Методическое пособие 757

рывки органических молекул селиконовых масел (о чем свидетельствуют пики на рисунке а). При режиме обработки 12000 об/мин эффективность очистки составляет – 99,6 %. В очищенной воде наблюдаются только пики фона, соответствующие молекулам воды (представлено на рисунок б) [5].

Сравнительный анализ эффективности очистки стока методом флотации и методом гидротермодинамической кавитации

а)

151

(проницаемость); достаточную механическую прочность при монтаже, транспортировке и хранении; быть химически стойкими к действию водных растворов; свойства мембраны в процессе эксплуатации не должны существенно изменяться [3]. Удельная производительность нанофильтрационных мембран является одной из важнейших их характеристик. Она зависит от многих факторов: состава жидкости, давления, рН среды, температуры. Анализ научно-технической литературы показывает, что наиболее целесообразно для очистки низкоконцентрированных, концентрированных, низко- и высокоминерализованных сточных вод использовать нанофильтрационные технологии [4]. Ультра и нанофильтрация являются одними из самых эффективных и многофункциональных методов баромембранного опреснения загрязненных вод. Проблему утилизации концентратов можно решить с помощью осаждения сульфатов в виде сульфогидроксоалюминату кальция. В большинстве случаев в шахтных водах содержание сульфатов значительно выше, чем хлоридов, и количество последних не превышает допустимый уровень и составляет 100−200 мг/дм3. Соответственно, применение методов нанофильтрации в данном случае является целесообразным, поскольку происходит достаточно эффективное удаление сульфатов при допустимых уровнях хлоридов в воде.

Таблица 1 Основные параметры и характеристики различных видов мембранной фильтрации

поверхностных вод

В работе были изучены процессы очистки слабоминерализованных вод при использовании нанофильтрационной мембраны ОПМН-П в статических условиях при перемешивании раствора, свойства которой приведены в табл. 2.

При проведении исследований на первом этапе использовали киевскую

154

водопроводную воду, которая имела следующие характеристики: Ж = 4,1 мг-экв/дм3, С(Са2+) = 3,0 мг-экв/дм3, С(Mg2+) = 1,1 мг-экв/дм3, Щ = 3,8 мг-экв/дм3, С(SO42-) = 0,57 мг-экв/дм3,

С(Сl-) = 0,54 мг-экв/дм3, рН =7,8. В результате проведенных исследований было установлено, что производительность мембраны уменьшается с увеличением степени отбора пермиата и возрастает при повышении рабочего давления в пределах от 0,3 до 0,4 МПа. При фильтровании водопроводной воды при рабочем давлении 0,4 МПа через нанофильтрационную мембрану ОПМН−П произошло снижение производительности от 12,95 до 7,08 дм3/м2∙∙ч, то есть на 5,87 дм3/м2∙∙ч. При давлении 0,3 МПа при увеличении степени отбора пермиат от 10 до 70 % эта разница была значительно меньше и составляла 3,77 дм3/м2∙∙ч. Очевидно, что при повышении давления от 0,3 до 0,4 МПа, происходит повышении осмотического давления раствора и увеличении в нем концентрации солей, что призводит к большему уплотнению мембраны.

Таблица 2

Свойства нанофильтрационной мембраны ОПМН−П

На следующем этапе исследований нанофильтрационного обессоливания воды был использован модельный раствор: Ж = 9,5 мг-экв/дм3, С(Са2+) = 2,9 мг-экв/дм3, С(Mg2+) = 6,6 мг-экв/дм3, Щ = 4,5 мг-экв/дм3, С(SO42-) = 13,0 мг-экв/дм3, С(Сl-) = 3,0 мг-экв/дм3, рН = 8,50.

При очистке модельного раствора с высокой концентрацией солей производительность зависит от рабочего давления и в меньшей степени от степени отбора пермиата (табл. 3). Таким образом, рост осмотического давления раствора играет более значительную роль. Снижение производительности мембраны со временем в данном случае при давлении 0,30, 0,35 и 0,40 МПа составляет соответственно 0,50, 0,81 и 1,37 дм3/м2∙∙ч.

Таблица 3 Зависимость производительности нанофильтрационной мембраны ОПМН−П от степени отбора пермиата при фильтровании водопроводной воды (I) и модельного раствора (II)

Производительность мембраны значительно ниже при всех значениях рабочего давления при фильтровании модельного раствора, чем водопроводной воды. Это связано с

155

большим сопротивлением фильтрации при росте осмотического давления в случае более концентрированного модельного раствора. Селективность мембраны по сульфатам при фильтровании модельного раствора была в пределах 92 – 93 %, по ионам жесткости 85 – 90 %, по катионам кальция - 68 – 84 %, по катионам магния - 83 – 85 % (табл. 4).

Таблица 4 Зависимость селективности мембраны ОПМН-П по сульфатам (I), ионам жесткости (II),

ионам кальция (III) и магния (IV) от степени отбора пермиата

Таким образом, в результате проведенных исследований было установлено, что при нанофильтрационной очистке слабоминерализованных вод происходит их опреснения за счет извлечения сульфатов (до 93 %) и частичного умягчения воды (до 89 %). Хлориды и гидрокарбонаты нанофильтрационной мембраной практически не задерживаются.

Литература

1.Тарасов А. Баромембранные методы обработки воды / А. Тарасов // ЖКХ: технол. и оборуд. – 2007. – № 2. – С. 36–39.

2.Андрианов А.П. Новый подход к созданию безреагентной и бессточной мембранной технологии водоподготовки /А.П. Андрианов, А.Г. Первов, Д.В. Спицов // Питьевая вода. – 2010. – № 4. – С. 2–16.

3.Дейниченко Г.В. Мембранні технології та проблеми їх застосування під час очищення поверхневих і ґрунтових вод / Г.В. Дейниченко, З.О. Мазняк // Экология и промышленность. – 2010. – №1. – С. 24–29.

4.Пантелеев А.А., Рябчиков Б.Е., Федосеева Е.Б., Сидоров А.Р., Жадан А.В. Ресурсосберегающие и энергоэффективные мембранные технологии в промышленной водоподготовке / А.А. Пантелеев, Б.Е., Рябчиков, Е.Б. Федосеева, А.Р. Сидоров, А.В. Жадан // Мембраны

–2010 (Москва, 4-8 окт., 2010). – Москва: 2010 – Ч. 2.– 127 с.

Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт имени Игоря Сикорского», г. Киев, Украина

I.M. Trus

MEMBRANE DESALINATION TECHNOLOGY FOR WATER TREATMENT

This articles presents a review of advantages in membrane desalination technology as related to the major issues of concern in this rapidly growing desalination method. The use of membrane desalination has increased as materials have improved and costs have decreased

Key words: membrane desalination, sulfates, chlorides, hardness ions, effective, removal

National Technical University of Ukraine «Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute», Kyiv,

Ukraine

The publication contains the results of studies conducted by President’s of Ukraine grant for competitive projects F-70 of the State Fund for Fundamental Research

156

гории (среднеконцентрированные), концентрация формальдегида в них колеблется от 0,9 до 1,2 г/дм3 в зависимости от типа применяемой смолы и степени разбавления смывных вод. К примеру, в АО «Мебель Черноземья» в цехе №1 на участке облицовывания мебельных щитов работают клеенаносящие вальцы прессов горячего способа облицовывания. Суммарный расход клея в сутки на вальцах составляет 675 кг/день, за год 675×251 = 169425 кг (~169,5 т). На том же предприятии при изготовлении спальных наборов применяется склеивание холодным способом днищ кроватей и фасадов. Общее количество связующего в год составляет около 9,6 т. Промывка клеенаносящего оборудования производится 1 раз в смену. Для этого используется горячая вода из городского водопровода объемом ~ 1800 дм3/сут. Промывка емкостей для приготовления клея требует воды ~ 900 дм3/сут. Таким образом, объем ежедневно сливаемых в сточные ямы смывных вод, содержащих токсичный свободный формальдегид, составляет 2700 дм3/сут (2,7 м3/сут). В год количество стоков достигает 678 м3

[4].

В процессе отстаивания сточных вод на дно ям оседает тяжелая, со временем отверждающаяся, смоляная часть стока. Осевшая эмульсионная часть стока занимает объем, который измеряли по методике [5]. Результаты анализа показали, что отстаивание происходит за 1,0-1,5 часа, объем смоляной части сточной воды составляет 1/3 от объема СВ.

Предлагаемое технологическое решение позволяет выполнить следующие задачи:

-уменьшить содержание свободного формальдегида в клее и снизить стоимость клея за счет введения наполнителя;

-снизить концентрацию свободного формальдегида в смывных водах и обеспечить повторное использование воды в операциях склеивания и облицовывания ДПМ;

-утилизировать обезвреженные твердые отходы (смоляную часть стока и отработанный адсорбент).

Разработанное технологическое решение основано на способности активированного глинистого минерала монтмориллонита сорбировать свободный формальдегид в связующем (без ухудшения технологических характеристик клея) и в сточных водах [6, 7]. Принципиальная технологическая схема данного решения приведена на рисунке.

Природный глинистый минерал монтмориллонит поступает по ленточному транспортеру в молотковую мельницу (1), где размалывается до частиц размером не более 0,25 мм. Измельченная глина по транспортеру подается в смеситель (2) типа бетономешалки, внутренняя поверхность которого должна быть кислотоустойчивой. В смесителе происходит перемешивания измельченной глины с 15 %-ным раствором серной кислоты в массовом соотношении 1:1. Полученную кашицеобразную массу раскладывают в гуммированные поддоны,

которые помещают в туннельную печь (3), футерованную кислотоупорным кирпичом. Сушка активированного адсорбента происходит в течение 4 ч при температуре 96-98 0С. После сушки и охлаждения активированный сорбент вновь размалывается в мельнице (1), затем направляется на участки приготовления клея и очистки сточных вод.

На участке приготовления клея (4) активированный адсорбент, согласно разработанной рецептуре [4], добавляется к карбамидоформальдегидной смоле в количестве 7 м.ч., смесь тщательно перемешивается, затем вводится отвердитель для холодного отверждения (щавелевая кислота) в виде 10 %-го раствора. Массовая доля щавелевой кислоты в пересчете на сухое вещество – 0,1 %. Для операций горячего склеивания отвердитель не вводится. Клей готовится 2 раза в смену в таком количестве, которого достаточно на 3 часа работы цеха. Клеящий состав направляется на участок облицовывания мебельных щитов (5).

Смывные воды, образовавшиеся при промывке емкостей и вальцов, по специальным желобам стекают в сточную яму (6) для отстоя. Отстой и разделение смывных вод должны обеспечивать полное отделение смолы от надсмольной части СВ, так как присутствие смолы может в дальнейшем блокировать адсорбционную способность глины. Смывные воды накапливаются и отстаиваются в сточной яме в течение 1,5 часов.

158

деляемая по органолептическим показателям [8]), то вода может быть направлена на повторное использование для промывки емкостей (4) и вальцов (5). При превышении концентрации формальдегида уровня ППКорл, вода подвергается дополнительной доочистке химическим способом. Концентрации НСОН, значительно превышающие значение ППКорл, могут иметь место после очистки такой сточной воды, в которой исходная концентрация токсиканта намного превышает среднюю, принятую для расчетов и экспериментов (то есть более 0,55 г/л), либо в результате многократного повторного использования сорбента, адсорбционная эффективность которого снизилась.

В более ранних исследованиях [7, 9] обнаружены преимущества (NH4)2CO3 перед другими акцепторами формальдегида: низкая стоимость, сравнительно небольшое стехиометрическое соотношение карбоната аммония к формальдегиду, нетоксичность образующихся продуктов реакции. Поэтому химическую доочистку НВ от формальдегида предлагается вести с помощью карбоната аммония, количество которого следует рассчитывать, исходя из известной концентрации НСОН. Химический процесс, происходящий в яме (9), выражается уравнением реакции:

6НСНО + 2(NH4)2CO3 (CH2)6N4 + 2CO2 + 8H2O.

В лабораторных условиях проведен следующий эксперимент. К пробе надсмольной сточной воды, предварительно очищенной адсорбционным способом и нейтрализованной до рН ~ 7 (остаточное содержание свободного формальдегида 0,1 г/л), прибавили кристаллический карбонат аммония в стехиометрическом соотношении к НСОН (1:3), смесь перемешали. Концентрация формальдегида после реакции с карбонатом аммония оказалась равной 0,001 г/л. Степень очистки надсмольной воды от НСОН составила 99 %. Следовательно, при добавлении стехиометрического количества карбоната аммония к формальдегиду достигается требуемая степень очистки. Очищенная вода направляется для повторного использования на промывку емкостей (4) и клеенаносящего оборудования (5).

Оборотное водоснабжение – замкнутая система, позволяющая повторно использовать очищенные сточные воды, прошедшие процесс очистки на очистных сооружениях предприятия. Концепция оборотного водоснабжения предприятия полностью исключает сброс промышленных сточных вод в водоемы или городскую канализацию. Оборотное водоснабжение позволяет решить экологические и экономические задачи: существенно (на 85-95 %) снизить водопотребление промышленного предприятия, предотвратить попадание вредных компонентов отходов в окружающую среду, избежать платы за водоотведение и штрафов за превышение предельно допустимых концентраций токсикантов.

К не менее важным принципам создания малоотходного производства необходимо отнести требование ограничения воздействия производства на окружающую природную и социальную среду с целью снижения возможного экологического ущерба. Этот принцип в первую очередь связан с сохранением таких природных и социальных ресурсов, как атмосферный воздух, вода, поверхность земли, рекреационные ресурсы, здоровье населения.

Рассчитан эколого-экономический эффект (ЭЭЭ) предлагаемого технологического решения на примере одного мебельного предприятия. ЭЭЭ складывается из снижения себестоимости продукции (за счет снижения стоимости клея), снижения экологического ущерба окружающей среде, здоровью населения и экономического эффекта от утилизации отходов. Расчетный годовой эколого-экономический эффект составил более 25000 условных единиц. Предлагаемое технологическое решение позволяет внедрить на мебельных предприятиях карбамидоформальдегидный клей с пониженным содержанием свободного формальдегида, значительно снизить концентрацию формальдегида в сточных водах, осуществить замкнутый цикл водоснабжения технологических операций склеивания и облицовывания древесных материалов, утилизировать обезвреженные твердые отходы (смоляную часть стоков и отработанный адсорбент), получить значительный эколого-экономический эффект.

Литература 1. Андреева Е.С. Промышленная экология [Текст] / Е.С. Андреева, С.С. Андреев. -

160