Разделение моно и поливалентных ионов методом нанофильтрации в водных растворах высоких концентраций

Аржанова Е.Б., Гладуш М.Г., Пантелеев А.А., Рябчиков Б.Е.

Часть 3

Следует отметить, что селективность мембран проявляется, прежде всего, по анионам. Поэтому селективность по сульфату натрия может быть выше, чем по хлориду кальция. В нашей работе исследовались растворимые хлориды Na, Ca и Mg , которые присутствуют в высоких концентрациях в регенерационных растворах ионообменных фильтров и шахтных водах. Использовались серийные мембраны NF 270-4040, NF 90-4040 и специальная - SR 90-4040, предназначенная для удаления сульфатов из морской воды.

Предварительные результаты наших экспериментов показывают, что при увеличении концентрации раствора до десятков граммов на литр происходит ожидаемое из-за роста осмотического давления резкое снижение производительности мембран, а также существенное изменение селективности мембраны по одно и двух зарядным ионам. Так, для некоторых мембран при определенных условиях, селективности по Na + может стремиться к 0, при селективности по Ca +2 , Mg +2 при этом составлять 50-80%, и еще значительно большей для многовалентных ионов тяжелых металлов. На практике это дает возможность выделять из солевых растворов, например, шахтных вод, ценные компоненты или организовать оборотное использование регенерационных растворов ионообменных фильтров.

 

Зависимость селективности мембраны NF 270-4040 от концентрации Na

  Рисунок 3. Зависимость селективности мембраны NF 270-4040 от концентрации Na при содержании Са=6   г/л.

Зависимость селективности мембраны NF 90-4040 от концентрации Na

Рисунок 4. Зависимость селективности мембраны NF 90-4040 от концентрации Na при содержании Са=6   г/л.

 

Исследования разделения смесей с концентрацией ионов Ca +2 6 г/л и изменении содержания Na + до 10 г/л показали, что для мембран NF 270-4040 селективность по Ca +2 находилась на уровне 50-85%, а по Na + - растет от 10 до 20%, для NF 90-4040 селективность по Ca +2 находилась на уровне 99-98%, а по Na + - падает с 80 до 20%, для SR 90-4040 селективность по Ca +2 находилась на уровне 90%, а по Na + - растет от -10 до +15%, рис. 3-5.

Таким образом, можно заметить, что в области высокой концентрации солей мембраны NF 90-4040 ведут себя аналогично низконапорным обратноосмотическим серии XLE . Мембраны NF 270-4040 и SR 90-4040 по характеру селективности к одно- и двухвалентным катионам являются чисто нанофильтрационными и позволяют производить их разделение. При этом мембраны SR 90-4040 отличаются тем, что при определенных соотношениях содержания одно и двухвалентных катионов их селективность по Na + может быть даже отрицательной. Т.е. в его содержание в пермеате превышает исходное. Это дает возможность проведения эффективной переработки солевых растворов с проведением концентрирования необходимых солей в пермеате или концентрате.

Такие результаты не могут быть объяснены по известным теориям разделения [1-5,8,9,14-19]. Поэтому требуется дальнейшие экспериментальные исследования процессов разделения концентрированных растворов нанофильтрацией.

 

Зависимость селективности мембраны SR 90-4040 от концентрации Na

  Рисунок 5. Зависимость селективности мембраны SR 90-4040 от концентрации Na при содержании Са=6   г/л.

 

Список литературы:

•  Дытнерский Ю.И., Мембранные процессы разделения жидких смесей, М.: «Химия», 1975, 232 с.

•  Карелин Ф.Н., Обессоливание воды обратным осмосом, М.: Стройиздат, 1988, 208 с.

•  Свитцов А.А., Введение в мембранные технологии, М.: ДеЛи принт, 2007, 208 с.

•  Кочаров Р.Г., Теоретические основы обратного осмоса (учебное пособие), М.: РХТУ им. Д.И Менделеева, 2007, 132 с.

•  Reverse Osmosis and Nanofiltration (M46), Second Edition, Softbound: American Water Works Association, 2007, 226 p.

•  Рябчиков Б.Е., Современные методы подготовки воды для промышленного и бытового использования, М.: ДеЛи принт, 2004, 328 с.

•  Кочаров Р.Г., Каграманов Г.Г., Расчет установок мембранного разделения жидких смесей, М.:  РХТУ им. Д.И Менделеева, 2007, 188 с.

•  Pabby A. K., Rizvi S.S.H., Sastre A.M., Handbook of membrane separations, Francis: Taylor , 2009, 1184 р .

•  Noble R.D., S. Stern A., Membrane separations technology, Principles and Applications, Amsterdam : Elsevier Science, 2003, 716 p.

•  Первов А.Г., Андрианов А.П. Прогноз качества воды, обработанной с помощью нанофильтрационных мембран ОПМН, Критические технологии. Мембраны. 2002, №15, с. 3-9.

•  Первов А.Г., Ефремов Р.В., Андрианов А.П., Макаров Р.И., Оптимизация использования процесса нанофильтрации при подготовке воды питьевого качества. Критические технологии . Мембраны . 2004 , №3 (23), с . 3-13.

•  Сайт фирмы «Dow Chemical», www.Dow.com.; www.Filmtec,com

•  Yuan-Kuang Guu, Desalination of Spent Brine from Prune Pickling Using a Nanofiltration Membrane System, J. Agric. Food Chem. , 1996 , V. 44, №8, p. 2384–2387 .

•  Schaep J., Vandecasteele C., Mohammad A.W., Analysis of the Salt Retention of Nanofiltration Membranes Using the Donnan-Steric Partitioning Pore Model, Separation Science and Technology , 1999, V. 34 , № 15, p. 3009 – 3030 .

•  Tanninen J., Manttari M., Nystrom M., Acid separation with nanofiltration – effect of electrolyte strength and Donnan forces, Desalination, 2006, №199, р . 253–255.

•  Anthony Szymczyk, Patrick Fievet, Ion transport through nanofiltration membranes: the steric, electric and dielectric exclusion model, Desalination, 2006, №200, р .122–124.

•  Nadeen O. Chahine , Faye H. Chen , Clark T. Hung , Gerard A. Ateshian, Direct Measurement of Osmotic Pressure of Glycosaminoglycan Solutions by Membrane Osmometry at Room Temperature, Biophysical Journal, 2005, V. 89, № 3 , р . 1543-1550.

•  Gozalvez-Zafrilla J.M., Santafe-Moros A., Nanofiltration Modeling Based on the Extended Nernst-Planck Equation under Different Physical Modes, Proceedings of the COMSOL Conference, Hannover , 2008.

•  Liikanen R., Kiuru H., Peuravuori J. and Nystrom M., Nanofiltration flux, fouling and retention in filtering dilute model waters, Desalination, 2005, №175, р . 97-109.


Аннотация

Для очистки растворов от ионогенных примесей используются методы обратного осмоса и нанофильтрации. При разделении обратным осмосом из воды удаляются все катионы и анионы с близкой степенью извлечения – 98-99%. Эффективного разделения одно и двух зарядных ионов не происходит. При нанофильтрации одно и двухзарядные ионы извлекаются с существенно различными коэффициентами. Для Na + селективность мембран составляет 40 – 60%, а для Ca +2 , Mg +2 – 95-99%, что принципиально дает возможность их разделения. Ранее изучение таких процессов проводилось, в основном, в области концентраций, близких к питьевой воде. В перспективной области высоких концентраций исследований очень мало. Предварительные результаты наших экспериментов показывают, что при увеличении концентрации до десятков г/л происходит существенное изменение селективности мембраны по одно и двухзарядным ионам. Для некоторых мембран селективность по Na + может стремиться к 0 при селективности по Ca +2 , Mg +2 достигающей 50-80% и еще большей для многовалентных ионов тяжелых металлов. На практике это дает возможность выделять из солевых растворов ценные компоненты или организовать оборотное использование регенерационных растворов ионообменных фильтров.

 

Key words: reverse osmosis, nanofiltration, purification of solutions, selectivity, separation of mono and polyvalent ions, high concentrations.

Rambler's Top100 Rambler's Top100