Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Обезжелезивание природных подземных вод Алтайского края с применением мембранных методов

ВАК РФ 25.00.27, Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Автореферат диссертации по теме "Обезжелезивание природных подземных вод Алтайского края с применением мембранных методов"

На правах рукописи

от'

Чигаев Илья Геннадьевич

ОБЕЗЖЕЛЕЗИВАНИЕ ПРИРОДНЫХ ПОДЗЕМНЫХ ВОД АЛТАЙСКОГО КРАЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ МЕМБРАННЫХ

МЕТОДОВ

25.00.27 - Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 еЕВ 2015

Барнаул - 2015

005558463

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова» на кафедре химической техники и инженерной экологии

Научный руководитель

Официальные оппоненты:

Ведущая организация

доктор технических наук, профессор, Комарова Лариса Федоровна

Заносова Валентина Ивановна, доктор сельскохозяйственных наук, доцент ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный аграрный университет», доцент кафедры гидравлики, с/х водоснабжения и водоотведения, г. Барнаул Лобасенко Борис Анатольевич, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности», профессор кафедры технологического проектирования пищевых производств, г. Кемерово

ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет» г. Томск

Защита диссертации состоится «2» апреля 2015 года в 1230 часов на заседании диссертационного совета Д 003.008.01 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институт водных и экологических проблем Сибирского отделения Российской академии наук (ИВЭП СО РАН) по адресу: 656038, г.Барнаул, ул. Молодежная, 1. Факс 8 (3852) 240396. E-mail: iwep@iwep.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте (www.iwep.ru) Федерального государственного бюджетного учреждения науки Институт водных и экологических проблем СО РАН

Автореферат разослан «30» января 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат географических наук, доцент

И.Д. Рыбкина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Подземные воды играют значительную роль в хозяйственно-питьевом водоснабжении населения РФ, в том числе Западной Сибири, при этом отмечается тенденция к увеличению их использования, что обусловлено лучшим качеством, защищенностью от антропогенного загрязнения и меньшей подверженностью сезонным колебаниям по сравнению с поверхностными источниками. Эти и другие преимущества предопределили широкое использование подземных вод для водоснабжения. Однако подземные воды в ряде случаев не отвечают требованиям питьевого водоснабжения.

В подземных водах Западной Сибири и Алтайского края наблюдаются значительные превышения концентраций по ионам железа (до 16,6 мг/л), марганца и общей жесткости. При этом повышенное содержание железа не только вызывает зарастание трубопроводов и запорной арматуры, но и является опасным для здоровья населения, что снижает экологическую безопасность водопотребления. На сегодняшний день, для получения воды питьевого качества, используются различные способы очистки от железа. Наибольшее распространение получили методы, основанные на фильтровании через модифицированную загрузку, активным компонентом которой является оксид марганца (IV), также используется технология очистки, включающая аэрацию и фильтрование через песчаную загрузку. К основным недостаткам указанных методов относятся склонность к истиранию загрузки или длительная наработка каталитического слоя, снижение эффективности очистки к концу фильтроцикла и большое количество воды, требуемой для регенерации фильтров.

Перспективным методом обезжелезивания подземных природных вод является мембранный способ разделения, в том числе с применением осажденных мембран. Реализация этого подхода требует разработки технологии обезжелезивания с помощью существующих мембран, включая выбор их оптимального типа, режима использования и способов регенерации, а также разработки способа получения новых мембран.

Исследование и внедрение мембранной технологии обезжелезивания позволит получать воду высокого качества, при этом установки очистки будут отличаться компактностью и малой энергоемкостью, что позволит обеспечить экономически эффективное и экологически безопасное водопотреб-ление, а также существенно расширит область применения мембранных методов.

Работа выполнена при финансирования Фонда содействия развитию МФП НТС по программе «УМНИК-2013», а также в рамках проектной части государственного задания №13.773.2014/К «Разработка инновационных технологий водоподготовки, водоочистки, минимизации жидких токсичных отходов».

Цель работы: разработка технологии очистки природных подземных вод от соединений железа с применением мембранных методов.

Основные задачи:

- анализ состояния подземных вод Алтайского края по содержанию в них соединений железа;

- исследование эффективности обезжелезивания на мембранной полимерной ультрафильтрационной ячейке;

- разработка технологии получения ультрафильтрационных осажденных мембран на основе микрофильтра и мембранообразующих компонентов для очистки подземных вод от соединений железа;

- исследование параметров процесса при обезжелезивании на осажденных и полимерных мембранах различной конструкции, в том числе определение гидродинамических характеристик;

- исследование способов и режимов регенерации мембран;

- разработка методики расчета параметров мембранной установки на основе осажденных мембран для очистки железосодержащих вод;

- математическое описание экспериментальных данных;

- разработка принципиальной технологической схемы очистки подземных вод от соединений железа с использованием ультрафильтрационных мембран, в том числе осажденных, и ее технико-экономический анализа.

Объект исследования: железосодержащие подземные воды. Предмет исследования: способ очистки подземных вод от соединений железа с применением мембранных методов. Научная новизна:

- впервые предложена технология получения осажденных ультрафильтрационных мембран на основе полимерного микрофильтра путем пропускания через него водной суспензии бентонитовой глины с добавлением полимерных органических связующих;

- получены новые данные (зависимости селективности и проницаемости) при мембранном разделении коллоидных систем, в качестве которых использовались железосодержащие растворы с различным уровнем рН;

- изучены эффективность и проницаемость при обезжелезивании на новой осажденной мембране и стандартных рулонных, капиллярных и трубчатых ультрафильтрационных модулях;

- получено математическое описание процесса обезжелезивания на ультрафильтрационной мембранной ячейке вида Э = 1(Сн;рН);

- предложен способ и режимы регенерации ультрафильтрационных мембран после обезжелезивания, заключающийся в удалении селективного слоя с последующим нанесением нового;

- разработана технология очистки подземных вод от соединений железа с комбинированным применением полимерных и осажденных ультрафильтрационных мембран.

Практическая значимость и реализация:

- применение новых осажденных мембран позволит очищать железосодержащие воды с исходной концентрацией до 0,5 мг/л (до 10 мг/л в комбинации с полимерными мембранами) и обеспечить получение воды из подземных источников, соответствующей нормативным требованиям для питьевых вод;

- экспериментальные данные могут быть использованы для проектирования технологических схем водоочистки и расчета основных параметров мембранных установок: тип и количество мембранных модулей, режимы формирования, эксплуатации и регенерации осажденной мембраны;

- внедрение предложенной технологии очистки подземных вод от соединений железа способствует повышению качества питьевых вод и позволит обеспечить экологически безопасное водопотребление.

На защиту выносятся:

- результаты исследований процесса обезжелезивания на полимерной ультрафильтрационной ячейке, новой осажденной мембране и стандартных рулонных, капиллярных и трубчатых модулях;

- способ получения осажденной мембраны на основе полимерного микрофильтра путем пропускания через него водной суспензии бентонитовой глины с добавлением полимерных органических связующих;

- технология очистки подземных вод от соединений железа мембранными методами.

Реализация результатов работы:

- материалы диссертационной работы приняты к внедрению на следующих предприятиях: ООО «НПО Акватех», ООО «Барнаул РТИ», ООО «НПО Филь-терра»;

- результаты диссертационной работы используются в учебном процессе на кафедре «Химическая техника и инженерная экология» ФГБОУ ВПО АлтГТУ им. И.И. Ползунова.

Апробация работы. Материалы диссертации ежегодно докладывались на Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодежь» (Барнаул, 2012; 2013; 2014), международной научно-практической конференции «Водоснабжение и водоотведе-ние: качество и эффективность» (Кемерово, 2012; 2013), межрегиональной научно-практической конференции «Региональные экологические проблемы» (Белокуриха, 2012; 2013), молодежной конференции «Экология России и сопредельных территорий» (Кемерово, 2012), международной научно-практической конференции «Экология и рациональное природопользование как фактор устойчивого развития» (Белгород, 2014), международной конференции «Теоретические и практические аспекты сорбционных и мембранных процессов» (Кемерово, 2014), международной научно-практической конференции «Экологические аспекты природопользования в Алтае-Саянском регионе» (Белокуриха, 2014).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 работ, в том числе 5 статей, 3 из них в журналах, входящих в перечень публикаций ВАК, имеется 1 патент на полезную модель «Установка для очистки воды из подземных источников от железа и марганца» №145816.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы из 106 наименований, приложений. Работа изложена на 127 страницах машинописного текста, включает 49 рисунков, 32 таблицы.

Достоверность полученпых результатов обеспечивается использованием современных средств и стандартных методов исследований, обоснованных теоретических положений, методов учета погрешностей, а также достаточным объемом и воспроизводимостью экспериментальных данных.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы и показаны недостатки существующих методов обезжелезивания, необходимость разработки современных технологий для очистки железосодержащих подземных вод. Кратко приведены достоинства мембранного метода разделения и показана перспективность его использования для обезжелезивания.

В первой главе представлен анализ водных объектов Западной Сибири и Алтайского края, выявлены особенности водообеспечения районов края, рассмотрен генезис железосодержащих вод. Описаны известные методы очистки воды от соединений железа и механизмы происходящих процессов на основе анализа отечественных и зарубежных источников, а также проработки патентов. Рассмотрены модели мембранного разделения, различные методы получения мембран в том числе динамических и осажденных. Проведена оценка использования мембранного метода для обезжелезивания подземных вод. Сформулированы цель и задачи работы.

Во второй главе представлены методики анализа железа в воде методом фотоколориметрического анализа. Приведен способ получения осажденных мембран на основе полимерного микрофильтра путем пропускания через него водной суспензии бентонитовой глины с добавлением полимерных органических связующих. Описаны методики определения основных параметров процесса мембранного разделения и способы изучения характеристик полимерных и осажденных мембран различного типа.

В третьей главе изложены результаты исследований по очистке воды от соединений железа на полимерной ультрафильтрационной ячейке и стандартных мембранах различного исполнения (трубчатых, рулонных, капиллярных), а также с использованием новой осажденной мембраны.

Для обезжелезивания наиболее предпочтителен метод ультрафильтрации, являющийся промежуточным между обратным осмосом и микрофильтрацией, и обладающий достоинствами обоих методов. Ультрафильтрационные мембраны отличаются высокой проницаемость по сравнению с обратноосмотическими, при этом обладают значительно лучшей селективностью по молекулярным и высокомолекулярным соединениям, по сравнению с микрофильтрационными мембранами.

Были проведены исследования процесса обезжелезивания на мембранной ультрафильтрационной ячейке. Материал мембраны - полисульфон. Использовались модельные растворы с концентрацией по ионам железа от 2 до 10 мг/л, что соответствует преобладающим концентрациям железа в подземных водах Алтайского края и Сибирского региона в целом.

На рисунке 1 показаны зависимости эффективности очистки ионов Бе от рН раствора при различных концентрациях с предварительной аэрацией. При этом окислительно-восстановительный потенциал системы соответствовал подземным водам после аэрации и составлял 0,15-0,25 В. Из полученных данных следует, что уменьшение эффективности происходит при снижении рН системы и увеличении исходной концентрации.

10Q

99

Э,%

.17

■t"

/

i/ 3

\д

1- ♦ Сн-2 mГ/Л

2- ■ Си=6 ыг/л

3- ' Сн=10мг/л

4- « Сн= 12 мг/л

93

РН

Рисунок I - Зависимость эффективности очистки (Э) от рН при различных концентрациях железа

Установлено, что при ультрафильтрации содержание железа в фильтрате ниже ПДК обеспечивается при начальной концентрации железа не более 9 мг/л, а также при проведении предварительной аэрации и уровне рН 6,5-7.

Изучение проницаемости мембранной ячейки в процессе обезжелези-вания показало ее

малое снижение относительно начального (рисунок 2). Такие зависимости проницаемости нехарактерны для ультрафильтрации коллоидных растворов, что может быть объяснено высокой скоростью потока над поверхностью мембраны (4,5 м/с), способствующей интенсивному размыванию образующегося осадка. Однако в промышленных масштабах поддержание такой скорости потока приводит к значительному увеличению энергоемкости установки.

К перспективным мембранам для очистки железосодержащих вод относятся осажденные мембраны, отличительной особенностью которых является высокая проницаемость, и ее малое снижение во времени.

Микрофильтрация, характеризующаяся высокой проницаемостью, не позволяет с достаточной эффективностью очищать растворы от коллоидных частиц. Поэтому был предложен способ нане-

G, лДм'ч)

700

600

г>00

300

100

------

-•' "$> 2

......*'"'"Г|#>л»

\5

-*-О10мг/л (р№7.6) -о-С-Шмг/л (рН=6.5) ■ * С=-10мг/л (рНз5 6)

2- -а~С-2мг/л (рН=7.1| 4 С=2мг/л (рН^5.5)

20

ДО

.lOOt, мин

Рисунок 2 - Изменение проницаемости мембраны (О) во времени (т)

сения селективного слоя на поверхность микрофильтра, путем пропускания через него раствора, содержащего мембранообразующие компоненты. В работе исследованы три типа компонентов: 1- чистый бентонит, 2 - бентонит, с добавлением полиакриламида (ПАА) в качестве связующего, 3 - бен-

тонит, с добавлением полимера диаллилдиметиламмония хлорида (поли-ДАДМАХ) в качестве связующего (растворы с различными концентрациями компонентов). Процесс нанесения заключался в пропускании через микрофильтрационную полимерную подложку с размером пор 5 мкм приготовленного раствора в рециркуляционном режиме без сброса концентрата (тупиковый режим). Процесс проводился до осветления раствора. Время нанесения составляло от 2 до 4 часов, в зависимости от состава раствора.

Осажденные мембраны были исследованы на эффективность и проницаемость при очистке железосодержащих растворов. На рисунке 3 представлены зависимости эффективности очистки от Ре2" (с предварительной аэрацией) микрофильтром (подложка) и осажденными мембранами на его основе, полученными пропусканием раствора бентонита с концентрацией

200 мг/л и 600 мг/л. Из рисунка видно, что при малых содержаниях бентонита эффективность очистки практически не увеличивается, по сравнению с чистой подложкой. При увеличении концентрации бентонита наблюдается повышение эффективности очистки до 50 %, однако, через 20 минут она снижается до 20 %. Дальнейшее увеличение количества бентонита в растворе для нанесения мембраны не приводит к увеличению эффективности.

Проницаемость полученных мембран показана в таблице 1. Из таблицы видно, что проницаемость осажденной мембраны на основе бентонита значительно превышает проницаемость полимерных ультрафильтрационных мембран.

Таблица 1 - Проницаемость микрофильтра и осажденных мембран на основе бентонита при обезжелезивании (Снач = 2 мг/л)

Мембрана Начальная проницаемость, л/(м2-ч) Проницаемость через 1 час проведения процесса, л/(м2 ч)

Микрофильтрационная подложка 136,50-10" 136,50-10"

Осажденная мембрана на основе бентонита (раствор С=200 мг/л) 27,30-103 13,30-103

Мембрана ультрафильтрационная (по-лисульфон) 0,30103 0,25-103

Несмотря на то, что мембраны на основе чистого бентонита обладают высокой проницаемостью, низкая эффективность очистки не позволяет ис-

1-«Бентонит 0,2 г/л 2-Й Бентонит 0,6 г/л 3-* Подложка

Рисунок 3 - Зависимость эффективности очистки (Э) от соединений железа на микрофильтрационной подложке и осажденных мембранах от времени (т) при Снач = 2 мг/л

пользовать их для обезжелезивания. Поэтому были исследованы осажденные мембраны из раствора бентонита и связующего полимера, в качестве которого были выбраны полиакриламид (ПАА) и полимер диаллилдимети-ламмония хлорида (полиДАДМАХ).

На рисунке 4 представлены зависимости эффективности очистки для осажденных мембран на основе бентонита и органических полимеров.

3,%

О _________________„I.........................I........................I.........................[.....................,..........................1 ....................}...............X, мин

О 10 20 30 40 50 60 70 ~

1-ШБентонит;ПАА-1.2 г/л : 7 т/п 2- СД5ентонит:ПАА-0,6г/л: 5 мг/л

Бентонит:полиДАДМАХ-0,6 т/л : 9 мкг/л 4- £Бентонит:полиДАДМАХ-0,4 г/л : 1,45мкг/л

Рисунок 4 - Зависимость эффективности очистки (Э) для осажденных мембран от времени (С„ач = 2 мг/л)

Из рисунка видно, что мембраны на основе бентонита и ПАА обладают наибольшей эффективностью. При этом происходит ее увеличение во времени, что свидетельствует о забивании неселективных пор коллоидными частицами.

Поверхность осажденных мембран была исследована с помощью цифрового стереоскопического микроскопа. На рисунке 5 представлены микрофотографии поверхности полученных осажденных мембран после процесса обезжелезивания, а также микрофильтрационной подложки. Поверхность мембран на основе бентонита отличается неравномерным покрытием поверхности подложки, что объясняет их низкую эффективность. Мембраны на основе бентонита и ПАА, вероятно, образуют плотную структуру с заполнением пор подложки, мембраны на основе бентонита и полиДАДМАХ образуют на поверхности более толстый слой с рыхлой структурой.

Проницаемость мембран на основе бентонита и ПАА значительно снижается в течении первых 20 минут процесса (рисунок 6). Проницаемость мембран на основе бентонита и полиДАДМАХ отличается высокими значениями (от 23-103 до 74-Ю3 л/(м2-ч)) при этом меньше снижается во времени. С учетом того, что нанесение мембраны занимает от 2 до 4 часов, а фильтроцикл мембран на основе бентонита и ПАА не превышает 20 минут, при этом наблюдается нестабильность очистки, наиболее предпочтительно использование для обезжелезивания осажденных мембран на основе бентонита и полиДАДМАХ.

100 мкм

Рисунок 5 - Поверхность осажденных мембран: а - на основе бентонита и по-лиДАДМАХ; б - на основе бентонита и ПАА; в - на основе чистого бентонита; г - поверхность микрофильтра (подложки)

Однако невысокая эффективность не позволяет использовать данные мембраны для получения питьевых вод с исходным содержанием железа выше 0,5 мг/л, что приводит к необходимости комбинации осажденных и полимерных мембран.

5,л/(«лгч)

25600

л 4 ^ «. . я | / • 1...........1.......... *'"" я»

!

\ А 1— ; БешоникполиДАДМАХ- 0.6 г/л : 9мк|/л 2—Бенгонит:ПАА -0.6 ¡/л : 5 т/л 3—8?— БбИТ0ИИТ:ПАА - 1,2 г/л : 7 МГ/Л

\ \ Ч " ____

ч. 3 / / ш -------ф Т, мин

О 10 20 30 40 50 60 70 80

Рисунок 6 - Зависимость проницаемости осажденных мембран (в) от времени (т) при С„ = 2 мг/л

На следующем этапе исследований были получены экспериментальные данные по обезжелезиванию на ультрафильтрационных полимерных мембранах различных конструкций. Исследования проводились на капиллярных мембранах, производства компании РйСОЯЕ (Юж. Корея), трубчатых мембранах БТУ и рулонных элементах ЭРУ на основе мембран УПМ-20 и УПМ-100 , производства ЗАО «Владипор» (Россия).

На рисунке 7 представлены зависимости эффективности обезжелези-вания на различных мембранах.

fflfT-^ r=p-

ТГ

т, мин

О 50 100

Мембрана: 4 БТУ ШЭРУ ; капиллярная

92

150 0 50 100 150

Мембрана: Ф-БТУ Ш ЭРУ & капиллярная

а б

Рисунок 7 - Зависимость эффективности очистки от соединений железа на различных мембранах: а - Снач = 2 мг/л, б - Снач = 10 мг/л

Экспериментальные данные по эффективности совпадают с данными, полученными на ультрафильтрационной ячейке. Эффективность очистки на всех мембранных элементах, при исходной концентрации Ре2+ С„ач = 2 мг/л и предварительной аэрации, превышала значение 99 %. При увеличении исходной концентрации до 10 мг/л эффективность очистки составляла от 96 % до 98 %, при этом содержание железа в фильтрате для трубчатых (БТУ), рулонных (ЭРУ) и капиллярных мембран колебалось от 0,3 мг/л до 0,4 мг/л. Высокие значения эффективности всех типов мембран, а также их колебания в пределах погрешности измерений, не позволяет выделить какой либо мембранный элемент. Поэтому выбор оптимального типа мембраны для обезжелезивания следует делать по наилучшей проницаемости и технико-экономическим показателям.

Исследованы проницаемости трубчатых (БТУ), рулонных (ЭРУ) и капиллярных мембран при различных исходных концентрациях. На рисунке 8а показано изменение проницаемости относительно начальной ((ЗДЗнач) для трубчатой мембраны БТУ. Наибольшее снижение проницаемости наблюдается в первые 30 минут процесса. Установлено, что для трубчатых мембран характерно снижение проницаемости при уменьшении исходной концентрации, что объясняется взаимосвязью гидродинамического режима и дисперсностью коллоидной системы, на которую влияет концентрация соединений железа. Так наибольшее снижение проницаемости наблюдается при концентрации С = 2 мг/л.

Для капиллярных мембран характер изменения проницаемости отличается от трубчатых (рисунок 86). Установлено, что при повышении концентрации увеличивается скорость и степень снижения проницаемости, при этом капиллярные мембраны отличаются наибольшим ее снижением (до 0,2 от первоначальной) и коротким фильтроциклом который не превышает 30 минут. Наиболее часто такой тип мембран используется в тупиковом режиме фильтрования с периодическими кратковременными обратными промывками чистой водой. Была установлена взаимосвязь между проницаемостью и скоростью потока над мембраной. При проведении процесса ультрафильтрации в рециркуляционном режиме степень снижения проницаемости уменьшается на 30 %.

а/йнач

1,0 ^ 0.3 \

к

о,к Ч о.;

0,5 0,-1

........

20 40 вО ВО

1-* С=2 мг/л 2- * €=10 мг/л

I, мин

100

О 20 10

I. ОСн - 10 мг/Л. 'л'-'1,5 м/мии

80 100 120 2- ЛСн - 10 мг/л,-2 2 м/миь

б^нан

1

0,99 0,98

0,97

3-ОСн = 2 мг/л, \м=4,5 м/мин 4- ОСн = 2 мг/л, \v-2.2 м/мин

а б

Рисунок 8 - Изменение степени проницаемости (ОД}на.,) во времени: а - при различных концентрациях Ре2 на мембранах БТУ; б - при различных концентрациях Ре2+ и скоростях потока (ш, м/мин) на капиллярной мембране

Наилучшие результаты по изменению проницаемости были выявлены у рулонных элементов ЭРУ (рисунок 9). При исходной концентрации Ре2+ С = 10 мг/л и предварительной аэрации снижение проницаемости составляет не более 4 % от первоначальной.

Такой характер кривых объясняется наилучшей гидродинамикой в мембранном канале, способствующей размыванию осадка. Поэтому, с точки зрения продолжительности фильтроцикла, для удаления из воды соединений железа наиболее подходят рулонные ультрафильтрационные элементы.

При оценке плотности упаковки мембран в мембранном модуле (м2/м3), определяющие габариты установки обезжелезивания, было выявлено, что наибольшей плотность упаковки обладают капиллярные мембраны (таблица 2), также данный тип мембран характеризуются высокой начальной проницаемостью. Однако короткий фильтроцикл приводит к необходимости организации частых обратных промывок, что вызывает необходимость установки резервного мембранного модуля и повышает энергоемкость установки.

0,95

ТТкТ" г Г I ' гк:..............................................

-о

I г--- I а

\ ¿г

0 50

1-ФУПМ-20, Сн = 2 мг/л 3-А УПМ-100, Сн - 2 мг/л

100 150 т, мин 200

2- Ш УПМ-20, Сн = 10 мг/л

Рисунок 9 - Изменение степени проницаемости (ОДЗнач) во времени при различных концентрациях Ре2+ на рулонных элементах ЭРУ с мембранами УПМ-20 и УПМ-100

Таблица 2 - Плотность упаковки и значения начальной проницаемости мембран

Мембрана Начальная проницаемость 0„а.„ л/(м2-ч) Плотность упаковки мембраны в мембранном модуле, м2/м3

при рабочем давлении,МПа

0,1 0,25

Мембрана капиллярная (РИССЖЕ) - 1964 1990

Мембрана трубчатая БТУ (ЗАО Владипор) - 466 101

Элемент рулонный ЭРУ (ЗАО Владипор) - на основе УПМ-20 - на основе УПМ-100 62 167 421

283 707 461

Для рулонных элементов было исследовано влияние на проницаемость и эффективность обезжелезивания различных факторов. При увеличении температуры на 15°С (до предела термостойкости мембраны) проницаемость возрастает на 24 %. Повышение давления от 0,1 до 0,25 МПа приводит к увеличению проницаемости в 2,62 раза. Влияние указанных факторов на эффективность обезжелезивания не выявлено.

Проведено математическое описание процесса обезжелезивания. Исследования проводили на мембранной ячейке в соответствии с полным факторным экспериментом (ПФЭ). В качестве влияющих на процесс очистки было выделено два основных фактора (к=2), а именно начальная концентрация железа (Сн, мг/л) и рН раствора. Опыты проводили на двух уровнях (т=2). Координатами центра факторного пространства являются: рН = 7 и Сн = 6 мг/л. Скорость потока над мембраной (со=4,5 м/с) и окислительно-востановительный потенциал (ЕЬ= 150 мВ) являлись стационарными и в опытах не изменялись. Выходным фактором, оценивающим отклик объекта на изменение входных факторов, выбрана эффективность очистки (Э,%). Полученные коэффициенты уравнения регрессии оценены по критерию Стьюдента. Сравнение дисперсий по статистическому критерию Фишера показало, что уравнения регрессии адекватно описывают процесс. Результат математического описания:

Э = 101,57 — 1.,57-С» — 0,26рН + 0,19СнрН, % Математическая модель позволят определить значение эффективности очистки на ультрафильтрационной полимерной мембране, при начальной концентрации железа в диапазоне от 2 до 10 мг/л и рН от 5,5 до 8,5, при условии проведения предварительной аэрации воздухом или другом способе окисления для установления ОВП (ЕЬ) не менее 0,150 В..

Предложены способы регенерации осажденных ультрафильтрационных мембран и элементов ЭРУ. Регенерация осажденных мембран осуществляется в две стадии: промывка мембраны обратным током чистой воды, с удалением отработанного селективного слоя и нанесение мембраны. Первая стадия является кратковременной и не превышает 2 минут, последующее нанесение мембраны осуществляется аналогично первичному, причем продолжительность формирования слоя при регенерации сокращается в среднем на 30 %. Исследования показали, что при регенерации осажденных мембран начальная проницаемость полностью восстанавливается. Для регенерации элементов ЭРУ при обезжелезивании подземных вод предложе-

ны несколько способов регенерации: кратковременная интенсивная прямая промывка с перекрытием линии фильтрата, обратная промывка фильтратом, комбинированная промывка и химическая регенерация слабыми растворами кислот. При этом фильтроцикл рулонных элементов составлял не менее 9 часов. Выбор того или иного способа регенерации или их комбинации обуславливается исходным качеством воды и особенностями эксплуатации установки.

В четвертой главе на основе полученных экспериментальных данных была предложена технологическая схема очистки подземных вод от соединений железа с комбинированным применением осажденных мембран и рулонных ультрафильтрационных элементов. Схема представлена на рисунке 11.

1-приемная емкость; 2-емкость для очищенной воды; 3-модуль на основе ультрафильтрационной рулонной мембраны; 4,8,10-насосы; 5-модуль на основе осажденной мембраны; 6-сборник промывных вод; 7-механический фильтр; 9-емкость для суспензии мембранообра-зугащих компонентов

Рисунок 11 — Принципиальная технологическая схема обезжелезивания подземных вод мембранным методом

В технологической схеме можно выделить узел приготовления и нанесения селективного слоя и узел мембранного обезжелезивания, включающий механический фильтр, мембранные модули, емкости для исходной и очищенной воды, сборника промывных вод и насосное оборудование. Мембранные модули работают последовательно. Применение данной технологии позволит проводить процесс обезжелезивания с эффективностью очистки не менее 98 % при исходной концентрации железа не более 10 мг/л.

При реализации предложенной схемы в установке производительностью 215 тыс.м /год себестоимость очищенной воды составит 9,8 руб/м3, а окупаемость инвестиций - 2,9 года.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана технология получения осажденной мембраны на основе бентонита, с применением в качестве связующего органического полимера диаллилдиметиламмония хлорида (полиДАДМАХ), заключается в пропус-

кании суспензии через микрофильтрационную подложку в рециркуляционном режиме.

2. Определены параметры мембранного процесса обезжелезивания на осажденной мембране, которые изменяются в зависимости от исходной концентрации и времени процесса. Эффективность очистки варьировалась от 25 % до 50 %, максимальная проницаемость - 23-Ю3 л/(м2-ч), минимальная - 4-10 л/(м2-ч) при этом установлено ее дальнейшее незначительное снижение во времени.

3. Селективность при обезжелезивании на стандартных трубчатых, капиллярных и рулонных ультрафильтрационных мембранах составила от 96 % до 100 %, начальная проницаемость и ее изменения существенно зависят от типа мембраны и исходной концентрации железа. Установлено повышение проницаемости на треть при повышении температуры до 30 °С, в 2,7 раза при повышении давления до 0,25 МПа.

4. Предложена математическая модель процесса обезжелезивания на полимерной ультрафильтрационной мембране, позволяющая рассчитать эффективность очистки при заданной начальной концентрации (до 10 мг/л) и рН (от 5,5 до 8,5), при условии проведения предварительной аэрации.

5. Разработан способ регенерации осажденных мембран, который включает удаление отработанного селективного слоя обратным током чистой воды и повторное нанесение нового слоя, что позволяет полностью восстановить ее исходные характеристики. Регенерация рулонных ультрафильтрационных мембран заключается в обратных промывках чистой водой, при фильт-роцикле не менее 9 часов.

6. Разработанная установка для обезжелезивания с применением мембран различных типов подтверждена патентом РФ на полезную модель №145816.

7. Предложенная принципиальная технологическая схема очистки подземных железосодержащих вод, включающая узел мембранной очистки с комбинированным применением осажденных мембран и рулонных элементов и узел для формирования селективного слоя, позволит повысить эффективность и экологическую безопасность водопотребления.

СПИСОК ОСНОВНЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

а) работы в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Чигаев, И.Г. Обезжелезивание подземных вод с помощью полимерных ультрафильтрационных мембран / И.Г. Чигаев, Е.В. Кондратюк, Л.Ф. Комарова // Ползуновский вестник. - 2013. - № 1. - С. 268 - 270.

2. Чигаев, И.Г. Современные способы обезжелезивания подземных вод с применением мембранных технологий / И.Г. Чигаев, Л. Ф. Комарова // Водоочистка. -2014. -№6. - С. 28-31.

3. Чигаев, И.Г. Обезжелезивание подземных вод с помощью мембранных методов / И.Г. Чигаев, Л.Ф. Комарова // Ползуновский вестник. - 2014. -№ 3. - С. 240 - 242.

б) патсч мы

1. Патент на полезную модель РФ 145816 ГШ. Установка для очистки воды из подземных источников от железа и марганца [Текст]/ Чигаев И.Г., Комарова Л.Ф., заявл. 18.12.2013, опубл. 21.09.2014.

в) работы в других изданиях

1. Чигаев, И.Г. Применение мембранных методов для обезжелезивания природных вод / И.Г. Чигаев, JI. Ф. Комарова // Успехи современного естествознания. -2014. -№2. -С. 106-109.

2. Чигаев, И. Г. Деминерализация солоноватых артезианских вод для питьевых целей с применением установок обратного осмоса / И.Г. Чигаев,Е.В. Кондратюк,

B.О. Буравлев, A.B. Кондратюк // Водоочистка. Водоподготовка. Водоснабжение. - 2012. -№4. - С. 34-39.

3. Чигаев, И.Г. Аппаратурное оформление процесса ультрафильтрации с применением волокнистых сорбционных материалов / И.Г. Чигаев, В.О. Буравлев, Е.В. Кондратюк // Научно-образовательный журнал АлтГТУ «Горизонты Образования». - Барнаул, 2012. - Вып. 14. - С. 40-41

4. Чигаев, И.Г. Очистка природных вод с применением ультрафильтрационных мембран на основе волокнистых материалов / И.Г. Чигаев, В.О. Буравлев, Е.В. Кондратюк // Экология России и сопредельных территорий: мат. междунар. молод, конф. - Кемерово: КемТИПП, 2012. - С. 106-109.

5. Чигаев, И.Г. Очистка подземных вод с применением микрофильтрационных мембран на основе модифицированного базальтового волокна / И.Г. Чигаев, Л.Ф. Комарова, Е.В. Кондратюк // Региональные экологические проблемы: мат. межрег. науч.-практич. конф., - Белокуриха, 2012. - С. 99-102.

6. Чигаев, И.Г. Очистка железосодержащих вод с помощью микрофильтрационных мембран на основе модифицированного базальтового волокна / И.Г. Чигаев, Л.Ф. Комарова, Е.В. Кондратюк // Водоснабжение и водоотведение: качество и эффективность: сб. тр. XIV междунар. науч-практич. конф. - Кемерово, 2012.-С. 101-104.

7. Чигаев, И.Г. Обезжелезивание подземных вод с помощью трубчатых микрофильтров БТМ 05/2 / И.Г. Чигаев, Ж.С. Конышева // Научно-образовательный журнал АлтГТУ «Горизонты Образования». - Барнаул, 2013. - Вып. 15. -

C. 29-30.

8. Чигаев, И.Г. Применение трубчатых ультрафильтрационных мембран для обезжелезивания природных подземных вод / И.Г. Чигаев, Л.Ф. Комарова // Региональные экологические проблемы: мат. межрег. науч.-пракгич. конф. - Белокуриха, 2013.-С. 152-156.

9. Чигаев, И.Г. Обезжелезивания природных подземных вод с помощью трубчатых ультрафильтрационных мембран / И.Г. Чигаев, Л.Ф. Комарова // Водоснабжение и водоотведение: качество и эффективность: сб. тр. междунар. науч.-практич. конф. - Кемерово, 2013. - С. 59-61.

10. Чигаев, И.Г. Перспективы применения мембранных методов для обезжелезивания подземных вод / И.Г. Чигаев, Л.Ф. Комарова // Научно-образовательный журнал АлтГТУ «Горизонты Образования». - г. Барнаул, 2014. - Вып. 16. -С. 22-23.

Подписано в печать 26.01.2015 Формат 60x84 1/16 Печать - цифровая. Усл.п.л. 0,93. Тираж 100 экз. Заказ 2015-27

Отпечатано в типографии АлтГТУ, 656038, г. Барнаул, пр-т Ленина, 46 тел.: (8-3852) 29-09-48 Лицензия на полиграфическую деятельность ПЛД №28-35 от 15.07.97 г.