку хлорированной воды, высокое содержание взвешенных частиц (от 50 до 40 000 мг/л в зависимости от типа мембран) и работают в широком диапазоне рН (от 1 до 13). Мембраны нанофильтрации и обратного осмоса предъявляют достаточно высокие требования к качеству входной воды. Обычно требуется предварительная обработка воды, которая заключается в удалении взвешенных частиц, растворенного железа и нейтрализации окислителей.

Области применения мембранной фильтрации в водоочистке Таблица 1

Мембранная технология	Муниципальная обработка воды		Индустриальная обработка
Микрофильтрация	Питьевая вода	Сточные воды	Предподготовка воды	Сточные воды
Ультрафильтрация	Питьевая вода	Сточные воды	Предподготовка воды	Сточные воды
Нанофильтрация	Питьевая вода	---	Предподготовка воды
Обратный осмос	Питьевая вода	---	Обессоленная и ультрачистая вода

Таблица 2

Основные параметры и характеристики различных видов мембранной фильтрации

Характеристика	Микро-фильтрация	Ультра-фильтрация	Нано-фильтрация	Обратный осмос
Материал	полиамид,полипропилен,полисульфон,керамика	целлюлоза,полисульфон,керамика	целлюлоза,тонкопленочныекомпозитныематериалы	целлюлоза,тонкопленочныекомпозитныематериалы,полисульфон
Размер пор (микрон)	0,01 - 1	0,001 - 0,01	0,0001 - 0,001	< 0,0001
Размер удаляемых молекул (дальтон)	> 100 000	2 000 - 100 000	300 - 1 000	100 - 300
Рабочее давление (бар)	< 2	1,5 - 7	3,5 - 20	15 - 70
Удаление взвешенных частиц	да(очень мелкие частицы, круп-ные коллоиды,эмульсии)	да(коллоиды)	да	да
Удаление раство-ренных органических веществ	нет	да	да	да
Удаление раство-ренных неоргани-ческих веществ	нет	нет	20 - 85%	95 - 99%
Удаление микроорганизмов	цисты простейших, большие бактерии, водоросли	цисты простейших, бактерии, водоросли, вирусы	все микроорганизмы	все микроорганизмы
Эффект осмотического давления	нет	небольшой	умеренный	высокий
Способность к концентрации отложений	высокая	высокая	умеренная	умеренная
Качество фильтрата (пермеата)	высокое	высокое(взвеси 0,5мг/л, мутность 0,2мг/л)	умеренно-высокое	высокое (ОС=1 - 10 мг/л)
Хим. состав воды	не изменяется	не изменяется	изменяется	изменяется
Энергопотребление	низкое(0,1 - 0,2 кВтч/м3)	низкое(0,1 - 0,2кВтч/м3)	низко-умеренное	умеренное(0,9 - 3,7 кВтч/м3)
Стойкость мембраны	высокая	высокая	умеренная	умеренная

Рассмотрим подробнее трековую мембрану "РЕАТРЕК" (рис. 1).

Это - тонкая полимерная пленка толщиной около 10 микрон, на поверхности которой на каждом квадратном сантиметре находятся сотни миллионов пор диаметром 0,2 – 0,4 микрона, что обеспечивает гарантированное качество фильтрации. У трековых мембран все поры являются "калиброванными". Для трековых мембран характерен ситовый механизм задержания микрочастиц. Именно поэтому их используются в качестве эталонного теста при определении селективности других типов фильтров.

Рис. 1. Строение трековой мембраны

Трековые мембраны характеризуются исключительно малой дисперсией пор по размерам (5-10%), высокой селективностью и производительностью, имеют низкую адсорбционную способность по отношению к вирусам, клеткам, биополимерам, практически не содержат компонентов, способных мигрировать в фильтрат. Процесс фильтрации протекает на поверхности мембраны и размеры пор не меняются в процессе фильтрации.

Через мембрану проходят только молекулы воды, имеющие электрический заряд, соответствующий абсолютно чистой воде, а все другие примеси бактериального, вирусного, механического или химического происхождения остаются на поверхности мембраны или адсорбируются на огромной внутренней поверхности треков (молекулярных ходов в толще полимерной пленки). Даже измененные молекулы воды (дейтерий, тритий) блокируются в толще мембраны.

Способ очистки с помощью трековой мембраны заимствован у природы: каждая клетка животного или растительного организма окружена тончайшей мембраной, которая обеспечивает эту клетку. Существенно, что трековая мембрана выполняет роль молекулярного насоса для очищаемой жидкости, в результате вода фильтруется "самотеком". Молекулярный осмос сохраняет все важные физико - химические характеристики воды: поверхностное натяжение, кислотно - щелочное равновесие и ряд других важных показателей. Таким образом, трековая мембранная технология фильтрации является одной из самых качественных, надежных и экономичных систем тонкой очистки воды.

В Физико-энергетическом институте созданы ускорительная и реакторная технологии получения трековых мембран.

Устройство и принцип работы лабораторного стенда

Установка предназначена для очистки воды методом мембранной микрофильтрации и оценки результатов этой очистки. Она позволяет удалить из грязной воды:

- полностью очистить воду от бактерий (кишечная палочка, холерный вибрион, штамм чумы, палочка бутулизма, туберкулезная палочка и др.), пестицидов и соединений хлора;

- уменьшить мутность на 96%;

- понизить содержание металлов более чем на 80%, свободного хлора – на 90%.

Схема установки представлена на рис. 2.

Рис. 2. Схема лабораторной установке по очистке воды:

1 – емкость для загрязненной воды; 2 – мембранный фильтр;

3 – водопроводная трубка; 4 – емкость для очищенной воды.

Для работы фильтр помещают в емкость с неочищенной водой. Вода проникает в поры-капилляры трековой мембраны и по водопроводной трубке сливается в приемную емкость для очистки воды.

Порядок выполнения работы

1. Ознакомьтесь с устройством лабораторной установкой и прибора СОМ-100.

2. Заполните емкость электролитом (в соответственно с заданием).

3. Прибором СОМ-100 измерьте уровень общей минерализации раствора.

3.1 Снимите с прибора защитный колпачок и включите прибор нажатием кнопки ON/OFF.

3.2 Удерживанием кнопки HOLD/MODE включите режим измерения солесодержания.

3.3 Опустите прибор нижней частью в раствор. Измерение проводить в течение 30 секунд, после чего кратковременным нажатием кнопки HOLD/MODE зафиксировать измерения.

3.4 Извлеките прибор из воды и запишите показания.

3.5 Верните прибор в исходное состояние кратковременным нажатием кнопки HOLD/MODE, стряхните воду и оботрите нижнюю часть прибора сухой тряпкой.

4. Погрузите мембранный фильтр в емкость. Создайте всасывание на другом конце трубки. Рассчитайте разность давлений на двух концах трубки в зависимости от высоты, разделяющей концы трубки по формуле:

Δр = ρ·g·h,

где ρ – плотность раствора (для воды ρ = 1000кг/м³); g = 9,8 Н/кг; h – высота, замеряемая по лабораторной установке (м).

5. Пронаблюдайте процесс очистки. Замерьте время очистки (t) заданного объема жидкости (ΔV).

6. Прибором СОМ-100 измерьте уровень общей минерализации жидкости после фильтрации. Запишите показания и сравните их с результатами первого замера.

7. Рассчитайте удельную производительность по воде для данной мембраны по формуле:

G_o = (ΔV·ρ)/(S_М · t), кг/м² с,

где S_М – площадь поверхности мембраны (190х57мм).

8. Рассчитайте константу для данной мембраны в определенном диапазоне изменения давления и температуры А_В по формуле:

A_В = G_о/Δр.

9. Рассчитайте удельную производительность мембраны по воде GB при разделении водных растворов электролитов:

GB = cB·AB[Δр – (π₃ – π₂ )]/ μ_П

где с_В, — доля свободной воды в разделяемом растворе (т. е. воды, не связанной в первичных гидратных оболочках ионов, принимаем с_В = 1); μ_П — вязкость пермеата; Δр — пе­репад рабочего давления через мембрану; π₃ — осмотическое давление разделяемого раствора у поверхности мембраны (равно осмотическому давлению в объеме разделяемого раствора: π₃ = π₁); π₂ — осмотическое давление пермеата (пренебрежимо мало, т.е. π₂ = 0).

10. Рассмотрим случай, при котором на поверхности мембраны образуется слой с повышенным содержанием задержанных веществ, т.е. в первой емкости образуется концентрат раствора электролита.

В начале расчета задаемся производительностью отводимого поверхностного слоя. Зная это значение, определяем время, в течение которого исходный раствор пройдет в виде поверхностного слоя концентрата:

τ₁ = V_н/g,

где V_н – исходный объем раствора, м³_,g – производительность по поверхностному слою концентрата, м³/с.

Определяем объем образующегося за это время фильтрата:

V_ф1 = v · S · τ_1,

где v – средняя скорость фильтрации за этот интервал времени, м/с; S – площадь мембраны, м².

Находим текущее количество полученного концентрированного раствора традиционным методом:

С_К1 = (V_И · С_И – V_Ф1·С_Ф1)/V_К1.

Концентрация раствора меняется от исходной С_И до величины С_К1. Её среднее значение можно найти как среднелогарифмическое:

С_СР1 = (С_К1 – С_И)/2,3 lg(C_K1/C_И)

Находим концентрацию поверхностного слоя на мембране. Эта величина в n раз выше концентрации раствора, находящегося в мембранном канале:

С^*_К1 = n · C_CP1

Используя значение величины С_К1 и С^*_К1 определяем степени концентрирования N₁ и N^*₁:

N₁ = (С_К1 – С_Ф1)/(С_И – С_Ф1);

N^*₁ = (С^*_К1 – С_Ф1)/(С_И – С_Ф1).

11. По результатам исследований оценить эффективность способа водоочистки с использованием мембранного метода.

Содержание отчета

1. Цель работы

2. Задание к работе

3. Таблица опытных данных

4. Расчеты

5. Выводы по работе

Литература

1. Беззубцева М.М. Электромембранные способы разделения неоднородных систем в АПК. Учебно-методическое пособие. – СПб: СПбГАУ, 2009. - 65с.

2. Лазарева И.А. Мембранные процессы разделения жидких и газовых сред. Учебно-методическое пособие. – СПб: СПбГАУ, 2009. - 48 с.

Код для цитирования: Скопировать