Определение эффективности разделения моно и двухвалентных ионов нанофильтрацией в хлоридных растворах высоких концентраций

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

Часть 2

Исходный раствор из емкости 1 подается на механические фильтры 4 насосом подкачки 2 , после чего насосами высокого давления 8 и 10 подается в мембранный блок 12 , в котором происходит разделение на пермеат и концентрат. Расход концентрата контролируется ротаметром 15 и регулируется игольчатым дросселирующим вентилем 13. Р асход пермеата, возвращаемого в приемную емкость 1 контролируется ротаметром 14. Ппермеат и концентрат возвращаются в емкость 1 , где происходит их смешивание с разделяемым раствором. Для охлаждения раствора в емкости установлен змеевик с холодной водой. Отбор проб пермеата и концентрата осуществляется через вентили 17,18 соответственно. Давление на выходе механических фильтров отображается манометром Р3 . Давления на выходе насоса 8 и входе в мембранный блок после насоса 10 отображаются манометрами 9 и 11 соответственно. Реле давления, установленное перед насосами высокого давления, производит их аварийное отключение при падении давления разделяемого раствора ниже 1 атм. Применение частотного регулятора на насосе 10 позволяет плавно изменять давление раствора.

Типы и характеристики исследуемых мембран

При проведении экспериментов использовались три типа нанофильтрационных мембран: выпускаемых фирмой DOW Chemical под маркой Filmtec NF 90-4040 и SR 90-4040 и отечественные элементы серии ЭРН КП–100–1016, выпускаются ЗАО НТЦ «Владипор» на основе нанофильтрационных мембран Владипор типа ОПМН - П.

При использовании мембран с определенным размером пор обеспечивается их селективность к многозарядным и крупным ионам. Одновалентные ионы в основном не задерживаются мембраной. Согласно данным компаний производителей при селективности мембран по MgSO 4 на уровне 98-99 %, селективность по NaCl составляет 20-70 %. При пропускании воды через такие мембраны удаляются все взвеси, коллоиды, бактерии и вирусы, катионы тяжелых металлов и часть органических загрязнений. Происходит достаточно глубокая очистка от солей жесткости – в 10-50 раз. Степень умягчения определяется характеристиками применяемых мембран и зависит от состава воды. Наибольшим достоинством нанофильтрации является снижение не только жесткости, но и щелочности, солесодержания, а также удаление механических, органических и биологических загрязнений при отсутствии необходимости использования реагентов и проблем с солевыми стоками при относительно простой схеме.

Характеристики нанофильтрационных рулонных элементов, представлены в таблице 1.

Таблица 1. Основные характеристики исследуемых нанофильтрационных элементов

Обозначение элемента

Тестируемые соли

Площадь фильтрации, м 2

Производительность по пермеату, л/ч

Селективность, %

NF90-4040

NaCl

MgSO 4

7,6

220.8

291.7

5-15

> 97%

SR90-4040

CaCl 2

MgSO 4

7,6

461.3

394.3

40-60

> 97%

ЭРН КП–100–1016

0,15% NaCl

0,2% MgSO 4

7, 0

450

50

> 97%

 

Производительность и селективность мембран определялись при следующих тестовых условиях:

•  500 мг/л CaCl 2 , 5 атм, 25 С, 15% гидравлический КПД;

•  2000 мг/л MgSO 4 , 5 атм, 25 С, 15% гидравлический КПД;

•  2000 мг/л NaCl , 5 атм, 25 С, 15% гидравлический КПД.

Задачи исследования состояли в определении удельной производительности (английское наименование Flaks в л/м 2 ч) и селективности (английское наименование rejection в %) мембран при высоких изменяемых концентрациях хлоридов кальция, магния и натрия и их смеси. Другим изменяемым параметром, имеющим большое практическое значение, была степень извлечения пермеата, представляющая собой отношение объема пермеата к объему очищаемой воды в % (английское наименование Recoveri - русский варианты степень извлечения пермеата, степень конверсии, гидравлический КПД).

Была проведена серия экспериментов по работе мембраны на солях хлоридов кальция, магния и натрия. В качестве тестовых условий были выбраны растворы с концентрацией ионов кальция 4,5; 9; 18 г/л (~0,1; ~0,2; 0,45 М ); с концентрацией ионов магния 0,63; 1,25; 2,5 г/л (~0,026; 0,052; 0,1 М ). Исследовалась также работа мембран на растворе с содержанием ионов кальция 9,8 г/л (~0,25 М), магния 0,73 г/л (~0,03 М), натрия 9,8 г/л (~0,43 М) и с соответствующей концентрацией ионов хлора, а также при его разбавлении в 2 и 4 раза. Такой раствор моделирует по соотношению катионов и их концентрации регенерат ионообменных установок.

Отметим, что величины осмотического давления для изучаемых солей при их максимальной концентрации составляют для ~0,25 М CaCl 2 – 1,9 МПа; для ~0,03 М MgCl 2 – 0,2 МПа и для ~0,43 М NaCl ~ 2,3 МПа. Осмотические давления для растворов MgCl 2 и CaCl 2 одинаковой молярной концентрации близки, поэтому их характеристики рассматриваются совместно.

Окончание - Часть 3

Rambler's Top100 Rambler's Top100