Екологізація процесів зворотного осмосу

Скорочена інформація про документ
dc.contributor.advisorМітченко, Тетяна Євгенівна
dc.contributor.authorТивоненко, Артем Вікторович
dc.date.accessioned2025-04-08T08:26:59Z
dc.date.available2025-04-08T08:26:59Z
dc.date.issued2024
dc.description.abstractТивоненко 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».
dc.description.abstractotherTyvonenko A.V. Ecologization of reverse osmosis processes. - Qualifying scientific work on the rights of manuscript. Dissertation for the degree of Doctor of Philosophy in specialty 161 “Chemical Technology and Engineering.” - National Technical University of Ukraine “Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute”, Ministry of Education and Science of Ukraine, Kyiv, 2024. The dissertation is devoted to solving environmental problems of reducing the amount of waste generated by the use of commercial reverse osmosis membrane elements, as well as providing physiological completeness to drinking water obtained after passing through such elements. The aim of the work is to study the processes of regeneration of end-of-life commercial reverse osmosis membrane elements and their modification to provide a given selectivity for further use in plants for the production of safe physiologically complete drinking water. The first chapter of the paper discusses the environmental problems that arise when using the reverse osmosis method, namely the generation of plastic waste and the production of purified water that does not meet the requirements for physiological completeness. It is shown that the use of regenerated and chemically modified reverse osmosis elements can be a way to solve these problems. The analysis of literature sources has established that today the service life of commercial membrane elements is 6-12 months, after which they turn into plastic waste and are sent to landfills. The article provides information on the amount of such waste and its annual growth rate. The main attention is paid to the causes of waste generation and methods of extending the life cycle of membrane elements. It has been established that to solve this problem, one of the most effective solutions is the reuse of end-of-life membrane elements that have been regenerated and/or modified by treatment with an active chlorine solution to reduce their selectivity. Drinking water obtained by using the reverse osmosis method is absolutely safe, but does not meet the requirements for physiological completeness, namely: the salt concentration should be at least 100 mg/dm3, and the total hardness should be at least 1 mmol/dm3. These indicators are usually achieved at a separate stage by additional mineralization of reverse osmosis water by various methods that have certain disadvantages. It is shown that a rational solution may be the use of a single-stage membrane system with reverse osmosis elements with a given selectivity for the production of drinking water that would meet all regulatory requirements, both in terms of safety and physiological value. The second chapter of the dissertation provides information on the objects of research, namely new and used reverse osmosis elements of the commercial series. The methodology for determining the initial characteristics of reverse osmosis membrane elements is presented. The chosen regime of regeneration of spent reverse osmosis membrane elements by sequential treatment with alkaline, acidic and oxidizing reagents is presented. The methods of modifying the process of reverse osmosis membrane elements and determining changes in their characteristics under the influence of various factors, namely the salt content of the input water, temperature, and operating pressure, are described. To evaluate changes in the surface properties of the membrane sheet as a result of the modification, the methods of infrared spectroscopy, scanning electron microscopy, hydrophilicity assessment by measuring the contact angle of wetting, measuring the zeta potential, and determining the pore size of the membrane were used. The conditions for conducting pilot tests of the process of treatment of tap water in Kyiv at a commercial reverse osmosis plant using new, regenerated, new modified, and regenerated modified membrane elements are presented. The third chapter presents the results of experimental studies of the regeneration process of end-of-life membrane elements, as well as the process of modification of new and regenerated reverse osmosis membrane elements. In Chapter 3.1, the effectiveness of the selected regeneration process regime is proved by means of photographs, microphotographs, infrared spectra, and determination of the chemical composition of the fouling on the surface of the end-of-life and regenerated membrane elements. Limit requirements for the degree of contamination of used reverse osmosis membrane elements have been established, at which their properties can be fully restored during regeneration. The results of pilot tests of the tap water treatment process using regenerated and new membrane elements were completely identical. Chapter 3.2 compares different modes of the process of modifying reverse osmosis membrane elements and establishes the rational conditions for its implementation. To obtain elements with different selectivities, the modes with the same exposure time and different concentrations of active chlorine were used. It was found that the selected modes are relevant for both new and regenerated membrane elements. The requirements for a given selectivity of membrane elements for obtaining physiologically adequate water, depending on the salt concentration of the feed water, have been established. Thus, for Kyiv tap water with an average salt content of 300 mg/dm3, the selectivity of modified membrane elements should not be more than 60 %. The influence of the main operating parameters (salt content, temperature, and pressure) on the characteristics of modified membrane elements was studied. It was found that with the increase in the salt content of the source water, the selectivity and productivity of the modified membrane elements decrease. With a decrease in temperature, the selectivity of membrane elements increases and their productivity decreases. With increasing pressure, the productivity and selectivity of the modified membrane elements increase. The results of studying the effect of the modification process on the surface properties of the polyamide membrane sheet showed that the surface becomes smoother and more hydrophilic, as well as negatively charged, the pore size increases from 4.04 to 4.50 A. It was proved that a change in the physicochemical properties of the surface of the modified membrane leads to a decrease in the formation of fouling on its surface in the process of water treatment. The fourth chapter analyses the environmental consequences and evaluates the economic feasibility of the regeneration process of end-of-life commercial reverse osmosis membrane elements. It is calculated using the methodology of material consumption per unit of production and mass intensity coefficients that the regeneration process, and as a result, the life cycle of commercial membrane elements, can lead not only to a reduction in the amount of plastic waste, but also to a reduction in the amount of materials that are not removed and do not pollute the environment. The cost of regenerated membrane elements was calculated and the possibility of significant savings was demonstrated when using them instead of new ones. The scientific novelty of the work is as follows: - The limit requirements for the degree of contamination of end-of-life reverse osmosis membrane elements of the commercial range have been established, which, if observed during regeneration, will allow for the full restoration of their properties. - For the first time, the fact and character of changes in the structural, chemical and physicochemical properties of polyamide membrane fabric under the influence of modifying agents have been established, which leads to a decrease in the tendency of membrane elements to fouling in the process of water treatment. The practical significance of the work consists in the fact that the obtained experimental results can be used in the implementation of the processes of regeneration of end-of-life reverse osmosis elements and their modification for use in commercial plants for the production of absolutely safe physiologically complete water. The developed methodologies were used to implement the laboratory work ‘Determination of quality indicators of membrane elements’ in the discipline ‘Modern methods of water treatment and water purification’ for the educational and professional programme of the second (master's) level of professional direction in the speciality 161 'Chemical Technology and Engineering', which is confirmed by the act of implementation in the educational process. The research results have prospects for application in production processes for incoming quality control of used, regenerated and modified commercial reverse osmosis membrane elements and processes of their regeneration and modification, which is confirmed by the act of implementation of ECOSOFT SPC LTD.
dc.format.extent139 с.
dc.identifier.citationТивоненко, А. В. Екологізація процесів зворотного осмосу : дис. … д-ра філософії : 161 хімічні технології та інженерія / Тивоненко Артем Вікторович. – Київ, 2024. – 139 с.
dc.identifier.urihttps://ela.kpi.ua/handle/123456789/73281
dc.language.isouk
dc.publisherКПІ ім. Ігоря Сікорського
dc.publisher.placeКиїв
dc.subjectмембрани
dc.subjectрегенерація
dc.subjectмодифікація
dc.subjectочищення води
dc.subjectфізикохімічні властивості
dc.subjectвидалення
dc.subjectокислення
dc.subjectутилізація
dc.subjectселективність
dc.subjectвидалення заліза
dc.subjectякість питної води
dc.subjectзворотний осмос
dc.subjectпермеат
dc.subjectпродуктивність
dc.subjectmembranes
dc.subjectregeneration
dc.subjectmodification
dc.subjectwater treatment
dc.subjectphysicochemical properties
dc.subjectremoval
dc.subjectoxidation
dc.subjectutilization
dc.subjectselectivity
dc.subjectiron removal
dc.subjectdrinking water quality
dc.subjectreverse osmosis
dc.subjectpermeate
dc.subjectproductivity
dc.subject.udc556.531; 556.551; 556.31
dc.titleЕкологізація процесів зворотного осмосу
dc.typeThesis Doctoral

Файли

Контейнер файлів
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз
Назва:
Tyvonenko_dys.pdf
Розмір:
3.55 MB
Формат:
Adobe Portable Document Format
Завантажити
Ліцензійна угода
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
Назва:
license.txt
Розмір:
8.98 KB
Формат:
Item-specific license agreed upon to submission
Опис:
Завантажити

Зібрання

Дисертації (ТНР,ВтаЗХТ)
Дисертації (вільний доступ)