Разработки ФГУП «ГНЦ РФ - ФЭИ» в области очистки воды
advertisement
Федеральное агентство по атомной энергии ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ – ФИЗИКО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им. А.И. Лейпунского Разработки ФГУП «ГНЦ РФ - ФЭИ» в области очистки воды докладчик: начальник лаборатории фильтрации жидкостей и газов Ягодкин Иван Васильевич Международный форум «Чистая вода-2010» г. Москва, 20-24 октября 2010 г. Круглый стол «Чистая вода: опыт реализации инновационных проектов в рамках федеральных целевых программ Минобрнауки России» 21 октября 2010 г. Основные направления работ лаборатории по очистке жидких сред Очистка гальванических растворов Очистка технических масел Очистка жидких металлов Очистка сред в экстремальных условиях Утилизация моющих растворов Очистка жидкости в бытовых отопительных системах Опреснение морской воды Направления работ Технические жидкости Пищевые жидкости Другие применения Переработка промотходов (ЖРО и др.) Производство питьевой воды Схема технологии формирования наноструктурного покрытия h = 250 мм Пористая подложка Наноструктурное покрытие Пористая подложка из полиэтилена 70 мм Мембрана Плазма Катод Структура поверхности наноструктурной мембраны 30 nm Схема удержания частиц на поверхности наноструктурной мембраны Загрязненная вода 30 nm Структура поверхности и среза мембраны Крупнопористая подложка (диаметр «волоска» ~ 10-20 нм, высота «волоска» ~ 10-13 мкм) Наноструктурная мембрана Структура поверхности мембраны 10 мкм Плазмохимическая технология позволяет выращивать требуемые наноструктурные мембраны из наноразмерных «волосковых» элементов с заданными свойствами и развитыми наноразмерными щелевыми фильтрующими порами между ними. Это новый класс фильтрующих материалов, обладающий рядом технико-экономических преимуществ. Свойства наноструктурной мембраны Мембрана Пористый полиэтилен Очищенная прозрачная вода Исходная вода Взвеси Бактерии E.Coli (кишечная палочка) характерный размер – 1 - 2 мкм Показатель без взвесей, E.coli Слой осадков Эффективность очистки, % Частицы диаметром 0.1 – 0.25 мкм 99 - 100 Общее железо 92 – 95 Медь 99 – 100 Алюминий 99 – 100 Показатель Эффективность очистки, % Цинк 88 – 95 Свинец 90 – 77 Бактерии E-coli 99 - 100 Прозрачность Двойной дистиллят Наноструктурная мембрана обеспечивает: - практически полную очистку от взвесей, включая взвеси соединений железа (ржавчина), с максимальной прозрачностью воды после мембраны; - полную очистку от большинства бактерий, включая бактерии E.Coli (кишечная палочка). Таким образом является практически стерилизующей мембраной. ПРЕИМУЩЕСТВА ФИЛЬТРУЮЩЕГО ЭЛЕМЕНТА С НАНОСТРУКТУРНЫМИ МЕМБРАНАМИ СРАВНЕНИЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК Перепад давления, МПа ЦИКЛ «ФИЛЬТРАЦИЯ – РЕГЕНЕРАЦИЯ» Трековая (0,4 мкм) Владипор (0,45 мкм) Наноструктурная (0,1 – 0,3 мкм) Скорость фильтрации, м3/ч*м2 ОЧИСТКА ОТ ПРИМЕСЕЙ Нерастворенные примеси, бактерии ПРЕИМУЩЕСТВА: • Рекордно низкое гидродинамическое сопротивление и высокая производительность • Высокая механическая прочность • Низкая адгезионная способность поверхности к очищаемым осадкам • Возможность многократной регенерации без разборки • Полное удаление нерастворенных примесей более 0,2 мкм и бактерий • Высокий ресурс работы • Возможность использования тонкодисперсных сорбентов. Фильтрующие элементы с наноструктурными мембранами Применение Подложка Переработка жидких радиоактивных отходов Толщина подложки 1–30 мм Керамика Наноструктурный материал Очистка воды первого контура на АЭС Однослойный однокомпонентный Очистка спецпрачечных и трапных вод Ti Zr Al TiN TiO2 AlN Получение питьевой воды повышенного качества Ni Sn Bi BiO2 SnN и др. Высокотемпературная фильтрация паро-газовой смеси Однослойный многокомпонентный Металлы и сплавы Толщина мембраны 5-15 мкм Ti, Zr NiN, AlN TiO2, SnO2, AlO2 Zr, Al TiO2, BiO2 NiN, AlN, SnN Al, Ni BiN, NiN и др. Многослойный Ti + Al Полимеры TiN, AlN + Ni Cu, Ti + Zr Глубокая очистка технической воды Очистка агрессивных жидкостей Опреснение морской воды Очистка теплоносителей в бытовых системах Утилизация моющих растворов Cu + TiO2 , AlO2 Ti + Zr + NiN, AlN Очистка гальванических растворов TiN + Zr,Al + Cu,Ti Ti + NiN + TiO2 Сбор ценных взвесей из суспензии BiN, NiN + TiO2 и др. Очистка масел и топлив Очистка жидких сред при высоких давлениях и др. Макетные образцы коррозионностойких фильтрующих элементов с плазмохимическими наноструктурными мембранами Фильтрующий элемент: • пористая подложка (1) – керамика (волостонит); • наноструктурная мембрана (2) - Zr,Ti + AlN. Свойства: • максимальная температура эксплуатации до 1000 °С; • максимальное давление - до 30 МПа; • скорость фильтрации - не менее 100 л/час; • тонкость очистки – не более 0,15 мкм. Недостатки: хрупкость подложки, малый опыт использования керамики в условиях АЭС; высокая стоимость. Мембрана 1 Подложка 2 10 мкм Мембрана 10 мкм Подложка Фильтрующий элемент: • пористая подложка (1) – нержавеющая сталь; • наноструктурная мембрана (2) Zr,Ti + TiN. Свойства: • максимальная температура эксплуатации до 350 °С; • максимальное давление - до 16 МПа; • скорость фильтрации - не менее 150 л/час; • тонкость очистки – не более 0,3 мкм. 1 2 Актуальность разработки оборудования для очистки индустриальных масел • В энергетике в настоящее время методы очистки основаны на фильтрации среды и задержании загрязнений в объеме фильтроэлементов (фирмы HYDAC, PALL, PARKER, EPPENSTEINER - одноразовое использование, нерегенерируемые фильтроэлементы). • Стоимость одноразовой очистки турбинных масел на энергоустановках России составляет примерно до 7.7 млрд. руб., с учетом энергетической мощности ТЭС и АЭС России в 175 МВт (эл.). • В авиационно-космической технике. Третья часть всех аварий и катастроф самолетов обусловлены загрязнениями в топливе («Фильтры и системы фильтрации для мобильных машин» Г.С. Бродский, Москва, 2004). Блок-схема комплексной системы очистки энергетических, трансформаторных, транспортных масел и топлива Модуль электрофизической очистки (первая ступень) Модуль сорбционной очистки (вторая ступень) Модуль мембранной очистки (финишная очистка) очистка с 17 класса до 6 класса по ГОСТ 17216. Снижение кислотного числа и влагосодержания Очистка с 8 – 6 класса до 4 – 00 класса по ГОСТ 17216. Очищаемая среда Энергетическое масло Трансформаторное масло Транспортное масло Дизельное топливо Технология изготовления пористых подложек Выталкивание пористой подложки Загрузка прессформы Р Исходный порошок полиэтилена Спекание Т, t Т, t Т, t Р Для изготовления пористой подложки используется порошок сверхвысокомолекулярного полиэтилена. План размещения оборудования для мелкосерийного производства фильтрующих элементов с наноструктурными мембранами Чистка форм Инженерная комната Спекание пористых подложек Загрузка форм порошком полиэтилена Выталкивание пористых подложек Присоединение адаптеров Подготовка форм Обрезка подложек в размер Контроль качества фильтрующих элементов Нанесение наноструктурных мембран Раздевалка Цех серийного производства мембранных фильтрующих элементов Участок спекания катриджей Участок плазмохимического напыления Мощность производства при двухсменной работе 100 000 шт./год. Площадь производства более 200 м2. 10 октября 2009 г. закончены ремонтно-строительные работы, на них затрачено 5,1 млн. руб., из них: средства МНТЦ – 1,9 млн. руб.; собственные средства ФЭИ – 3,2 млн. руб.. Закуплено и подготовлено к монтажу и пуско-наладке более 30 единиц стандартного оборудования на сумму 9,8 млн. руб., из них: средства МНТЦ – 4,5 млн. руб.; привлеченные средства – 5,3 млн. руб. В настоящее время идет работа по подготовке документации к сдаче производства (технологический процесс, система контроля качества фильтрующих элементов, пооперационный контроль и др.). Фильтрующие элементы с наноструктурными мембранами на пористой полимерной подложке Поставочные партии фильтрующих элементов более 1500 шт. (филиал «Текстильщики» ФГУП «Красная звезда», ЖКХ г. Калуга и др.) для использования в системе очистки жидких радиоактивных отходов и получения питьевой воды. Проведены переговоры с ЗАО «Системы спасения» о создании мобильной сорбционно-мембранной установки переработки дезактивирующих растворов (по заказу МЧС). Партия фильтрующих элементов Начата работа по созданию системы очистки высокоагрессивных пульп от мелкодисперсных сорбентов (от 50 нм до 10 мкм.) для ЗАО «ТехМаш». Потенциальные заказы на поставку фильтрующих элементов – более 50 тыс.шт./год Самоочищающиеся фильтры с фильтрующими элементами с наноструктурными мембранами СФИНКС–01 0.1 – 0.3 мкм Тонкость фильтрации 0.1 – 0.3 мкм 7 – 12 мкм Толщина мембраны 7 – 12 мкм 0.2 – 0.4 МПа Допустимый перепад давления 0.2 – 0.4 МПа 100 % Эффективность очистки 100 % от взвесей 100 л/ч Производительность 700 л/ч пористый полиэтилен Материал картриджа пористый полиэтилен Ti, TiN, AlN и др. Материал мембраны Ti, TiN, AlN и др. нержавеющая сталь Материал корпуса фильтра нержавеющая сталь обратным гидроимпульсом Очистка поверхности мембраны от взвесей обратным гидроимпульсом СФИНКС–07 Мембранные самоочищающиеся фильтры Разработана конструкция и заключен договор на поставку (декабрь 2009 г.) фильтроэлементов (300 шт.) и системы очистки питьевой воды производительностью до 5 м3/ч для вводимого в эксплуатацию элитного строительного объекта социального назначения по заказу ЗАО «Экострой» (г.Калуга). Внешний вид системы очистки питьевой воды (D = 580 мм, L = 900 мм, количество фильтрующих элементов с наноструктурными мембранами – 30 шт.) Схема сорбционно-мембранной технологии переработки жидких радиоактивных отходов Загрузка модифицированного трепела Коагуляция + отстой Статическая сорбция ЖРО с активностью АН Осветлениая жидкость ЖРО + трепел VЖРО – объем ЖРО Цементный камень Цементирование Осадок Результаты очистки ЖРО Радионуклид Начальная активность АН, Бк/л Конечная активность АК , Бк/л 137Cs 3,1 104 <1 90Sr 8,3 104 <5 Коэффициент кратности уменьшения объема ЖРО К = VЖРО/VЦК до 60 VЦК – объем цементного камня Очищенная водносолевой раствор с активностью – АК Финишная динамическая сорбция Микро-, ультра-, нанофильтрация Опытно-демонстрационная установка по переработке реальных жидких радиоактивных отходов Проектная производительность по среднеактивным, среднесолевым ЖРО ~ 100 л/ч Исходные данные ЖРО: Радиоактивность 137Cs = 3,1 104 Бк/л 90Sr = 8,3 104 Бк/л 60Со = 1,0 ∙ 103 Бк/л Солесодержание < 25 г/л Конечные растворы: Радиоактивность 137Cs < 1 Бк/л (ПДК = 11 Бк/л) 90Sr < 5 Бк/л (ПДК = 5 Бк/л) 60Со = 24 Бк/л (ПДК = 41 Бк/л) Солесодержание < 25 г/л Базовый вариант комплекса оборудования для получения питьевой воды высокого качества О2 + N2 Керамический кислородный насос N2 O2 Вода на очистку Модуль предварительной очистки Грубодисперсные взвеси Чистая вода Модуль ультрафиолетового обеззараживания Модуль окисления кислородом Fe++→ Fe+++ Природный сорбент (трепел и др.) Модуль с плазмохимическими наноструктурными мембранами Модуль умягчения воды и поглощения вредных растворенных примесей Микро- и нановзвеси Ca++, Mg++ ПРИМЕНЕНИЕ без дополнительной модификации: Очистка природной воды из любых водоисточников после модификации: Фармацевтическая промышленность Пищевая промышленность Предприятия ТЭК для подготовки технической воды Металлургические предприятия для очистки оборотной воды Резюме Разработана технология нового класса фильтрующих материалов на основе плазмохимической технологии формирования наноструктурной мембраны. Разработаны конструкции фильтров различной производительности для доочистки воды до достижения параметров высокого качества. Подготовлено производство фильтрующих элементов с наноструктурными мембранами. Разработана концепция создания комплекса оборудования для получения питьевой воды высокого качества. Целесообразно рассмотреть открытие финансирования в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научнотехнологического комплекса России на 2007-2012 годы» по реализации разработанной концепции создания комплекса оборудования для получения питьевой воды высокого качества. Благодарю за внимание Модуль предварительной очистки Неочищенный поток НОВИЗНА Впервые предлагается технология очистки, основанная на управлении дисперсной средой за счет разделения очищаемого потока на две составляющие с организацией тангенциального гидромеханического сноса частиц с фильтрующей поверхности. (0,85 -0,9)G0 отсто йник (0,1 -0,15)G0 очищенный поток ПРИНЦИП РАБОТЫ сочетание гидромеханического струйно-пленочного отделения взвесей и тангенциальной фильтрации на сетчатых элементах ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ использования данной технологии обусловлена фактом непрерывной самоочистки фильтрующей поверхности от механических примесей, что гарантирует следующие ПРЕИМУЩЕСТВА ПО СРАВНЕНИЮ С АНАЛОГАМИ • увеличивает ресурс фильтра в 1,5÷2 раза • улучшает технико-экономические характеристики, включая гидравлическое сопротивление (на 15÷25% ниже) • ведет к уменьшению массогабаритных характеристик • обеспечивает более низкую эксплуатационную стоимость (на 20%). Модуль окисления кислородом НОВИЗНА ПРИЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА I. Твердоэлектролитный кислородный насос выделяет кислород из воздуха II. Диспергатор: получение пузырьков кислорода в с размерами < 100 мкм в воде. Впервые используется комплекс: высокоэффективный дисковый диспергатор газа в сочетании с твердоэлектролитным кислородным насосом на основе наноструктурированной ионопроводящей керамики, обеспечивающий возможность оперативного регулирования (в том числе и автоматического) скорости обезжелезнивания и деманганации воды. ПРЕИМУЩЕСТВА • быстрое и глубокое окисление Fe++ в Fe+++ за счет использования чистого кислорода, выделяемого селективно из воздуха, отсутствия азота в газовой фазе и блокировки им поверхности окисления • ускорение на порядок процесса окисления за счет развития поверхности контакта газ – жидкость при микродиспергации • возможность автоматического регулирования подачи кислорода за счет электрохимического принципа работы кислородного насоса • надежность работы, энергоэкономичность, малая металлоемкость • отсутствие необходимости деаэрации отсутствие сменных газовых баллонов Модуль окисления кислородом Высокоэффективный дисковый диспергатор Обеспечивает возможность формирования двухкомпонентных потоков «жидкость – газ» с мелкодисперсной газовой фазой (<100 мкм) при газосодержании до 3 %об. Сорбционный модуль. Вариант для питьевой воды ПРЕИМУЩЕСТВА: - Природные сорбенты биологически инертны, распространены, имеют низкую стоимость. - Использованный сорбент не требует регенерации. - В силу высоких сорбционных характеристик, одновременно с умягчением воды, способны эффективно удалять нитраты, железо, свинец, фториды, нефтепродукты, фенол и др. примеси. - Имеется возможность вторичного использования в качестве строительного материала, удобрений и т.д. или вывоза на полигоны. Модуль ультрафиолетовой обработки Внутренний и наружный корпус установки ПРЕИМУЩЕСТВА: • • Ультразвуковые преобразователи • Ультрафиолетовые лампы Идеальные условия работы модуля ультрафиолетовой очистки обеспечиваются предшествующим модулем мембранной очистки Отсутствие взвесей и прозрачность воды позволяет достигать максимально возможной эффективности УФ-стерилизации и ресурса работы ламп. Использование новейших разработок в области взаимодействия ультразвукового и ультрафиолетового воздействия на воду Модуль электрофизической очистки на Смоленской АЭС Выполнен монтаж электрофизического модуля на байпасной линии Центрального маслохозяйства (бак №8) СмАЭС. Проведены пуско-наладочные испытания, подтверждена работоспособность модуля. Керамические пористые подложки Преимущества керамических пористых подложек перед полимерными: • высокая механическая, химическая, микробиологическая и радиационная стойкость в широком диапазоне температур (вплоть до 1500 °С); • возможность получения керамических пористых подложек с заданным распределением пор по размерам в широком диапазоне; • возможность использования в широком диапазоне дисперсности загрязнений; • возможность регенерации от органических и биологических загрязнений путем высокотемпературной обработки (выжигания); • большой срок службы. Внешний вид керамических пористых подложек производства ОНПП «Технология». Наиболее перспективными материалами для изготовления керамических пористых подложек являются оксид алюминия и волластонит. Преимуществом оксида алюминия и волластонита является низкая цена сырьевых материалов, техническая простота и малая энергоемкость технологий изготовления. Промышленная база ОНПП «Технология» позволяет производить керамические пористые подложки типовых применяемых форм и размеров в опытно-промышленном масштабе. Керамические пористые подложки могут быть использованы как самостоятельные изделия так и для нанесения наноструктурных мембран.
