Екологізація процесів зворотного осмосу
Вантажиться...
Дата
2024
Автори
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
КПІ ім. Ігоря Сікорського
Анотація
Тивоненко А.В. Екологізація процесів зворотного осмосу. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 161 «Хімічні технології та інженерія». – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», МОН України, Київ, 2024.
Дисертаційна робота присвячена вирішенню екологічних проблем зменшення кількості відходів, що утворюються в результаті використання комерційних зворотноосмотичних мембранних елементів, а також надання фізіологічної повноцінності питній воді, що була одержана після проходження через такі елементи. Метою роботи є дослідження процесів регенерації відпрацьованих комерційних зворотноосмотичних мембранних елементів та їх модифікації для надання заданої селективності для подальшого використання в установках виробництва безпечної фізіологічно повноцінної питної води. В першому розділі роботи розглянуто екологічні проблеми, що виникають при використанні методу зворотного осмосу, а саме утворення пластикових відходів та одержання очищеної води, що не відповідає вимогам до фізіологічної повноцінності. Показано, що шляхом до вирішення цих проблем може бути використання регенерованих та хімічно модифікованих зворотноосмотичних елементів. При аналізі літературних джерел встановлено, що на сьогодні термін експлуатації комерційних мембранних елементів складає 6-12 місяців, після чого вони перетворюються на пластикові відходи та направляються на сміттєзвалища. Наведено інформацію щодо кількості таких відходів та темпів її щорічного зростання. Основна увага приділена причинам утворення відходів та методам подовження життєвого циклу мембранних елементів. Встановлено, що для вирішення даної проблеми, одним з найефективніших рішень є повторне використання відпрацьованих мембранних елементів, що були відрегенеровані та/або модифіковані шляхом обробки розчином активного хлору для зменшення їх селективності. Питна вода, одержана в результаті використання зворотноосмотичного методу, є абсолютно безпечною, проте не відповідає вимогам до фізіологічної повноцінності, а саме: солевміст має бути не меншим за 100 мг/дм3 , загальна жорсткість - не менше 1 ммоль/дм3 . Досягнення цих показників зазвичай здійнюється на окремій стадії шляхом домінералізації зворотноосмотичної води різними методами, що мають певні недоліки. Показано, що раціональним рішенням може бути використання одноступеневої мембранної системи з зворотноосмотичними елементами із заданою селективністю для виробництва питної води, яка б відповідала всім нормативним вимогам, як щодо безпеки, так і щодо фізіологічної повноцінності. В другому розділі дисертаційної роботи наведена інформація щодо об’єктів досліджень, а саме нових та відпрацьованих зворотноосмотичних елементах комерційного ряду. Наведено методику визначення стартових характеристик зворотноосмотичних мембранних елементів. Представлено обраний режим регенерації відпрацьованих зворотноосмотичних мембранних елементів шляхом послідовної обробки лужним, кислотним та окисним реагентами. Описані методики проведення процесу модифікації зворотноосмотичних мембранних елементів та визначення змін їх робочих характеристик під дією різних факторів, а саме солевмісту вихідної води, температури та робочого тиску. Для оцінки змін властивостей поверхні мембранного полотна в результаті модифікації були використані методи інфрачервоної спектроскопії, скануючої електронної мікроскопії, оцінки гідрофільності шляхом вимірювання контактного кута змочування, вимірювання дзета-потенціалу та визначення розміру пор мембрани. Наведено умови проведення пілотних випробувань процесу очищення водопровідної води м. Києва на комерційній установці зворотного осмосу з використанням нового, регенерованого, нового модифікованого та регенерованого модифікованого мембранних елементів. В третьому розділі наведені результати експериментальних досліджень процесу регенерації відпрацьованих мембранних елементів, а також процесу модифікації нових та регенерованих зворотноосмотичних мембранних елементів. В розділі 3.1 доведена ефективність обраного режиму проведення процесу регенерації за допомогою фотографій, мікрофотографій, ІЧ-спектрів та визначення хімічного складу фоулінгу на поверхні відпрацьованих та регенерованих мембранних елементів. Встановлені граничні вимоги до ступеню забруднення відпрацьованих зворотноосмотичних мембранних елементів, за яких при проведенні регенерації здійснимо відновлення їх властивостей у повній мірі. Результати пілотних випробувань процесу очищення водопровідної води з використанням регенерованого та нового мембранних елементів виявились повністю співпадаючими. В розділі 3.2 наведено порівняння різних режимів процесу модифікації зворотноосмотичних мембранних елементів та встановлено раціональні умови його проведення. Для одержання елементів з різною селективністю використовували режими з однаковим часом експозиції та різною концентрацією активного хлору. Встановлено, що обрані режими є актуальними як для нових, так і для регенерованих мембранних елементів. Встановлені вимоги до заданої селективності мембранних елементів для одержання фізіологічно повноцінної води в залежності від солевмісту вихідної води. Так, для київської водопровідної води з середнім солевмістом 300 мг/дм3 селективність модифікованих мембранних елементів не повинна перевищувати 60 %. Досліджено вплив основних робочих параметрів (солевмісту, температури та тиску) на характеристики модифікованих мембранних елементів. Встановлено, що зі зростанням солевмісту вихідної води зменшується селективність та продуктивність модифікованих мембранних елементів. Зі зменшенням температури зростає селективність мембранних елементів та відбувається зниження їх продуктивності. Зі зростанням тиску збільшується продуктивність та селективність модифікованих мембранних елементів. Результати вивчення впливу процесу модифікації на властивості поверхні поліамідного мембранного полотна довели, що поверхня стає більш гладкою та гідрофільною, а також негативно зарядженою, розмір пор зростає з 4,04 до 4,50 A. Доведено, що зміна фізико-хімічних властивостей поверхні модифікованої мембрани призводить до зменшення утворення фоулінгу на її поверхні в процесі очищення води. В четвертому розділі проаналізовано екологічні наслідки та оцінено економічну доцільність проведення процесу регенерації відпрацьованих комерційних зворотноосмотичних елементів. Розраховано за методикою витрат матеріалів на одиницю продукції та коефіцієнтів інтенсивності маси, що проведення процесу регенерації, а внаслідок цього подовження життєвого циклу комерційних мембранних елементів, може призвести не лише до зменшення кількості пластикових відходів, а і до зменшення кількості матеріалів, що не вилучаються та не забруднюють навколишнє середовище. Розрахована вартість регенерованих мембранних елементів та продемонстрована можливість значної економії при їх використанні замість нових.
Наукова новизна роботи полягає в наступному:
- Встановлені граничні вимоги до ступеню забруднення відпрацьованих зворотноосмотичних мембранних елементів комерційного ряду, за дотримування яких при проведенні регенерації здійснимо практично повне відновлення їх властивостей.
- Вперше встановлено факт та характер зміни структурних, хімічних та фізико-хімічних властивостей поліамідного мембранного полотна під впливом модифікуючих агентів, що приводить до зниження схильності мембранних елементів до утворення фоулінгу в процесі очищення води.
Практична значимість роботи полягає в тому, що отримані експериментальні результати досліджень можуть бути використані при реалізації процесів регенерації відпрацьованих зворотноосмотичних елементів та їх модифікації для використання в комерційних установках отримання абсолютно безпечної фізіологічно повноцінної води. Розроблені методики використані для впровадження лабораторної роботи «Визначення показників якості мембранних елементів» з дисципліни «Сучасні методи водопідготовки та водоочищення» для освітньо-професійної програми другого (магістерського) рівня професійного спрямування за спеціальністю 161 «Хімічні технології та інженерія», що підтверджено актом впровадження в навчальний процес. Результати досліджень мають перспективи застосування у виробничих процесах для здійснення вхідного контролю якості відпрацьованих, регенерованих та модифікованих зворотноосмотичних мембранних елементів комерційного ряду та процесів їх регенерації та модифікування, що підтверджено актом впровадження ТОВ «НВО «Екософт».
Опис
Ключові слова
мембрани, регенерація, модифікація, очищення води, фізикохімічні властивості, видалення, окислення, утилізація, селективність, видалення заліза, якість питної води, зворотний осмос, пермеат, продуктивність, membranes, regeneration, modification, water treatment, physicochemical properties, removal, oxidation, utilization, selectivity, iron removal, drinking water quality, reverse osmosis, permeate, productivity
Бібліографічний опис
Тивоненко, А. В. Екологізація процесів зворотного осмосу : дис. … д-ра філософії : 161 хімічні технології та інженерія / Тивоненко Артем Вікторович. – Київ, 2024. – 139 с.