автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Разработка замкнутой технологической схемы промывки гальванопокрытий на основе обратного осмоса

ВВЕДЕНИЕ

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.

1.1. Методы очистки сточных вод гальванических производств

1.2. Мембранные методы очистки

1.3. Схемы организации мембранных процессов.

1.4. Механизмы процесса разделения водных растворов электролитов обратным осмосом

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

И АНАЛИЗОВ

2.1. Описание лабораторной установки

2.2. Методика проведения экспериментов.

2.3. Исследованные системы.

2.4. Методика проведения анализов.

2.5. Обработка результатов измерений

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

3.1. Экспериментальная проверка взаимного влияния ионов при разделении многокомпонентных растворов методом обратного осмоса

3.2. Моделирование процесса разделения многокомжотентных растворов электролитов на обратноосмотических мембранах.

3.2.1. Структура воды в порах и на границе раздела фаз

3.2.2. Расчет течения жидкости в микропорах

3.2.3. Свободная энергия ионов и ее составляющие

3.2.4. Распределение пор по размерам.

3.2.5, Моделирование разделения многокомпонентных систем

3.3. Моделирование работы схемы промывки гальванопокрытий

3.3.1. Выбор технологической схемы моделирования ее работы и расчет накопления примесей

3.3.2. Расчет схемы обратноосмотической установки

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ОШТНО-ПРОМЬДШЕННЫХ ИСПЫТАНИЙ И

ОПЫТ ПРШШШЕШОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ.

ВЫВОДЫ.

Перед народным хозяйством страны к настоящему времени очень остро встали проблемы охраны окружающей среды от загрязнения токсичными отходами промышленности, что тесно связано с проблемами рационального использования сырьевых ресурсов на базе разработки и внедрения замкнутых и, следовательно, малоотходных технологических схем.

Одним из широко распространенных процессов, для которого необходимо решать эти проблемы, является гальванотехника. Актуальность проблемы растет с увеличением масштабов производства гальванопокрытий. Так, к 1990 г. общая поверхность покрытий возрастет вдвое по сравнению с 1977 г. и достигнет 525 млн м/год. Уже в настоящее время потери тяжелых металлов со стоками только на предприятиях Минавтопрома СССР составляют: по хрому-14 тыс. т/год, никеля, цинка, меди по 5 тыс. т/год, кадмия-1 тыс. т/год /I/. Поэтому, очевидно, что без решения проблемы отходов не может идти речь о показанном выше росте производства. По оценкам /I/, для разбавления сточных вод (СБ) до величины предельно допустимых концентраций (ЦДК) по тяжелым металлам необходимо около 1800 куб.километров чистой воды, что приблизительно равно объему годового стока рек в СССР,

В то же время крупные индустриальные центры и, в том числе Москва и Московская область, испытывают все более усиливающуюся нехватку чистой воды для технологических нужд. Згровенъ артезианских вод за последние годы упал на несколько десятков метров. Поэтому наряду с предотвращением потерь и максимальным обезвреживанием отходов на первый план встает задача экономии пресной воды.

На наш взгляд обе эти задачи наиболее эффективно могут быть решены путем внедрения локальных систем водоочистки, устанавливаемых непосредственно у источников образования сточных вод, до их смешения в практически неразделяемую смесь. Такие системы должны стать основой развития замкнутых технологических схем, максимально уменьшающих водопотребление и позволяющих практически прекратить сброс токсичных отходов путем возвращения их в производство.

Многие из этих задач могут быть решены с использованием такого перспективного метода мембранного разделения растворов, как обратный осмос. К настоящему времени налажен промышленный выпуск мембранной аппаратуры, однако применение метода сдерживается отсутствием технологических разработок,позволяющих внедрить метод в промышленность.

Целью нашей работы явилась разработка бессточной технологической схемы промывки гальванопокрытий на основе процесса обратного осмоса. При этом основные задачи работы могут быть сформулированы следующим образом: во-первых, - разработка метода расчета параметров процесса разделения многокомпонентных растворов электролитов, пригодного для технологических расчетов; во-вторых, -расчет оптимальной схемы организации процесса обратноосмотическо-го концентрирования промывных вод гальванических производств, в-третьихвнедрение разработанной схемы в производство.

I. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

Большую долю в общем объеме стоков гальванических производств составляют промывные воды. С ними теряется большое количество воды и ряд таких ценных веществ, как соли тяжелых, металлов, органические блескообразователи, поверхностно-активные вещества, К настоящему времени исследователями много внимания уделялось разработке различных методов очистки сточных вод и возможности их применения в промышленности. Рассмотрим подробнее достоинства и недостатки некоторых из них, попробуем оценить трудности, встречающиеся при их использовании в промышленности и показать перспективы их применения.

выводы

1. Показано, что наиболее эффективно проблемы очистки промывных вод гальванических производств решаются путем создания локальных систем очистки стоков индивидуально для каждого вида гальванопокрытий.

2. Разработана замкнутая технологическая схема промывки никелевых гальванопокрытий, где для концентрирования промывных вод используется метод обратного ©смоеа. При этом пермеат используется в качестве промывной воды, а концентрат возвращается в гальванические ванны.

3. Разработана математическая модель обратноосмотического разделения многокомпонентных водных растворов электролитов обратным осмосом, основанная на представлениях о структурных изменениях жидкости на границе раздела мембрана - раствор и в порах мембраны. Разработаны методж расчета профилей изменения физико-химических свойств воды по сечению пор мембран и получения их усредненных характеристик.

4. Технологическая схема промывки гальванопокрытий с обратно-осмотическим узлом концентрирования внедрена на ПО "Электронприбор" г.Фрязино. Экономический эффект от ее внедрения составил 522 тыс. руб./год.

1. Гоголев И.Я. Экологические проблемы гальванических производств// Защита окр.среды и техника безопасности в гальваническом производстве. - МЛЦТП. - М. 1982. - С.3-8.

2. Згурский В.А. Оптимизация потребления и очистки воды в гальванических цехах. -Киев: Техника, 1974. - 68с.

3. Проблемы окружающей среды и природных ресурсов. -М. 1987. -89с. (Научно-информ. бюллетень/ ВИНИТИ; вып.5-6).

4. Лаврова И.М. Переработка никельсодержащих сточных вод//Защи-та окр.среды и техника безопасности в гальваническом производстве. - ВДЕИП. - М. 1982. - С.21-27.

5. Куролал И.П. Применение методов ионного обмена и обратного осмоса. - Там же. -С.65-68.

6. ДытнерскийуЮ.И. Обратный осмос и ультрафильтрация. -М.: Химия, 1978. -350с.

7. «Вытнерский Ю.И. Баромембранные процессы. -М.: Химия, 1987. -420с.

8. Хванг С.-Т., Камермейер К. Мембранные процессы разделения. -М.: Химия, 1981. -464с.

9. Sourirajan S,, Matsuura Т, Reverse osmosis/ultrafiltration process: Principles,Nat»Research council Canada, - Ottawa, 1985* -536 p,

10. Michaels A,S. Ultrafiltration - In. Progress in separation and purification. -London, 1968, -V.1. -P.297-334.

11. Таусарова Б.P., Ергожин E.I., Ммтыбаев С.А., Кашибаев A.A. Ультрафильтрационное концентрирование ионов кадмия в присутствии полимерных с ульф окисл о т// Тез.докладов 17 Всесоюзной конференции "Мембранно-сорбционные процессы разделения веществ ж их применение в народном хозяйстве. -Черкасы, 1988.

- С.I40-I4I.

- 105

12. Молдабеков ILM., Кочергин H.B., Камишбаев A.A., Бестере-ков У.Б. Селективное извлечение перренат-аниона из водных систем комплексообразованием-ультрафшьтрацией// 17 Всесоюзная конференция но мембранным методам: тез.докладов. -М., 1987. -Т. 4. -С.44-45.

13. Костромин Г. А., Дытнерский Ю.И., Кочаров Р.Г., Жилин Ю.Н. Ультрафжльтрация йодосодержащих растворов с .использованием водорастворимых полимеров// Там же. -C.3&-38.

14. Рат.1466150 (Великобритания). -1977.

15. Кашибаев A.A. Выделение токсичных компонентов сточных вод ультрафильтрацией в сочетании с полимерным комплексообразо-ваяием. Автореф. .Канд.тех.наук. -М., 1989. -16с.

16. Дытнерский Ю.И., Жшшн Ю.Н., Волчек К. А., Пшежецжжй. В.С. Извлечение металлов из природных ж сточных вод комплексе-образованивм-ультрафильтрацией// Хим.промышленность, 1984. -1 8. -С.477-479.

17. Западнов В.А., Кочергин Н.В., Огневский A.B., Садчикова Т.П. Бессточная технологическая схема покрытий гальванопокрытий// Электронная промышленность, 1986. -С.44-45.

18. Ковалев В.В., Камиуцкиж B.C.»Судварг М.И. Принципы организации локальных систем повторного использования воды при никелировании// Защита окружающей среды и техника безопасности в гальваническом производстве. -ЩЩТП. -М., 1982. -C.37-4I.

19. Карелин Ф.Н. Использование мембранной техники для очистки загрязненных промышленных сточных вод// Журн.ВХО им.Д.И.Менделеева, 1987. -Вып. 6. -С. 653-656.

20. Gartwright P.E. Effluent freatment with membranes// IDA

Journal, 1985» -N 1. -P,15-20.

21. Кочаров Р.Г., Потапенко S.A., Дытнерский Ю.И., Захаров СЛ.

К расчету процесса очистки шахтных вод обратным осмосом. -1.1.,

1985. -6с. Деп.ВИНИТИ Jê 6136.

22# Hart O.O,, Squires R.C, The role of membrane technology in industrial water and wastewater management// Desalination, 1985. -P,69-87»

23» Light W.G., Taylor Z.B. Riedinger single-stage seawater desalting with thin-film composite elements// Reverse osmosis and ultrafiltration: Symp. 188th meet Amer»Chem.Soс» Philadelphia, Pa, Ang. Washington, 1984, -P.247-260*

24, Strathmann H., Chmiel H# Membranen in der Verfahrenstechnik ff Chem.-Ing.-Tech., 1985. -U 7. -S.581-596.

25« Umkehrosmose in der wasserufbereitung// Bundesvereinigung der firmen im cas- und wasserfach» 1985. -N 4.

26. Опреснение соленых вод// Библиографический указатель литературы за 1988 г. Одесса. 1989. -48с.

27. Мембранные методы очистки сточных вод// Библиографический указатель. -Рига, 1982. -I 5624. -Юс.

28. Найденко В.В., Колесов В.З., Клочихин В.П. Применение обратного осмоса для глубокой очистки городских биологически очищенных сточных вод (обзор)/ Деп.в ВИШШ 1 7474. -М., 1985. - 12с.

29. Способ очистки сточных вод методом обратного осмоса// Тематическая подборка. -Запорожье, 1982. -26с.

30. Использование методов обратного осмоса и ультрафильтрации для очистки сточных вод. (Инф.сборник НМТЭХйМ). -М., 1985. -7с.

31. Пахолков B.C., Латышева Т. И. Обрати о осмотическое концентрирование бора в растворах, содержащих спирты, сахара и кислоты/ Деп.в ВИНИТИ В 1187 ХП. - М., 1984. -17с.

32. Латышева Т.Н., Пахолков B.C. Концентрирование иодид-ионов в природных водах методом обратного осмоса/ Деп.в ВИНИТИ ш 1129 ХП. -М., 1984. -14с.

33. Латышева Т.Н., Даходков B.C. Поведение брома при обратном осмосе природных вод/ Деп.в ВИНИЛ! В ИЗО ХП. -М., 1983.

34. Slater C.S., Ahlert R.C., Uchrin С,G. Application of osmosis to sompleh industrial wastewater treatment// Desalination, 1983» -P.171-187.

35» Bondziewisz J., Bodzek M# Zastosowanie procesu odwroconej osmozy do odzyskiwania chromuze sciekow galwanotechnicznych // Archiwum ochrony srodowiska. -1985. -N 3-4. -P.47-61•

36. Golomb A. Electroplating waste treatment. Part 1, Recoverg of niche1// Plating, 1970. -P«1001-1005.

37» Marquardt K. Neuere entwicklungen bei umkehr-osmose und ultrafiltration zur reinigung von abwasser// Munch. Beitr. Ab-wass. Fisch- und flussbiol, 1984. -V.38, -P.287-320.

38. Drioli E. I process! di membrana nel trattaraento delle ac-que industrial!// Inguinomento, 1985. -V.27» -P.41-48.

39. Thorsen T* Recovery of phosphoric acid with Reverse osmosis// Desalination, 1985. -V.53. -P.217-224.

40. Gooding C.H. Reverse osmosis and ultrafiltration solve separation problems// Chemical Engineering, 1985. -No 1. 4P.56--62,

41. Imasu K. Wastewater recycle in the plating industry using brackish water reverse osmosis elements// Desalination, 1985. -V.56. -P.137-142.

42. Ki-Jun Baik, Chai-Sung Lee. Computes simulation of staged hollow fiber desalination plants// 3 Pacif.Chem.Eng.Congr., Seoul, May 8-11. Korea. 1983. -V.3. -P.122-128.

43# Полянская Н.Б. Разработка оптимальных схем разделения смесей обратным осмосом. Авторе®, .канд.техн.наук. -М., 1983.

- 108

44» Reverse osmosis and synthetic membranes/ S, Sourira;jan Ed. Ottawa, National Research Coucil Canada» 1977. -620p.

45. Kimura S. and Sourirajan 3.// J.AIChE, 1973. -V.19. -P.102.'

46. Agrawal J.P., Sourirajan S# Reverse osmosis separation of some inorganic salts in aqueous solution containing mixed solutes with a common ion// Ind.Eng.Chem.Proc.Des.Dev.,1970, -V.9, No 1. -P.12-18.

47. Лдтнерский Ю.й., Захаров С.Л. К вопросу об аддитивности процесса разделения двойных водных растворов солей методом обратного осмоса// Журнал прикладной химии, 1973. -11 7. -С.1455-- 1458.

48. Matsuura Т. and Sourirajan S.// Ind.Eng.Chem.Proc.Des.Dev,, 1971. -V.10. -P.102.

49. Rangarajan R., Matsuura T. Predictability of reverse osmosis perfomance of porous cellulose acetate membranes for mixed uni-univalent electrolytes in aqueous solution// Ind.Eng. Chem.Process.Des.Dev., 1978. -V.17, Ш 1. -P.17-22.

50. Rangarajan R., Matsuura T, Predictability of reverse osmosis perfomance of porous cellulose acetate membranes for mixed// Ind.Eng.Chem.£roc,Des.Dev., 1979. -V.18, No 2. -Pi?f8-287#

51. Rangarajan R., Matsuura T. Predictability of membran perfomance of mixed solute reverse osmosis systems 1:1 electrolytes-water// Ind*Eng.Chem.Proc.Des.Dev,, 1984. -V.23, No 2. -P*367-374»

52. Reid C.E., Breton E.J#// J.Appl.Polymer Sci., 1959* 53« Lonsdale N.K., Merten V. and Riley.// J.Appl.Polym.Sci.,

1965. -P.1341*

54« Lonsdale N.K., Cross B.R., Craber P.M. and Milstead// J. Masromol.Sci.-Phys., 1971. -B.5. -P.167.

55. Камидзава Т.// Токоои хоготу, 1973. -Т.68. -С.426.

56. Kedem 0. and Katchalski A.// Biochim., Biophys, Acta, 1958» -V.27. -P. 229,

57* L. F.Del Castillo// J.Bid., 1976, 19. -P.211.

58# Plores R,, Plores A, and L.P.Del Castillo// Desalination, 1976. -V.19. -P.221.

59. -ffiluckauf E. Proceeding of the first international symposium on water// Desalination, 1965» -P.143.

60- Neogi J.,Ruchenstein P.// Desalination, 1983. -V.46. -P.67»

61. Мартынов Г.А.,.Старов В.M., Чураев H.B.// Коллоид.жури., 1980. -T.42, 13. -С.489; J 4. -G.657.

62. Горский В.Г., Старов В.М., 1ураев Н.В. Обратноосмотическое разделение тернарных растворов электролитов// Коллоид.журн., 1988. -Т.50, 1 3. -С.432-440.

63. Дорохов В.М., Мартынов Г.А., Старов В.М., Чураев Н.В.// Коллоид. журн., 1984. -Т.46, 1 2. -С.238; il 4. -С. 651; Ш 6.

-С.1088.

64. Старов В.М., Чураев Н.В. Влияние капиллярного осмоса на фильтрацию и задержу раствора при его течении через тонкие поры// Коллоид.журн., 198?. -Т.49, Л 4. -С.707.

65. Кочаров Р.Г., Гутиеррес Л.Э.Р., Захаров С.Л. Расчет селективности при разделении электролитов на промышленных обратно-осмотических мембранах. -M., 1984. -Юс. Деп.в ВИНИТИ I 12.

66. Гутиеррес Л.Э.Р. Разделение многокомпонентных водных растворов электролитов обратным осмосом. Автореф.дисс. .канд. техн.наук. -М., I985. -16с.

67. Духин С.С., Кочаров Р.Г., Гутиеррес Л.Э.Р. Расчет селективности мембран при обратиоосмотическом разделении многокомпонентных растворов электролитов с учетом межфазного скачка потенциала// Химия и технология воды, 1987. -Т.9, Я 2. -С.99-103.

68. Ахназарова C.I., Кафаров В.В. Планирование эксперимента в химии и химической технологии. -4!.: Высшая школа, 1985. -327с.

69. Фомичев С.В. Исследование механизма полупроницаемости обрати оосмотических мембран в разбавленных водных растворах: Автореф. дис. . канд.техн.наук. -М., 1981. -16с.

70. Фомичев С.В., Кочергин Н.В. Исследование механизма разделения бинарных водных растворов обратным осмосом// Теорет. основы химической технологии, 1980. -№ 2. -С.309-310.

71. Bernal J.D., Fowler R#H, A theory of water and ionic solution with particular reference to hydrogen and hydroxil ions // J. of Chem.Phys., 1933. -V.1, No 8. -P.515-548.

72. Nemethy G#, Sheraga H.A# Structure of water and hydrophobic bonding in proteins. I. A model for the thermodynamic properties of liquid water// J.# Chem.Phys,, 1962. -V.36, No 12»

-P.3382-3400.

73. Quinson J., Brun M., Sallemenid A., Eyrand C. Aspects and possibilities of a new application of calorimetry, thermo-porometry// Processing of the first Buropeon symposium on the thermal analysis 20-24 September, 1976.

74. Фомичев С.В., Кочергин Н.В., Огневский А.В. К исследованию полупроницаемости обратиоосмотических мембран в разбавленных водных растворах// Труды института. -М.: ЖТИ им.Д.й.Менделеева, 1982. -Вып.122. -С.3-14.

75. Квливидзе В.И., Курзаев А.Б. Свойства тонких слоев воды по данным метода ЯМР// Поверхностные силы в тонких пленках. -М., 1979. -C.2II-2I5.

76. Барер С.С., Дерягин Б.В. Исследование 67 тонких прослоек жидкости между льдом и поверхностью кварцевых капилляров// Коллоид.журн., 1977. -Т.39, I 6. -С.1039-1045.

77. Овчаренко ®.Д. Гидрофильность глин и глинистых минералов. -Киев.: Наукова думка, 1961. -234с.

78. Фомичев С. В. , Кочергин Н.В. К расчету селективности и производительности мембран обратиоосмотмческях аппаратов// 2-ая Всесоюзная конференция "Современные машины и аппараты химических производств": Тезисы докладов. -Алма-Ата, 1980. -ТЛ. -С.586-592.

79. Чураев Н.В. О механизме обратяоосмотжческого разделения водных растворов электролитов// Коллоид.журн., 1985. -Т.47.

-СЛ12-120.