У Аверина Ю.М., Меньшиков В.В.

Успехи в химии и химической технологии. ТОМ XXIX. 2015. № 1
УДК 628.162.1(043)
Аверина Ю.М., Меньшиков В.В.
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия
125047, Москва, Миусская площадь, дом 9
* e-mail: [email protected]
ПРАКТИЧЕСКОЕ ИЗУЧЕНИЕ ОСНОВ ТЕХНОЛОГИИ ОБЕЗЖЕЛЕЗИВАНИЯ
ПРИРОДНЫХ ВОД ДО ПИТЬЕВОГО КАЧЕСТВА РАЗЛИЧНЫМИ РЕЖИМАМИ
ФИЛЬТРАЦИИ
С
ПРИМЕНЕНИЕМ
КЕРАМИЧЕСКИХ
МЕЛКОПОРИСТЫХ
ТРУБЧАТЫХ МЕМБРАН
Аннотация
Установлены закономерности процесса мембранной очистки железистых вод от двух и трех валентного
железа.
Ключевые слова: керамические мембраны, обезжелезивание, фильтрация.
Для этих целей была создана лабораторная
установка по изучению двух основных режимов
организации процесса фильтрации через мембраны, а
именно режим с поперечным потоком и тупиковый
режим обоих режимов фильтрации. Эксперименты
по изучению селективности проводились на
модельных растворах трехвалентного железа.
Полученные результаты показали, что при обоих
режимах фильтрации в диапазоне концентраций
железа(III) в воде 0 – 30 мг/л достигается
установленная СанПиН ПДК. После чего сравнения
режимов проводились по таким параметрам как
удельная производительность и рабочее давление.
Для проведения экспериментов нами была
выбрана схема тупиковой фильтрации при
постоянном давлении. Выбор данной схемы был
обусловлен следующим:
x тупиковая схема более экономична и более
проста в эксплуатации, особенно при малых
производительностях;
x при исследовании и оптимизации работы
мембранных аппаратов исключается влияние
такого сложного фактора как скорость потока над
мембраной;
x зависимости для фильтрации с постоянным
давлением более удобны для изучения и
моделирования, кроме того, в условиях
эксперимента поддерживать постоянное давление
значительно
проще,
чем
постоянную
производительность.
Далее были исследованы закономерности
изменения удельной производительности (рис. 1) и
рабочего давления (рис. 2) для различных исходных
концентраций трехвалентного железа при тупикой
схеме организации процесса.
Обеспечение населения качественной питьевой
водой является приоритетной социальной задачей
любой страны. Однако, одной из основных проблем,
связанных
с
источниками
воды,
является
многократное превышение в них содержания железа
как природного, так и техногенного происхождения.
В основных напорных горизонтах железо часто
превышает предельно допустимые концентрации
(ПДК 0,3 мг/л) в 5-20 раз и более, а в грунтовых
водах это превышение иногда возрастает в 40-60
раз (до 12-18 мг/л) [1,2].
Большое содержание железа в организме
приводит к его отложению в тканях, которое носит
генерализованный
(распространившийся
по
организму) характер, называемый гемосидероз. А
если общее содержание железа в организме
превышает 15 г, то поражаются внутренние органы и
такое состояние называется гемохроматозом [3].
Длительное употребление железистой воды
приводит к заболеваниям печени, увеличивает риск
инфарктов, негативно влияет на центральную
нервную систему и репродуктивную функцию
организма [4].
В
настоящее
время
удельное
суточное
водопотребление в России на душу населения
составляет 275-300 л, а задача обеспечения
населения страны качественной питьевой водой
названа приоритетной правительством РФ. Не менее
важной задачей является очистка сточных и
промышленных вод до требуемых норм.
Нами
было
предложено
для
процесса
обезжелезивания
применить
метод
микрофильтрации на керамических мелкопористых
трубчатых мембранах.
82
Успехи в химии и химической технологии. ТОМ XXIX. 2015. № 1
Рис. 1. График зависимости удельной производительности фильтрации от времени для различных исходных
концентраций трехвалентного железа, рабочее давление Р=3 атм.
Рис. 2. График зависимости рабочего давления от объёма фильтрата для различных исходных концентраций
трехвалентного железа, при постоянной скорости фильтрации.
83
Успехи в химии и химической технологии. ТОМ XXIX. 2015. № 1
Как видно, при увеличении исходной
концентрации трехвалентного железа в модельном
растворе и продолжительности эксперимента
удельная производительность мембран падает, а
рабочее давление возрастает.
Получив удовлетворительные результаты по
фильтрации трехвалентного железа, было принято
решение о проведении исследования процесса
разделения модельных растворов с различной
начальной концентрацией двухвалентного железа
при различных давлениях.
Модельные растворы готовили из сульфата
железа (II) марки «Ч» в различных типах вод
следующим образом. Выбранную для каждого
отдельного эксперимента воду перед началом
эксперимента термостатировали в открытом сосуде
при перемешивании в течение 4 часов для
достижения
равновесной
концентрации
растворенного в ней кислорода.
Далее в термостатируемый раствор добавляли
расчетное количество сульфата железа (II) марки «Ч»
для получения модельного раствора с необходимой
концентрацией ионов Fe2+.
Рис. 5. Графики зависимостей концентрации железа в фильтрате от времени при «тупикой» схеме
организации процесса и соответствующих исходных концентраций двухвалентного железа и рабочих давлениях и
расходе 300 [л/м2*ч].
84
Успехи в химии и химической технологии. ТОМ XXIX. 2015. № 1
Из графика видно, что в процессе
фильтрации концентрация двухвалентного железа в
фильтрате снижается, но требуемая по СанПиН ПДК
так и не достигается. Данное снижение
концентрации во времени в процессе фильтрации
определяется исходной концентрацией и рабочем
давлением. Возможно, это связано с образованием
динамического слоя из окисленных форм железа у
поверхности мембраны, который является, своего
рода,
естественным
катализатором
процесса
окисления железа.
Дальнейшее увеличение времени процесса
фильтрации и рабочего давления приведет к резкому
повышению энергопотребления, что является не
целесообразным.
С учетом полученных экспериментальных
данных о работе керамических мелкопористых
трубчатых мембран можно говорить о том, что для
удаления железа (II) до норм ПДК из воды перед
стадией фильтрации необходимо окислить часть
ионов Fe2+.
Также в процессе работы нами была
показана принципиальная возможность регенерации
керамических мелкопористых трубчатых мембран
после процесса фильтрации коллоидных соединений
железа. Наиболее простым и экологически
рациональным методом регенерации был признан
метод безреагентной противоточной регенерации.
Выводы:
1. Изучены закономерности и определены
оптимальные технологические параметры
процесса фильтрации железосодержащих
водных растворов через керамические
мелкопористые трубчатые мембраны.
2. Разработана
методика
регенерации
микрофильтрационных
мембран
после
процесса обезжелезивания.
3. Исследуемый
процесс
фильтрации
характеризуется эффективностью извлечения
ионов железа (III) - 99,5–99,8 %.
Меньшиков Владимир Викторович д.т.н. профессор кафедры ИМ и ЗК РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия,
Москва
Аверина Юлия Михайловна ассистент кафедры ИМ и ЗК РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
Литература
Драгинский В.Л. Очистка подземных вод от соединений железа, марганца и органических
загрязнений // Водоснабжение и сантехника. 1997. № 12. 16 с.
Крайнов С.Р., Швец В.М. Геохимия подземных вод хозяйственно-питьевого назначения. - М.:
Недра.1987. 237 с.
Крушенко Г.Г., Сабирова Д. Р., Петров С. А., Талдыкин Ю. А. Проблема воды // Вода и экология.
Проблемы и решения. 2000. № 3. 28 с.
Таубе П.Р., Барабонова А.Г. Химия и микробиология воды,– М: Высшая школа, 1983. 780 с.
Терпугов Г.В., Мынин В.Н., Комягин Е.А., Аверина Ю.М., Скопин А.Л., Кабанов О.В. Бытовые
водоочистные устройства, учебное пособие, РХТУ им. Д.И. Менделеева, М., 2008, 60с
Аткинс Р. Биодобавки. Природная альтернатива лекарствам. ООО «Попурри», Минск, 2004.
Горбачев В.В., Горбачева В.Н. Витамины. Макро- и микроэлементы. Справочник. Книжный Дом
Интерпрессервис, Минск, 2002.
Водоподготовка (www.aqua-therm.ru) под редакцией доктора технических наук, действительного
члена Академии промышленной экологии С.Е. Беликова, Москва, 2007, Библиотека Акватерм.
Николадзе Г.И. Обезжелезивание природных и оборотных вод. Стройиздат, Москва, 1978
Averina Julia Mihailovna, Menshikov Vladimir Viktorovich*
D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia.
* e-mail: [email protected]
PRACTICAL STUDY OF THE FOUNDATIONS OF TECHNOLOGY DEIRONING OF
NATURAL WATER OF DRINKING QUALITY TO DIFFERENT MODES OF FILTRATION
USING FINELY POROUS CERAMIC TUBULAR MEMBRANES
Abstract
The regularities of membrane treatment ferruginous water from two- and three- valent iron.
Key words: ceramic membranes, iron removal, filtration
85