автореферат диссертации по строительству, 05.23.04, диссертация на тему:Исследование и разработка технологии локальной очистки маслоэмульсионных сточных вод автотранспортных предприятий

Ой КО* ^

На правах рукописи *

Ухеев Геннадий Жанчипович

Исследование и разработка технологии локальной очистки маслоэмульсионных сточных вод автотранспортных предприятий

Специальность 05.22.04 - Водоснабжение, канализация, строительные системы ' охраны водных ресурсов

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Иркутск 1998

Работа выполнена в научно-исследовательской лаборатории процессов и аппаратов химической технологам Восточно-Сибирского государственного технологического университета и на кафедре ПЭ и БЖД Иркутского государственного технического университета

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор С.С. Тимофеева

Научный консультант:

доктор технических наук, профессор Г.А. Хантургаев

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор АЛО. Чикин кандидат технических наук, доцент М.Б. Малевская

Ведущая организация: Открытое Акционерное общество "ГАП № 2" (г. Улан-Удэ)

„ „ 9 „ декабря,--- 9

Защита состоится __1998 г. в _ часов на заседании

диссертационного Совета К 063.71.04 в Иркутском государственном техническом университете по адресу: 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83,

ауд. Е 122

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Иркутского государственного технического университета.

Автореферат разослан "__"_1998 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета

к.т.н., доцент а/Р'аЛ,' Л.И. Кажарская

Общая характеристика работы

-1

Актуальность работы. В последние годы в ряде отраслей промышленности, в особенности в машино- и приборостроении, радиоэлектронике, автотранспорте, широкое применение нашли технические моющие средства (ТМС) на основе водных растворов поверхностно-активных веществ (ПАВ). Они используются при мойке и обезжиривании поверхностей ремонтируемых металлических изделий. Ранее для этих целей применялись моющие средства на основе органических растворителей. Причиной их замены на современные ТМС явились соображения противопожарной безопасности.

В результате применения ТМС на основе ПАВ возникли новые проблемы, связанные с вопросами защиты окружающей среды, а также экономии моющих средств. В процессах мойки и обезжиривания в моющих растворах накапливаются технические масла, асфальто-смолянисше соединения, органические кислоты, соли металлов, продукты окисления, сажа и другие токсичные вещества. Отработашый водный раствор ТМС представляет собой устойчивую эмульсию типа "масло-вода" с высоким содержанием ПАВ - порядка 20 мг/л. Качественный состав загрязнений и наличие ПАВ обуславливают необходимость тщательной очистки отработанных ТМС перед их сбросом в системы водоочишения.

Вместе с тем до настоящего времени практически нет универсального способа очистки сточных вод с высоким содержанием нефтепродуктов и ПАВ. Существующие технологические схемы очистки на основе традиционных методов разделения жидких смесей недостаточно эффективны и требуют значительных капитальных затрат.

В результате этого в естественные водоемы попадает значительное количество недоочищенных сточных вод с высоким содержанием токсичных веществ. Особенно остро вопросы очистки сточных вод промышленных предприятий стоят в регионе бассейна озера Байкал, где, согласно постановлению

Совета Министров РФ № 434 от 13.04.87 г. "О мерах по обеспечению охраны и рационального использования ресурсов бассейна озера Байкал в 1987-1995 гг. и до 2000 г." действует режим особого природопользования, который предусматривает повышенные требования к качеству сточных вод.

Исходя из вышеизложенного, задача разработки новых и усовершенствования традиционных методов очистки маслосодержащих сточных вод является весьма актуальной* особенно с точки зрения охраны окружающей среды.

На современном этапе весьма перспективными представляются работы по внедрению мембранных методов разделения жидких смесей как альтернативного варианта очистки сточных вод. Процессы с участием полупроницаемых мембран протекают без фазовых превращений при температуре окружающей среды и в широком интервале давлений, что обусловливает значительную экономию сырья и электроэнергии. Среди мембранных методов разделения наиболее широкое распространение получил метод ультрафильтрации (УФ). Используя его в сочетании с традиционными методами разделения (сепарация, коагуляция, флотация и т.д.) можно значительно расширить область его применения. Однако реализация такого комбинированного метода очистки требует проведения научных разработок как в области практической применения, так и в теоретическом отношении.

Актуальность данной работы обусловливается также необходимостью изучения влияния внешних факторов на процесс мембранного разделения с целью определения оптимальных режимов эксплуатации промышленных установок разделения жидких смесей. Кроме того, существует необходимость разработки и внедрения новых конструкций мембранных аппаратов, отвечающих требованиям современного производства.

Цель работы. Комплексное исследование физико-химических методов очистки и регенерации отработанных водных растворов технических моющих средств (ТМС), включающее:

- исследование влияния гидродинамических факторов и конструктивных параметров мембранных аппаратов на массоперенос в процессе ультрафильтрации;

- разработку технологической схемы очистки на основе традиционных и мембранных методов разделения;

- поиск конструктивного решения мембранного аппарата, направленный на снижение скорости образования осадка на поверхности мембраны;

выбор соответствующих режимов эксплуатации и технико-экономическая оценка затрат на очистку.

Методы исследований. В работе для решения конкретных задач использовались современные физические и химические методы исследования: ИК-спектроскопия, фотоколоримегрия, потенциометрия, электронная микроскопия. Результаты экспериментов обрабатывались с использованием современных компьютерных технологий.

Научная новизна. Впервые изучена возможность применения полимерных мембран для очистки отработанных растворов ТМС. Исследованы особенности разделения устойчивых эмульсий типа "'масло-вода", образующихся в процессе мойки деталей, в зависимости от размеров пор полимерных мембран.

Исследована возможность применения элекгродиффузионного метода, основанного на электрохимических реакциях, при оценке эффективности процесса массоотдачи в мембранном модуле.

Предложены оригинальные решения стадии регенерации отработанных ТМС и конструкции мембранного аппарата. Особенностью конструкции являются дисковые фильтрующие элементы, обеспечивающие винтообразное движение потока, что существенно снижает скорость образования осадка на поверхности мембран.

Практическая значимость. Предложена локальная технология очистки отработанных ТМС безреагентным методом на основе ультрафильтрации. Выявлен наиболее эффективный метод предварительной очистки электрофлотация и установлены оптимальные параметры ультрафилырадион-ного разделения.

Разработана технологическая схема комбинированного узла регенерации отработанных растворов ТМС. Данный узел входит в состав робототехнологического комплекса, предназначенного для очистки поверхностей деталей на ОАО "ГАП № 2" (г. Улан-Удэ) и испытан на реальных отработанных растворах ТМС.

Разработана конструкция дискового мембранного аппарата, защищенная авторским свидетельством (а.с: А» 1637105).

Положения, выносимые на защиту:

- результаты экспериментальных исследований влияния внешних факторов на процесс ультрафильтрации отработанных ТМС;

- разработка и расчет конструкции ультрафильтрационного аппарата с дисковыми фильтрующими элементами;

- расчет и оценка эффективности процесса массоотдачи в мембранном модуле;

- разработка и расчет основных технологических парии^яров схемы очистки отработанных ТМС.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всесоюзном научно-практическом семинаре-школе "Мембранная технология в решении экологических проблем" (г.Улан-Удэ, 1990 г.), на 12-й конференции болгарских аспирантов в СССР с международным участием "Актуальные проблемы современной науки -90" (г.Москва, 1990

г.), научной сессии молодых ученых Бурятского научного центра СО РАН 1 (г.Улаи-Удэ, 1993 г.), Международной научно-практической конференции "Человек. Среда. Вселенная" (г.Иркутск, 1997 г.)

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 научных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, основных выводов, списка литературы из 126 наименований, 1 приложения. Диссертация содержит 124 страниц машинописного текста, включая 18 таблиц и 37 рисунков.

Содержание работы

В 1-й главе освещено современное состояние проблемы охраны окружающей среды в Республике Бурятия. Приведен анализ литературы по существующим технологиям очистки маслоэмульсионных сточных вод, а также по физико-химическим свойствам отработанных водных растворов ТМС. Приведена классификация современных ТМС, их характеристики и свойства, анализ загрязнений и требования к качеству очистки от /аботашшх ТМС. Представлены основные сведения о мембранных методах разделения, изложены современные представления о влиянии внешних факторов на процесс ультрафильтрации, сформулированы требования, предъявляемые к конструкциям мембранных аппаратов.

По результатам анализа литературных данных была сформу-

лирована цель исследования.

Во 2-й главе приводится подробное описание экспериментальных лабораторных установок предварительной очистки и мембранного разделения, даны

характеристики объектов исследования и методик анализа компонентов, входящих в состав отработанных растворов ТМС.

В 3-й главе проводится анализ лабораторных исследований по разработке эффективной схемы предварительной очистки отработанных ТМС, анализ влияния внешних факторов на процесс ультрафильтрации, а также предложена методика оценки влияния высоты межмембранного канала на массоотдачу.

Необходимым условием эффективности процесса ультрафильтрашш является качественная предварительная очистка исходного раствора. Это подтверждают результаты электронной микроскопии поверхности мембран после ультрафильтрации раствора ТМС "Вертолин-74", не прошедшего предварительную очистку (рис.1).

Рис.1. Рабочая поверхность мембраны УПМ-П после ультрафильтрации отработанного раствора "Всртолин-74", не прошедшего предварительную очистку

При разработке стадии предварительной очистки сопоставляли эффективность методов сепарации и электрофлотации. Анализ полученных результатов (табл.1) свидетельствует о том, что метод электрофлотации в большей степени отвечает предъявляемым требованиям.

Таблица 1

Содержание ПАВ и нефтепродуктов в отработанном растворе ТМС "Вертолин-74" после предварительной очистки методами сепарации и электрофлотации

Этапы очистки Концентрация Сепарация Электрофлотация

легкая фаза тяжелая фаза очищенный раствор пенный слой

технические масла (мг/л) 2 2 1,6 2,3

ПАВ (мг/л) 21,1 21,1 21,1 21,1

На этапе мембранного разделения основным вопросом был правильный подбор типа полупроницаемой мембраны. Мембрана должна обеспечить требуемую степень разделения,, быть термостойкой и прочной. Чтобы обеспечить возможность повторного использования моющего раствора, мембрана должна быть гидрофобной по отношению к нефтепродуктам и гидрофильной по ПАВ. Исследовались рабочие свойства ультрафильтрационных мембран различной химической природы и пористости: УАМ-500, УПМ-100, УФФ, УФФК, УПМ-П и микрофильтрационная мембрана МФФ-4. Перепад рабочего давления по обе стороны мембраны составлял 0,24 МПа для УФ-мембран и 0,06 МПа для мем-

в интервале температур исходного

Рис.2. Зависимосп, проницаемости С микро- и ультрафильтрационных мембран от температуры Т исходного раствора: 1 - УПМ-П; 2 - УФФ; 3-УФФК; 4- УАМ-500; 5 т УПМ-100; 6 - МФФ-4

браны МФФ-4. Опыты проводились раствора 20+б0°С (рис.2, 3; табл.2). С, л/м2-час

__^ 5

----

\ 2^ .....-

О 20 40 Г, "С

Рис.3. Зависимость селективности <р микро- и ультрафильтрационных мембран от температуры Т исходного раствора: 1 - УПМ-П; 2 - УФФ; 3-УФФК; 4- УАМ-500; 5 -УПМ-1П0;6-Ш>Ф-4

Таблица 2

Исследование влияния внешних факторов на селективность и проницаемость УФ-мембран

Мембрана Завод-изготовитель Рабочее давление Р (Па) Селекгав-. ность д>плв, % Температура и °С Проницаемость б, л/м2-час

УМПМ "Тасма" г.Казань 2,4-10* 99,5 20 1 29,9

35,0 60 64,0

УАМ-500 НПО "Поли-мерсинтез" 2,4-10' 71,0 20 46,9

97,9 40 6,5

УФФ 3105 98,3 20 23,7

УФФК 3-Ю5 96,6 20 13,1

УПМ-100 2,4-105 56,6 20 38,8

63,5 40 75

77,6 60 83,3

В качестве основных параметров, характеризующих процесс разделения, определяли удельную проницаемость й и селективность <р пс ПАВ по формулам:

F•f ^лг -час; где V- объем фильтрата, л;

- поверхность мембраны, м2; j - время отбора фильтрата, час.

*■* с.

ф

100%,

(2)

где С,„ Сф - концентрация ПАВ в исходном растворе и фильтрате, соответственно.

Сравнивая рабочие характеристики мембран можно сделать вывод о том, что наиболее оптимальными характеристиками (низкая селективность по ПАВ, высокая проницаемость, хорошие прочностные свойства) обладает мембрана УПМ-П.

Оптимальность выбора подтверждается экспериментальными данными по исследованию зависимости проницаемости мембраны УПМ-П от изменения рабочего давления (рис.4) и концентрации исходного раствора (рис.5).

С, л/м2-час

75 50 25

■ 3

V

б, л/м2-час

50 25

1

2

А 0,1 0,2 0,3 0,4 Р, МПа 0 Ю 20 30 40 С, мг/л

Рис.4. Зависимость проницаемости <7 мембраны УПМ-П от рабочего давления Р, при различных скоростях вращения магнитной мешалки аг. 1- й>;=11,2 сек"1; 2- й)^=8,3 сек1; 3- о)з=5,1 сек*1.

Рис.5. Зависимость проницаемости б мембраны УПМ-П от концентрации С исходного раствора: 1- д>/=11,2 сек"'; 2- ©¿=8,3 сек"1

При проектировании мембранных аппаратов важное значение имеет высота межмембранного канала. Однако оценка ее влияния на процесс

массоотдачи затруднена вследствие сложности аппаратурного оформления, из-за незнания скоростей потока в канале, из-за отсутствия единой методики оценки. Для оценки эффективности массоотдачи предложено использовать электродиффузионный метод, основанный на электрохимических реакциях. Скорость такой реакции выражается уравнением:

' ..дЛ.Д (3)

п-Рф дх. ск

где / - плотность тока [А]; п - заряд реагирующих частиц; Рф - число Фарадея [кл/модь]; с - концентрация ионов [Ре(СМ)б]3~ у поверхности электрода [моль/м3]; О - коэффициент диффузии ионов [Ре(СИ)б]3' в водном растворе [м2/с]; (/ - -подвижность ионов.

В условиях потока электролита скорость реакции лимитируется величиной коэффициента массоотдачи Р и протекает на торцевой поверхности никелевого электрода, вмонтированного в стенку канала.

Проинтегрировав уравнение (3) и учитывая, что концентрация растворенного вещества на поверхности электрода зависит от его потенциала и при увеличении разности потенциалов между электродами стремится к нулю, рассчитываем коэффициент массоотдачи /? по уравнению:

Р = „ ," (4)

г-Рф-с-Я1

где - поверхность электрода [м2]; г - число электронов.

Описывая полученные экспериментальные значения ¡5 с помощью критериальных уравнений придем к уравнению:

+ (5)

Чтобы получить искомые величины А и т, необходимо получить зависимости М,,=/(Яе) или р-Дсод), где а>о - средняя скорость потока.

В 4-й главе приводится подробное описание предлагаемой конструкции * дискового мембранного аппарата с винтообразным движением потока.

Аппарат состоит из цилиндрического корпуса I, пакета мембранных элементов 2 и промежуточных пластин 3. Каждый из мембранных элементов выполнен в виде диска 4, имеющего 2 секторных отверстия ввода и вывода, разделенных перегородкой 5. На плоскостях каждого из мембранных элементов закреплены мембраны 6 (рис.6). Наличие в аппарат«: промежуточных пластин 3 позволяет осуществлять секционирование мембранных элементов.

Аппарат работает следующим образом. Разделяемая смесь поступает во входной коллектор первого блока мембранных элементов, откуда параллельными тангенциальными потоками подается в каждый из мембранных каналов и собирается ¡затем в выходном коллекторе. Поступая во входной коллектор второго блока, поток смеси меняет направление движения на противоположное (рис.7).

фильтрат

исходный раствор

Рис.6. Дисковый мембранный аппарат

концентрат

фильтрат

исходный раствор

фильтрат

Рис.7. Распределение потока разделяемого раствора внутри дискового мембранного аппарата: 1 - мембранный элемент; 2- мембрана;

3 - промежуточная пластина.

Такое винтообразное движение смеси препятствует образованию слоя осадка на мембране, Кроме того, в данном аппарате исключена герметизация резиновыми уплотнениями, что существенно упрощает сборку. На конструкцию аппарата получено авторское свидетельство а.с. № 1637105. На основе полученных критериальных уравнений, с учетом рассчитанной оптимальной высоты межмембранного канала, проводится полный расчет аппарата (расчет рабочей поверхности, селективности, гидравлического сопротивления, секционирование).

В пятой главе представлена принципиальная комплексная технологическая схема локальной очистки маслоэмульсионных сточных вод и дана ее технико-экономическая оценка.

Предлагаемая схема (рис.8) представляет собой комбинацию традицион- * ных и мембранных методов разделения. Отработанный раствор ТМС подастся через фильтр грубой очистки 2 в отстойник 3 и затем в электрофлотатор 4. На данных ступенях происходит отделение крупных механических частиц, взвешенных веществ, части свободных капельных масел, ионов металлов. Осветленный раствор через фильтр тонкой очистки направляется в ультрафильтрационный аппарат для окончательного разделения.

Предложенная технология испытана и внедрена в ОАО "ГАП № 2" г.Улан-Удэ для очистки и повторного использования растворов ТМС.

Рис.8. Принципиальная технологическая схема очистки и повторного использования отработанных ТМС: I - емкость с исходным раствором;

2 - фильтр грубой очистки; 3 - отстойник; 4 - электрофлотатор;

5 - емкость-накопитель; б - насос; 7 - фильтр тонкой очистки;

8 - мембранный аппарат; 9,10 - шламонакопители; 11 - смеситель.

При определении экономической эффективности предлагаемой технологии счистки производили сравнение капитальных и эксплуатационных затрат на очистку сточных вод согласно существующему и предлагаемому вариантам очистки с учетом предотвращения ущерба за счет сокращения загрязнений. Общий экономический эффект от внедрения составил 62 млн.руб. в ценах 1997 года.

Основные выводы

1. Установлено, что отработанные водные растворы ТМС высокотоксичны и требуют тщательной очистки перед сбросом в системы водоотведения. Существующие методы очистки дороги и недостаточно эффективны. Одним из перспективных методов очистки является ультрафильтрация. Однако его широкое применение затруднено вследствие недостаточной изученности теоретических основ проведения процесса, отсутствия долгосрочного практического опыта реализации.

2. Впервые исследована возможность применения полимерных мембран для очистки растворов ТМС. Изучено влияние внешних факторов на процесс УФ. Установлено, что оптимальными свойствами для проведения процесса разделения обладает мембрана УМП-П.

3. Теоретически обосновано и экспериментально доказано, что для оценки эффективности массоотдачи возможно использование электродиффузионного метода, основанного на! электрохимических реакциях. Получены критериальные уравнения, позволяющие моделировать процесс массоотдачи в плоском канале.

4. Разработана оригинальная конструкция мембранного аппарата с дисковыми фильтрующими элементами, в котором для снижения скорости образования осадка на мембране организовано винтообразное движение потока. Конструкция защищена авторским свидетельством а:с. № 1637105.

5. На основании полученных результатов разработана комплексная технология локальной очистки отработанных водных растворов ТМС. На основании данной технологии ОАО ТАЛ № 2" (г. Улан-Удэ) разработано робототехнологический комплекс РТК-4.1 , представляющий собой замкнутую технологическую линию.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих научных работах:

1. Орлов Н.С., Ухеев Г.Ж., Хамзин A.A., Гавриков В.Н., Ханхунов Ю.М. Разработка принципиальной технологической схемы регенерации водных растворов ТМС // Очистка промышленных выбросов и утилизация отходов: Сборник научных трудов. - Улан-Удэ, 1990.

2. Ухеев Г.Ж., Орлов Н.С., Таусаров Б.Р. Применение микро- и ультрафильтрации для очистки и повторного использования отработанных технических моющих средств II Мембранная технология в решении экологических проблем: Тез. докл. Всесоюз. науч.-пракг. сем.-школы, Улан-Удэ, 17-23 января 1990. - Улан-Удэ, 1990. - С.36-37.

3. Орлов Н.С., Ухеев Г.Ж., Хамзин A.A. и др. Разработка принципиальной технологической схемы регенерации водных растворов технических моющих средств // Хим. пром. - 1992. - № 9. - С.7-9.

4. Ухеев Г.Ж., Хантургаев Г.А., Хантургаева Г.И. Регенерация водных растворов ТМС // Человек. Земля. Вселенная: Тез. докл. Междунар. науч.-практ. конф. - Иркутск, 1997.- С. 137.

5. A.c. № 1453671 (СССР). Мембранный аппарат / Хантургаев Г.А., Ханхунов Ю.М., Ухеев Г.Ж., Пинаев В.В., Данчинов А.К. - 1989.

6. A.c. 1637105, МКИ В 01 Д 63/08. Мембранный аппарат / Орлов Н.С., Ухеев Г.Ж., Городилов Б.М., Черенков В.И. - 2.2.11.90.

Редактор Т.А. Стороженко

Подписано в печать 2.11. 1998г. формат 60x84 1/16. Усл.п.л. 1,16, уч.-изд.л. 1,0. Тираж 120 экз. С. 137.

РИО ВСГТУ. Улан-Удэ, Ключевская, 40,а. Отпечатано в типографии ВСГТУ. Улан-Удэ, Ключевская, 42.

© ВСГТУ, 1998г.

ВОСТОЧНО-СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

УХЕЕВ ГЕННАДИЙ ЖАНЧИПОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ЛОКАЛЬНОЙ ОЧИСТКИ МАСЛОЭМУЛЬСИОННЫХ СТОЧНЫХ ВОД АВТОТРАНСПОРТНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ

Специальность 05.23.04 - Водоснабжение, канализация, строительные системы

охраны водных ресурсов

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

Научный консультант:

доктор технических наук, профессор С.С. Тимофеева

доктор технических наук, профессор Г.А. Хантургаев

Иркутск 1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..........................................................................................................4

ГЛАВА 1..............................................................................................................8

1.1. Анализ экологической ситуации в Республике Бурятия по сточным водам, содержащим поверхностно-активные

вещества и нефтепродукты......................................................................8

1.2. Характеристика водных растворов отработанных

технических моющих средств...............................................................10

1.2.1 .'Технические моющие средства (ТМС) их назначение,

состав, свойства и их влияние на окружающую среду..................10

1.2.2. Отработанные водные растворы ТМС - как устойчивая

эмульсия типа "масло-вода".............................................................13

1.3. Анализ существующих технологий очистки маслоэмульсионных сточных вод..........................................................15

1.4. Ультрафильтрация - метод очистки отработанных

растворов ТМС ......................................................................................18

1.4.1. Анализ влияния температуры, давления, концентрации

и гидродинамических факторов на процесс ультрафильтрации.... 23

1.4.2. Влияние концентрационной поляризации и пути

его снижения.....................................................................................25

1.5. Аппараты и установки для проведения процесса ультрафильтрации..................................................................................27

1.6. Выводы из литературного обзора и постановка задач исследования..........................................................................................31

ГЛАВА 2. Экспериментальная часть................................................................33

2.1. Объекты исследования............................................................................33

2.2. Метод определения ПАВ в маслоэмульсионных сточных водах..........35

2.3. Определение концентрации масла в отработанном ТМС

методом кислотного разложения...........................................................36

2.4. Описание экспериментальной установки предварительной

очистки отработанных водных растворов ТМС...................................37

2.5. Описание лабораторной ультрафильтрационной установки.................39

2.6. Описание технологической схемы установки

для изучения массоотдачи...............................:.....................................41

2.7. Оценка погрешности эксперимента.......................................................44

ГЛАВА 3. Обсуждение результатов экспериментов.........................................45

3.1 .Разработка стадии предварительной очистки отработанных

растворов ТМС..........................................................................................45

3.2. Выбор типа мембраны...............................................................................47

3.3. Влияние рабочего давления............................ ..........................................61

3.4. Влияние температуры исходной смеси...................................................62

3.5. Влияние концентрации исходной смеси.................................................62

3.6. Влияние рН.................................................................................................64

3.7. Влияние скорости вращения.....................................................................64

3.8. Методика оценки эффективности массоотдачи и влияние высоты межмембранного канала .............................................................................68

3.9. Влияние высоты межмембранного канала на эффективность массоотдачи...................................................................................................72

ГЛАВА 4. Конструкция дискового мембранного аппарата

с винтообразным движением исходной смеси................................76

4.1. Описание аппарата, его принцип действия и назначение.....................76

4.2. Расчет дискового мембранного аппарата................................................81

4.2.1. Приближенный расчет поверхности мембран.................................82

4.2.2. Секционирование мембранных элементов в аппарате...................84

4.2.3. Расчет наблюдаемой селективности.................................................89

4.2.4. Уточненный расчет поверхности мембран......................................91

4.2.5. Расчет гидравлического сопротивления и требуемого напора......91

ГЛАВА 5. Комплексная технология локальной очистки

маслоэмульсионных сточных вод.....................................................94

5.1. Технологическая схема очистки и повторного использования отработанных ТМС...................................................................................94

5.2. Технико-экономические показатели........................................................96

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ..............................................................................................101

ЛИТЕРАТУРА.....................................................................................................102

ПРИЛОЖЕНИЕ...................................................................................................115

ВВЕДЕНИЕ

Вопросы охраны окружающей среды в настоящее время приобрели важное социально-экономическое значение. В Байкальском регионе одной из ключевых экологических проблем является охрана водных ресурсов и их рациональное использование. Негативное влияние на экологическую обстановку в бассейне озера Байкал оказывают сточные воды промышленных предприятий. Эти стоки отличаются большим разнообразием по составу и высокими годовыми объемами. Только по Республике Бурятия объем сброса загрязненных сточных вод превышает 100млн.м3/год.

Особую опасность для окружающей среды представляют сточные воды с высоким содержанием поверхностно-активных веществ, нефтепродуктов, свободных и эмульгированных масел. Прямой сброс таких стоков в водоемы запрещен существующими санитарно-гигиеническими нормами. В то же время традиционные методы очистки, такие как флотация, отстаивание, коагуляция, фильтрование и другие, не удовлетворяют возросшим требованиям по обеспечению очистки воды.

Наиболее радикальным способом защиты водных объектов на современном этапе развития экономики, является создание замкнутых систем водоснабжения на уровне как отдельных производств, так и предприятий в целом. При этом очистка стоков осуществляется, как правило, комбинированными методами, включающими в себя сочетание традиционных методов разделения жидких смесей. Кроме того, из-за неравномерности в распределении загрязнений и больших расходов воды необходимо создавать локальные системы очистки отдельных стоков.

В связи с этим проводятся исследования по усовершенствованию действующих и разработке новых методов очистки сточнчх вод. Среди последних особый интерес вызывают баромембранные методы - микро-,

ультрафильтрация и обратный осмос. Они позволяют достигать высоких степеней очистки при относительно невысоком уровне затрат. Наиболее широкое распространение получил метод ультрафильтрации, как менее энергоемкий и более производительный. При этом он наименее изучен по сравнению с микрофильтрацией и обратным осмосом.

Основным недостатком метода ультрафильтрации является возникновение концентрационной поляризации, приводящий к гелеобразованию на поверхности полупроницаемой мембраны, что значительно снижает производительность. Из существующих способов борьбы с этим явлением можно выделить метод создания высоких касательных напряжений над поверхностью мембраны путем ввода разделяемой смеси в напорный канал.

Особо следует отметить технологический аспект использования баромембранных методов. Последние требуют создания и поддержания высокого рабочего давления и, следовательно, соответствующей аппаратуры, обеспечивающей герметичность, надежность, безопасность процесса. Отработке технологических режимов и созданию аппаратов было посвящено множество исследований и публикаций, однако и на современном этапе значение исследований по разработке аппаратов и режимов их работы сохранило актуальность.

Цель работы. Комплексное исследование физико-химических методов очистки и регенерации отработанных водных растворов технических моющих средств (ТМС) включающее:

- исследование влияния гидродинамических факторов и конструктивных параметров мембранных модулей на массоперенос в процессе ультрафильтрации;

- разработку технологической схемы очистки на основе традиционных и мембранных методов разделения;

- поиск конструктивного решения мембранного аппарата, направленный на снижение скорости образования осадка на поверхности мембраны;

- выбор соответствующих режимов эксплуатации и технико-экономическая оценка затрат на очистку.

Методы исследования. В работе для решения конкретных задач использовались современные физические и химические методы исследования: ИК-спектроскопия, фотоколорометрия, потенциометрия, электронная микроскопия. Результаты экспериментов обрабатывались с использованием современных компьютерных технологий.

Научная новизна. Впервые изучена возможность применения полимерных мембран для очистки использованных растворов ТМС. Исследованы особенности разделения устойчивых эмульсий типа "масло-вода", образующиеся в процессе мойки деталей, в зависимости от размеров пор полимерных мембран.

Исследована возможность использования электродиффузионного метода, основанного на электрохимических реакциях, при оценке эффективности процесса массоотдачи в мембранном модуле.

Предложены оригинальные решения стадии регенерации отработанных ТМС и конструкции мембранного аппарата. Особенностью конструкции являются дисковые фильтрующие элементы, обеспечивающие винтообразное движение потока, что существенно снижает скорость образования осадка на поверхности мембран.

Практическая значимость. Предложена технология очистки отработанных ТМС безреагентным методом на основе ультрафильтрафии. Выявлен наиболее эффективный метод предварительной очистки электрофлотация, и установлены оптимальные параметры

ультрафильтрационного разделения.

Разработана технологическая схема комбинированного узла регенерации отработанных ТМС. Данный узел входит в состав робото-технологического комплекса, предназначенного для очистки поверхностей деталей на ОАО "ГАП № 2" (г. Улан-Удэ) и испытан на реальных отработанных растворах ТМС.

Разработана конструкция дискового мембранного аппарата, защищенная авторским свидетельством (а.с. № 1637105).

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всесоюзном научно-практическом семинаре-школе "Мембранная технология в решении экологических проблем" (г. Улан-Удэ, 1990 г.), 12-й конференции болгарских аспирантов в СССР с международным участием "Актуальные проблемы современной науки - 90" (г. Москва, 1990г.), научной сессии молодых ученых Бурятского научного центра СО РАН (г. Улан-Удэ, 1993г.), Международной научно-практической конференции "Человек. Среда. Вселенная" (г. Иркутск, 1997г.).

На защиту выносятся:

- результаты экспериментальных исследований влияния внешних факторов на процесс ультрафильтрации отработанных ТМС,

разработка и расчет конструкции ультрафильтрационного аппарата с дисковыми элементами;

- расчет эффективности процесса массоотдачи в мембранном модуле;

- разработка и расчет основных технологических параметров локальной схемы очистки отработанных ТМС.

ГЛАВА 1.

1.1. Анализ экологической ситуации в Республике Бурятия по сточным водам, содержащим поверхностно-активные вещества и нефтепродукты

В последние десятилетия в регионах, относящихся к бассейну озера Байкал, сложилась крайне неблагоприятная экологическая ситуация, вызванная хозяйственной деятельностью человека. Расположенные здесь предприятия различных отраслей промышленности выбрасывают в окружающую среду отходы своего производства, которые, как правило, не отвечают строгим санитарно-гигиеническим нормам, принятым в районе озера [1-3, 5]. Несоблюдение норм объясняется прежде всего несовершенством существующих технологий очистки, обезвреживания и утилизации отходов действующих предприятий.

В Республике Бурятия местными органами управления был принят ряд дополнительных постановлений по ужесточению контроля за отходами предприятий, базирующихся в республике. Особенно остро ставится вопрос о обезвреживании сточных вод, содержащих нефтепродукты и поверхностно-активные вещества (ПАВ), поскольку большинство крупных предприятий находится по берегам реки Селенги, непосредственно впадающей в озеро Байкал [1, 2, 3]. Так, например, по принятым нормам сброса сточных вод в систему городской канализации допускается содержание в них нефтепродуктов не свыше 0,05 мг/л, а наличие ПАВ недопустимо вообще [1-3].

Основными источниками загрязнения водоемов нефтепродуктами и ПАВ являются сточные воды предприятий таких отраслей промышленности, как машино- и приборостроение, автотранспорт, радиоэлектроника, а также сточные воды предприятий переработки нефти и нефтепродуктов [1-11].

На территории Республики Бурятия осуществляют свою деятельность 15 предприятий машиностроительного комплекса, в том числе сельскохозяйственного, транспортного машиностроения, электротехнической промышленности и приборостроения. Основными природоохранными проблемами в отрасли являются: нерациональное использование водных ресурсов, загрязнение водных объектов неочищенными ливневыми водами с промплощадок предприятий и сброс недостаточно очищенных сточных вод в сети городской канализации [1].

Общий объем использованной воды в 1996 г. составил 4,7 млн.м3, в том числе - на производственные нужды - 2,55 млн.м3 (43,5 %), в системах

л

оборотного и повторно-последовательного водоснабжения - 1,359 млн.м .

о

Сброшено сточных вод - 0,12 млн.м , в том числе - 0,01 млн.м неочищенных; загрязняющих веществ - 0,035 т, на рельеф местности - 0,11 млн.м0.

Из 15 предприятий 9 осуществляют сброс сточных вод в городские канализации.

В 1996 году валовые сбросы по отрасли составили - 7,71 тыс.т. Из них твердых веществ - 2,62 тыс.т; газообразных и жидких - 5,09 тыс.т.

Системами очистки предприятий уловлено 5,84 тыс.т загрязняющих веществ (43 %).

В республике расположено 80 предприятий авто- и железнодорожного

л

транспорта. 1996 г. ими использовано 7,95 млн.м'5 исходной воды. Объем оборотного и повторно-последовательного водоснабжения составил 0,28 млн.м". Сброшено 4,09 млн.м сточных вод, причем в естественные водоемы 4,01 млн.м3 недостаточно очищенных, содержащих 1375,4 т вредных веществ.

Из общего числа транспортных предприятий большую часть (64) составляют предприятия автотранспорта. Из ■ них 51 предприятие функционирует в г.Улан-Удэ. На них имеются 7 очистных сооружений: на ПАТП-1, ПАТП-2, АО "Прима-транс", ОАО "ГАП № 2", ГАП-3, в таксопарке и

в автоколонне 1268.

Всеми этими предприятиями без исключения нарушаются требования "Условий .приема .производственных сточных вод в сети канализации г.Улан-Удэ". Причем превышение допустимых норм по взвешенным веществам составило до 1,3 раза, нефтепродуктам - от 1,5 до 20 раз.

В 1996 году валовые сбросы стационарных источников загрязнений по отрасли составили 8,78 тыс.т. На предприятиях уловлено 5,3 тыс.т загрязняющих веществ. Эффективность улова составила 38 % [1].

Значительное количество сточных вод предприятий сбрасывается в сети городской канализации в виде устойчивых водомасляных эмульсий с высоким содержанием ПАВ. Они образуются в результате обработки деталей в технологическом процессе смазочно-охлаждающими жидкостями (СОЖ) и техническими моющими средствами (ТМС). Существующие системы очистки не способны обеспечить качественное разделение эмульсий. Эта проблема, а также вопросы связанные с утилизацией жидких отходов относятся к числу нерешенных на настоящем этапе. Требуется организация и внедрение локальных очистных сооружений непосредственно в цехах предприятий, где осуществляются технологические процессы с использованием СОЖ и ТМС.

1.2. Характеристика водных растворов отработанных технических моющих средств

1.2.1. Технические моющие средства (ТМС), их назначение, состав, свойства и их влияние на окружающую среду

Пожаробезопасные технические моющие средства (ТМС) являются относительно новым достижением в области обработки различных поверхностей в промышленном производстве. Использование ТМС является

следствием возросших требований к чистоте металлических, стеклянных и некоторых полимерных твердых поверхностей на всех стадиях изготовления, монтажа, эксплуатации и ремонта деталей, сборочных единиц, агрегатов, различных машин и приборов. Чистота поверхностей достигается удалением с них минеральных и нефтяных масел и продуктов их разложения, эмульсионных охлаждающих жидкостей, консервационных смазок, паяльных флюсов, металлической пыли, абразивных веществ, содержащихся в шлифовальных, полировальных и доводочных пастах, а также других производственных и эксплуатационных загрязнений [16].

Современные способы очистки загрязненных изделий предусматривают комплексное механическое, химическое и физико-химическое возд�