Ni 2+

Г.Г. Каграманов, П.С. Судиловский
РАЗРАБОТКА СОВМЕЩЕННОГО
ФЛОТАЦИОННО-МЕМБРАННОГО ПРОЦЕССА
ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД ОТ ТЯЖЕЛЫХ
МЕТАЛЛОВ
Москва, РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2007 г.
ФЛОТАЦИОННАЯ
УСТАНОВКА
ПЕРИОДИЧЕСКОГО
ДЕЙСТВИЯ
Флотатор
К2
К1 – Игольчатый вентиль
К2-3 – Шаровые краны
1 – Реометр
2 – Манометр
К1
PDI
1
PI
2
Компрессор
Мембрана
Шлам
Очищенная
вода
К3
ЗАВИСИМОСТЬ СКОРОСТИ БАРБОТАЖА
ОТ ГАЗОСОДЕРЖАНИЯ И СКОРОСТИ ОДИНОЧНОГО ВСПЛЫТИЯ ПУЗЫРЬКОВ
w    (1   )  w0
n
(1)
Полная энергия барботажного слоя высотой Н:

w2
3 w2 x 6 
E   (1   ) gx 

  dx
2
2(1   ) 4  (1   )
d 
0
H
H
H 0   ( 1   )dx  const
0
(3)
0
 
( 1   )2 n2
(2)
(4)


w2
3  0 w2
6
J    g (1   ) x 

x




(
1


)
dx
2n
2(1   ) 4  (1   )
d

0
H
n  (1   ) / 
(6)
(5)
ЗАВИСИМОСТЬ СКОРОСТИ БАРБОТАЖА
ОТ ГАЗОСОДЕРЖАНИЯ И СКОРОСТИ ОДИНОЧНОГО ВСПЛЫТИЯ ПУЗЫРЬКОВ
w    (1   )  w0
n
(1)
Мощность диссипации энергии барботажного слоя высотой Н:
3
w3
3
w3 H
N   0
dx   0
2n 2
2n 2
4
d
(
1


)

4
d
(
1


)

0
Í
n  (1   ) / 
(8)
1
w   (1   )

w0
(9)
(7)
ИЗМЕРЕНИЕ ДИАМЕТРА
ПУЗЫРЬКОВ
2 мм
ЗАВИСИМОСТЬ СКОРОСТИ
БАРБОТАЖА ОТ ГАЗОСОДЕРЖАНИЯ
1
3,5

3,0
{1} : w  w0 (1   )
(1   )
{4} : w  w0
5/ 3
1
(1   ) 2,39
{5} : w  w0
2
1  2,55
{6} : w  w0 (1   )
2
{3} : w  w0 (1  0,9
{6}
2,5
3
w, ñì /ñ
{2} : w  w0 (1   )
Ýêñï åðèì åí ò
1/ 3
{4}
2,0
1,5
{5}
{3}
1,0
{2}
0,5
0,0
0,05
{7}
{1}
0,10
0,15
 0,5  0,4 )
3  4,5 1/ 3  4,5 5 / 3  3 2
{7} : w  w0
3  2 5 / 3
2

0,20
0,25
0,30
ВЫБОР ОПТИМАЛЬНЫХ ДОЗ
ФЛОТОРЕАГЕНТОВ
← ДОДЕЦИЛСУЛЬФАТ
99
НАТРИЯ
ККМ = 870,4 мг/л
R, %
98
C1i=100 мг/л
СПАА=2 мг/л
3+
Fe (рН=6)
2+
Cu (рН=9,5)
2+
Ni (рН=10,5)
97
↓ ПОЛИАКРИЛАМИД
96
0
2
4
6
8
10
12
14
C1i=75 мг/л
CПАВ=5 мг/л
16
Доза ПАВ, мг/л
СПАА
0,5
1
2
3
4
R (Fe3+), %
61,2
82,0
97,0
97,5
97,4
R (Cu2+), %
83,0
86,5
98,7
98,5
98,6
R (Ni2+), %
78,5
92,1
98,8
98,8
98,9
ВЛИЯНИЕ pH ТМ НА
СТЕПЕНЬ ФЛОТАЦИОННОЙ ОЧИСТКИ
Катион ТМ
pH
R, %
Fe3+
6
90,5
8
93
10
98
6
66
8
86
10
97,5
6
52
8
78
10
97,5
Cu2+
Ni2+
Трехкомпонентный раствор
Исходная концентрация ТМ
C1i = 15 мг/л
CПАВ = 5 мг/л
СПАА = 2 мг/л
ВЛИЯНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ ТМ НА
СТЕПЕНЬ ФЛОТАЦИОННОЙ ОЧИСТКИ
Катион ТМ
С1, мг/л
R, %
Fe3+
10
71,2
25
82,0
50
96,5
75
97,2
100
97,8
10
62,0
25
84,5
50
95,1
75
98,3
100
99,1
10
75,3
25
85,4
50
97,9
75
98,6
100
98,9
Cu2+
Ni2+
рН = 6 для Fe3+
рН = 9,5 для Cu2+
рН = 10,5 для Ni2+
CПАВ = 5 мг/л
СПАА = 2 мг/л
КОМБИНИРОВАННЫЙ ФЛОТАТОР
НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ
- +
1
ПЕНА
(ШЛАМ)
1
2
ОЧИЩЕННАЯ
ВОДА
2
Мембрана
Электроды
ВОЗДУХ
СТОЧНАЯ ВОДА
1 – Мембранная флотация
2 – Электрофлотация
100
100
98
98
96
96
94
94
R, %
R, %
ЗАВИСИМОСТЬ СТЕПЕНИ ОЧИСТКИ
ОТ ВРЕМЕНИ ФЛОТАЦИИ
92
92
3+
Fe (ðÍ =6)
2+
Cu (ðÍ =9,5)
90
90
Ì åì áðàí í àÿ ô ëî òàöèÿ
Ýëåêòðî ô ëî òàöèÿ (I=1,6À)
Êî ì áèí èðî âàí í àÿ ô ëî òàöèÿ (I=1,2À)
88
2+
Ni (ðÍ =10,5)
88
86
86
2
4
6
8
10
12
14
16
18
, ì èí
Очистка от Fe3+; C1=15 мг/л
рН = 6
CПАВ = 5 мг/л
СПАА = 2 мг/л
4
6
8
10
12
14
16
, ì èí
Комбинированная флотация
C1i = 40 мг/л
CПАВ = 5 мг/л
СПАА = 2 мг/л
18
ОПТИМИЗАЦИЯ ЭНЕРГОЗАТРАТ
ПРИ КОМБИНИРОВАННОЙ ФЛОТАЦИИ
100
100
98
98
96
94
96
94
R, %
R, %
92
92
90
88
2
I=1.2 A (120 A/ì )
86
2
I=1.6 A (160 A/ì )
84
90
82
88
1,0
1,2
1,4
1,6
2
I, A; i*10 À/ì
1,8
2
Электрофлотация
Очистка от Fe3+; C1 = 50 мг/л
τ = 12 мин;
рН = 6
CПАВ = 5 мг/л
СПАА = 2 мг/л
80
20
40
60
80
C1, ì ã/ë
Комбинированная флотация
Очистка от Fe3+;
τ = 12 мин;
рН = 6
CПАВ = 5 мг/л
СПАА = 2 мг/л
100
АЛГОРИТМ РАСЧЕТА
МЕМБРАННОГО ФЛОТАТОРА
Количество трубчатых мембранных элементов:
4 Ll 
nm 
 Re m  d m km
Re m  10 000
Длина, ширина и высота флотатора:
Ll
bf 
2,5 l h f
 l  12  20 ìèí
l f  2,5  b f
1  h f  1,5 ì
Объемный расход газа:
1
L g  w0 (1   )

Sf
  0,17
Энергозатраты на мембранную флотацию:
N Lg p g
Q 
Ll
Ll
УСТАНОВКА ОБРАТНОГО ОСМОСА
и НАНОФИЛЬТРАЦИИ
К4
К5
К6
Исходная
вода
FI
4
К10
НФ
PI
1
Насос
ОО
К8 К7
К1
PI
2
К2
Ф1
Ф2
К3
Пермеат
Концентрат
FI
3
К9
К1-2 – Вентили регулирующие
К3-10 – Краны шаровые
Ф1-2 – Фильтры патронные
1,2 – Манометры
3,4 – Ротаметры
ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА УДЕЛЬНУЮ
ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ МЕМБРАН
Исх. концентрации ТМ C1 = 15÷18 мг/л
рН=6,5÷7
16
НФ
24
ОО
2
20
G, л/(м ч)
2
G, л/(м ч)
14
2+
Cd
2+
Cu
16
2+
Ni
12
10
2+
Cu
2+
Ni
2+
Zn
12
Cd
2+
Zn
2+
8
5
10
15
20
25
5
10
15
20
o
o
t, С
t, С
ТЕМПЕРАТУРНЫЙ КОЭФФИЦИЕНТ
K t  Gñð / Tñð
25
ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ
НА СЕЛЕКТИВНОСТЬ ОО МЕМБРАН
100,0
2+
Cd
2+
Cu
2+
Ni
2+
Zn
99,5
R, %
99,0
98,5
98,0
97,5
97,0
5
10
15
20
25
0
t, С
Исх. концентрации ТМ C1 = 15÷18 мг/л
рН=6,5÷7
ВЛИЯНИЕ рН НА УДЕЛЬНУЮ
ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ МЕМБРАН
30
12
2+
Cd
НФ
25
Ni
2+
10
2+
Zn
G, л/(м ч)
8
2
2
G, л/(м ч)
2+
Cu
20
15
6
2+
Cd
4
2+
ОО
Ni
2+
Zn
2
10
1
2
3
4
рН
5
6
7
8
2+
Cu
0
1
2
3
4
5
рН
T = 13,5оС
Исх. концентрация ТМ C1 = 13÷16 мг/л
Величину рН изменяли добавлением H2SO4
6
7
8
ВЛИЯНИЕ рН НА
СЕЛЕКТИВНОСТЬ МЕМБРАН
100
100
НФ
98
98
96
94
R, %
R, %
96
2+
Zn
2+
Cu
2+
Cd
2+
Ni
92
ОО
94
2+
Zn
2+
Cd
2+
Cu
2+
Ni
92
90
90
1
2
3
4
pH
5
6
7
8
1
2
3
4
5
рН
T = 13,5оС
Исх. концентрация ТМ C1 = 13÷16 мг/л
Величину рН изменяли добавлением H2SO4
6
7
8
ВЛИЯНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ ТМ НА
СЕЛЕКТИВНОСТЬ МЕМБРАН
100
100
НФ
95
99
90
85
Cd
2+
Cu
2+
Ni
R, %
R, %
98
97
2+
Cd
ОО
2+
Cu
Ni
96
2+
2+
Zn
2+
Zn
80
0
10
20
30
40
50
2+
60
95
0
C1, мг/л
10
20
30
C1, мг/л
рН = 6,5–7
t = 13,5оС
40
50
60
СРАВНИТЕЛЬНАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ
НОВОГО ИНГИБИТОРА
ОСАДКООБРАЗОВАНИЯ
35
30
Очистка мембран
2
G, л/(м ч)
2
G, л/(м ч)
30
25
20
10
Без дозирования (1) или
Дозирование импортного антискаланта (2)
Дозирование отечественного антискаланта
Дозирование импортного антискаланта
Дозирование отечественного антискаланта
20
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Время эксперимента, ч
Работа на воде с жесткостью до 20
мг-экв/л, содержание сульфатов до
200 мг/л, рН до 8,5
2
1
0
10
20
30
40
Время эксперимента, ч
50
При прекращении дозирования
реагента удельная
производительность мембран
падает на 15% за 15 ч
СХЕМЫ КОМБИНИРОВАНИЯ ФЛОТАЦИИ И ОО/НФ
Рециркуляция флотационно очищенной воды
Дозирование кислоты
Насос #2
Дозирование щелочи
Флотация
Степень очистки = 97%
Извлечение = 97%
Флотошлам
Насос #1
Обратный осмос
Селективность = 98,5%
Извлечение = 75%
Пермеат
Исходная вода
СХЕМА 1
Концентрат ОО
Компрессор
Рециркуляция концентрата НФ
Компрессор
Дозирование щелочи
Насос #2
Нанофильтрация
Селективность = 97%
Извлечение = 75%
Дозирование кислоты
Пермеат
Насос #1
Флотация
Степень очистки =
= 95%
Извлечение = 97%
Флотошлам
Исходная вода
СХЕМА 2
Предочищенная вода
СРАВНЕНИЕ СХЕМ
КОМБИНИРОВАНИЯ ФЛОТАЦИИ
И МЕМБРАННОГО РАЗДЕЛЕНИЯ (ОО или НФ)
Схема 1
Схема 2
99
96
Общая степень очистки, %
98,4
99,8
Энергопотребление, кВт-ч/м3 исх. воды
0,8
0,7
Потребление реагентов, кг/м3 исх. воды
≈0,1-1
≈0,2-2
Параметр
Общий выход очищенной воды, %
Эксплуатационные затраты, руб./м3 исх. ≈2,2-11,2
воды
СХЕМА 1
≈3-21
СХЕМА 2
Обратный осмос
Мембранная флотация
3
Энергопотребление 0,8 кВт-ч/м пермеата
Энергопотребление 0,1 кВт-ч/м3 очищенной воды
Дозирование кислоты: если необходимо
Дозирование щелочи: до рН=9,5
Мембранная флотация
Нанофильтрация
Энергопотребление 0,1 кВт-ч/м3 очищенной воды Энергопотребление 0,6 кВт-ч/м3 пермеата
Дозирование щелочи: до рН=9,5
Дозирование кислоты: до рН=8
ПИЛОТНАЯ ФЛОТАЦИОННОМЕМБРАННАЯ УСТАНОВКА
(Схема 1 + Предочистка МФ)
ПИЛОТНАЯ ФЛОТАЦИОННОМЕМБРАННАЯ УСТАНОВКА
(Схема 1 + Предочистка)
Е1 – емкость приемная; Н1 – насос центробежный; Н2 – насос центробежный;
К – компрессор; Пр – промежуточный бачок; Н3 – насос подпитывающий; Н4 –
насос циркуляционный; ПФ – предварительный фильтр; ЕР – емкость-реактор;
МФ – микрофильтрационный аппарат; Сб1 – сборник пермеата; НФ –
нанофильтрационные модули; ЩУ – щит управления
Спасибо за внимание!
Вопросы?