Спосіб одержання динамічної мембрани для очищення водних розчинів

Реферат: Винахід належить до галузі розділення водних розчинів з використанням мембранної технології, зокрема до виготовлення намивних мембран, і може бути використаний для одержання питної води та очищення стічних вод. Задача, на вирішення якої направлений винахід, - забезпечення високого ступеня очищення води від дисперсних, колоїдних, та органічних речовин, зниження енерговитрати; практично повне усунення вторинного забруднення очищеної води коагулянтом при менших його витратах. Запропонований спосіб одержання динамічної мембрани для очищення водних розчинів, який полягає у формуванні на поруватій підкладці двошарової намивної мембрани при перепаді тиску в 1-3 рази і концентрації мембраноутворюючої речовини в 100-1000 разів менше. Спосіб забезпечує високий ступінь затримки органічних речовин на рівні 98,3-99,1 %, зниження енерговитрат на рівні 0,43-0,6 кВт/год., повне усунення вторинного забруднення очищеної води мембраноутворюючою речовиною, зменшення витрат коагулянту на 50 %. UA 105587 C2 (12) UA 105587 C2 UA 105587 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до галузі розділення водних розчинів з використанням мембранної технології, зокрема до виготовлення намивних мембран, і може бути використаний для одержання питної води та очищення січних вод. Відомий спосіб одержання динамічної мембрани для поглибленого очищення колоїдних систем від дисперсної фази (RU 2104760 МПК6 B01D69 опу6л. 20.02.1998)[1]. Суть способу полягає у наступному. Для виготовлення динамічної мембрани на порувату підкладку з розміром пор 0,5-2,0 мкм намивають шар колоїдних частинок гематиту, 3 диспергованих до концентрації не більше 1,0 г/дм у водному розчині FeCl3 з концентрацією не 3 більше 1,0 г/дм Намив шару здійснюють до досягнення питомої щільності намиву 40-80 мкг 2 гематиту/см в перерахунку на залізо. Спосіб дозволяє досягти практично повного (>99 %) вилучення із розчинів дисперсних частинок. Як показали проведені нами досліди, виготовлена за способом [1] мембрана характеризується відсутністю селективності до органічних речовин. Слід також відмітити 3 використання високих доз коагулянту FeCl3 на рівні 1,0 г /дм . Найбільш близьким аналогом до винаходу за технічною суттю і результатом, що досягається, є спосіб одержання динамічної мембрани для очищення води від дисперсної фази та колоїдно-розчинених речовин (US 3577339, опубл. 04.05.1971) [2]. Згідно зі способом [2] на порувату підкладку з розміром пор 0,01-100 мкм подають розчин 3 хлориду магнію з концентрацією 1 г/дм під тиском 0,15 МПа. Вважають, що мембрана сформована, якщо ступінь затримки хлориду магнію становить 70 %. При цьому час формування динамічної мембрани дорівнює приблизно 40 годин. Використання мембрани, виготовленої за способом [2], забезпечує вилучення органічних речовин лише на 80 %. Як випливає з технічної суті способу [2], затримка хлориду магнію сформованою мембраною зумовлює частковий перехід коагулянту в очищену воду, що підтверджується нашими даними. Для визначення ефективності використання сформованої мембрани в процесі очищення та енерговитрат процесу формування динамічної мембрани нами була сформована динамічна мембрана за способом [2] та визначені показники технології очищення води. Необхідний час формування мембрани протягом 40 годин під тиском 0,15 МПа вимагає використання 6,7 кВт/час електроенергії. При цьому затримка хлориду магнію сформованою мембраною в кількості 70 % зумовлює перехід (27 %) коагулянту в очищену воду. На очищення подавали 3 воду із вмістом органічних речовин 25 мг С/дм , в очищеній воді вміст органічних речовин 3 становив 5 мг С/дм , тобто ступінь очищення води досягає 81 %. Таким чином, основними недоліками способу [2] є недостатньо висока ефективність очищення води від органічних сполук, значні енерговитрати на формування динамічної мембрани, вторинне забруднення очищеної води коагулянтом намивного шару та значні дози коагулянту. В основу винаходу поставлена задача розробити спосіб одержання динамічної мембрани для очищення водних розчинів, в якому зміна режиму намивання шляхом варіювання тиску та концентрації мембраноутворюючої речовини в розчині приводить до формування двошарової мембрани з нижнім підтримуючим шаром, та верхнім активним шаром. Слід зазначити, що сам процес формування мембрани характеризується меншими енерговитратами за рахунок зменшення витрат часу і величини тиску. Одержана таким чином динамічна мембрана забезпечує високий ступінь очищення води як від дисперсних, так і від органічних сполук при повній відсутності вторинного забруднення очищеної води коагулянтом. Для вирішення поставленої задачі запропоновано спосіб одержання динамічної мембрани, що включає формування намивного шару мембраноутворюючої речовини на поруватій підкладці, в якому, згідно з винаходом, мембрану формують із двох намивних шарів мембраноутворюючої речовини, причому шари формують при перепаді тиску в 1-3 рази та концентрації в 100-1000 разів; перший шар формують із розчину мембраноутворюючої 3 речовини з концентрацією 100-500 мг/дм (в перерахунку на безводну речовину) під тиском 0,10,3 МПа протягом 3-6 годин, другий шар формують також із розчину мембраноутворюючої 3 речовини, але з концентрацією 0,1-5 мг/дм (в перерахунку на безводну речовину) підтиском 0,01-0,1 МПа протягом 0,1-0,5 години, а як мембраноутворюючу речовину використовують коагулянт. Відмітною особливістю запропонованого способу одержання динамічної мембрани для очищення водних розчинів є одержання динамічної мембрани шляхом формування двох шарів за різних режимів намивання мембраноутворюючої речовини. Так перший нижній шар 3 формують із розчина мембраноутворюючої речовини з концентрацією 100-500 мг/дм (в перерахунку на безводну речовину) під тиском 0,1-0,3 МПа. Такі умови забезпечують 1 UA 105587 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 формування щільного шару мембраноутворюючої речовини, який слугує підтримуючою основою для наступного активного шара. Другий активний шар формується також із розчину 3 мембраноутворюючої речовини, але з концентрацією 0,1-5 мг/дм (в перерахунку на безводну речовину) під тиском 0,01-0,1 МПа та являє собою рухливий нещільний шар мембраноутворюючої речовини. Сформована таким чином мембрана ефективно видаляє колоїдні та дисперсні речовини на 99 %, а органічні сполуки на 96-99 %, за повної відсутності вторинного забруднення очищеної води. Оскільки формування мембрани провадиться за відносно низьких тисках і невеликих концентраціях коагулянту, це призводить до зниження енерговитрат, використання значно менших концентрацій коагулянту та забезпечує повну відсутність вторинного забруднення очищеної води коагулянтом. Таким чином, сукупність суттєвих ознак способу одержання динамічної мембрани для очищення водних розчинів, що заявляється, є необхідною і достатньою для досягнення забезпечуваного винаходом технічного результату, а саме: забезпечує високий ступінь очищення води від дисперсних, колоїдних, та органічних речовин на рівні 96-99 %, малі енерговитрати (0,4-0,6 кВт/год.); практично повне усунення вторинного забруднення очищеної води коагулянтом при менших його витратах. Спосіб реалізується наступним чином. Для одержання динамічної мембрани використовують проточну комірку. Як мембраноутворюючу речовину використовується розчин коагулянту - FeCl3▪6H2O (ГOCT 414774) або Al2(SO4)3▪7H2O (ГОСТ 12966-85). Як порувату підкладку використовують нетканий фільтруючий поліпропіленовий матеріал виробництва компанії "Владипор", Россия (ГОСТ Ρ ИСО 9001-2008), або аналогічний матеріал виробництва заводу "Фільтр", Україна (ТУ У 13486464.003-96). ▪ Для формування нижнього шару мембрани використовують розчин коагулянту FеСl3 6Н2О з 3 концентрацією 100-500 мг/дм (в перерахунку на безводну речовину) або Al2(SO4)3▪7H2O (в перерахунку на безводну речовину). Розчин коагулянту під тиском 0,1-0,3 МПа фільтрують крізь комірку протягом 3-6 годин Далі для формування верхнього шару через комірку пропускають 3 розчин коагулянту з концентрацією 0,1-0,5 мг/дм (в перерахунку на безводну речовину) протягом 0,1-0,5 години але під тиском 0,001-0,1 МПа. При цьому енерговитрати на одержання мембрани становлять 0,4-0,6 кВт/год. По закінченні формування мембрана готова до використання. ' Для визначення ефективності сформованої динамічної мембрани проводили очищення води від органічних сполук, колоїдних та дисперсних речовин. Як вихідну воду використовували природну річкову та морську воду, а також стічні води звалищ твердих побутових відходів 3 (ЗТПВ) із вмістом органічних сполук на рівні 20-30 мг/дм за загальним органічним вуглецем, та вмістом колоїдних та дисперсних речовин за показником мутність -1000-4000 од. Вихідну воду фільтрували через сформовану мембрану під тиском 0,1-0,3 МПа. Очищена таким чином 3 природна річкова та морська вода містила органічні речовини на рівні 0,25-0,75 мг С/дм , та її мутність становила 40 од., що відповідає показникам якості питної води за критеріями (ДСанПін 2.2.4-171-10 "Гігієнічні вимоги до води питної, призначеної для споживання людиною" затв. наказом МОЗ України 12.05.2010 № 400) [3]. При очищенні стічних вод ЗТПВ одержана вода 3 містила органічні речовини на рівні 1,05 мг С/дм , та її мутність становила 40 од., що відповідає показникам якості води, придатної на скид до систем водовідведення згідно з Правилами приймання стічних вод підприємств у комунальні та відомчі системи каналізації населених пунктів України, затверджено наказом Держбуду України № 37 від 19 лютого 2002року [4]. Вміст коагулянту в очищеній воді не виявлено. Визначали наступні показники якості води: - загальний органічний вуглець згідно з ДСТУ EN 1484-2003 за допомогою аналізатора загального органічного вуглецю Shimadzu TOC-VCSN - мутність згідно з ГОСТ 3351-74-фотоколориметричне визначення з формазином - загальне залізо згідно з ГОСТ 4011-72 - фотоколориметричне визначення з сульфосаліциловою кислотою - алюміній згідно з ГОСТ 18165-89 - фотоколориметричне визначення з алюміноном Приклади виконання за винаходом Приклад 1. Для одержання динамічної мембрани в проточну комірку поміщають підкладку з нетканого фільтруючого поліпропіленового матеріалу. Далі вихідний розчин FeCl3▪6H2O з концентрацією 3 500 мг/дм (в перерахунку на безводну речовину) під тиском 0,3 МПа пропускають крізь комірку протягом 3 годин. Після цього через сформований нижній шар фільтрують розчин того ж 3 коагулянту але з концентрацією 0,5 мг/дм (в перерахунку на безводну речовину) протягом 0,1 години під тиском 0,1 МПа, що забезпечує формування верхнього шару динамічної мембрани. При цьому енерговитрати на одержання мембрани становлять 0,6 кВт/год. 2 UA 105587 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Визначення ефективності динамічної мембрани проводили на реальній морській воді із 3 вмістом органічних сполук на рівні 25 мг С/дм за загальним органічним вуглецем, та вмістом колоїдних та дисперсних речовин за показником мутності - 1000 од. Вихідну воду фільтрують через сформовану мембрану під тиском 0,3 МПа. Вміст органічних речовин в очищеній воді становить 0,25 мг С /дм (коефіцієнт затримки органічних речовин 99 %), мутність - 10 од. (коефіцієнт затримки дисперсних та колоїдних речовин 99 %), при відсутності коагулянту (загальне залізо) в очищеній воді (табл. 1, 2 приклад 3). Приклад 2 Для одержання динамічної мембрани в проточну комірку поміщають підкладку з нетканого фільтруючого поліпропіленового матеріалу. ▪ Використовують вихідний розчин Аl2(SО4)3 7Н2О. Формування проводять за умов, аналогічних прикладу 1.При цьому енерговитрати на одержання мембрани становлять 0,58 кВт/год. Визначення ефективності динамічної мембрани проводять на реальній морській воді із 3 вмістом органічних сполук на рівні 25 мг/дм по загальним органічним вуглецем, та вмістом колоїдних та дисперсних речовин за показником мутність - 1000 од. Вихідну воду фільтрують через сформовану мембрану під тиском 0,3 МПа. Вміст органічних речовин в очищеній воді 3 становить 0,26 мг С /дм (коефіцієнт затримки органічних речовин 99 %), мутність - 11 од. (коефіцієнт затримки дисперсних та колоїдних речовин 99 %), при відсутності коагулянту (алюміній) в очищеній воді (табл. 1, 2 приклад 6) Аналогічно прикладам виконання за винаходом 1, 2 було одержано динамічні мембрани з використанням заявленого діапазону параметрів формування (концентрація мембраноутворюючої речовини та робочий тиск) шарів динамічної мембрани, а також з використанням позамежних значень аналогічних параметрів(таблиці 1, 2 приклади 1-10) Одержані нами дані підтверджують, що проведення формування динамічної мембрани в заявлених умовах забезпечує при не великих енерговитратах (0,43-0,60кВт/год.) формування двошарової динамічної мембрани, яка ефективно видаляє колоїдні та дисперсні речовини на рівні 99,0-99,5 %, органічні речовини на рівні 99 % при відсутності вторинного забруднення води при очищенні реальної морської води(табл. 1, 2, приклади 1-6). Позамежна зміна концентрації мембраноутворюючої речовини при формуванні нижнього шару вимагає зміни концентрації при формуванні верхнього шару. Так, позамежне зменшення концентрації розчину коагулянту підчас формування нижнього шару динамічної мембрани можливо при позамежному зменшенні концентрації розчину коагулянту для формування верхнього шару та потребує зменшення робочого тиску, однак призводить до збільшення тривалості формування, збільшення енерговитрат та погіршується затримуюча здатність(коефіцієнти затримки дисперсних, колоїдних та органічних речовин) мембрани в цілому в наслідок утворення нещільного нижнього шару. (табл. 1, 2, приклади 7, 9). Збільшення концентрації розчину коагулянту для формуванні верхнього шару мембрани, що можливе при збільшенні концентрації розчину коагулянту для одержання нижнього шару, що призводить до збільшення енерговитрат внаслідок необхідності створення більш високого тиску для формування та зниження коефіцієнта затримки органічних речовин за рахунок неповного формування верхнього шару (табл. 1-2, приклади 8, 10). Слід також зазначити, що при використанні позамежних значень концентрації в усіх випадках наявне вторинне забруднення очищеної води. В таблицях 1, 2 приклад 11 також присутні параметри формування динамічної мембрани за відомим способом [2] та показники якості очищеної води. За даними, представленими у таблицях 1, 2, переваги запропонованого способу одержання динамічної мембрани для очищення водних розчинів у порівнянні з відомим способом [2] полягають у наступному: - підвищення ступеню затримки органічних речовин з 81 % до 99 % тобто на 18 % що дозволило досягти показники якості питної води згідно з вимогою ДСаНПіН [3] для природних вод, а для стічних вод дозволило досягти показники якості води, придатної на скид до систем водовідведення [3]; - суттєве зниження тривалості формування з 40 годин до 6 годин дозволило знизити енерговитрати з 6,7 до 0,6 кВт/год., тобто в 10 разів; - повне усунення вторинного забруднення очищеної води мембраноутворюючою речовиною; 3 3 - зменшення витрат коагулянту з 1000 мг/дм до 500 мг/дм , тобто на 50 %. 3 UA 105587 C2 Таблиця 1 № п/п 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Формування динамічної мембрани Нижній підтримуючий шар Верхній активний шар Концентрація Концентрація Робочий Тривалість Робочий Тривалість 3 3 коагулянту, мг/дм коагулянту, мг/дм тиск, формування, тиск, формування, Хлорид Сульфат Хлорид Сульфат МПа год. МПа год. заліза(ІІІ) алюмінію(ІІІ) заліза(ІІІ) алюмінію(ІІІ) За винаходом 100 0,1 6 0,1 од 0,5 300 0,2 4,5 2,5 0,05 0,25 500 0,3 3 5 0,01 од 100 од 6 0,1 0,1 0,5 300 0,2 4,5 2,5 0,05 0,25 500 0,3 3 5 0,01 0,1 Позамежні значення 50 0,05 12 0,05 0,1 0,5 600 0,35 4 0,6 0,15 0,25 60 0,05 11,5 0,05 0,1 од 550 0,35 3,8 0,6 0,15 0,5 За способом [2] Хлорид магнію (ІІ) 0,15 40 1000 Таблиця 2 Показники № п/п Коефіцієнт затримки дисперсних та колоїдних речовин, % 1 2 3 4 5 6 99,2 99,1 99,0 99,5 99,4 99,2 7 8 9 10 85,0 99,0 84,0 92,3 11 98,0 Коефіцієнт затримки органічних речовин, % Енерговитрати, Вторинне забруднення кВт/год. води коагулянтом, % За винаходом 98,9 99,1 99,1 98,3 98,7 98,5 Позамежні значення 71,0 83,0 74,0 88,0 За способом [2] 81,0 0,43 0,51 0,60 0,45 0,49 0,58 Відсутнє (залізо) Відсутнє (залізо) Відсутнє (залізо) Відсутнє (алюміній) Відсутнє (алюміній) Відсутнє (алюміній) 2,5 0,8 2,37 0,8 18,0 (залізо) 31,0 (залізо) 22,0 (алюміній) 28,0 (алюміній) 6,7 27,0 (магній) ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 10 15 1. Спосіб одержання динамічної мембрани для очищення водних розчинів, що включає формування на поруватій підкладці намивного шару мембраноутворюючої речовини, який відрізняється тим, що мембрану формують з двох намивних шарів мембраноутворюючої речовини, причому другий шар формують під тиском в 1-3 рази менше із концентрацією в 1001000 разів менше, ніж при формуванні першого шару. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що перший шар формують з розчину 3 мембраноутворюючої речовини з концентрацією 100-500 мг/дм (в перерахунку на безводну речовину) під тиском 0,1-0,3 МПа протягом 3-6 годин, а другий шар формують із розчину, 3 мембраноутворюючої речовини з концентрацією 0,1-5 мг/дм (в перерахунку на безводну речовину) під тиском 0,01-0,1 МПа протягом 0,1-0,5 години. 4 UA 105587 C2 3. Спосіб за будь-яким з пп. 1, 2, який відрізняється тим, що в як мембраноутворюючу речовину застосовують коагулянт. Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5