автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Разделение многокомпонентных водных растворов электролитов обратным осмосом

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА. I. Литературный обзор

1.1. Состояние проблемы разделения многокомпонентных растворов обратным осмосом

1.2. Основные закономерности разделения электролитов обратным осмосом

1.3. Вопросы разделения многокомпонентных растворов

1.4. Влияние внешних факторов на характеристики разделения

1.5. Выводы из литературного обзора

ГЛАВА П. Экспериментальная часть

П.1. Описание лабораторной установки

П.2. Использованные мембраны и исследуемые растворы

П.З. Методика проведения экспериментов и анализов

П.4. Точность эксперимента

ГЛАВА Ш. Результаты экспериментов и их обсуждение

Ш.1. Качественный анализ влияния состава и природы растворенных веществ на параметры разделения 48 Ш.2. Разработка теоретической модели процесса разделения многокомпонентных растворов 52 Ш.З. Влияние температуры и рН на селективность мембраны в многокомпонентных системах

Ш.4. Определение коэффициентов, необходимых для расчета селективности мембран промышленного производства

ГЛАВА 17, Методика и пример расчета процесса разделения многокомпонентных растворов электролитов обратным осмосом

17.1. Методика расчета

17.2, Пример расчета 83 1У.З. Точность методики

ВЫВОДЫ

n Пресная вода - это ограниченный ресурс нашей планеты и одной из важнейших проблем современной цивилизации является необходимость найти эффективные способы ее очистки.

Из общего количества воды на земле только 2,5$ является пресной, а из неё 25% находится на северном и южном полюсах / I ^

В Мексике проблема воды очень остра, особенно на севере страны, где живёт 60 % населения, а находится только 12% водных ресурсов. В тоже время, максимальная территория расположена между двумя большими океанами (Тихий и Атлантический), из которых можно было бы брать неограниченное количество воды, если иметь эффективные методы опреснения. В настоящее время в Мексиканских институтах проводятся исследования по обессоливанию воды разными методами, такими как дистилляция, выпаривание, электродиализ и обратный осмос. Из этих методов обратный осмос показал своё преимущество над другими, особенно при обессоливании солоноватых вод.

В настоящее время в Мексике производятся обратноосмотичее-кие установки, у которых фильтрующий элемент содержит ацетатцел-люлозную мембрану зарубежного производства, а параллельно проводятся опыты с отечественными мембранами. Процесс обратного осмоса широко изучен, в мировой литературе имеется ряд монографий / 2-10 /, в которых представлены основные теории и закономерности мембранного разделения жидких смесей. Накопленные знания позволяют, например, предсказать результат разделения индивидуальных растворов электролитов, исходя из паспортных характеристик мембран. Это позволяет осуществлять расчет данной установки без необходимости проведения эксперимента /II /. Однако при разделении многокомпонентных растворов электролитов селективность мембраны по каждому компоненту становится непредсказуемой, и до настоящего времени отсутствует методика, позволяющая осуществлять её расчет. Б то же время, на практике чаще всего приходится встречаться с многокомпонентными системами, для которых, как будет показано далее, селективность по данному компоненту может сильно отличаться от её значения в индивидуальном растворе.

При таких обстоятельствах расчет аппарата для разделения данной смеси нуждается в осуществлении эксперимента. Ситуация осложняется, если состав исходного раствора постоянно меняется, как может происходить для случая сточных вод.

Ввиду этого главной целью настоящей работы явилась разработка методики, позволяющей рассчитать селективность по каждому компоненту в смеси электролитов, исходя из известных величин селективности в индивидуальных растворах (и в конечном счете, исходя из паспортных характеристик мембран).

Работа выполнена на кафедре процессов и аппаратов химической технологии Московского химико-технологического института имени Д.И.Менделеева, под руководством к.т.н., доцента Кочарова Р.Г.

- 6

I.ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

I.I. Состояние проблемы разделения многокомпонентных растворов обратным осмосом

Как было сказано ранее, на практике чаще всего приходится встречаться с разделением многокомпонентных систем. Например, при очистке сточных вод обратный осмос может быть использован как последняя стадия очистки. Сточные воды всегда являются многокомпонентными системами, содержащими ряд органических и неорганических примесей в зависимости от вида данного производства. Например, обратный осмос может быть использован в очистке сульфатных стоков целлюлозно-бумажных предприятий /2/; в очистке сточных вод производства калийных удобрений в переработке жидких радиоактивных отходов /14/, Лб/ и в других. /18-19/

Обратный осмос находит также широкое применение в процессе опреснения соленых и солоноватых вод, которые тоже являются многокомпонентными системами, содержащими смесь растворенных солей. Например, морская вода характеризуется наличием в ней всех элементов, имеющихся в составе земной коры. Концентрация солей в воде различных морей и океанов не постоянна, а меняется в зависимости от выпадения осадков и интенсивности испарения, наличия впадающих рек и количества вносимой ими воды. Поэтому воды различных морей и океанов отличаются как по своему содержанию солей, так и по их составу, как показано в табл.1.

Таблица I

Солевой состав морской воды (%) (по данным /16/).

Океан Море

Атлантияеский Тихий Средиземное

NaCi 2,6395 2,588 2,51 к a - 0,116

MgCfe 0,3147 0,359 0,529

Ma Br - 0,040

Ca 50ч 0,1328 0,162 0,015

И9 50ч 0,1771 0,204 0,625

Ca COs 0,0056 - 0,015

0,012 -

MgC03 - - 0,015

Итого 3,28 3,479 3,69

Опреснение морской воды обратным осмосом широко используется для обеспечения питьевой водой экипажей на судах Д7/.

Большое применение находит обратный осмос и в опреснении природных солоноватых вод (солесодержание которых составляет примерно 0,5$).

Б 1980 году в Мексике находились в работе больше 25 опреснительных установок обратного осмоса, которые обеспечивают пресной водой несколько тысяч жителей далеких районов страны / I /.

Преимущество обратного осмоса перед другими методами опреснения воды (термическими, химическими, электрохимическими) состоит в его простоте и минимальном потреблении энергии.

С расширением областей применения обратного осмоса и возрастанием количества опреснительных установок возрастает необходимость точного математического описания этого процесса. Далее будем говорить о состоянии теоретического описания процесса обратного осмоса.

ВЫВОДЫ

1. Разработана методика расчета селективности по ионам в многокомпонентных растворах.

2. Показано, что причиной изменения селективности мембраны по данному иону при переходе от одной системы к другой является изменение скачка электрического потенциала, ЛЧ1 , на границе раствор-мембрана. Этот принцип справедлив как для индивидуальных, так и для многокомпонентных растворов.

3. Установлено, что при условиях, обычно встречакщихся на практике, селективность мембраны практически полностью зависит от константы распределения растворенных веществ между раствором и мембраной. Кинетика не нарушает равновесие на границе мембра-яа-раствор.

4. Разработанная методика применима в широком диапазоне изменения величин рН и температуры разделяемого раствора.

5. Для промышленных ацетатцеллюлозных мембран определены величины коэффициентов "а" и "Jb " уравнения (130). Это позволяет на этих мембранах выполнять расчет селективности как на индивидуальных, так и на многокомпонентных системах без постановки экспериментов.

1. desalacion en МехэСо. Mexico, 1979. Direccion General de Aprovechamiento de Aguas Salinas у Energfa Solar, SAHOP, 83 pp.

2. Дытнерский Ю.И. Обратный осмос и ультрафильтрация. М., Химия, 1978, 352 с.

3. Дытнерский Ю.И. Мембранные процессы разделения жидких смесей. М., Химия, 1975, 229 с.

4. Технологические процессы с применение мембраны. Под ред. Р.Лейси и С.Лёб. Пер. с англ. Л.А.Мазитова и Т.М.Мнацаканян. М., Мир, 1976, 380с.

5. Дубяга В.П., Перепечкин Л.П., Каталевский Е.Е. Полимерные мембраны. М., Химия, 1981, 232 с.

6. Reverse osmosis membrane research Ed. by Lonsdale H.K.and Podall H.E. New York; Plenum Press. New-York London, 1972,50:

7. Membrane separation processes. Ed. by Patrick Mears. Amsterdam: Elsevier Scientific Publishing Companjr Amsterdam-Oxford1. New York, 1976. 600 pp.

8. Sourirajan S. Reverse Osmosis. London. Logos, 1978, 578p.

9. Хванг С.-Т., Каммермейер К. Мембранные процессы разделения. Пер. с англ. Под ред. проф.Дытнерского Ю.И. М., Химия,1981, 464 с.

10. Ю. Sourirajan S, Reverse Osmosis. London. Logos, 1980

11. Кочаров P.Г. Основы технологического расчета мембранных аппаратов для разделения жидких смесей. МХШ. Труды института,1982, выпуск 122, с.39-46.

12. Терпугов Г.В. Метод технологического расчета мембранных установок для обработки сульфатных стоков целлюлозно-бумажных- S3 предприятий. МХТИ. Труды института, выпуск 122, 1982, с.95-103.

13. Кавалерова О.Б. Разработка технологической схемы очистки сточных вод производства калийных удобрений. Дисс.канд.хим. наук, Пермь, 1983.

14. Ягодин Г.А., Беленький Л.И., Кулешов Н.Ф., Свитцов А. А. Изучение возможности использования полимерных полупроницаемых мембран для выделения борной кислоты из водных растворов. МХТИ. Труды института, выпуск 122, 1982, с.147-151.15. Свитцов А.В.

15. Атомная техника за рубежом, 1974, № II, с.40-43.

16. Слесаренко В.Н. Современные методы опреснения морских и соленых вод. 1-е изд., М., 1973, 348 с.

17. Эльпинер 1.И. Водоснабжение морских судов. М., Транспорт, 1975, 200 с.

18. Марданян М.М., Дытнерский Ю.И., Минаев В.А. О возможности очистки гальваностоков, содержащих бихромат калия и хромовый ангидрид, методом 00 с помощью ацетатцеллюлозных мембран. Труды МХТИ, 1973, вып.73, с.175-178.

19. О возможности применения гипер- и ультрафшгьтрации для очистки сточных и шахтных вод. Цвет.металлы, 1972, Л° 3, с.48-51.

20. Merten U. Desalination by Reverse Osmosis. Cambridge,1. Mass: Mil press, 1966.

21. Hodson T.D. Selective properties of cellulose acetate membranes toward ions in aqueous solutions. Desalination, 1970, IT 8, p.99-138.

22. Kimura S, and Sourirajan S. Analysis of data xn reverse osmosis with porous acetate membranes used: A.I.Ch.E.Journal,1967, 13, N 3, pp.497-503.

23. Matsura Т., Pageau L., Sourirajan S. Reverse osmosis separation of inorganic solutes in aqueous solutions using porous cellulose acetate membranes: J. of Applied Polimer Science. 1975, v.19, pp.179-198.

24. Rangarajan R., Matsura Т., Goodhue S.S. and Sourirajan S. Free energy parametres for reverse osmosis separations of some inorganic ions and ion pairs in aqueous solutions. 2: Ind. Eng.Chem. Process Des.Dev., V.17, IT 1, 1978, pp.71-78.

25. Matsura Т., Sourirajan S. Reverse osmosis transport through capillary pores under the influence of surface forces. Ind.Eng.Chem. Process. Des.Dev, 1981, ¥.20, Ш 2, pp.273-282.

26. Derjaguin B.V., Ghuraev B.V. Structure of boundary layers of liquids and its influence on the mass transfer in fine pores. -Prog.Surface and membrane Sci., 1981, 14, p.69-130.

27. Sherwood Т.К., Brian P.L.T. and Fisher R.E. Desalination by reverse osmosis. I £ E. C. Fundamentals, 1967, T.6, N 1.

28. YasudaH., Lanaze E. J.Polym. Sci., A-2, 1971,V.9,p.15371551.

29. Jonsson G., Boesen C.E. Water and solute transport through cellulose acetate r.o.membranes. Desalination, 1975, 17, p.145-1658

30. Derjaguin B.V., Churaev H.V., Martynov G.A. The theory ogthe reverse osmosis separation of solutions using fine porous membranes. J.Colloid Intrface Sci,1980,V.75, N 2, p.419.

31. Мартынов Г.А., Старов B.M., Чураев Н.В. К теории мембранного разделения растворов. Коллоидный журнал, 1980, т.42, № 3, с.489.

32. Мартынов Г.А., Старов В.М., Чураев Н.В. К теории мембранного разделения растворов. 2. Анализ полученных решений. Коллоидный Ж., 1880, т.42, Ш 4, с.657-664.

33. Дорохов В.М., Мартынов Г.А., Старов В.М., Чураев Н.В. Обоснование выбора расчетной модели обратноосмотической мембраны. Равновесие: мембрана раствор электролита. K.S., 1984, т.46,с.238-246.- 95

34. Дорохов В.М., Мартынов Г.А., Старов В.М., Чураев Н.В. Теория обратноосмотического разделения растворов электролитов. I. Незаряженные мембраны. Коллоидный Ж., 1984, № 4, с.651-Б58.

35. Аиткудаев К., Соболев В.Д., Чураев Н.В. Влияние скорости течения и концентрации электролита на селективность обратноосмо-тических мембран. К.Ж., 1984, т.46, № 2, с.211-216.

36. Духин С.С., Ярощук А.Э. Проблема граничного слоя и двойной электрический слой. Коллоидный журнал, 1982, т.44, 5, с.884-894.

37. Ярощук А.Э., Духин С.С. О влиянии частично-нерастворяю-щего объема на структуру равновесного.двойного электрического слоя. Коллоидный журнал, 1983, т.45, № 3, с.527-534.

38. Духин С.С., Раевский А.Ю., Ярощук А.Э. Обратный осмос, нерастворянций объем, химический потенциал иона. Химия и технология воды, 1983, т.5, № I, с.13-21.

39. Душанский А.В. Лиофильность дисперсных систем. Киев, изд-во АН СССР, I960, 212 с.

40. Алексеев Q.Q. Исследование электроосмоса в высокодисперсных системах, шизико-хим.механика и лиофильность дисперсных систем, 1978, вып.10, с.16-32.

41. Барер С.С., Квилвидзе В.И., Курзаев А.Б. и др. Толщинаи вязкость тонких незамерзающих прослоек между поверхностями льда и кварца. Докл. АН СССР, 1977, 235, В 3, с.601-604.

42. Eashley R.M., Kitchener J.A. Surface forces in adsorbed mialtilayers of water on quartz. J.Oollpid Interface S&i.,19f9, 71,1. H 2, p.491-500.

43. Carnie S.L., Chan D.Y.C. The structure of electrolytes at charged surfaces: ion dipole mixtures. - J.Chem.Phys., 1980, 73, И 6, p.2949-2957.

44. Возный П.А., .Бущенко В.П., Чураев Н.В. Термоосмотическое течение воды в пористых стеклах. В кн.: Поверхностные силы в тонких пленках. М., Наука, 1979, с.109-114.

45. Deodhar S., Luner P. Measurements of bound (nonfreezing) water by differential scanning calorimetry. In: Water in Polymers,

46. ACS Symp.Ser., 127, Washington, 1980, p.273-2S6.

47. Кочергин Н.В., Фомичев С.В., Огневский А.В. К исследованию полуцроницаемости обратноосмотических мембран в разбавленных водных растворах. МХТИ. Труды института, 1982, вып.122, с.3-15.

48. Erickson D. L., Glater J. Selective properties of high fluxcellulose acetate membranes towards ions found in natural waters. -Ind.Eng.Chem.Prod.Ros. and Develop, 1966, IT 5, p.205.

49. Lonsdale H.K., Pusch V7# and Walch A. Donnan-membrane effects in hyperfiltration of ternary systems. J. of the Chemical Society. Faraday Transactions 1, 1975, IT 3, рр.501-5Ф4.

50. Agrawal J.P., Sourirajan 5. Reverse osmosis separation of some inorganic salts in aqueous solution containing mixed solutes with a common ion. Ind.Eng.Chem.Process Des.Develop, 1979,Vol.9,1. N 1, pp.12-18.

51. Rangarajan, Matsuura Т., Goodhue E.S., Sourirajan S. Predictability of reverse osmosis performance of porous cellulose acetate membranes for mixed uni-valent electrolytes in aqueous solutions. Ind.Eng.Chem.Process. Des.Dev., 1978, 17 (1), p.45-46.

52. Шаяхметов А.Ш., Дытнерский Ю.И. Разделение многокомпонентных водных растворов электролитов обратным осмосом. ВКУМ-77,

53. Владимир, изд.ВНИИСС, 1977, с.305-307.

54. Sugahara М., ICijo Y. Kitao Т, Terashima Y., Ът± S. Effectof properties of feed solution on transport of inorganic solutes in reverse osmosis. J.Chem.Eng. Jpn., 1978, 11(3), pp.366-371.

55. Jonsson G. Coopling of ion fluxes by boundary diffusion and streaming-potentials under reverse osmosis conditions. Proc.Int. Symp.Fresh Water from the Sea, 1980,7th, v.2, pp.153-163.

56. Randerson D.H., Fowler R.T. Interaction between ions inreverse osmosis. Chemeca 80, Process Ind. 80's, Avst.Chem.Eng.Conf., 8th, 1980, pp.211-215.

57. KHEDR M.G.A. Rejection of scale forming ions from aqueoussolutions by reverse osmosis: Part I Behaviour of binary cation mixtures & influence of scale precipitating anions: Indian Journal of Chemistry, 1980, 19A, pp.967-970.

58. KHEDR M,G.A. Rejection of scale forming ions from aqueoussolutions by reverse osmosis: Part II Behaviour of complex ion mixtures: Indian Journal of Chemistry,1980,19A, pp.971-973.

59. Eliash B.M. , Bennion D.IT. Transport of Mixed sodium chlo—. ride magnium chloride solutions through modified cellulose acetate membranes: A.I.CH.E. Symposium Series, V.73» N 166, p.166.

60. Дытнерский Ю.И., Свитцов A.A., Жилин Ю.Н. Разделение разбавленных растворов электролитов обратным осмосом. ТОХТ, 1980, 14,6, с.930-932.

61. Demisch H.V., Pusch W. Electrical and Electroosmotic transport behaivor of asymetric cellulose acetate membranes. J.Colloid and interface Sci., 1980, V.76, H 2, pp.445

62. Николаев Н.И. Диффузия в мембранах. М., Химия, 1980,232с.

63. Гельферих Ф. Иониты. Основы ионного обмена. М., Издатин-лит, 1962, 490с.

64. Кокотов Ю.А., Пасечник В.А. Равновесие и кинетика ионного обмена. Л., Химия, 1970, 236 с.

65. Гнусин Н.П., Гребенюк В.Д., Певницкая М.В. Электрохимия ионитов. Новосибирск, Наука, 1972, 200 с.

66. Салдадзе К.М., Пашков А.Б., Титов B.C. Ионообменные высокомолекулярные соединения. М., Госхимиздат, I960, 356с.

67. Мороз В.А., Шаяхметов А.Ш., Дытнерский Ю.И., Кочаров Р.Г. Влияние температуры на характеристики обратноосмотических мембран. BKMM-8I, Черкассы, изд.НШТЭХИМ, с. 186-188.

68. Зайков Г.Е., Иорданский А.Л., Маркин B.C. Диффузия электролитов в полимерах. М., Химия, 1984, 240 с.