Одной из наиболее остро стоящих проблем настоящего времени как в России, так и за рубежом является защита водного бассейна от попадания вредных промышленных выбросов [1, 2]. Для решения данной задачи необходимо, с одной стороны, максимально утилизировать ценные вещества из сбрасываемых сточных вод, с другой стороны, создавать замкнутые производственные циклы, обеспечивающие наилучшее использование компонентов. Как правило, загрязнения водного бассейна возникают при разделении жидких сред, широко использующихся во многих отраслях промышленности [3+5]. Традиционно для разделения жидких смесей используются экстракция, ректификация, выпаривание и ряд других физико-химических методов [9+10]. Следует отметить, что данные методы характеризуются высокой энергоемкостью, сложностью и громоздкостью аппаратуры, использованием в некоторых случаях токсичных поглотителей.
Большинства недостатков вышеперечисленных способов разделения можно избежать, используя полупроницаемые мембраны и методы мембранной технологии [11+24]. Мембранные методы отличаются высокой экологичностью, компактностью и простотой аппаратуры, ее малой металл ои энергоемкостью. В связи с этим мембранная технология начала применяться в химической, пищевой, микробиологической, фармацевтической и других отраслях промышленности [24, 28, 34+35].
К мембранным методам, наиболее распространенным в народном хозяйстве, относятся: обратный осмос, ультраи микрофильтрация, электродиализ. Так же исследуются и внедряются сравнительно новые методы: мембранная дистилляция, электроосмофильтрование и др. [28].
Из вышеперечисленных мембранных методов наиболее часто применяемым является обратный осмос [11+24]. Во многих странах мира методом обратноосмотического обессоливания с успехом получают пресную воду. Известно, что при помощи обратного осмоса можно уда6 лить 80ч-90% солей, растворенных в воде, используемой для промышленных нужд [25].
К настоящему времени были проведены некоторые исследования по выявлению эффективности применения обратного осмоса для очистки сточных вод [30ч-32], получения особо чистых веществ [41], разделения многокомпонентных растворов [38, 40], а также для подготовки воды в теплоэнергетике [27].
В большинстве работ, посвященных обратному осмосу, исследовались растворы неорганических веществ. Исследований, посвященных разделению органических веществ, очень мало (в основном они касаются ультрафильтрации высокомолекулярных соединений), несмотря на то, что органические вещества в различных отраслях промышленности применяются весьма широко, и практически отсутствуют экспериментальные данные по разделению многокомпонентных растворов низкомолекулярных органических веществ.
Как правило, утилизация низкомолекулярных органических веществ, по сравнению с неорганическими, связана с рядом трудностей, обусловленных специфическими свойствами соединений данного вида (высокой токсичностью, взрывои пожароопасностью) [8], которые значительно затрудняют или делают вообще невозможным использование традиционных методов разделения растворов.
Задачей данной работы являлось исследование кинетических закономерностей при обратноосмотическом разделении водных растворов низкомолекулярных органических веществ, а также влияния технологических параметров на процесс разделения применительно к производствам полупродуктов органического синтеза, химикатов добавок для полимерных материалов, красителей и т. д. В вышеперечисленных отраслях промышленности весьма остро стоят вопросы создания замкнутого водооборота, очистки сточных вод, упрощения технологических схем, повышения качества продукции [30ч-35]. 7.
В данной работе представлены результаты исследований по разделению модельных водных растворов, содержащих низкомолекулярные органические вещества, методом обратного осмоса, а также влияние технологических параметров на процесс разделения.
Была сформулирована и решена задача математического описания кинетики массопереноса для обратноосмотических установок работающих с замкнутой циркуляцией раствора по тракту пенетрата.
Исходя из вышесказанного, становится очевидной актуальность исследований по разделению растворов низкомолекулярных органических веществ мембранными методами.
Настоящая работа выполнялась в соответствии с координационным планом научно-исследовательских работ ТГТУ («Черноземье»), 1997;2000 гг., тема ЗГ/99 ГБР «Разработка теоретических основ расчета и проектирования оптимальных энергои ресурсосберегающих процессов и оборудования химических и микробиологических производств».
Автор выражает благодарность коллективу кафедры «ПАХТ» и другим сотрудникам ТГТУ за помощь в работе. 8.
132 ВЫВОДЫ.
1. Выполнен обзор и анализ литературных данных, посвященных об-ратноосмотическому разделению водных растворов органических веществ. Показаны основные трудности, возникающие при концентрировании промышленных растворов и утилизации сточных вод, содержащих низкомолекулярные компоненты. Рассмотрены основные положения теории массопереноса при обратном осмосе, математические модели процессов, конструкции обратноосмотических аппаратов и установок. Поставлены задачи исследований.
2. Проведены обширные экспериментальные исследования обратно-осмотического разделения однои многокомпонентных водных растворов на экспериментальной и промышленной установках таких низкомолекулярных органических веществ как анилин, морфолин, уротропин, гидрохинон, а также трехкомпонентного раствора анилин+уротропин на мембранах МГА-95К и ОПМ-К. Исследования проводились на модельных и реальных растворах при варьировании условий ведения процесса. При этом установлено, что мембраны МГА-95К и ОПМ-К по данным веществам обеспечивают значения селективности и удельной производительности наиболее пригодные для практического применения.
3. Экспериментально исследованы основные кинетические характеристики процесса обратного осмоса: удельная производительность и селективность мембран, диффузионная и осмотическая проницаемости мембран в диапазоне концентраций 0,5-т-15 кг/м3, изучены сорбционные характеристики мембран.
4. Изучено влияние на кинетику процесса разделения концентраций, компонентного состава, температуры растворов (в пределах 20-ь45°С). Установлена закономерность: повышение температуры растворов для всех исследованных веществ и мембран приводит к увеличению диффузионной и осмотической проницаемостей, математически описываемой уравнением, аналогичным уравнению Аррениуса.
5. Проведены эксперименты по выяснению закономерностей влияния рабочего давления (в пределах 1-г5 МПа) и скорости раствора в межмембранном канале (от 0,036 до 0,18 м/с) в процессе обратноосмотического разделения водных растворов низкомолекулярных органических веществ на кинетические параметры. Влияние скорости раствора на процесс исследовалось на промышленной установке рулонного типа с использованием рулонных элементов, оснащенных мембраной МГА-95К, влияние давления на лабораторной установке плоскорамного типа с использованием мембран МГА-95К и ОПМ-К. Эксперименты позволили оценить и проанализировать влияние на кинетические характеристики процесса (селективность и удельную производительность) исследованных технологических параметров (скорости раствора и рабочего давления) и разработать рекомендации по выбору оптимальных условий ведения процесса.
6. Выполнена обработка экспериментальных данных графоаналитическими и численными методами, получены аппроксимационные зависимости, описывающие кинетические параметры процесса (селективность, удельную производительность, диффузионную и осмотическую проницаемости, сорбционные характеристики мембран). Расхождения экспериментальных и расчетных данных не превышают 20%, что позволяет использовать полученные зависимости в инженерных расчетах.
7. Усовершенствована физико-математическая модель массопереноса на основе уравнений конвективной диффузии и гидродинамики при об-ратноосмотическом разделении путем введения осмотической составляющей давления. Адекватность разработанной физико-математической модели проверена путем сравнения расчетных и экспериментальных данных, полученных на промышленной обратноосмотической установке рулонного типа. Расхождение расчетных и экспериментальных данных не превышает 20%. Предложена инженерная методика расчета обратно-осмотического аппарата с использованием средних по длине аппарата значений селективности и проницаемости мембран.
8. На основе проведенных исследований разработаны безотходные технологии очистки сточных вод и концентрирования промышленных растворов, содержащих такие низкомолекулярные органические вещества, как анилин, морфолин, уротропин, гидрохинон с концентрациями ~1 кг/м3. Разработанные технологические схемы приняты к реализации на ОАО" Пигмент" (г. Тамбов) и концерном «Беллегпром» (г. Минск).
