Исследование и разработка систем очистки производственных вод после химико-фотографической обработки цветных кинофотоматериалов на основе метода контактной мембранной дистилляции

Современные темпы роста производственных мощностей, строительства и сельского хозяйства, заставляют пересмотреть наши позиции по отношению к водообеспечению возникающих потребностей. Установлено [1,2], что гидросфера земного шара обладает запасом воды в 1,5 млн.куб.км., 2% из которых составляет пресная вода. Причем количество доступной воды не превышает 0,003%, и распределена эта вода по поверхности весьма неравномерно. В результате, в настоящий момент, более половины регионов земного шара испытывают острый дефицит в пресной воде. На фоне этой проблемы ясно видна тенденция к увеличению объемов вредных выбросов промышленных и бытовых стоков. Поэтому решение вопроса детоксикации данных водных растворов является все более актуальным.

Технология химико-фотографической обработки светочувствительных материалов, так же сопряжена с образованием высокотоксичных вод в результате переливов обрабатывающих растворов и сливов промывной воды. Концентрации растворенных в них веществ в десятки и сотни раз превышают допустимые по санитарным и гигиеническим нормам, что явно указывает на недопустимость выброса сточных вод в канализацию, так как совершенно очевидно, что городские очистные сооружения не в состоянии справиться со столь высоким уровнем загрязнения без дополнительной обработки. Таким образом, при разработке новых кинофотоматериалов необходимо решать не только вопросы повышения качества фотографического изображения, но и вопросы, связанные с сокращением водопотребления и уменьшения выброса вредных веществ. Такие исследования проводились и проводятся в настоящее время в научно-исследовательских лабораториях как за рубежом, так и в нашей стране. Основные производители кинофотоматериалов Kodak, Fuji, Agfa и другие, предлагают современные кино фотоматериалы и новые малоотходные технологии их обработки, в которых реализованы следующие принципы:

— использование менее токсичных обрабатывающих растворов с низкой концентрацией основных компонентов [3−8];

— уменьшение расхода пресной воды на стадии промывания [9−11];

— сокращение безвозвратных потерь связанных с окислением веществ восстановителей кислородом воздуха и уносом обрабатывающих растворов пленкой в другие ванны проявочной машины [12−14];

— организация циклов очистки производственных стоков.

Однако несмотря на высокую эффективность предлагаемых методов, невозможно полностью исключить стадии промывания при химико-фотографической обработке большинства кинофотоматериалов, а в результате очистки получаем пусть не токсичную, но все же высокоминерализированную воду, не пригодную для дальнейшего употребления в технологическом процессе. Кроме того, безвозвратно теряются дорогостоящие компоненты рабочих растворов (расход на основные химические реакции не превышает 10%)[15] и химические реактивы затрачиваемые на обезвреживание. Поэтому необходимо проводить исследовательские работы по разработке систем регенерации обрабатывающих растворов, а также и локальной очистки и повторного использования промывных вод. Для этого могут быть применены методы очистки, сопровождающиеся фазовым переходом (термические), и без фазового перехода (мембранные). Последние вызывают наибольший интерес применительно к технологии химико-фотографической обработки. К этим методам относятся обратный осмос [16,17,18], электродиализ [19,20], нанофильтрация [21,22], которые позволяют получить пригодную для повторного использования очищенную воду, а также концентрат компонентов обрабатывающих растворов, который может быть утилизирован. Однако реализация этих методов требует использования дорогостоящих установок и связана с достаточно высокими энергозатратами, а в случае обратного осмоса и с необходимостью работать при высоком давлении (до 4,0 МПа и более).

Альтернативным методом мембранной технологии является мембранная дистилляция, позволяющая успешно концентрировать и очищать наиболее токсичные и дорогостоящие компоненты, как из отработанных обрабатывающих растворов, так и из промывных и сточных вод. Основное преимущество данного метода определяет наметившаяся тенденция к увеличению температуры обрабатывающих растворов [10]. Поэтому обрабатывающие растворы могут быть подвергнуты разделению уже при незначительном дополнительном подогреве, что несомненно позволит удешевить данный способ очистки. Разработка такой технологии позволяет решить как экологические, так и экономические задачи.

Целью работы является повышение степени очистки и концентрирования жидких производственных стоков, образующихся при химико-фотографической обработке кинофотоматериалов, путем разработки регенерационных систем на основе метода контактной мембранной дистилляции. Научная новизна работы и ее практическая ценность.

В результате проведенных экспериментов выявлены основные закономерности процесса очистки и концентрирования производственных стоков методом контактной мембранной дистилляции, которые были использованы нами при расчете технологической схемы и разработке мембранного комплекса очистки.

Доказано, что производительность по дистилляту (фильтрату) в процессе контактной мембранной дистилляции сопоставима с производительностью высокоселективных обратноосмотических мембран;

Предложена оригинальная методика количественного контроля степени гидрофобности мембраны, что позволяет адекватно оценить её устойчивость к стокам и промывным водам, содержащим различные загрязняющие вещества. Показана возможность частичного восстановления гидрофобных 7 свойств мембраны, путем воздействия на нее модифицирующего раствора, что позволяет существенно повысить ее ресурс;

Разработаны схема и технологические рекомендации к процессу контактной мембранной дистилляции применительно к очистке и концентрированию производственных стоков и промывных вод, образующихся в результате химико-фотографической обработки кинофотоматериалов;

Разработан опытный лабораторный комплекс для контактной мембранной дистилляции на базе плоскокамерного мембранного модуля, который предложено встраивать в соответствующий циркуляционный контур проявочной машиныкомплекс обеспечивает как обезвреживание стоков от отдельных токсичных компонентов (гексацианоферраты, тиосульфат, серебро, Ре (Ш)ЕВТА), так и возможность повторного использования отработанных растворов и промывных вод;

На основании сенситометрических испытаний подтверждена возможность повторного использования промывных вод и обрабатывающих растворов, регенерированных методом контактной мембранной дистилляции.

Положения выносимые на защиту:

1. Обоснование выбора мембраны и типа разделительного аппарата.

2. Результаты исследования основных параметров, влияющих на работу метода контактной мембранной дистилляции с различными обрабатывающими растворами и промывной водой.

3. Пути оптимизации процесса контактной мембранной дистилляции.

4. Способ контроля и регенерации гидрофобности мембраны, данные о влиянии поверхностно-активных веществ на гидрофобную природу мембраны.

5. Экономическая и технологическая целесообразность внедрения метода контактной мембранной дистилляции.

6. Технологическая схема мембранного модульного комплекса для очистки и концентрирования производственных стоков по методу контактной мембранной дистилляции.

Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые: показана возможность применения метода контактной мембранной дистилляции для очистки концентрирования промывных вод и промышленных стоков после химико-фотографической обработки кинофотоматериаловвыявлены закономерности позволяющие увеличить производительность метода. Наиболее важным фактором оказалось создание в примембранном пространстве турбулентного режима, что позволяет производить концентрирование до значений, недостижимых другими методами баромембранной технологии. Производительность по фильтрату, при этом, соразмерна с производительностью высокоселективных обратноосматических мембранпредложена оригинальная методика количественного контроля степени гидрофобности мембраны, что позволяет адекватно оценить ресурс и химикомеханическую устойчивость ее к различным исследуемым системам. С помощью данной методики, показана возможность частичной регенерации гидрофобных свойств мембраны, путем воздействия на нее модифицирующего растворапоказана возможность повторного использования промывных вод и обрабатывающих растворов, что подтверждается результатами сенситометрических испытаний.

Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на 128 страницах машинописного текста, включая список литературы из 147 наименований, 26 рисунков и 15 таблиц. Работа состоит из введения, четырех глав, выводов и приложений.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Доказана возможность существенного повышения степени очистки и концентрирования производственных стоков и промывных вод, в случае применения метода контактной мембранной дистилляции, по сравнению с методами баромембранной технологии, в частности с различными модификациями метода обратного осмоса.

2. Установлено, что оптимальным сочетанием рабочих характеристик в процессе очистки сточных производственных вод методом контактной мембранной дистилляции, обладает микрофильтрационная композиционная мембрана МФФК-2 со средним размером пор 0,25 мкм, которая показывает высокую задерживающую способность для различных компонентов обрабатывающих растворов (до 99%) и производительность по фильтрату до 4−12 л/м2хч.

3. Наблюдается существенное повышение эффективности метода контактной мембранной дистилляции, с увеличением разности температур, при возрастании которой с 32 до 52 °C отмечено увеличение производительности по фильтрату в 3 раза, при этом селективность изменяется незначительно.

4. Показано, что при увеличении модифицированного критерия Рейнольдса с 200 до 1000 производительность мембраны МФФК-2 возрастает в 2−3 раза.

5. Несмотря на снижение эффективности контактной мембранной дистилляции с увеличением солесодержания в растворе, показана возможность достижения концентраций, недоступных для других методов мембранной технологии например, более 200 г/л для тиосульфата натрия при селективности 99%, при этом производительность остается на уровне сопоставимом с производительностью высокоселективных обратноосмотических мембран (2−4 л/м2хч).

6. Установлено, что мембрана МФФК-2 позволяет эффективно обрабатывать реальные производственные растворы и промывные воды в течении нескольких месяцев эксплуатации, при незначительном снижении производительности по фильтрату.

7. Впервые реализован метод восстановления гидрофобных свойств мембраны, частично утраченных в процессе работы, путем воздействия на нее раствором минеральной кислоты.

8. Разработаны технологическая схема и опытный мембранный комплекс, встроенный в циркуляционный контур проявочной машины К43П1, обрабатывающей цветные позитивные кинопленки. Проведенные испытания показали высокую эффективность очистки и концентрирования производственных промывных вод. Сенситометрическими испытаниями подтверждена возможность повторного использования очищенной воды на стадии промывания, а образующихся концентратов после их доукрепления в качестве пополнителей. Простота и доступность оборудования, а также использование резервных мощностей проявочной машины, позволяющее практически полностью исключить увеличение производственных площадей и являются определяющими факторами в дальнейшем развитии метода контактной мембранной дистилляции.