Использование процессов ультра- и нанофильтрации в технологии водоподготовки

Использование процессов ультра- и нанофильтрации в технологии водоподготовки

Engler-Bunte-Institut, Chair of water chemistry, University Karlsruhe (TH)

e-mail: lab024@yandex.ru

Несмотря на обилие открытых водоемов на территории Западной Сибири – реки, озера и водохранилища, для питьевого водоснабжения, используют подземные источники. Это связано с тем, что заболоченность территорий и экологическая незащищенность открытых водоемов не позволяет их использовать в качестве источников питьевого водоснабжения.

Однако, качество подземных вод по ряду показателей не отвечает нормативным требованиям. Основным компонентом примеси, превышающим нормативные значения, является железо, которое присутствует во всех подземных источниках. Мониторинг подземных вод Западной Сибири позволил разделить железосодержащие подземные воды на два типа.

Первый тип – это воды гидрокарбонатного состава, в которых железо находится в виде гидрокарбоната железа. Такие воды характерны для Томска и Томского района.

Второй тип - это воды, в которых гидрокарбонатное железо находится в присутствии растворенных органических веществ. Данные воды характерны для северных районов Томской области.

Основными отличительными показателями воды первого и второго типа являются различия в количественных характеристиках гидрокарбонатов, солей жесткости, и значению перманганатной окисляемости.

Для получения питьевой воды из воды первого типа успешно применяется классическая схема водоподготовки, которая включает аэрацию, седиментацию и фильтрацию. Однако, использование традиционных способов водоподготовки для воды второго типа не всегда позволяет обеспечить необходимое качество воды. Это обусловлено особенностями скважинных вод этого типа, которые заключаются в способности к образованию коллоидных растворов.

Растворы обладают устойчивостью к физико-химическим воздействиям, не разрушаются в процессе водоподготовки по классической схеме и значительно снижают производительность современных установок.

Исследования коллоидно-химических свойств природных систем с целью прогнозирования технологии очистки, является сложным ввиду нестабильности и изменения химического состава воды. Поэтому для получения достоверной информации о свойствах коллоидных систем и выработке рекомендаций для технологии водоподготовки в работе использовали экспериментальное моделирование.

В таблице 1 приведен состав подземных вод Томской области.

Среди примесей, приведенных в таблице 1, можно выделить те, которые являются наиболее значимыми в формировании и образовании коллоидных растворов.

Во-первых, это железо, которое в подземных водах находится в виде иона Fe(II). В процессе окисления образуется малорастворимый гидроксид железа (III) в виде классического коллоида, свойства которого хорошо изучены в литературе.

Во-вторых – органические вещества гумусового происхождения (NOM), концентрация которых отражена в таблице в строке «перманганатная окисляемость» («ПО»), которые способствуют образованию стабильных железосодержащих коллоидных систем.

Таблица 1. Химический состав подземных вод Томской Области

Место	Нарым	Дзерж.	Аникино	Коларово	Маиское	Белыи Яр	ПДК
Тип	2	1	1	1	2	2
Ед.изм.	мг/г	мг/г	мг/г	Мг/г	мг/г	мг/г	мг/г
HCO3-	242,8				561,9
ПО (mgO2/l)	4,5		1,4		6,3	3,5	5
ºЖ	2,98	7,21	7,16	6,39	7,35	1,31	7
Al	0,11	0,119	0,04	9,14	0,045	0,04	0,2
Ba	0,3	0,436	0,47	0,86	0,35	0,1	0,7
B	0,6	0,418	0,31	0,18	0,3	0,19	0,5
Fe	8,7	10,41	5,6	14,5	5,98	21,7	0,3
Cd	0,003	0,003	0,0009	0,0009	0,001	<0,005	0,001
K	4,3	3,71	2,54	21,2	3,45	0,9	50,0
Ca	65,7	145,3	111,1	96,8	68,4	15,5	180,0
Co	0,0036	0,004	0,002	0,01	< 0,001	0,0006	0,1
Si	19,06	6,8	8,19	19,8	12,4	10,7	10
Mg	17,6	12,54	16,52	15,1	27,5	2,7	50
Mn	0,1	1,122	0,27	1,28	0,028	0,76	0,1
Cu	0,8	0,896	0,28	0,3	0,3	0,21	1
Mo	0,02	0,01	0,005	0,005	0,12	0,0048	0,25
Na	2,76	1,25	1,52	1,96	2,68	0,25	200
Ni	0,2	0,1731	0,06	0,076	0,058	0,045	0,02
Sn	0,19	0,01	0,084	0,09	0,079	0,06	2
Pb	1,19	1,06	0,49	0,53	0,2	0,24	0,01
Sr	1,06	1,15	1,906	0,8	1,14	0,12	7
Cr	0,03	0,03	0,012	0,04	0,007	0,004	0,5
Zn	0,42	0,56	0,161	0,13	0,17	0,14

Целью данной работы является исследование свойств коллоидных систем на основе соединений железа, близких по составу к природным водам и изучение возможных путей удаления коллоидных частиц фильтрационными методами.

Было установлено, что на устойчивость природных коллоидных систем не влияют воздействие окислителей, таких как озон, УФ – излучение и действие импульсного электрического разряда. Для получения питьевой воды, соответствующей нормативным требованиям, должны предъявляться особые требования к системам фильтрации. Это связано с тем, что размер частиц дисперсной фазы для природных вод, составляет от 100 до 460 нм.

В связи с малым размером коллоидных частиц использование, фильтрующих загрузок, разрешенных в технологиях водоподготовки, например, альбитофир, кварцевый песок, является малоэффективным. Для удаления частиц такого размера необходимы более тонкие системы фильтрации, например, ультра и нанофильтрация.

Изучение процессов ультра и нанофильтрации проводили с использованием модельного раствора, содержащего ионы железа, кремния и органические вещества гумусового происхождения, концентрации которых соответствовали их содержанию в природных водах. Основные характеристики модельного раствора приведены в таблице 2.

Таблица 2. Характеристики модельного раствора

	Органические вещества, мг/л (ТОС)	Fe, мг/л	Si, мг/л	рН	-потенциал, мВ
Модельный исходный раствор	2,2	5,6	20	7,5	-21...-32

Размер частиц дисперсной фазы модельного раствора был определен с помощью анализатора Zetasizer Nano ZS в г. Карлсруэ, Германия. Результаты показали, что в растворе содержаться частицы с максимумом распределения на 33 нм и на 165 нм.

Для проведения экспериментов использовали установку, возможность использования которой, была предоставлена техническим университетом г.Карлсруэ (Германия). Для осуществления процесса нанофильтрации использовали мембраны NF90, NF270, а для ультрафильтрации – мембраны GR81PP и GR95PP.

Одним из параметров оценки эффективности процесса фильтрации является селективность мембран. В результате расчета была оценена селективность мембраны по отношению к органическим веществам, ионам железа и ионам кремния.

А) Б)

В)

Рисунок 1 - Вычисленная и измеренная селективность

(А: R_NOM НФ; Б: R_Fe НФ; В: R_Si НФ).

Для нанофильтрационной мембраны NF90 наблюдается самая высокая селективность по отношению ко всем компонентам раствора (органическим веществам, ионам железа, кремния) рисунок 1 (А, Б, В). Однако, скорость процесса фильтрации (проницаемость), которая составляет 7,5 л/(чм²бар) значительно ниже, чем для мембраны NF270, для которой проницаемость составляет 10,8 л/(чм²бар). Хотя мембрана NF270 неселективна по отношениям к ионам кремния рисунок 1 (В), в растворах, не содержащих эти ионы, она вполне применима.

А) Б)

В)

Рисунок 2 - Вычисленная и измеренная селективность

(А: R_NOM УФ; Б: R_FeУФ; В: R_Si УФ).

При рассмотрении эффективности работы ультрафильтрационной мембран GP81PP, селективность которой по отношению к ионам кремния составляет всего 15% рисунок 2(В), следует отметить высокую проницаемость, которая составляет 15 л/(чм²бар).

В качестве рекомендации следует отметить, что наиболее целесообразным является использование ультра - фильтрационной мембраны GP81PP.

Кроме того процессы ультрафильтрации являются менее энергозатратными, чем процессы нанофильтрации, что связано с трудностью прохождения высокомолекулярных растворов через нанофильтрационные мембраны.

Выводы

Выполненная экспериментальная работа позволяет сделать следующие выводы:

1. 
   Показано, что закономерности и методики классической коллоидной химии, можно использовать для прогнозирования и адаптации технологических схем водоподготовки.
   
2. 
   Изучены процессы ультра- и нанофильтрации коллоидных растворов, которые могут быть использованы для подземных вод Западной Сибири, в качестве стадии доочистки.
   
3. 
   Установлено, что для коллоидных растворов, не содержащих ионы кремния, целесообразным является использование ультрафильтрационной мембран GR81PP с проницаемостью 15 л/(чм²бар), а для природных вод содержащих ионы кремния – мембраны NF90 c проницаемостью 7,5 л/(чм²бар).
   

жүктеу/скачать 113.5 Kb.

Достарыңызбен бөлісу: