Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Разработка и применение баромембранных процессов в технологиях очистки природных и сточных вод

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Текст научной работыДиссертация по географии, доктора технических наук, Мигалатий, Евгений Васильевич, Екатеринбург



/ >

кцрвзидиум

13 л г

Г 5

V. X Ч,^ 'л,- V.., -.4... ..

|| ядосудоученую степень ДОКТО Р А1\ у Вачальймк управления ВАК России

МИГАЛАТИИ Евгений Васильевич

РАЗРАБОТКА И ПРИМЕНЕНИЕ БАРОМЕМБРАННЫХ ПРОЦЕССОВ В ТЕХНОЛОГИЯХ ОЧИСТКИ ПРИРОДНЫХ

И СТОЧНЫХ вод

Специальность 11.00.11 - Охрана окружающей среды и

рациональное использование природных ресурсов

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Екатеринбург, 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение.......................................................................... 6

1. Литературный обзор...................................................... 10

1.1. Загрязнение источников водоснабжения как один из основных факторов разрушения биосферы............................... 10

1.1.1 .Состояние источников водоснабжения...................... 11

1.1.2.Воздействие тяжелых металлов на природные водные

системы и организм человека................................. 15

1.1.3 .Характеристика органических веществ, содержащихся в природных водах, и их влияние на качество питьевой воды................................................................. 17

1.2. Радиационная нагрузка на территорию Свердловской области........................................................................ 19

1.3. Мембранные методы как экологически чистые и универсальные технологические процессы очистки воды от токсичных примесей.................................................................. 21

1.3.1.Аспекты практического использования ультрафильтрационного метода переработки жидких систем............ 24

1.3.2.Мембраны и установки, используемые для баромемб-ранных процессов................;.............................. 25

1.4. Механизмы полупроницаемости полимерных мембран и их

анализ...................................................................... 29

1.4.1 .Массоперенос через обратноосмотические мембраны.... 29

1.4.2.Массоперенос через крупнопористые ультрафильтрационные мембраны................................................ 32

1.4.3.Физические модели массопереноса через ультрафильтрационные мембраны........................................... 36

1.4.4.Физические модели мембран.................................. 37

1.4.5.Эффект динамических мембран в ультрафильтрации и

их классификация................................................ 43

1.4.6.Модель концентрационной поляризации - гелеобразо-

вания............................................................... 48

1.5.Постановка задачи исследования.................................... 53

2. Методика и аппаратурное оформление исследований............ 55

2.1. Объекты исследования и их характеристики...................... 55

2.2. Аппаратурное оформление мембранных, диффузионных, сорбционных процессов и электрокинетических измерений... 66

2.2.1 .Схема и описание лабораторных мембранных установок 71 2.2.2.Методика экспериментов. Математическая обработка результатов..................................................................................................................70

2.2.3.Характеристика мембранных фильтрующих материалов 75

2.2.4. Калибровка мембран по водопроницаемости............... 77

2.2.5.Измерение электрокинетических харакатеристик мембран................................................................... 79

3. Физико-химические закономерности массопереноса растворенных веществ через крупнопористые мембраны............... 84

3.1. Исследование электрохимического механизма полупроницаемости ионогенных соединений.................................. 84

3.1.1. Массоперенос растворенных веществ через немодифи-цированные крупнопористые мембраны................... 88

3.1.2.3адержание низкомолекулярных неорганических примесей модифицированными крупнопористыми мембранами............................................................. 107

Выводы............................................................. 125

3.2. Ультрафильтрация водных растворов поверхностно-активных веществ............................................................... 127

3.2.1 .Диаграммы состояния водных растворов алкилсульфа-

тов натрия........................................................... 127

3.2.2.Мембранное разделение растворов поверхностно-активных веществ в различных областях диаграмм состояния. Влияние длины углеводородного радикала, природы и концентрации электролитов..................... 132

3.2.3.Мембранное разделение растворов лаурата натрия и сульфанола......................................................... 152

3.2.4.Мембранное разделение растворов алкилсульфатов при

высоких рабочих давлениях................................... 156

Выводы............................................................ 174

3.3. Ультрафильтрация водных растворов радионуклидов.......... 176

3.3.1 .Мембранное разделение радионуклидов в присутствии

нейтральных электролитов, кислот и оснований.......... 176

3.3.2.Разделение радионуклидов в присутствии анионоактив-ных поверхностно-активных веществ....................... 183

3.3.3.Разделение радионуклидов в присутствии катионоак-тивных поверхностно-активных веществ.................. 187

3.3.4.Разделение радионуклидов в присутствии неионоген-ных поверхностно-активных и комплексообразующих

веществ............................................................ 190

Выводы............................................................ 193

3.4. Ультрафильтрация растворов красителей......................... 196

3.4.1 .Взаимодействие красителей с мембранами на основе

целлюлозы........................................................ 196

3.4.1.1 .Сорбционные свойства красителей................. 196

3.4.1.2.Диффузионные свойства красителей............... 199

3.4.2.Влияние внешних факторов на процесс мембранного

разделения красителей.......................................... 202

3.4.2.1 .Концентрационная поляризация.................... 202

3.4.2.2.Давлени е................................................. 205

3.4.2.3.Концентрация красителей............................ 212

3.4.2.4.Температур а............................................. 213

3.4.2.5.Величина рН среды.................................... 217

3.4.2.6.Добавки электролитов................................ 223

3.4.2.7 .Добавки поверхностно-активных веществ....... 227

Выводы........................................................... 228

3.5. Ультрафильтрация растворов комплексных соединений тяжелых металлов с низкомолекулярными органическими

лигандами................................................................. 232

3.5.1 .Влияние концентрации ионов водорода..................... 232

3.5.2.Влияние природы и концентрации лиганда................ 241

Выводы............................................................. 262

3.6. Ультрафильтрация растворов комплексных соединений тяжелых металлов с высокомолекулярными органическими

лигандами................................................................. 264

3.6.1.Оценка комплексообразующей способности лигносуль-

фоновой кислоты................................................ 264

3.6.2.Взаимосвязь задерживающих характеристик мембран с процессами комплексообразования......................... 277

3.6.3.Механизм массопереноса комплексов через мембраны.. 283 Выводы............................................................. 292

3.7.Условия реализации баромембранных процессов......... 294

3.7.1 .Баромембранное фильтрование гомогенных водных

растворов......................................................... 295

3.7.2.Баромембранное фильтрование гетерогенных водных

растворов.......................................................... 301

Выводы............................................................ 305

4. Мембранное разделение в технологии очистки природных

вод............................................................................... 308

4.1 .Состав примесей природной и водопроводной воды............ 308

4.2 .Реагентный метод доочистки водопроводной воды.............. 316

4.3.Разработка технологии доочистки водопроводной воды на локальных установках.................................................. 318

4.4.Устройство и описание работы водоочистительной установки «Акварос»............................................................. 329

Выводы.................................................................... 335

5. Мембранное разделение в технологии очистки сточных вод .. 336 5.1 .Очистка сточных вод от соединений тяжелых металлов....... 336

5.1.1 .Реагентные технологии.......................................... 336

5.1.2.Безреагентная технология доочистки сточных вод станции нейтрализации Ревдинского завода ОЦМ............. 342

5.1.3.Комбинированная технология переработки промывных вод и концентрированных хромовых потоков гальванического цеха завода АО «УЭТМ»............................. 347

5.2.0чистка сточных вод от органических веществ................... 352

5.2.1.Очистка декантатных сточных вод Нейво-Рудянского

ЛХЗ................................................................. 352

5.2.2.0чистка сточных вод банно-прачечного комбината № 1

г. Екатеринбурга................................................. 355

5.2.3.0чистка оборотных вод процесса дефибрирования

древесины......................................................... 359

5.3.Очистка сточных вод от красителей. Выбор и обоснование

методов очистки....................................................... 361

Выводы.................................................................... 369

Общие выводы.................................................................. 371

Литература........................................................................ 375

Приложения...................................................................... 394

ВВЕДЕНИЕ

Значительным событием последних лет является принятие 16 ноября 1995 года Водного кодекса Российской Федерации. Необходимость его введения обусловлена как экономическими причинами, связанными с переходом к рынку, так и экологическими, определяющимися кризисными явлениями в сфере охраны вод и окружающей среды в целом [1]. В настоящее время стабильное развитие многих государств определяется не только наличием естественных ресурсов, но и состоянием природной среды. В результате антропогенного воздействия на природную среду наносится ущерб гидросфере, что ухудшает качество воды и создает все больший ее дефицит для нужд повседневного использования. Серьезную опасность для источников водоснабжения представляют вещества техногенного происхождения типа растворенных органических и металлорганических соединений, пестицидов, минеральных и органических удобрений, нефтепродуктов, ионов тяжелых цветных металлов, ПАВ, радионуклидов и др. Существующее положение усугубляется ограниченной самоочищающей способностью водоисточников.

Экологические аспекты решения проблем России и стран СНГ предполагают реализацию программ, предусматривающих комплексные меры по охране и рациональному использованию водных ресурсов. Важным направлением в решении экологических проблем является разработка совершенствующихся технологий очистки сточных вод, в частности, с использованием локальных установок. Поэтому особую значимость приобретают экологически чистые, универсальные и малоэнергоемкие баромембранные методы. В связи с возможностью достижения эффективной очистки и высокой производительности при низких рабочих давлениях перспективными являются баромембранные методы, основанные на применении крупнопористых мембран. Среди мембранных процессов особенно интенсивно развиваются такие, как микро-, ультрафильтрация, нанофильтрация и обратный осмос. Обратный осмос изучен достаточно полно, результаты представлены в

монографиях [2-5]. Ультрафильтрационные процессы с использованием крупнопористых мембран нуждаются в дальнейшем развитии имеющихся теоретических и экспериментальных данных, изложенных в монографии [6], и углублении исследований по теории ультрафильтрации.

Целью работы является разработка и применение мембранной очистки водных систем от токсичных примесей антропогенного происхождения с использованием крупнопористых и других мембран и внедрение технологий очистки сточных вод на основе баромембранных процессов, направленных на решение важнейшей экологической проблемы, связанной с охраной водных ресурсов от сброса загрязняющих веществ.

Научная новизна полученных результатов заключается в основных положениях теоретического, методического и технологического характера: впервые обнаружен эффект очистки водных растворов (свыше 90 %) от низкомолекулярных неорганических электролитов типа KCl, Na2S04, СаС12, MgS04 и др. при их фильтровании через крупнопористые ультрафильтрационные мембраны, имеющие фиксированный и наведенный заряды; выявлены закономерности электрохимического механизма полупроницаемости, позволяющие целенаправленно разрабатывать технологии получения крупнопористых мембран с заранее заданными свойствами; установлена корреляция между величиной и знаком фиксированного и наведенного зарядов поверхности мембраны, ее электрокинетическими характеристиками и задерживающей способностью, возникающей за счет перекрывания двойных электрических слоев в порах полупроницаемой мембраны; создана методология реализации баромембранных процессов извлечения из водных растворов различных классов растворенных веществ техногенного происхождения, позволяющая осуществлять подбор оптимальных мембран и условий проведения процессов очистки; установлены новые физико-химические закономерности мембранного выделения из водных растворов неорганических электролитов, соединений тяжелых цветных металлов, радионуклидов, красителей, ПАВ и металлорганических комплексов с

использованием крупнопористых мембран; определены электроповерхностные, диффузионные и сорбционные свойства крупнопористых ацетил- и этилцеллюлозных мембран в отношении растворенных веществ; установлена взаимосвязь между формами состояния индивидуальных гомологов алкилсульфатов и других ПАВ и задерживающей способностью мембран с учетом концентрационных диаграмм их состояния в водных растворах; впервые определены условия эффективного задержания ионогенных красителей, вступающих с материалом мембраны в химическое взаимодействие, и выявлен механизм массопереноса наиболее распространенных в практике крашения химических классов красителей через ацетил- и этилцеллюлозные ультрафильтрационные мембраны; показана эффективность использования высокомолекулярной фракции лигносульфоновой кислоты и ее солей в качестве природного, полимерного лиганда для концентрирования ионов тяжелых цветных металлов из разбавленных водных растворов методом комплексообразования-ультрафильтрации (КОУФ); разработан метод интенсификации коагуляционной очистки природных вод за счет реализации окислительно-восстановительного процесса с использованием смешанных коагулянтов с последующим разделением твердой и жидкой фазы ультрафильтрацией; научно обоснован и предложен технологический процесс доочистки водопроводной воды от токсичных примесей.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1.Закономерности ультрафильтрационных процессов извлечения тяжелых цветных металлов, красителей, радионуклидов, ПАВ и других токсичных примесей из разбавленных и концентрированных сбросных растворов.

2.Методология реализации баромембранных процессов на практике с использованием крупнопористых ультрафильтрационных и др. мембран.

3.Ресурсосберегающие технологии очистки сточных вод на основе баромембранных процессов.

4.Комплексная, многоступенчатая технология доочистки водопроводной воды.

Практическая значимость полученных результатов состоит в том, что в промышленных условиях апробированы и подтверждены научные исследования по извлечению из водных растворов веществ техногенного происхождения, что позволило разработать и внедрить в практику ресурсосберегающие технологии и установки: обратноосмотической очистки природной воды при производстве РЗЭ на В.Пышминского завода

__о

"Гиредмет" производительностью 2 м /ч; обратноосмотического концентрирования никельсодержащего раствора на Екатеринбургском оптико-механическом заводе производительностью 0,2-0,25 м /ч; ультрафильтрационной доочистки сточных вод от соединений тяжелых цветных металлов станции нейтрализации Ревдинского завода ОЦМ производительностью 15 м'7ч; ультрафильтрационной регенерации технологических красительсодержащих растворов Пермской печатной фабрики "Гознак".

Проведены промышленные испытания метода комплексообразования-ультрафильтрации на предприятиях электронной, машиностроительной, радиохимической промышленности с целью очистки сточных вод от соединений меди, цинка, никеля, хрома, алюминия и др. Предложена блок-схема уменьшения качества и степени опасности твердых и жидких токсичных отходов на примере гальванических цехов машиностроительных предприятий. Внедрено более 300 установок "Акварос" по очистке природной и доочистке водопроводной воды с целью ее использования для хозяйственно-питьевых нужд в социально-значимых и других учреждениях производительностью от 5 до 2500 л/ч.

Выполнение поставленных задач в диссертационной работе особенно важно в связи с возрастающей актуальностью проблемы ограниченности сырьевых ресурсов, которые необходимо использовать на качественно новом уровне, предполагающем как более экономное и полное их потребление, так и создание замкнутых циклов производстваС й, Ю7 ¡1111 Й'1

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1. Загрязнение источников водоснабжения как один из основных

факторов разрушения биосферы

Охрана биосферы и рациональное использование природных ресурсов являются первостепенными задачами современности. За последние десятилетия заметно возросло число публикаций по защите биосферы. Среди выделяемых проблем, требующих скорейшего разрешения, можно назвать следующие: предотвращение загрязнения биосферы тяжелыми металлами, нефтепродуктами, синтетическими поверхностно-активными веществами (СПАВ), красителями, радионуклидами и т.д. С этой целью необходимо повысить эффективность мер по охране природы, а также шире внедрять малоотходные технологические процессы, обеспечивающие комплексное использование сырья, материалов и др. Это требует, в частности, создания на пр�