автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.18, диссертация на тему:Физико-химические принципы мембранной дистиляции с жидкостным зазором

оа

и государственный научный центр

, «395 российской федерации 2 3 ордена трудового красного знамени научно - исследовательский физико - химический институт им. л. я. карпова

На правах рукописи

епкина инга борисовна

физико-химические принципы мембранной дистилляции с жидкостным зазором.

05.17.18 - мембраны и мембранная технология

автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Москва 1995

Работа выполнена в Лаборатории мембранных процессов Государственн Научного Центра РФ Научно-исследовательского физико-химическ института им Л.Я.Карпова

Научный руководитель: Научный консультант:

доктор химических наук, профессор П.П.Золотарев кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник В.В.Угрозов

Официальные оппоненты: доктор химических наук,

профессор В.В.Волков

доктор химических наук Б.В.Мчедлишвили

Ведущая организация:

Московский Государственный Университет им. М.В.Ломоносова, Химический факультет

Защита состоится_с£3 1995г. в ^^ час.

заседании Специализированного ученого совета Д. 138.02.06 при НИФХИ Л.Я.Карпова по адресу: 103064, Москва, ул.Воронцово поле, 10.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИФХИ им Л.Я.Карпова.

Автореферат разослан

1995г.

Ученый секретарь

Специализированного ученого совета кандидат химических наук

7 и V А.В.Воробьев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ.

В последние годы интенсивное развитие получили мембранные методы зделения жидких смесей, позволяющие решать широкий круг научно-снических, практических и экологических задач. Наряду с совершенствованием мбранных процессов, уже хорошо себя зарекомендовавших, остро стоит трос разработки новых высокоэффективных ресурсо- и энергосберегающих

(Н0Л0ГИЙ.

Одним из таких процессов является мембранная дистилляция (МД) -эмоградиентный метод разделения и концентрирования водных растворов деств. Движущей силой МД является разность давлений насыщенных эов воды на противоположных сторонах гидрофобной

крофильтрационной пористой мембраны, разделяющей два водных зтвора различной температуры. Водяной пар переносится через поры мбраны со стороны горячего раствора и конденсируется на этивоположной ее стороне с образованием конденсата (пермеата). стоинствами процесса являются: высокая селективность метода, возможность пользования бросового тепла различных производств, а также других видов эргии (солнечной, геотермальной) и реализация процесса при атмосферном злении.

Одним из вариантов МД является контактная мембранная дистилляция ИД), при реализации которой мембрана непосредственно разделяет <одный раствор и образующийся пермеат. Однако, присутствие фонового :твора в камере сбора конденсата (пермеата), являющегося одновременно охлаждающим раствором, не позволяет добиваться высокой селективности тода. Контроль качества получаемого пермеата также затруднен. Другим эсобом является МД с газовым зазором (ГМД), при реализации которого с ной стороны мембраны находится исходный нагретый раствор, а с другой -разующийся между мембраной и охлаждающей поверхностью газовый «душный) зазор в принимающей камере, где происходит конденсация эмеата. Сбор пермеата в отдельной камере позволяет сразу контролировать > качество , однако, способ характеризуется низкими значениями удельной эизводительности.

Поэтому, актуальным является разработка и исследование физико-иических закономерностей нового мембранно-дистилляционного способа, горый обладал бы высокой селективностью и эффективной эизводительностью. В основу такого способа положен принцип мембранной

дистилляции с жидкостным зазором, при осуществлении которого перме; заполняет принимающую камеру и образует слой жидкости, выступающий качестве такого зазора.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ.

Создание метода мембранной дистилляции с жидкостным зазором установление основных физико-химических закономерностей данного спосоС при разделении и концентрировании водных растворов неорганически веществ с использованием гидрофобных микрофильтрационных мембрг

различного типа.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА.

Впервые разработан новый способ реализации МД - мембраннг дистилляция с жидкостным зазором. Выявлены эффективные тепле массообменные условия проведения процесса и установлены зависимос1 между величиной удельного потока пара через мембрану и величине жидкостного зазора, разностью температур разделяемых растворо скоростями протоков растворов, концентрацией растворенного веществ; селективными свойствами различных типов гидрофобных микрофильтрационнь мембран. Показано, что полученные зависимости удовлетворительно описываютс теоретической моделью МД с жидкостным зазором.

Разработаны методики определения основных тепло-массообменнь характеристик гидрофобных пористых мембран в варианте МД с жидкостны зазором. В частности, определены коэффициенты паропроводнос1 микрофильтрационных мембран типа МФФ и МФФК из сополимер тетрафторэтилена и винилиденфторида, а также эффективная теплопроводною мембраны МФФ-2. Установлены факторы, определяющие высока

коэффициент селективности гидрофобных микрофильтрационных мембран определено относительное содержание в них гидрофильных пор.

Показана возможность применения разработанного метода для глубоко» концентрирования водных растворов неорганических веществ (вплоть I насыщенных), очистки воды от ионов тяжелых металлов и разделена растворов неорганических'кислот.

Разработана оригинальная конструкция проточной лабораторной пилотной установки для проведения МД с жидкостным зазором,' защищеннь патентом РФ.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ.

Разработанный метод МД с жидкостным зазором характеризуется педующими показателями: высокими - удельными производительностями, эавнимыми с другими мембранными методами ( более 30 л/м2 час), высокими «чениями селективности при разделении и концентрировании водных эствороп нелетучих веществ ( более 99.8 % ), получением в качестве элевого продукта пермеата высокого качества и простым аппаратурным кормлением при его технической реализации. Метод может быть экомендован как одна из основных ступеней, позволяющая создавать шкнутые циклы водоиспользования в комплексной системе очистки сточных эд гальванического, химического и других производств.

Способы определения основных тепло-массообменных параметров и збирательных свойств мембранно-дистилляционных систем на основе юретической модели процесса позволяют проводить расчеты пилотных МД-эдулей

Метод МД с жидкостным зазором позволяет концентрировать солевые ютворы , проводить очистку воды от ионов тяжелых металлов и выделять ¡тучие неорганические кислоты (HCL и hno3 ) из отработанных загрязненных

ютворов.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ:

Метод мембранной дистилляции с жидкостным зазором и его основные лзико-химические принципы при разделении и концентрировании 'дных растворов неорганических веществ с использованием гидрофобных 1крофильтрационных мембран.

Методики определения основных тепло-массообменных параметров и лектипных свойств пористых гидрофобных мембран.

Основные закономерности метода при разделении растворов органических солей различной концентрации, в том числе практически

жмых объектов - солей тяжелых металлов.

Особенности разделения и концентрирования растворов летучих органических кислот методом МД с жидкостным зазором.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ.

Материалы диссертации докладывались ' на : Международно конференции "Chemistry and sustainable development" - "CHEMRAWN"-(сентябрь 1992г., г.Москва); 11-м Международном конгрессе "Chemicj Engineering, Chemical Equipment Design and Automation" "CHISA-93" (август сентябрь 1993г., г.Прага); Ежегодной научной конференции НИФХ1

им.Л.Я.Карпова в 1993г.

ПУБЛИКАЦИИ. По материалам диссертации опубликовано 7 работ.

ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ. Диссертационная работа состоит н введения, 4 глав, выводов, списка цитируемой литературы (//«^наименований Работа изложена на/Й^страницах и включает № рисунков и таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ МЕМБРАННОЙ ДИСТИЛЛЯЦИИ.

( Литературный обзор )

В литературном обзоре:

- рассмотрена сущность метода МД, его преимущества по сравнению с другик/ мембранными методами;

- описаны известные способы реализации процесса мембранной дистилляции;

- выявлены основные физико-химические требования, предъявляемые мембранам для мембраной дистилляции;

- показаны наиболее перспективные области применения МД: обессоливани получение чистой воды; разделение и концентрирование растворов электролите и неэлектролитов; очистка сточных вод некоторых производств; разделен изотопов; концентрирование соков и термолабильных веществ.

На основании проведенного анализа литературы сформулированы цели задачи настоящей работы.

ГЛАВА 2. ТЕПЛО - МАССОПЕРЕНОС В ПРОЦЕССЕ МЕМБРАННОЙ ДИСТИЛЛЯЦИИ С ЖИДКОСТНЫМ ЗАЗОРОМ.

Процесс мембранной дистилляции с жидкостным зазором юуществляется следующим образом (рис.1). Исходный водный раствор, тгрегый до определенной температуры Тн ( от 30 до 70 °С) протекает и канале >. Вода, испаряясь с теплой поверхности гидрофобной мембраны М, в виде тров переносится в порах мембраны и затем' конденсируется на колодной юверхности мембраны в канале 2. Конденсат (пермеат) заполняет канал 2. »бразуя жидкостной зазор между микрофильтрационной мембраной и еплопроводной непроница -мой стенкой К, которая охлаждается раствором : температурой Тх ( 10-20,°С ), протекающим в канале X.

МЕМБРАНА

ис. 1. Схема способа мембранной истилляции с жидкостным зазором.

Г

о р

я ч и

п о р

Тн

Т|

Р га

ра 1

> О Э П м

©©ЕЙ

Г о о >\ и Ъ о Й1

> о ол

© О т

& ее

2

У4

Тх

х

о

X

л р

А А

ж с

А т

л В

Ю

щ О

и р

й

•V «

В диссертационной работе предложена модель процесса МД с жидкостным азором. Показано, что массоперенос при МД с жидкостным зазором ротекаот аналогично КМД и выражение для удельного потока пэра J через ембрану, описывающее движущую силу процесса, имеет вид:

0 = Ст <ЧР!; /ЙТ) Тт 5 (Тт) (Т, - Т2)

(1)

1е Ст - коэффициент паропроводности мембраны, р5 - давление насыщенного ара растворителя (воды), Тт - средняя температура на мембране Тт=(Т1+Тг)/2, I и Тг - температуры на теплой и холодной поверхности мембраны (рис.1), реляционный параметр 4 (Тт) =1.42/(333/Тт)4 •

Температуры на поверхностях мембраны на практике неизвестны и с экспериментальное определение затруднено. Выражения для

феделения температур Т^ и Тг были найдены из анализа теплового баланса.

учитывающего перенос тепла: из объема раствора к поверхности мембра через мембрану, теплоперенос через жидкостной зазор, через охлаждав», пластину и от поверхности этой пластины в объем раствора и имеют вид :

Т1 = Тн - Л/И „ (2)

Т2 = Тх-Л-/Мх : (3)

где I- скрытая теплота испарения; И н - коэффициент теплопередачи в канале И х - эффективный коэффициент теплопередачи:1/Ь х = ( 1/Ьг + 1/Ь к + 1/ где Ьг , Ьк, Ьх - коэффициенты теплопередачи в жидкостном зазоре, че охлаждаемую пластину и в канале охлаждающего раствора соответственно.

С учетом (2) - (3) выражение (1) записывается в виде:

Л=[Ст(с1р б/с!Т) Тт £ (Тт)А Туу]/[1+1-Ст((1р в/^Т) Тт % (Тт) /Н) (4)

где дТуу=Тн-Тх - разность температур в объемах нагреваемого охлаждающего растворов; Н - эффективный коэффициент теплопередачи в > ячейке: 1/Н=1/Ьн +1/Их ; коэффициенты теплопередачи в каналах Р (■ определяется из известных корреляционных соотношений:

Ь|=1.62(Йе)Рп(Н/Л)) 1/3 , где Яе, , Рп - параметры Рейнольдса и Прандля, Л - длина ячейки, гидравлический диаметр, I = н; х - индекс растворов.

Для проверки адекватности предложенной модели выполнен рас удельного потока пара через мембрану по формуле (4) в зависимости от основ параметров мембранной системы и условий проведения экспериме Результаты теоретического расчета представлены на рис.2 кривыми ^,Z м которые хорошо согласуются с полученными экспериментальными данными (р| экспериментальные точки), при этом отклонение от теоретического расчета 3-(

Выражение (4) позволило провести анализ полученных данных реализации процесса МД с жидкостным зазором в МД-ячейке малого размер конечной длины. Экспериментально установлено, что существенное влияние величину удельного потока пара и оказывает температура Тн (график 1, ри< а, следовательно, и ДТ\«, при фиксированной Тх. Такое поведени обусловлено нелинейной зависимостью давления насыщенного пара температуры, которая описывается уравнением Антуана: р3=105 ехр ( А-В С))/760, где для воды А=18.3036; В=3816.44; С=46.13.

Исследование влияния скорости протока раствора О на величину и пока; (рис.2, график 2), что заметное возрастание величины потока пара ч? мембрану с увеличением скорости протока нагретого раствора

поверхностью мембраны происходит в области значений Он до 30 -40 л/час. Дальнейшее увеличение скорости прокачки исходного раствора даже в несколько раз не приводит к существенному возрастанию удельной производительности. Это обуславливается тем, что уже при О > 40 л/час, а эти скорости соответствуют области ламинарного течения жидкости в каналах ячейки данной конструкции, достигается интенсивная теплопередача из объема нагретого раствора к поверхности мембраны. При этом температура Т\ на поверхности мембраны приближается к значению температуры Тн в объеме раствора вследствие частичного снятия влияния концентрационной и температурной поляризаций.

Влияние величины зазора в камере сбора пермеата Наиболее эффективно при малых его величинах. При с)>1 мм это влияние, как видно из графика 3 рисунка 2, становится более слабым. С уменьшением величины д возрастает теплопередача в жидкостном зазоре, что приводит к увеличению градиента температуры на поверхностях мембраны и, следовательно,

Лю

эис. 2 Влияние различных (кг/м-с) тараметрои на величину удель-№ГО потока пара при МД с кидкослным зазором для У1МФ-2'

I - температуры нагреваемого мствора (Тн.С) при Тх=20 °С, Зн = Ох = 20 л/ч, с! = 0.35 мм; ! - скорости протока нагрева-■мого раствора (О, л/ч) при "н=70°С, Тх=20°С, (1=0.35 мм; I - величины зазора в камере 1ермепта (с), мм) при Тн=60 °С, х=20 ос. Он = Ох = 36 л/ч.

ОЬ-О Н-

тнД: (1)

25 50 75 100 О, (л/ч) (2)

1

3(1, (мм) (3)

Для оценки эффективности разработанного метода МД с жидкостным азором проведено сравнение удельных производительностей различных пособов реализации МД - КМД и ГМД ( схемы на рис.3) при одинаковых словиях проведения эксперимента.

Рис. 3. Способы мембранной

дистилляции: КМД - контактная мембранная дистилляция, ГМД - мембранная дистилляция с газовым зазором.

р а с т в о р

мембрана

'•V

••v

».V ••V

а:

п

е

р

м

Е

А

т

р а с

т в

о р

мембрана 1

С о x

п 0 л

Е а

Р 0 ж

е ° а а

а а ю

т 0 Щ и й

КМД

ГМД

1 к

Наибольшей удельной производительностью обладает метод КМД (рис.4, кривая 1). Метод ГМД имеет низкие значения удельной производительности (рис.4, кривая 3) по сравнению с КМД, т.к. создание газового (воздушного) зазора в камере сбора петмеата ухудшает теплопередачу дополнительным тепловым сопротивлением.

Рис. 4. Зависимость удельной производительности от температуры нагреваемого раствора для различных способов мембранной дистилляции: 1 - контактная МД, 2 - МД с жидкостным зазором, 3 - МД с газовым зазором, при Тх = 20° С, Он = Ох = 36 л/ч, (1 = 1.45 мм, МФФ-2.

Разработанный метод МД' с жидкостным зазором (рис.4, кривая 2) по личине и в 2.0-2.5 раза превосходит ГМД и сравним с КМД ( меньше КМД 25%). Данный метод использует преимущества ГМД, связанные с отдельной мерой сбора пермеата и обеспечивает высокую селективность при разделении [створов, что имеет большое практическое значение. Возможность работы ого метода по одноконтурной схеме, при которой исходный раствор, следовательно проходя канал охлаждающего контура ( для которого он является адоагентом), нагреватель и канал горячего раствора, отличает этот метод от ЛД более простым аппаратурным оформлением.

Проведен отбор и исследован ряд микрофильтрационных пористых гмбран (производства АО "Полимерсинтез", г.Владимир) типа МФФ и МФФК | следующими средними характеристиками:

ГЛАВА 3. ТЕПЛО-МАССООБМЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И

СЕЛЕКТИВНЫЕ СВОЙСТВА МЕМБРАН В ПРОЦЕССЕ МЕМБРАННОЙ ДИСТИЛЛЯЦИИ С ЖИДКОСТНЫМ ЗАЗОРОМ.

Тип

мембран

Я, мкм

Б. %

5 , мкм Стх10-7 кг/м2с Па

МФФ-1 МФФ-2 МФФ-3 МФФ-4

0.15 0.26 0.45 0.60

70 70 70 70

140 140 100 150 170 160 170

5.61 5.48 7.86 4.85

5.2 6.4 5.6

МФФК-14

МФФК-2

МФФК-24

0.25-0.65 70

0.15-0.65 70

0.25

70

е И-средний размер задерживаемых частиц, е - пористость, 5-толщина

гмбраны.

Рис. 5. Зависимость удельной производительности и коэффициента селективности по 0.1 N раствору КС1 гидрофобных микрофильтрационных мембран от температуры Тн,С при МД с жидкостным зазором:

1-МФФ-1; 2 - МФФ-2;

3 - МФФ-3; 4 - МФФ-4;

5 - МФФК-2; 6 - МФФК-14;

7 - МФФК-24; Он=Ох=25 л/ч; Тх=20°С.

Л-10

(кг/мЗс)

На рис.5 представлены экспериментальные данные влияния текдперату раствора на удельную производительность и селективность для 0.1 раствора КС1 указанных мембран. Для всех исследуемых мембран удельн производительность J растет нелинейно с ростом Тн, следовательно, и с Д (т.к. Тх фиксирована), что хорошо согласуется с аналитическим выражени (4). Мембраны типа МФФ обладают несколько большей производительност по сравнению с МФФК, но все они могут успешно использоваться для цел МД. Наибольшая производительность в классе мембран МФФ наблюдается мембран МФФ-3 и МФФ-2. В классе МФФК наибольи производительность у мембран МФФК-14 и МФФК-24. В то же время J а МФФ-2 и МФФ-3 примерно на 30% выше, чем у мембран МФФК-МФФК-24 при данных условиях эксперимента. Коэффициенты селективное всех испытанных мембран практически одинаковы и составляют достаток высокую величину <р =0.9998 . Они не зависят от температуры горячего раствс КС! для указанной концентрации, что свидетельствует о хорош избирательной способности этих мембран по отношению к переносу пар воды.

Важнейшими характеристиками, определяющими производительное мембраны, являются ее тепло-массообменные параметры, разработка мето* определения которых становится важной задачей.

Определение коэффициентов паропроводности микрофильтрационных

мембран.

Одним из основных массообменных параметров гидрофобных 1Икропористых мембран, характеризующим паропроводные свойства юмбраны в процессе МД, является коэффициент паропроводности . Ст. азработана методика определения Ст из экспериментальных данных по 1Д с жидкостным зазором. Согласно этой методике, экспериментально олученая зависимость и от ДТю в координатах ДТуу/Л. от 1/(с1р/сГГ)тт 5 От) редствляет собой прямую (рис.6). Из пересечения этой прямой с осью ординат пределяется величина 1/Н - характеризующая эффективный теплообмен в чейке, а из тагенса угла наклона определяется коэффициент паропроводности :т. Следуя этой методике, экспериментальная зависимость и от Тн для мембраны 1ФФ-2 (рис. 5, кривая 2) в указанных на рис.6 координатах представлена рямой 2. С учетом характеристик этой мембраны (табл.1) определено значение оэффициента паропроводности Сщ=5.48 х 10-7 (кг/м2 с Па), и вычислено начение Н=1.11 хЮЗ (Вт/м2К). Коэффициенты паропроводности других сследуемых мембран также представлены в таблицей Теоретический расчет оэффициента теплопередачи в ячейке и коэффициента паропроводности, редложенный в работе Г, для мембраны МФФ-2( рис.6, прямая 1) дает значения 1=0.99x103 (Вт/м2К) и Ст=5.1бх10-7 (кг/м2с Па), близкие к полученным

ксперимонтально.

1. Угрозов В.В., Золотарев П.П., Тимашев С.Ф. О процессе контактной юмбранной дистилляции.// Теоретич. основы химич. технологии,1991,т.25,с.17.

3

2

ис. 6. Г рафик зависимости Т«/Л от 1/((1р/с1Т)? (Тт).

1/Н

0 1 2 3 4 5 6

1/((1рЛП-)иТт).,о3

Определение эффективной теплопроводности микрофильтрационных

мембран.

Важным теплообменным параметром пористых гидрофобнь мембран является эффективная теплопроводность Предложена методи»

определения А,т из экспериментальной зависимости J от ДТи/ при дв\

различных скоростях протока растворов. Согласно этой методике, таки зависимости в координатах ДТуу/Л - 1/(<^р/сЛ")тт^ (Тщ) (рис.6) для скоросте прокачки растворов ( причем Он =Ох ) = 11 л/час и Ог = 20 л/че представлены прямыми 3 и 4. Из отношения тангенсов углов наклона 1дазДда прямых 3 и 4 и эффективных коэффициентов теплопередачи Нз и Н эффективная теплопроводность мембраны определяется как: Хт=1 (Ыда з/^д а4)]/Мда зЛда д)/Н4 - 1/Н3].

Разработанным методом была определена эффективная теплопроводное! мембраны МФФ-2 ( сополимер тетрафторэтилена и винилиденфторида ), котора составляет величину Я^л=0.04Э Вт/м К. Эффективная теплопроводност позволяет характеризовать теплопроводные свойства пористого материал мембраны и проводить оценку удельного потока пара через конкретно мембрану. Для достижения более высоких значений J необходимы мембран! из материала с большим тепловым сопротивлением.

О селективности гидрофобных пористых мембран.

Избирательные свойства гидрофобных пористых мембран по отношени» к переносу паров воды в солевых растворах характеризуются в Щ коэффициентом селективности ф = ( С исх- С перм )/ С исх. Он имеет ( рис.5 довольно высокие значения, достоверно определяемые экспериментально ( ф --=0.9997 ♦ 0.0001). Если бы мембрана была идеальной, то коэффициен селективности был бы равен единице, однако, как показывают исследования он не достигает своего предельного значения. Этот факт можно объяснить если предположить, что в гидрофобной пористой мембране присутствую гидрофильные поры. По этим порам осуществляется перенос растворенной вещества из исходного раствора в получаемый пермеат вследстви« диффузии под действием градиента температуры и концентрации.

Разработанный метод МД с жидкостным зазором, позволяющий получат! пермеат в отдельной принимающей камере и сразу контролировать его качество дает возможность проверить правильность вышеизложенных представлений (

природе селективности мембран непосредственно из экспериментальных данных. Показано, что зависимость удельного потока пара через мембрану и селективность ( по 0.1 N раствору КС1) от температуры Тн и скорости прокачки О исходного раствора в случае, когда J изменяется за счет изменения температуры исходного раствора имеет вид: 1п(со г)/г = 1п а/г + J I /В Р (рис.7, прямая 1 в координатах 1п((ог)/г - 1/г) . При этом ю=( 1/ ф -1); г= ^о; а= =ОтрА,о йуо. ГДе р- плотность раствора, ч) и Оо -удельные потоки пара через мембрану при Т и То, йт- эффективный коэффициент диффузии растворенного вещества в гидрофильной поре, 8 - толщина мембраны, I -толщина пограничного слоя, й - коэффициент диффузии растворенного вещества в растворе, уо - эффективный коэффициент распределения растворенного вещества .

В случае, когда изменяется скорость прокачки исходного раствора при Тн=СопяГ (рис.7, прямая 2 координатах 1п(аг)/г - 1/(0/<2о)'/3 ), справедливо выражение : 1п(Ю2)/г = А + 8/(0/00)1/3 , где О, Оо -скорости протока раствора ; А и В - некоторые константы, определяемые экспериментально. Проведенные в работе исследования для мембраны МФФ-2 подтвердили указанные зависимости ( рис.7, эксперимент - точки) и позволили определить: толщину пограничного слоя I = 8.4 х 10-4 эффективный коэффициент диффузии растворенного вещестпа Эт = 5.98 х 10 -14 м2/с в гидрофильной поре и оценить долю гидрофильных пор, которая составляет е = 3.7 х 10-5 для данной мембраны.

ГЛАВА 4. ВЛИЯНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ РАСТВОРЕННОГО ВЕЩЕСТВА НА ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ И СЕЛЕКТИВНОСТЬ МЕМБРАННОЙ ДИСТИЛЛЯЦИИ С ЖИДКОСТНЫМ ЗАЗОРОМ.

Изучено влияние концентрации растворенного нелетучего вещества н удельную производительность и селективность в процессе МД с жидкостны зазором ( рис.8) на примере солей №С1, ЫагЭОд, N¡504 в широком диапазон концентраций ( от 0.5 до 5.0 Ы).

Рис. 8. Зависимость удельного потока пара и коэффициента селективности от концентрации солей в растворе: 1 - ЫаСЦ 2 - №2 БОд , 3 - ШБОд, Тн=60 ос, Тх=20 ос, Он = Ох = 26 л/ч, МФФ-2.

Л-10 (кг/м?с) 7

6

5

4

3

2

9 0-9— —4— • я 1:2 "

1 4 А- —х— -Г—3 8

1

- 3 ^^ .

0 1 2 3

В области высоких концентраций растворенного вещества наблюдаете? нелинейная зависимость удельной производительности от концентрации веществ, в растворе. С увеличением концентрации растворенного вещества е исходном растворе наблюдается незначительное падение величины удельное производительности (в среднем на 20%). При этом коэффициенть селективности практически не меняются и имеют довольно высокие значения Небольшое уменьшение производительности J обуславливается относительно слабой зависимостью давления насыщенных паров от концентрации, в тс время как температура Тн оказывает более сильное влияние на >!.

J10

(кг/мЗ:)

Рис.9. Зависимость удельного 8

потока пара и коэффициента 7

селективности для МФФ-2 от я

температуры растворов: и

1-0.1 N l4iCI2 , 5

2-0.1 N n¡(N03)2, 4

3-0.1 N NiS04 .

4-0.1 N К2 Сг2 О 7, 3

5 - 0.5 г/л Cu(n03)2 , 2

Тх=15 ОС, Qh = Qx = 26 л/ч. 1

0

60 ТнГС

Исследованы зависимости удельного потока пара и коэффициента селективности от температуры растворов некоторых солей тяжелых металлов (рис.9 ) Величина J определяется зависимостью давления насыщенных паров поды в исследуемых растворах от их температуры Тн. Селективные свойства мембраны МФФ-2 по отношению к парам воды в данных растворах столь высоки, что коэффициент селективности практически не зависит ни от температуры, ни от солевого состава растворов.

Проведены экспериментальные исследования, связанные с разделением

и концентрированием методом МД с жидкостным зазором водных растворов летучих неорганических кислот HCL и hno3 в широком диапазоне конентраций (рис.10). Особенности концентрирования растворов этих кислот связаны с переносом в порах мембраны двух летучих компонентов и с зависимостью значений их парциальных давлений от концентрации этих компонентов в разделяемой смеси.

С ростом концентрации кислоты в растворе происходит уменьшение значений удельной производительности. Падение значения селективности с ростом концентрации кислоты ( после 1.0 N) связано с тем, что с парами воды одновременно переносятся и пары кислоты. Для более строгого количественного и качественного объяснения полученных экспериментальных данных по

разделению указанных кислот, теория МД нуждается в дальнейшей разработке с учетом летучести компонентов смесей.

J■lO (кг/мЗс)

Рис.10. Зависимость удельной производительности и селективности от концентрации кислоты в растворе: Тн=60о С, Тх=20о С, МФФ-2, Он = Ох = 40 л/ч.

С(Ы)

Вышеизложенные основные физико-химические закономерности МД с жидкостным зазором в работе подтверждаются разделением и концентрированием различных видов водно-солевых систем, в том числе морской воды и ее модельного раствора, артезианской воды, модельных растворов гальванического производства от процессов никелирования, наполнения в хромпике, травления в серной кислоте . Показано, что разработанный метод позволяет проводить глубокое концентрирование при рбессоливании природных вод с различным начальным солесодержанием и очистки воды от ионов тяжелых металлов.

На основе модели МД с жидкостным зазором с учетом разработанных способов определения основных тепло-массообменных параметров МД-системы был рассчитан и изготовлен пилотный МД-модуль. Проведено испытание этого модуля, показавшее эффективность его работы при очистки водопроводной водь в течении 13 месяцев. Результаты испытаний работы модуля в зависимости от температур, скоростей прокачки растворов, площади мембраны представлены с Приложейии к диссертационной работе.

выводы

Разработан метод мембранной дистилляции с жидкостным зазором и явлены его основные физико-химические закономерности при разделении концентрировании водных растворов неорганических веществ. Способ )актеризуется как высокой производительностью (.1>30 кг/м2-час), так и сокими значениями селективности (99.8 % и более). Установлено, что ^большее влияние на величину удельного потока пара через мембрану азывает разность температур растворов. Экспериментальные данные звлетворительно описываются феноменологической моделью МД с жидкостным юром.

Разработаны методики определения основных тепло-массообменных эактеристик пористых гидрофобных мембран и определены: - коэффициенты ропроводности микрофильтрационных мембран типа МФФ-1, МФФ-2, МФФ-3, &Ф-4. МФФК-14, МФФК-2, МФФК-24, имеющие значения в пределах Ст=5*7 О -7 (кг/м2-с Па);

}>фектийные теплопроводности мембран типа МФФ, представляющих собой полимор тетрафторэтилена и винилиденфторида, в частности, для мембраны РФ-2 >.т=0.049 Вт/м К.

этих мембранах экспериментально установлен факт наличия в црофобной пористой мембране гидрофильных пор, доля которых составляет 10-4 , 10-5.

Изучено влияние высоких концентраций растворенного вещества на удельную оизводительность и селективность МД с жидкостным зазором, таноплено, что метод позволяет концентрировать раствора неорг анических щестп до пределов, близких к насыщению (до 5 N растворов). Уменьшение юизводительности при этом в среднем составляет 20%, связанное с тем, что висимость давления насыщенного пара от концентрации более слабая, чем от мпературы.

Впервые исследованы основные закономерности при разделении и нцентрировании растворов солей тяжелых металлов при МД с жидкостным зором (на примере солей N¡+2, Си+2, Сг+6 и др.)- обьектов, имеющих важное (актическое значение. Показано, что метод эффективен для очистки воды от шов тяжелых металлов.

5. Разработан МД-модуль, защищенный патентом РФ, на оснс плоскорамной конструкции, обеспечивающий длительную устойчивую раб( мембран при очистки водопроводной воды от загрязнений. Сертифика качества воды, полученной этим методом подтверждают, что она по ochobhi показателям превосходит дистиллят.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОТРАЖЕНО В РАБОТАХ:

1. P.P. Zolotarev, V.V. Ugrozov, I.B. Yolkina, V.N. Nikulin. Treatment of waste wal for removing heavy metals by membrane distillation. Journal of Hazardous Materia 1994, v.37, p.77-82.

2. Елкина И.Б., Золотарев П.П., Никулин B.H., Угрозов В. Экспериментальное влияние температурного фактора на проце мембранной дистилляции.//Химия и технология воды, 1992, т. 14, N 7, с.498-50

3. Золотарев П.П., Угрозов В.В., Елкина И.Б., Никулин В.Н. Исследован! влияния высоких концентраций растворенного вещества на процесс мембранж дистилляции.// Химия и технология воды, 1992, т.14, N 7, с.501-505.

4. Золотарев П.П., Угрозов В.В., Елкина И.Б., Никулин В.Н. Мембранн; дистилляция - перспективный метод концентрирования и разделен! растворов.// Российский химический журнал, 1993, т.37, N 4, с. 105-106.

5. Елкина И.Б., Золотарев П.П., Угрозов В.В., Никулин В.Н. производительности и селективности микрофильтрационных гидрофобнь мембран для мембранной дистилляции с газовым зазором.// Коллоиднь журнал, 1995, т.57, N 3, с.321-324.

6. Елкина И.Б., Золотарев П.П., Никулин В.Н., Угрозов В.В., Хамизов Р.; Разделение и концентрирование растворов солей методом мембраннс дистилляции.// Коллоидный журнал, 1995, т.57, N 3, с.325-328.

7. Патент РФ, N 93-025492/26/025173, МКИ В 01D 61/36. Установка дл мембранной дистилляции. Никулин В.Н., Сизова С.Н., Елкина И.Б., Угрозе В.В., Золотарев П.П.

Подписано к печати 15.05.95

Формат 60x84 I/I6

Тираж 100 экз. 3:

Г,25 печ. л Зак. 93

1,20 уч.-изд.л АО "НШТЭХИМ"