автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Моделирование локальных мембранных систем очистки воды с предфильтром

ПОЛОЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

УДК 628.16.081.8 (043.3)

РГВ ОД

2 8 т 2000

ВЕГЕРА Алексей Иванович

МОДЕЛИРОВАНИЕ ЛОКАЛЬНЫХ МЕМБРАННЫХ СИСТЕМ ОЧИСТКИ ВОДЫ С ПРЕДФИЛЬТРОМ

Специальность 05.17.08 - процессы и аппараты химической

технологии

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Новополоцк 2000

Работа выполнена в Полоцком государственном университете

Научный руководитель: кандидат технических наук, до-

цент ЕЛЫИИН А.И.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор КРАСОВИЦКИЙ Ю.В.

кандидат технических наук, доцент СЕДЛУХО Ю.П.

Оппонирующая организация: Институт физико-органической

химии НАН Беларуси (г. Минск)

Защита состоится 6 апреля 2000 г. в 10 — час. на заседании совета по защите диссертаций К 02.19.01 при ПГУ (211440, г. Новополоцк, ул. Блохи-на, 29) в конференц-зале библиотеки.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ПГУ.

Автореферат разослан марта 2000 г.

Учёный секретарь совета по защите диссертаций, к.х.н., доцент

Н?6У . №ЛЪ -51

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Во многих отраслях промышленности применяется вода повышенного качества, что обеспечивается с помощью систем тонкой очистки воды. Малотоннажные установки тонкой очистки воды, в том числе с мембранными модулями, используют, как правило, в качестве исходной водопроводную воду. Взвешенные вещества, содержащиеся в водопроводной воде, негативно влияют на производительность и срок службы фильтров тонкой очистки, мембран и других сепарационных элементов, работающих по типовым схемам. В настоящее время имеется ограниченное число исследований, посвященных понижению уровня загрязненности исходной воды в малотоннажных системах тонкой очистки воды путем применения стадии предочистки. Отсутствие научно обоснованных способов дешевой и эффективной защиты установок и модулей сдерживает их применение специальными пользователями ввиду преждевременного выхода из строя сепарационных элементов.

Актуальность темы диссертации заключается в разработке и внедрении новых эффективных предфильтров дополнительной очистки воды на входе в установки локальной очистки воды, расширении области применения мембранной технологии в пищевой промышленности, медицине и быту.

Связь работы с крупными научными программами, темами:

1. Разработка и внедрение высокоэффективных селективных процессов и установок водоочистки на основе мембранных технологий. По заданию Министерства образования Республики Беларусь, выполнялась в 1998 году.

2. Разработка научных основ применения малогабаритных (1-5 м3/ч) мембранных установок в качестве энергосберегающего фактора при водо-подготовке в промышленности и коммунальном хозяйстве. Государственная программа фундаментальных исследований на 1996-2000 гг.

3. Организовать и освоить производство установок мембранной очистки воды. Региональная научно-техническая программа "Инновационное развитие Витебской области", выполняется в 2000 г.

Целью диссертационной работы является установление закономерности фильтрования водопроводной воды со сверхнормативным содержанием взвешенных веществ через мембраны и микрофильтры и разработка научных основ применения фильтроматериалов с регулярной многослойной структурой в установках тонкой очистки жидкостей для увеличения срока службы основных сепарирующих модулей систем.

Задачи исследования:

1. Определение закономерностей фильтрования водопроводной воды через мембраны и фильтры тонкой очистки при прямом подключении к водопроводной сети и разработка дополнительных средств защиты систем тонкой

очистки воды. 2. Разработка математической модели процесса фильтрования в мембранном модуле и на фильтрах с целью оптимизации технологии пре-дочистки и регенерации фильтров, а также научно обоснованного метода выбора предфильтра и сю интеграции в аппаратурно-технологическое оформление процесса очистки воды, содержащей взвешенные вещества. 3. Разработка гидравлической модели трикотажного фильтра с многослойной регулярной структурой, исследование и моделирование процесса фильтрования воды через волоконные фильтровальные материалы с текстурированными нитями. 4. Изучение способов оптимального сочетания предфильтр - мембранный модуль и предфильтр - фильтр тонкой очистки, а также разработка конструкции трикотажного фильтра и способов его интеграции в системы тонкой очистки воды.

Объект и предмет исследования:

Объектом исследования выступает водопроводная вода Республики Беларусь, где в качестве типового образца использована водопроводная вода г. Новополоцка. Предметом исследования является технология локальной предочистки водопроводной воды с целью увеличения срока службы мембранных и других систем тонкой очистки воды.

Методология и методы проведенного исследования:

1. Физико-химические и микроскопические методы анализа загрязнений водопроводной воды н структуры фильтровальных материалов. 2. Экспериментальное изучение кинетики и математическое моделирование работы мембран и предфильтра в процессах очистки водопроводной воды. 3. Математическое моделирование влияния масштаба пористой среды на извилистость, разработка математической модели отложения загрязнений в мембранном модуле и на нредфильтрах, а также гидравлической модели трикотажного фильтра и процесса фильтрования. 4. Компьютерное моделирование процессов для обработки экспериментальных данных.

Научная новизна и значимость полученных результатов:

1. Предложена математическая модель работы ультрафильтрационного (УФ) мембранного модуля в тупиковом и проточном режимах при нелинейности начального периода ультрафильтрации, основанная на масштабном изменении коэффициента извилистости. 2. Разработана гидравлическая модель трикотажных фильтров и изучена закономерность фильтрования на них водопроводной воды. Обоснована целесообразность применения трикотажного материала в качестве предфильтра в установках тонкой очистки водопроводной воды. 3. Сформулированы основные требования к предфильтрам и разработан алгоритм выбора предфильтра. 4. На основании разработанной модели, установленных критериев и методики выбора предфильтров исследованы свойства ряда фильтроматериалов на модельной суспензии и водопроводной воде и определена оптимальная структура материала предфильт-

ра. 5. Получена модель кинетики забивки и эффективности регенерации трикотажного фильтра. 6. Разработаны компьютерные программы моделирования фильтрации для обработки экспериментальных данных, а также для расчета предфильтра и показателя фильтруемости водопроводной воды до и после предфильтра.

Практическая (экономическая, социальная) значимость полученных результатов состоит в разработке и внедрении новых эффективных фильтров для дополнительной очистки воды на входе в мембранную установку. Разработанные конструкции предфильтра, позволяют эффективно совмещать его с фильтром тонкой очистки или мембранным модулем и осуществлять многократную регенерацию обратным током воды. Разработанный предфильтр обеспечивает: увеличение рабочего ресурса фильтров тонкой очистки в 1,5-4,5 раза, повышение производительности микрофильтрационного модуля в 1,5-2,5 раза в схеме предфильтр - микрофильтрационная мембрана, а в схеме предфильтр - ультрафильтрационная или обратноосмотиче-ская мембрана - на 15-20 %.

Разработаны экспресс-метод оценки качества входной воды, его программное обеспечение и модель прогнозирования параметров трикотажных фильтров, необходимых для процесса фильтрования, а также при их производстве.

Полученные в диссертации результаты внедрены на Полоцком винодельческом заводе, где была произведена модернизация обратноосмотиче-ской водоочистной установки, заключающаяся в ее оснащении системой предфильтрации на основе трикотажного фильтровального материала ПТТФ. В результате внедрения получен положительный экономический эффект.

Социальная значимость исследования состоит в удешевлении и более широком внедрении локальных систем тонкой очистки воды, особенно для нужд пищевой промышленности, медицины и быта, что повышает как качество воды, так и продукции, в производстве которой используется высокочистая вода.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1. Теоретическая и прикладная модели нестационарной кинетики ультрафильтрации, основанные на масштабном изменении коэффициента извилистости. 2. Гидравлическая модель фильтровального материала с текстуриро-ванными нитями, частным случаем которой является модель волокнистого материала. 3. Модель кинетики забивки трикотажного фильтроматериала в режиме фильтрования и разработанные рациональные условия регенерации предфильтров. 4. Алгоритм выбора эффективных предфильтров для защиты локальных систем тонкой очистки воды, работающих по схеме прямого подключения к водопроводной сети, от избыточных взвешенных веществ. 5. Конструктивное оформление и технология применения предфильтров в

системах локальной очистки водопроводной воды. 6. Методика и компьютерная программа оценки качества водопроводной воды по индексу заиливания.

Личный вклад соискателя состоит в проведении информационного поиска, экспериментальных лабораторных исследований процессов фильтрования водопроводной воды; обработке экспериментальных данных; математическом моделировании процессов очистки воды; разработке технологической схемы и аппаратурного оформления процессов, включающих стадию предочистки воды.

Апробация результатов диссертации. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях (НТК) ПГУ (г. Новополоцк, 1997-1999), IV Республиканской научной конференции студентов и аспирантов Республики Беларусь (НИРС-98) (г. Гродно,

1998), Международной НТК "Новые ресурсосберегающие технологии и улучшение экологической обстановки в легкой промышленности и машиностроении" (г. Витебск, 1998), Международной 53-й НТК профессоров, преподавателей, научных работников и аспирантов Белорусской государственной политехнической академии (г. Минск, 1999), I Международном научно-практическом конгрессе "Демографические проблемы Беларуси" (г. Минск,

1999), НТК "Проблемы научно-инновационного развития и пути их решения" (г. Витебск, 1999).

Опубликованность результатов. По результатам работы имеются 4 публикации в ведущих научно-технических журналах, опубликовано также 2 доклада, 3 тезиса докладов, 2 статьи приняты для опубликования. Общее количество страниц опубликованных материалов - 33 с.

Структура и объем диссертации. Диссертация содержит общую характеристику работы, введение, 4 главы, заключение, список литературы и приложения. Работа изложена на 162 страницах, включая 9 приложений, 22 таблицы," 75 иллюстраций. Библиография включает 219 литературных источников.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе представлен обзор научно-технической литературы по следующим направлениям: состояние качества водопроводной воды в Республике Беларусь; методы очистки (кондиционирования) воды у потребителя; применение мембранных технологий для очистки воды; проблемы, связанные с применением мембран; защита мембран от взвешенных веществ с помощью фильтров; теоретические основы фильтрации жидкости в пористой среде и через мембраны.

На основании литературного обзора сделаны следующие основные выводы: 1. Состав и содержание взвешенных веществ в водопроводной воде

различных источников водообеспечения Полоцкого региона характерны для Республики Беларусь. Это позволяет принять воды Полоцкого региона в качестве объекта исследования и, в частности, воды водопроводной сети г. Но-вополоцка. 2. Установлено, что сверхнормативное содержание взвешенных вешеств в водопроводной воде составляет 10-12 мг/л и выше и является следствием вторичного ее загрязнения в результате транспортировки к потребителям. 3. Это затрудняет использование систем очистки воды по типовым схемам и существенно ухудшает технико-экономические показатели системы тонкой очистки воды при ее прямом подключении к водопроводной сети.

4. Отсутствуют исследования, связанные с понижением уровня загрязненности исходной воды путем предочистки, для условий Республики Беларусь.

5. Ограниченное число исследований кинетики засорения мембран при прямом подключении к водопроводной сети и наличие различных типов фильтров делает необходимым разработку научных основ выбора и применения предфильтра для локальных систем очистки воды.

Вторая глава посвящена исследованию фракционного состава взвешенных веществ, работе микро- и ультрафильтрационных мембран и фильтров тонкой очистки в условиях повышенного содержания взвешенных веществ в водопроводной воде.

Исследование качества воды Полоцкого региона показало значительное превышение у потребителя содержания железа и взвешенных веществ в водопроводной воде независимо от типа источника водоснабжения и наличия централизованных систем водоподготовки, что определяется состоянием водопроводных сетей и запасно-регулирующих резервуаров.

Дисперсный состав загрязнений, по данным мониторинга водопроводной воды г. Новополоцка, носит четко выраженный бифракционный характер: тонкодисперсная фракция (размер менее 2 мкм) - 55-60 % и крупнодисперсная фракция (размер более 5 мкм) - 40-45 %. Условно его можно свести к двум фракциям взвешенных частиц: тонкодисперсные и грубодисперсные частицы. Осадки, формируемые смесями частиц с подобным соотношением размеров, обладают более низкой пористостью, а следовательно и более высоким гидравлическим сопротивлением, чем осадки из монодисперсных частиц. Вклад крупной фракции в общее сопротивление осадка составляет 40-45 %.

Экспериментально доказано, что в условиях повышенного содержания взвешенных веществ в водопроводной воде использование систем тонкой очистки воды прямого подключения требует ее дополнительной обработки.

Данная проблема может быть решена путем защиты систем тонкой очистки воды с помощью предфильтра. С этой целью выполнена серия экспериментов на установке, показанной на рис. 1.

В результате экспериментальных исследований установлено, что удаление из водопроводной воды сверхнормативного количества взвешенных ве-

ществ и сужение диапазона распределения частиц по размерам может быть эффективным средством повышения производительности мембранных процессов.

рования водопроводной воды: 1 - вход, 2 - предфильтр или фильтр тонкой очистки, 3 -мембранный модуль, 4 - слив, 5 - фильтрат, 6, 7 - краны, 8-10 - манометры.

Установлено, что в процессе ультрафильтрации водопроводной воды при отсутствии или наличии предфильтра имеет место отклонение фильтрационной характеристики от линейной зависимости в начале процесса фильтрования (рис. 2), где * - время фильтрования, с; д - удельный объем фильтрата, м3/м2. При микрофильтрации данный эффект не обнаружен. Начальный период фильтрования четко выражен при ультрафильтрации как в тупиковом, так и в перекрестном режиме фильтрования и снижает производительность мембранного модуля.

ч.XV ^м-'/м2

а б

Рис. 2. Экспериментальная (точки) и модельная (кривые) зависимости /Д/ от ц ультрафильтрации водопроводной воды: а - тупиковый режим, перепад давления Ар - 0,2 МПа; б- проточный режим, Ар = 0,1 МПа: 1 - моделирование УФ без предочистки, 2-е предо-чисткой воды на фильтровальном материале ПТТФ.

Оценка величины трансмембранного критерия Пекле для ультра- и микрофильтрации показала, что процесс переноса в формирующемся при УФ осадке носит диффузионный характер при преобладании радиальной дисперсии. Таким образом, причины нелинейности начального периода ультрафильтрования следует искать в изменении характеристик пористой среды в микро- и макромасштабе формирующегося на мембране осадка, что в наибольшей мере является следствием изменения коэффициента извилистости.

В соответствии с уравнением Козени-Кармана объемное удельное сопротивление осадка можно представить в форме

(<Р'<1т) £

где а0 - удельное объемное сопротивление осадка, м"2; к - коэффициент проницаемости пористой среды, м2; е - пористость, м3/ма; А',, - коэффициент в уравнении Козени-Кармана; Т - коэффициент извилистости; <р - фактор формы частиц осадка; с1т - средний диаметр частиц осадка, м.

Как правило, величина 7' принимается постоянной и не зависящей от масштаба пористой среды, т.е. от толщины пористого тела. Однако для большинства параметров, характеризующих случайную пористую среду, существует порог, разделяющий микро- и макропоказатели пористой среды. Путем моделирования случайного движения точки-трассера в трехмерной сетке капилляров с кубической решеткой, а также в ортоэдральной сетке в режимах градиентной диффузии и фильтрации определена плотность вероятности распределения извилистости, которая в области макромасштаба представляет собой смещенное нормальное распределение, что может служить дополнительным признаком представительного размера пористой среды.

Результаты численного моделирования показали, что извилистость пор осадка в тонких слоях выше средней величины для некоторой области толщины осадка, попадающей в микромасштабную область. Превышение осред-ненной извилистости /(-)= (Т /Тт)-\ (где - средняя извилистость на макроуровне; Т - текущее значение извилистости; г - условная толщина пористой среды) является причиной повышенного гидравлического сопротивления осадка, формирующегося на начальной стадии ультрафильтрации воды, когда извилистость отклоняется от средней в виде флуктуаций на 50-100 %.

Получено модельное уравнение нелинейной кинетики ульрафильтро-вания с учетом формулы удельного сопротивления осадка (1) и того, что изменение прироста извилистости, как и в модели, описывается экспоненциальной функцией вероятности /(г)

1 = [

I -схр

,-М.

■+ ^ ® Ар

где - коэффициент динамической вязкости жидкости, Па с; х„ - отношение объема осадка к объему фильтрата, м3/м3; 1<т - сопротивление мембраны, м'1; х ~ коэффициент пропорциональности. В выражении (2) функция в квадратных скобках представляет собой дополнительное сопротивление, вносимое первыми слоями осадка за счет превышения микроизвилистости над макроизвилистостью. Все константы модели определяются из результатов ультрафильтрования или путем физических измерений. Комплекс (х,,с1)1(х^ = М =5 соответствует безразмерной толщине осадка, где - толщина осадка, - г» ~ характерный масштаб извилистости пор, за-

висящий от эквивалентного диаметра частиц осадка (¡п. Коэффициент х рассчитывается как X = хач' при условии, что безразмерная толщина

осадка г = 5 (установлена на основании моделирования) соответствует переходу к линейному режиму фильтрования, а соответствующий этому переходу удельный объем фильтрата ц' определен с помощью фильтрационной характеристики t|q — q. Результаты расчета ультрафильтрационных характеристик для тупикового и проточного режимов фильтрования воды на основе модели (2) показаны на рис. 2 и хорошо коррелируют с экспериментальными данными.

Согласно модели (2), уменьшить продолжительность нелинейного периода ультрафилырации воды возможно путем увеличения среднего диаметра частиц загрязнений к/или снижения концентрации твердой фазы в воде, хе. Поскольку увеличение производительности ультрафпльтрации путем увеличения среднего размера частиц за счет коагуляции или флокуляции неприемлемо, то основным контролируемым параметром становится отношение объема осадка к объему фильтрата. Данное условие выполняется, если вода проходит дополнительную стадию фильтрования.

Третья глава посвящена выбору критерия оценки фильтрационных свойств водопроводной воды, а также исследованию и выбору фильтровального материала для дополнительной очистки воды перед подачей в систему тонкой очистки.

Ввиду низхой концентрации взвешенных веществ в водопроводной воде эффективность фильтрования контролировалась по интегральному показателю - индексу заиливания (Я , %-мин"1), суммирующему концентрационные и фильтровальные свойства дисперсной фазы, присутствующей в воде: где /, - время фильтрования объема V,, с; - время

фильтрования объема уг, с; ЛТ=15 мин - время, прошедшее между началом первого и второго замеров, и определяемому в стандартных условиях на стандартной мембране. Концепция индекса заиливания была развита для случаев нелинейных фильтрационных характеристик воды, когда Л/, = Мт и Л/, >М, где М = (//а,,*,)/(2/1/>), и Мт - значения коэффициента, включающего удельное сопротивление осадка в моменты времени / и ЛТ соответственно. В случае, когда сопротивление мембраны постоянно, обобщенная формула индекса заиливания запишется

И = 1-

М^+Ыд,

(А/ - Мт >/г: + 2Мдтд, + Мц\ + Щх

100 ЛТ '

(3)

где Л', и Ит - коэффициенты, включающие сопротивление мембраны, // = Л', = Nт (для микрофильтра с диаметром пор 0,45 микрон //=50-100 с/м); ¡7, =0,37 „V для объема фильтрата 500 мл с площади фильтрования 1350

2; йг = {]Ытг+4Мт-ЛТ - /V, )/2Л</г .

Результаты моделирования показали не учитываемый ранее факт, что индекс заиливания отражает не только фильтруемость суспензии, но и закономерность протекания процесса фильтрования.

В соответствии с моделью (3) нелинейность начального периода фильтрования оказывает влияние на /7 в сторону его увеличения (рис. 3, серия точек 2 и 3, кривые б и 7). Фильтрационные свойства воды могут быть улучшены путем сокращения начального периода фильтрования и уменьшения концентрации взвешенных веществ (кривые 4, 8 и 11).

- • - -

5 6 , -' —

• 1 _7

■ / • 2 ---8

' 11 ' 3 ---9

4 ---10

-5 ---11

-6

М, с/м

Рис. 3. Зависимость Я7 от параметра М. Точками на диаграмме нанесены значения индекса заиливания, полученные экспериментальным путем для мембран МННроге и Ое1шап: 1 - ПТГФ + Ое1тап; 2 - Се1тап; 3 - МЛI¡роге Кривые представляют собой зависимость /•7 от свойств осадка А/, при условии Л/, = Мт и Л/, 2 М : 4, 8 - А/, = М = Мт; 5, 9 -М = \0МХ; б, 10-Л/= 2ЛГ,;7, 1 [- М = 1.1М,. Кривые 4-7: Л'=50 с/м; 8-11: ЛГ = 100с/м.

мм

На основании анализа результатов теоретических и экспериментальных исследований сформулированы основные требования к предфильтрам. Выбор оптимального предфильтра представляет собой многопараметрическую задачу, согласно которой предфильтр должен удовлетворять определенной сумме требований.

Данная задача представляет собой ряд последовательных приближений в поиске компромиссного решения. Разработан алгоритм выбора предфильтра в виде последовательного решения ряда задач.

На первом этапе, исходя из консолидированного критерия для предварительной оценки фильтровальных материалов, а также требований к их физико-химическим свойствам, отбирается группа материалов для исследований на возможность применения в качестве предфильтра. На втором этапе сравниваются проницаемость к и размер пор выбранных фильтроматериалов и определяется область компромиссных значений к и г/ , в которой находятся фильтроматериалы, наиболее приемлемые для использования в качестве предфильтра. Далее на этапе 3 фильтровальные материалы оцениваются по таким параметрам, полученным на модельной суспензии и реальном продукте, как проницаемость, средний размер пор, гидравлическое сопротивление, стоимость, грязеемкость, средняя производительность, регенерируемость, снижение индекса заиливания и др. Затем следует ранжирование показателей по балльной системе и определяется группа фильтровальных материалов с наибольшей суммой баллов, из которых делается предварительный выбор типа фильтровального материала для испытаний в реальном масштабе времени и в реальных условиях процесса. Заключительный этап - окончательный выбор фильтровального материала предфильтра, разработка способа применения и конструкции предфильтра.

Руководствуясь данным алгоритмом, из различных категорий фильтровальных материалов отобрали следующие типы материалов, производимых в РБ: 1) глубинные фильтры производства Гомельского института механики металлополимерных систем им. В.А. Белого, получаемые из термопластичных полимерных материалов (Гомель-нетканый материал (ГН), Гомель-патрон (ГП) - материал полиэтилен); 2) поверхностные фильтры - полиэфирные сетки БГУ и БГУ-2, хлопчатобумажный тканевый фильтр Бельтинг, а также фильтровальная бумага типа синяя и белая лента с диаметрами пор до 5 мкм и 10-20 мкм соответственно; 3) многослойный трикотажный материал "ПТТФ, структура которого слагается из текстурированных лавсановых волокон, упакованных посредством их провязки. Согласно описанному выше алгоритму материалы типа ПТТФ набрали максимальную сумму баллов.

Сравнительное исследование свойств названных выше фильтроматериалов на модельной суспензии и водопроводной воде подтвердило, что наибо-

лее подходящим материалом для предфильтра является трикотажный материал типа ПТТФ, который снижает индекс заиливания воды, поступающей в мембранную ячейку, с 5 до 3,5 единиц, обладает высокой проницаемостью и хорошей регенерируемостью.

Для выбора оптимального фильтроматериала из широкой гаммы ПТТФ с учетом особенностей структуры пористого материала, вызванных гофрировкой волокон, разработана гидравлическая модель материала ПТТФ, в соответствии с которой проницаемость к материала описывается уравнением

к =

<р2-с1] ■£

16-к„-г-'

(4)

где (р - фактор формы волокон; с/, = О - эквивалентный диаметр пор, О = 2- 0,691 ¡Лл, - ; <1у - диаметр моноволокна; Л; = /?„ /[(яг/,1 /4)- Г • ртат ] - число волокон в единичной площади поперечного сечения пористой среды; цг = 12,54 • 10д - фактор формы пор фильтровального материала; />„ - объемная плотность фильтровального материала; 1\ - коэффициент упаковки волокон; - объемная плотность нити; е = А ■ ехр(- ■ 1\/) - пористость фильтровального материала; А - нормировочный коэффициент; Г -извилистость поровых каналов фильтровального материала.

Предложенная модель хорошо согласуется с гидравлическими свойствами двенадцати различных видов трикотажных полотна ПТТФ. Рассчитанные модельные и экспериментальные значения к этих материалов представлены на рис. 4 в сравнении с некоторыми моделями нетканых волокнистых материалов. Модель (4) подтверждает важное достоинство ПТТФ - низкое гидравлическое сопротивление при высокой плотности материала. Частным случаем предложенной модели является модель волокнистого материала с прямолинейными волокнами (У, =1), примененная в данных исследованиях к нетканому фильтровальному материалу ГН с прямолинейными волокнами.

Рис. 4. Зависимость проницаемости ПТТФ от объемной плотности полотна. Точками на графике представлены экспериментальные данные. Кривая 1 представляет расчетные значения по предложенной модели. Кривые 2-4 рассчитаны по другим моделям волокнистых материалов: 2 — модель Джонстона; 3 - модель Козени-Кармана; 4 — модель Девиса

Модель позволяет прогнозировать такие свойства трикотажного фильтра, как к, е и />„ в зависимости от текстуровки, диаметра волокна и пригодна для выбора предфильтра, а также может служить основой для разработки новых фильтрующих материалов с заранее заданными свойствами. В качестве предфильтра наиболее предпочтительным является фильтровальное полотно ПТТФ 36.0.15, которое выбрано для дальнейших исследований.

В четвертой главе для изучения совместной работы трикотажного предфильтра с последующими элементами систем тонкой очистки воды проведены исследования работы системы лредфильтр - фильтр тонкой очистки и предфильтр - мембрана.

Фильтрованная через материал ПТТФ вода имеет среднее значение /7=3 и обладает более стабильными свойствами. Например (рис. 3), вариация показателя М для исходной воды лежит в диапазоне 6,4 - 102 с/м2, т.е. изменяется в 15,9 раза, тогда как фильтрование воды через ПТТФ уменьшает его среднее значение и диапазон вариации М до 5,7 - 9,5 с/м2 (1,7 раза). Разработана компьютерная программа расчета индексов заиливания П водопроводной воды до и после предфильтра.

Эффективность применения трикотажного фильтра оценивалась по приросту средней удельной производительности мембраны или фильтра тонкой очистки q/t: ¿ = {4,/!, -д,,/^)!^^/!,,), где д0 и - удельный объем фильтрата соответственно без предочистки водопроводной воды и с применением предфильтра, м3/м2; /0 и - соответственно время фильтрования без предочистки воды и при использовании предфильтра, с. Зависимость обратной средней скорости фильтрования водопроводной воды г/</ на фильтрах тонкой очистки, защищенных и не защищенных предфильтром ПТТФ, от ц представлена на рис. 5 и имеет вид <?// = а • ехр(- ¿г/), где а = - начальная скорость фильтрования, м/с; Ь - коэффициент, характеризующий интенсивность падения пропускной способности фильтра.

Рис. 5. Зависимость обратной средней скорости фильтрования водопроводной воды //<? на фильтрах тонкой очистки, защищенных и не защищенных предфильтром ПТТФ, от <7 при /Ир =0,2 МПа. I - синяя лента; 2 - ПТТФ + синяя лента, 3 - белая лента; 4 - ПТТФ + белая лента.

1.М3/«2

При вариации начальной скорости фильтрования в пределах ошибки измерения Ь уменьшился в 1,6 раза для фильтра синяя лента и в 2,35 раза для фильтра белая лента. Основываясь на этих результатах установили, что снижение концентрации взвешенных вешеств в воде с помощью предфильтра позволяет увеличить экономическую эффективность использования фильтров тонкой очистки в раз, где ЬГ1 и Ьг - значение коэффициента Ь соответственно без предочистки водопроводной воды и с применением предфильтра.

Исследование работы системы предфильтр - мембрана проводилось для микрофильтрационной мембраны МИФИЛ (средний диаметр пор 0,1 мкм) и ультрафильтрационной мембраны МИФИЛ ПА-20 (средний диаметр пор 0,03 мкм). В ходе экспериментов с микрофильтрационной мембраной дополнительно исследовались в качестве возможных предфильтров материалы Бельтинг и ГН, а также режим проточного фильтрования при наличии фильтров тонкой очистки (рис. 6 а).

Ч, м!/мг ч, Лм2

а б

Рис. 6. Средняя удельная производительность № фильтрования водопроводной воды, прошедшей предочистку на различных предфильтрах, на проточной мембранной ячейке в зависимости от полученного удельного объема фильтрата д. Перепад давления 0,1 МПа а - микрофильтрационная мембрана (МФ): 1 - МФ (тупиковый режим); 2 - МФ; 3 - ГН + МФ, 4 - синяя лента + МФ; 5 - белая лента + МФ; б - Бельтинг + МФ; 7 - ГТТТФ + МФ; б - ультрафильтрационная мембрана: 1 - УФ; 2 - снняя лента + УФ; 3 - ПТТФ + УФ. Скорость тангенциального течения над мембраной 0,3-0,5 м/с.

На рис. 6 представлены осредненные экспериментальные результаты фильтрования водопроводной воды на проточной мембранной ячейке без предочистки и с предочисткой на различных фильтровальных материалах.

Удаление с помощью разработанного предфильтра крупнодисперсных частиц позволяет при индексе заиливания исходной воды Я-/ > 5 достичь увеличения рабочего ресурса фильтров тонкой очистки в 1,5-4,5 раза, повышения производительности МФ модуля в 1,5-2,5 раза, уменьшения продол-

жительности нелинейного периода фильтрования УФ модуля (с увеличением его производительности на 15-20 %).

Исследование регенерации материала ПТТФ 36.0.15 позволило получить модель кинетики забивки трикотажного фильтроматериала в режиме фильтрования и разработать рациональные условия его циклической регенерации путем периодической промывки обратным током фильтрата (рис. 7). При многократном повторении цикла фильтрование - регенерация сопротивление фильтровальной перегородки зависит от числа циклов п .ц^ = /?о ■ л0'6,

где До =1766,3 106 м-1.

регенерата химтесхим способом

ТчГ

3000 4000 5000 Ч, МЗ/М2

Рис. 7. Пример зависимости скорости фильтрования водопроводной воды 17// от удельного объема фильтрата q через фильтр ПТТФ 36 0.15.

Наибольшую производительность фильтра можно охарактеризовать условной средней скоростью фильтрования которая при п циклов работы предфильтра с заключительной химической обработкой равна

^ = (<?" Щ.г + " + ) (5)

где ц - полученный удельный объем фильтрата за п циклов фильтрования; тю - продолжительность фильтрования; - продолжительность операции химической обработки фильтра; г - продолжительность операции регенерации фильтра; ц„р - удельный объем фильтрата для регенерации фильтра обратным током.

Процесс фильтрования через ПТТФ подчиняется закону фильтрования с постепенным закупориванием пор, а условная скорость фильтрования на предфильтре в зависимости от числа циклов фильтрования п имеет вид

(6)

Выполнена экономическая оптимизация процесса фильтрования с учетом наибольшей целесообразной продолжительности работы фильтра до его промывки. Установлено, что экономически наиболее выгодная продолжительность работы ПТТФ до промывки совпадает с рабочим циклом мембран-

ного модуля, т.е. промывку предфильтра целесообразно выполнять одновременно с промывкой мембранных модулей.

Скорость промывки для безнасосных систем определяется напором водопроводной сети и принята равной 0,05-0,06 м/с при оптимальном времени промывки 5 минут. Таким образом, регенерация проводится одновременно с промывкой мембран либо при уменьшении производительности предфильтра до 30 % от первоначальной. После регенерации производительность предфильтра составляет 65 % от производительности нового предфильтра. Химическая обработка восстанавливает производительность ПТТФ до 80 % от первоначальной. Ресурс предфильтра из ПТТФ 36.0.15 до химической регенерации оценен в 6000 м3 водопроводной воды на 1 м2 поверхности фильтрования при концентрации взвешенных веществ в воде на уровне 10-12 мг/л.

В соответствии с полученными результатами, в зависимости от качества исходной воды предлагается усовершенствование существующих схем локальной водоподготовки для специализированных целей путем включения стадия предварительной фильтрации.

Предложены способы совмещения процессов тонкой очистки воды на патронных фильтрах с процессом предфильтрации. Разработаны варианты патронных фильтров, позволяющие конструктивно совмещать предфильтр с фильтром тонкой очистки без переделки корпуса фильтра.

При необходимости периодической регенерации предфильтра обратным током воды предлагается модернизация корпусов патронных фильтров, выпускающихся большинством фирм, производящих патронные фильтры (рис. 8). Данное решение, как показали предыдущие исследования, позволит в 1,5 -4,5 раза увеличить рабочий ресурс фильтров тонкой очистки и соответственно снизить стоимость процесса очистки.

-г 4,

Вход

промывно й ™ оч истху

ЖИЛ КОС 1 и (выход промывной

Вход воды на

А-А

Рис. 8. Схема патронного фильтра 1 с корпусом 2, 3, защищенного предфильтром 4 и возможностью регенерации предфильтра обратным током.

жидкости)

Разработанная автономная ступень предфильтрации внедрена на Полоцком винодельческом заводе, где была произведена модернизация обратноос-мотической водоочистной установки путем ее оснащения системой предфильтрации. При сохранении прежнего гидродинамического режима включение в состав установки блока предфильтрации увеличило мсжрегенераци-онный период установки на 15-20 % без увеличения энергозатрат. В результате внедрения получен положительный экономический эффект.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Обоснована и внедрена система выбора эффективных предфильтров для защиты локальных систем тонкой очистки воды, работающих по схеме прямого подключения к водопроводной сети. Удаление с помощью разработанного предфильтра крупнодисперсной фракции взвешенных веществ позволяет при индексе заиливания исходной воды Я > 5 достичь увеличения рабочего ресурса фильтров тонкой очистки в 1,5-4,5 раза; в схеме пред-фильтр - микрофильтрационная мембрана — повышения производительности микрофильтрационного модуля в 1,5-2,5 раза; в схеме предфильтр -ультрафильтрационная мембрана —- уменьшения продолжительности нелинейного периода фильтрования ультрафильтрационного модуля с повышением производительности модуля на 15-20% и соответственно снижения стоимости процесса очистки [3, 7].

2. Разработана новая теоретическая и прикладная модель нестационарной фазы кинетики ультрафильтрации, основанная на масштабном изменении коэффициента извилистости. Впервые исследовано поведение локального и среднего коэффициента извилистости в трехмерной капиллярной решетке для режимов градиентной диффузии и конвективного (фильтрационного) переноса. Установлено наличие в пористых слоях осадка микро- и макромасштабов коэффициента извилистости и их влияние на возникновение начального нелинейного периода ультрафильтрования [1,3].

3. Сформулированы основные требования к предфильтрам. Установлено, что в качестве предфильтров для мембран и фильтров тонкой очистки, работающих по схеме прямого подключения к водопроводной сети, необходимо использовать материалы, обладающие высоким соотношением эффективности фильтрования и стоимости единицы проницаемости фильтромате-риала, высокой грязеемкостью, химической стойкостью, низким гидравлическим сопротивлением и пригодностью к многократной регенерации. Разработан алгоритм выбора предфильтра, на основании которого в качестве предфильтра выбраны многослойные трикотажные материалы типа ПТТФ из тек-стурированных лавсановых волокон, упакованных посредством их провязки. Фильтровальные материалы такого типа производятся на экспериментально-

опытном предприятии ВГТУ (ЭОП ВГТУ), г. Витебск, с использованием в качестве сырья волокон, производимых в Республике Беларусь [4, 5].

4. Впервые разработана гидравлическая модель трикотажного фильтровального материала с текстурированными нитями, частным случаем которой является модель волокнистого материала. Модель позволяет прогнозировать свойства трикотажного фильтра (диапазон: проницаемость 1 -10'12-10-10"12 м2, средний и максимальный размер пор, пористость 0,47-0,60) в зависимости от объемной плотности материала 560-740 кг/м\ текстуровки, диаметра волокна и пригодна для выбора предфильтра, а также разработки новых фильтрующих материалов с заранее заданными свойствами [2].

5. На основании модели, установленных в диссертации критериев выбора предфильтра и исследования свойств ряда фильтроматериалов на модельной суспензни и водопроводной воде определена оптимальная структура фильтрсматериала, которой соответствует материал ПТТФ 36.0.15. Для данного материала разработаны конструкции предфильтра, позволяющие совмещать его с фильтром тонкой очистки или мембранным модулем и осуществлять многократную регенерацию обратным током воды. Разработаны конструкция и технология применения предфильтров для систем локальной очистки водопроводной воды с целью увеличения срока службы данных систем (см. п. 1) [2].

6. Впервые получена полуэмпирическая модель кинетики забивки трикотажного фильтроматериала при фильтровании водопроводной воды и разработаны рациональные условия регенерации систем предфильтрации, включая циклическую регенерацию фильтра обратной промывкой водой и его химическую регенерацию. Регенерация предфильтра проводится при снижении производительности до 25-30 % от первоначальной, скорость обратной промывки 0,05-0,06 м/с, время промывки 4-6 мин [6, 9].

7. Разработаны компьютерные программы для обработки экспериментальных данных и моделирования ультрафильтрации воды на мембране при нелинейном законе фильтрации, а также для расчета рабочего ресурса предфильтра. Разработана программа расчета показателя фильтруемости водопроводной воды до и после предфильтра и определена кинетика изменения этого показателя после стадии предварительной фильтрации.

8. Экологичность метода заключается в расширении области применения локальных систем тонкой очистки на воды со сверхнормативным содержанием взвешенных веществ при минимальных дополнительных затратах. Эффективность предлагаемого аппаратурно-технологнческого решения защиты систем тонкой очистки и дорогостоящих мембранных элементов (стоимость мембранного обратноосмотического элемента производительностью 0,8 м'/ч составляет 150-300 долларов США) заключается в их защите дешевым фильтровальным материалом стоимостью 5 долларов США за квад-

ратный метр с длительным сроком службы и низким уровнем затрат энергии на единицу массы задержанного вещества. Ступень предфильтрации совместима с системой тонкой очистки воды любой производительности, включая бытовые установки [3, 8].

9. Разработанная ступень предфильтрации внедрена на Полоцком винодельческом заводе, где была произведена модернизация обратноосмотиче-ской водоочистной установки путем ее оснащения системой предфильтрации. При сохранении прежнего гидродинамического режима блок предфильтрации позволил увеличить межрегенерационный период установки на 15 % без увеличения энергозатрат. Рабочий ресурс предфильтра до химической регенерации составил 6000 м3/м2. Результаты исследований нашли отражение при разработке региональной научно-технической программы "Инновационное развитие Витебской области" в направлении "Организовать и освоить производство установок мембранной очистки воды". При этом предполагается создание эффективных мембранных систем тонкой очистки воды для пищевой промышленности Витебской области в объеме 10 установок в год [9].

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи:

1. Вегера А.И., Ельшин А.И., Волков В.К. Моделирование влияния масштаба пористой среды на извилистость // Изв. вузов. Химия и химическая технология. - 1999. - Т. 42, Вып. 5. - С. 101-106.

2. Ельшин А.И., Вегера А.И., Петрова В.А. Гидравлическая модель трикотажных фильтровальных материалов ПТТФ // Материалы, технологии, инструменты. - 1999. 4. - С.31-36.

3. Ельшин А.И., Вегера А.И. Очистка водопроводной воды с использованием системы: предфильтр - проточная мембранная ячейка // Dccui Акад. навук Беларусь Сер. xiM. навук. - 2000. - № 1. - С. 124-128.

4. Ельшин А.И., Вегера А.И. Сопоставительный анализ фильтровальных материалов // Материалы, технологии, инструменты. - 5. - 2000. - № 2.

г Доклады:

5. Применение трикотажных материалов ПТТФ в технологии обезвоживания железосодержащих шламов / Волков В.К., Вегера А.И., Галушков П.А., Петрова В.А. // Новые ресурсосберегающие технологии и улучшение экологической обстановки в легкой промышленности и машиностроении: Сборник докладов межд. науч.-техн. конф., Витебск, 10-11 нояб. 1998 г. / ВГТУ. - Витебск: 1998.-С. 282-283.

6. Волков В.К., Вегера А.И., Жаркова О.Н. и др. Применение трикотажных

материалов ПТТФ в качестве предфильтров в мембранных установках // Новые ресурсосберегающие технологии и улучшение экологической обстановки в легкой промышленности и машиностроении'. Сборник докладов межд. науч.-техн. конф., Витебск, 10-11 нояб. 1998 г. / ВГТУ. - Витебск: 1998. - С. 284-285.

Тезисы докладов:

7. Исследование работы системы предфильтр-мембрана / Вегера А.И., Волков В.К., Ельшин А.И., Жаркова О.Н. // Материалы докладов Международной 53-й науч.-техн. конф. профессоров, преподавателей, научных работников и аспирантов Белорусской государственной политехнической академии, Минск, 2-6 февр. 1999 г. / БГПА. - Минск: 1999. ч.З,-С. 122.

8. Вегера А.И., Волков В.К., Жаркова О.Н. и др. Проблемы качества питьевой воды // Дэмаграф1чныя праблемы Беларуси Материалы Первого Международного конгресса, секция "Эколого-демографическая зависимость: состояние и проблемы", 17-20 марта 1999 г. / Информационно-рекламная служба "1SK". - Минск: 1999.-С. 15-16.

9. Перспективы применения мембранных процессов в водоочистных технологиях / Волков В.К., Попок H.H., Вегера А.И., Жаркова О.Н. // Проблемы научно-инновационного развития и пути их решения: Сборник докладов, науч.-техн. конф., Витебск, апрель 1999 г. - Минск: НИЭИ Минэкономики РБ, 1999.-С. 55-57.

РЭЗЮМЕ ВЕГЕРА Аляксен 1ванав!ч

МАДЭЛ1РАВАННЕ ЛАКАЛЬНЫХ МЕМБРАННЫХ С1СТЭМ АЧЫСТК1 ВАДЫ 3 ПЕРАДФ1ЛБТРАМ

Ачыстка вады, перадфшьтрацыя, мадэл!раванне, мембранныя сютэмы, с1стэмы тонкай ачыстю, фшьтравальныя матэрыялы, трыкатажны фшьтр, рэ-генерацыя, канструкцыя фшьтра.

У дысертацыйнай працы разгледжаны пытанш тэхналогн лакальнай перадачыстю вады з мэтай павел1чэння тэрмшу службы мембранных с1стэм i друпх cicraM тонкай ачыстю. Абгрунтавана i даследавана Ыстэма выбару эфектыуных перадфшьтрау для засцяроп ад суспензаваных рэчывау лакаль-ных cicT3M тонкай ачыстю вады, ямя працуюць па схеме прамога падклю-чэння да водаправоднай сети. Прапаноуваецца новая тэарэтычная i прыклад-ная мадэль нестацыянарнай фазы кшэтьш ультрафшьтрацьп, якая заснавана на маштабным змянсшп каэфщыента звшстасщ. Распрацаваны навуковыя асновы прымянення трыкатажных фшьтраматэрыялау ва установках тонкай a4bicTKi вадкасцяу з мэтай павел1чэння тэрмшу службы асноуных сепары-руючых модулей сютэм. Выдаленне з дапамогай распрацаванага перад-

фшьтра буйнадысперснай фракцъп суспензаваных рэчывау дае магчымасць дасягнуць павел1чэння працоунага рэсурсу фшьтрау тонкай ачыстю у 1,5-4,5 раза; у схеме перадфшьтр - мжрафшьтрацыйная мембрана - павышэння пра-дукцыйнасш м1краф|'льтрацыйнага модуля у 1,5-2,5 разы; у схеме перад-фшьтр - улырафтырацыйная мембрана - змяншэння працягласщ не-лшейнага псрыяду фтьтравання ультрафшьграцыйнага модуля, павышэння у сувяз|' з гэтым прадукцыйнасш модуля на 15-20 % ) адпаведна зшжэння кошту працэса ачысткг Распрацаваны канструкцьн 1 тэхналогн прымянення пе-радфшьтрау для с1стэм лакальнай ачыстю водаправоднай вады, укараненыя на Полацмм вшаробным заводзе.

РЕЗЮМЕ ВЕГЕРА Алексей Иванович

МОДЕЛИРОВАНИЕ ЛОКАЛЬНЫХ МЕМБРАННЫХ СИСТЕМ ОЧИСТКИ ВОДЫ С ПРЕДФИЛЬТРОМ

Очистка воды, предфильтрация, моделирование, мембранные системы, системы тонкой очистки, фильтровальные материалы, трикотажный фильтр, регенерация, конструкция фильтра.

В диссертационной работе рассмотрены вопросы технологии локальной предочистки воды с целью увеличения срока службы мембранных систем и других систем тонкой очистки. Обоснована и исследована система выбора эффективных предфильтров для защиты от взвешенных веществ локальных систем тонкой очистки воды, работающих по схеме прямого подключения к водопроводной сети. Предложена новая теоретическая и прикладная модель нестационарной фазы кинетики ультрафильтрации, основанная на масштабном изменении коэффициента извилистости. Разработаны научные основы применения трикотажных фильтроматериалов в установках тонкой очистки жидкостей с целью увеличения срока службы основных сепарирующих модулей систем. Удаление с помощью разработанного предфильтра крупнодисперсной фракции взвешенных веществ позволяет достичь увеличения рабочего ресурса фильтров тонкой очистки в 1,5-4,5 раза; в схеме предфильтр -микрофильтрационная мембрана - повышения производительности микрофильтрационного модуля в 1,5-2,5 раза; в схеме предфильтр - ультрафильтрационная мембрана - уменьшения продолжительности нелинейного периода фильтрования ультрафильтрационного модуля, повышения за счет этого производительности модуля на 15-20 % и соответственно снижения стоимости процесса очистки. Разработаны конструкции и технология применения предфильтров для систем локальной очистки водопроводной водь;, внедренные на Полоцком винодельческом заводе.

SUMMARY VEGERA Alexei Ivanovich MEMBRANE SYSTEMS SIMULATION FOR LOCAL TAP WATER TREATMENT WITH A PRE-FILTER

Water treatment, pre-filtering, simulation, membrane systems, system of fine purification, filtering media, knitted fabric filter, regeneration, filter design.

Know-how of local water pre-treatment has been considered to increase bearing life of membrane and other fine purification systems. A system of selecting effective pre-filters has been investigated and justified to protect local system of water fine purification against suspended solids, the local systems operating according to the scheme of direct linking with running water mains. A new theoretical and applied model of unsteady state in ultrafiltration kinetics has been proposed based on a scaled variation of tortuous ratio. Scientific foundation for the use of knitted fabric filtering media in plants for fine purification of liquids has been worked out to increase life-in-service of the separating systems modules. Removal of coarse dispersed fractions of suspended solids with the help of a pre-filter allows to increase service life of filters for fine purification by 1,5 to 4,5 times. In the pre-filter / microfiltration membrane scheme the increase of microfiltration module is by 1,5 to 2,5 times. In the scheme of pre-filter / ultrafiltration membrane it brings about decrease of nonlinear period filtration of the ultrafiltration module, with in its turn admits increase of module productivity by 15-20% and, accordingly, brings about reduction of treatment cost. Construction and know-how haw been worked out to use the filters in systems for local running water treatment, which have been applied at Polotsk wine-making plant.