Автор работы: Пользователь скрыл имя, 21 Апреля 2015 в 23:40, статья
Статья посвящена одному из методов очистки горнопромышленных сточных вод и жидких отходов — мембранной фильтрации, направленной на удаление нерастворимых примесей. Отмечается возрастающая актуальность данного метода очистки.
Перспективы применения мембранной фильтрации на горно-обогатительных предприятиях
Статья посвящена одному из методов очистки горнопромышленных сточных вод и жидких отходов — мембранной фильтрации, направленной на удаление нерастворимых примесей. Отмечается возрастающая актуальность данного метода очистки. Указывается на проблемы, препятствующие более широкому применению технологии мембранной фильтрации, одной из которых является снижение скорости фильтрования в течении длительного периода из-за загрязнения мембран и проявления феномена поляризации. Приводятся применяемые в промышленной практике методы сокращения степени загрязнения, среди которых – корректный подбор типа мембраны и характеристик питания. В статье представлены результаты экпериментального исследования фильтрации с использованием коммерческого мембранного материала. Изложена методика медифицирования поверхности мембраны диоксидом титана и сравнительной оценки показателей мембранной фильтрации растворов высокомолекулярных органических соединений. Показано, что независимо от выбранного способа нанесения диоксида титана на поверхность мебраны ее гидрофильность и проницаемость увеличивается, а загрязнение поверхности уменьшается.
Эффективная организация водно-шламового хозяйства горно-обогатительных предприятий представляет собой один из ключевых моментов повышения экологической безопасности действующих и проектируемых производств. При этом неизбежно встает вопрос об очисткеи обороте сточных вод, как одного из основных факторов загрязнения окружающей среды. Состав сточных вод обогатительных фабрик существенно зависит от технологии обогащения и природы полезного ископаемого, что делает сточные воды коллектором различных групп органических и неорганических соединений, а также частиц микроразмера. Обработка таких вод требует применения многостадийных схем, которые зачастую не обеспечивают должной степени очистки промышленных стоков и исключают возможность их моногократного оборота.
В последнее время существенное развитие систем водоочистки связывается с использованием мембранной фильтрации, которая представляет собой универсальный способ доводки промышленных стоков до нормального сброса в водоемы водохозяйственного назначения или их использование в технологических схемах горно-обогатительных предприятий. Одно из главных препятствий на пути масштабного применения этой технологии заклбчается в снижении производительности фильтров при их длительной эксплутации вследствие загрязнения мембран и возникновения феномена поляризации. В промышленности существуют различные методы борьбы с этими явлениями, которые включают корректной подбор (согласование) типа мембраны и харктеристик питания, снижение трансмембранного давления, скорости питающей жидкости в переточном модуле и ряд других технических мероприятий. Заметное повышенное эффективности процесса обеспечивается за счет придания поверхности мембран свойств, препятствующих их загрязнению. Для этого их изготавливают гидрофильными, отрицательно заряженными, с заданным распределением и размером путем нанесения поверхностно-активных веществ, химической модификации, электронного и ультрафиолетового облучения, плазменной обработки поверхности и т.д.. В настоящее время все большее применение в различных областях промышленности приобретает использование диоксида титана, как универсального реагента для создания самоочищающихся материаолов, механизм воздействия которого обусловливается его высокой каталитической активностью и возможностью формирования гидрофобных либо гидрофильных покрытий.
При проведении экспериментальных исследований в качестве фильтровальной мембраны применялся материал марки UV150 (Microdyn-Nadir), поверхностный слой которого изготовлен из поливинилдифторида. Водная суспензия диоксида титан изготовилась на основе химически чистого наноразмерного TiO2 производства TiPE H (Китай). Вся вода, использованная в работе, предварительно подвергалась очистке методом обратного осмоса на лабороторной установке. В качестве тестовых систем при исследовании свойств мембран использовали водный раствор декстрана и древесного гидролизата.
Закрепление частиц TiO2 поверхности мембраны осуществлялось статическим и динамическим способами. В первом случае очищенная в ультразвуковой ванне мембрана погружалась в суспензию диоксида титана концентрацией 0,425% и подвергалась выдержке при температуре 50ºС в течении 5 – 30 минут, которая сопровождалась (или не сопровождалась) обработкой ультрафиолетовым излучением с длиной волны 340 нм. Во втором случае очищенная мембрана помещалась в фильтровальную установку, и пульпа при комнатной температуре подавалась на ее поверхность под давлением от 1·103 до 4·103 Па в течении одного часа. При этом концентрация пульпы варьировалась от 0,1 до 0,425% (рис.1). Скорость фильтрации определялась в переточной модели с площадью мембраны 0,00186 м2 и в проточной модели с площадью мембраны 0,004 м2 (рис.2). Скорость потока при подаче очищенной воды измерялась в течении одного часа для мембран с покрытием и без него. После измерений с чистой водой в качестве питания использовался раствор декстрана, фильтрация которого проводились в течении 30 минут. Скорость фильтрации определялась путем периодического взвешивания фильтрата на электронных весах.
Рис.1
Поток фильтрата в обеих установках измерялся при избыточном давлении 1·105 Па и далее рассчитывался по формуле:
где Jm – поток чистой воды, кг/м2·ч; А – площадь мембраны, м2; t – время, ч; m – масса фильтрата, кг.
Это позволяет вычислить проницаемость мембраны по формуле:
где Р – проницаемость, кг/Н·ч; р – давление, Па.
Рис.2
Эффективность покрытия оценивалась по величине изменения скорости потока (PWFr), а влияние загрязнения определялось по величине сокращения потока (PWFR):
где PWFb – поток фильтрата при подаче чистой воды на исходную мембрану, PWFa – поток фильтрата при подаче чистой воды после нанесения на мембрану покрытия;
где PWFi - поток фильтрата для чистой воды до фильтрата гидролизата, PWFh – поток фильтрата для чистой воды после фильтрации гидролизата.
Оценка степени очистки (R) растворов от органических примесей выполнялась по результатам анализа потоков на содержание общего углерода с использованием анализатора Shimadzu TOC-5050A:
где Cper,Cfeed – концентрация углерода соответственно в фильрате и питании.
Смачиваемость мембраны оценивалась по величине краевого угла, который измерялся по результатам компьютерного анализа микрофотографий. Для оценки химического состава и структуры поверхности мембран была использована сканирующая электронная спектроскопия (SEM), которая показала отсутствие сплошного покрытия из диоксида титана после проведенного модифицирования. Энергодисперсионная спектроскопия (EDS) и инфракрасная спектроскопия (IR) применялись для уточнения химической природы загрязнений, отлагающихся на мембране.
Согласно полученным результатам во всех случаях нанесения на поверхность мембран диоксида титана их проницаемость возрастает. При этом увеличение продолжиетльности процесса до 30 минут и соответствующее ультрафиолетовое облучение способствует росту проницаемости мембран, так же как повышение давления при динамическом способе нанесения покрытий (рис.). Эти результаты подтверждаются измерениями краевого угла смачивания, которые показали его снижение с 80 – 70 град. для исходных мембран до 32 град. для мембран с покрытием, что свидетельствует о возрастании их гидрофильности. Даже после фильтрации раствора декстрана значение краевого угла оставалось на уровне 64 град., т.е. было заметно меньше, чем для мембран без покрытия.
На рис.4 приведены результаты фильтрации раствора гидролизата через мембрану с покрытием, которое было нанесено динамическим способом при массовой доле диоксида титана в суспензии 0,425%.
Для сравнения приведены показатели проницаемости мембраны без покрытия. При этом продолжительность фильтрации 100 грамм раствора гидролизата для модифицированной мембраны составила 2 ч по сравнению с 5ч для исходной мембраны. Согласно результатам инфракрасной спектроскопии поверхность мембран после фильтрации гидролизата имеет отчасти похожие спектры. Тем не менее мембрана без покрытия практически во всем спектральном диапазоне имеет более интенсивные пики, особенно в интервале частот 1000 – 1500 см-1, что может свидетельствовать о более сильном ее загрязнении органическими примесями (рис.5)
Определение и расчет сокращения потока воды через мембрану после фильтрации древесного гидролизата позволили установить зависимости, приведенные на рис. 6, которые в значительной степени коррелируют с данными рис. 1. Таким образом, повыгение давления при модификации мембраны диоксидом титана и концентрации его суспензии способствует не только большему в количественном отношении, но и более прочному закреплению ТіО2. В то же время высокая концентрация суспензии заметно ухудшает проницаемость мембраны, снижая ее фильтрационные свойства.
Проведенное исследование позволяет говорить о значительном потенциале использования диоксида титана для модифицирования поверхности фильтров и мембран, особенно при доводке сточных вод, содержащих органические примеси. Исследуемый метод модифицирования поверхности мембран позволяет увеличить срок их службы, исключив их частую очистку, и тем самым снизить стоимость и сложность процесса фильтрации. При этом необходимо учитывать многофакторный и многопараметрический характер зависимости свойств мембран и показателей фильтрации от способа модифицирования, что требует применения оптимизационного подхода.