МЕТОД РАСЧЕТА МЕМБРАННЫХ УСТАНОВОК ДЛЯ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД СУЛЬФАТНЫХ ЦЕЛЛЮЛОЗНО-БУМАЖНЫХ ЗАВОДОВ

Труберг Арсений Александрович

ассистент, РХТУ им. Д. И. Менделеева, г. Москва

Е-mail: atruberg@gmail.com

Силос Ольга Владимировна

ассистент, РХТУ им. Д. И. Менделеева, г. Москва

Е-mail:

Терпугов Григорий Валентинович

д-р техн. наук,профессор РХТУ им. Д. И. Менделеева, г. Москва

Е-mail: mamont58@mail.ru

В настоящее время объем производства целлюлозы (Ц) и полуфабрикатов высокого выхода в мире составляет примерно 55 млн т/год, в том числе хвойная беленая сульфатная Ц – 43 %; лиственная беленая сульфатная – 42; небеленая сульфатная – 5; беленая сульфитная – 3; ХТММ и древесная масса –7 %. За 1990—2005 гг. мощности по выработке беленой сульфатной Ц выросли с 29 млн до 45 млн т/год [7, с. 63].

При постоянно возрастающих мощностях, предприятия целлюлозно-бумажной промышленности (ЦБП) остаются одним из главных потребителей свежей воды, а по количеству сточных вод они вместе с деревообрабатывающими предприятиями занимают первое место, сбрасывая почти 1,5 млрд м³ сточных вод ежегодно [2, с. 37].

Сточные воды, поступающие на внеплощадочные очистные сооружения, содержат значительные количества взвешенных и растворенных веществ как органических, так и неорганических [4, с. 13, 14]. Их состав очень разнообразен. Это обусловлено тем, что в процессе получения целлюлозы около 50 % органических веществ древесины переходит в раствор, образуя концентрированные щелока, часть которых (5—20 %) попадает в сток.

Разнообразие видов загрязнений сточных вод целлюлозно-бумажной промышленности и их концентраций привело к необходимости создания сложных, многостадийных схем и разнообразных систем очистки воды [1, с. 33]. Однако, качество очищенной воды не всегда соответствует нормам, не только на повторное использование ее в производстве, но и на сброс в поверхностные водоемы.

Сопоставление показателей сточных вод с рядом нормативных требований [5, с. 29], показывает необходимость поиска более совершенных технологий очистки. Одной из таких технологий является мембранное разделение [4, с. 16].Мембранные методы позволяют решать вопросы очистки воды и одновременно осуществлять концентрирование и извлечение из сточных вод ценных растворенных веществ, а также очищать воду от бактерий и взвешенных веществ, органических и неорганических компонентов.

В опубликованных ранее работах, авторами было доказано, что селективность [6, с. 42] и удельная производительность [5, с. 33], различных типов полупроницаемых мембран в широком диапазоне концентраций и рабочих давлений могут быть определены с достаточной точностью. Расчет степени очистки по основным показателям – цветности, окисляемости и содержанию минеральных веществ, проводится на основании одного опыта.

Предлагается применять углеграфитовые и керамические мембраны в процессах микро- и ультрафильтрации для удаления из сточных вод ЦБП лигнинов и органических веществ, а полимерные мембраны – использовать в процессе обратного осмоса для деминерализации стоков. Такая ступенчатая очистка сточных вод с использованием двух различных типов мембран позволяет получить на выходе воду с достаточной степенью очистки для возврата в технологический процесс или сброса в поверхностные воды.

В задачу данной работы входило исследование взаимосвязи селективности по минеральным веществам с селективностью по стандартному раствору NaCl, при разделении сульфатных стоков, с целью получения корреляционных зависимостей и эмпирических уравнений, которые можно было бы рекомендовать для технологических расчетов мембранных установок при очистке сточных вод сульфатцеллюлозного производства. Исследование данной взаимосвязи представляет особый интерес, поскольку, при создании замкнутого водооборота на предприятиях ЦБП одной из основных проблем является обессоливание сточных вод с целью предотвращения накопления в системе неорганических солей [3, с. 51].

Исследования проводились на модельных растворах, приготовленных путем разбавления концентрированного черного щелока и реальных растворах сточных вод сульфатных ЦБП. В работе использовались обратноосмотические (композитные) мембраны с характеристиками, приведенными в таблице 1 (производитель мембран ЗАО НТЦ «Владипор»).

Таблица 1

Характеристики мембран

Концентрацию растворенных веществ определяли по стандартным методикам. Время проведения экспериментов варьировалось от 1 до 40 часов, в зависимости от рабочего давления, типа мембраны и количества отбираемой пробы необходимой для анализа.

Принципиальная схема установки приведена на рисунке 1.

Рис. 1. Схема экспериментальной установки мембранного разделения

1 – емкость, 2 – вентиль, 3 – насос, 4 – мембранный модуль

При проведении эксперимента фиксировались концентрация пермеата (фильтрата) и производительность мембран.

Наблюдаемая селективность (уравнение 1) мембран рассчитывалась по содержанию неорганических веществ в стоках ЦБП. Неорганические вещества определялись концентрацией ионов Na⁺, имеющих наименьший размер гидратированного иона, вследствие чего наименьшую селективность мембран по данному компоненту.

                                                                                               (1)

Полученные на основе экспериментальных данных зависимости селективности мембран от концентрации растворенных веществ в сточных водах сульфатного ЦБП более подробно представлены в предыдущей работе [6].

Взаимосвязь селективности по минеральным веществам, содержащимся в стоках сульфатных ЦБП с селективностью по стандартному раствору NaCl, полученная на основании проведенного эксперимента, представлена на рисунках 1 и 2.

Рис 1. Взаимосвязь селективности по минеральным веществам с селективностью по стандартному раствору NaClпри разделении сульфатных стоков, при P=1,96 МПа.

● - 5КП (ОФАМ); ▲ - 6КП (МГА-80); ♦ - 7КП (МГА-90); × - 8КП (ОПАМ)

Рис 2. Взаимосвязь селективности по минеральным веществам с селективностью по стандартному раствору NaClпри разделении сульфатных стоков, при P=3,43 МПа.

● - 5КП (ОФАМ); ▲ - 6КП (МГА-80); ♦ - 7КП (МГА-90); × - 8КП (ОПАМ)

При анализе полученных экспериментальных данных выявлено, что селективность полимерных мембран по минеральным веществам при очистке сульфатных сточных вод, при различных давлениях, может быть связана с селективностью этих мембран по стандартному раствору NaClследующим соотношением:

                                                            (2)

при I_NaCl=70-100 %

Сравнение данных, полученных с помощью предложенной корреляционной зависимости (уравнение 2) с экспериментальными данными для ряда полимерных мембран показывает, что расхождение в результатах не превышает 5 %.

Таким образом, представленные результаты экспериментов по разделению сульфатных стоков с использованием композитных мембран позволяют заключить, что степень очистки от минеральных соединений удобно рассчитывать с помощью эмпирического соотношения (уравнение 2), которое по паспортному значению селективности мембран по раствору NaClпозволяют в широком интервале рабочих концентраций и давлений определить степень очистки сточных вод от минеральных веществ.

Условные обозначения

I_i– наблюдаемая селективность мембраны, %;

x_1i– концентрация разделяемого раствора, мг Na⁺/л;

x_2i– концентрация фильтрата, мг Na⁺/л;

I_NaCl– селективность мембраны по раствору NaCl, %;

I_мин– селективность мембраны по минеральным веществам (Na⁺- ионам), %;

G₀– удельная производительность мембраны по чистой воде, л/м²·ч;

Список литературы:

1. Балицкий В. Н., Кирсанова Т. В., Комягин Е. А., Мынин В. Н., Терпугов Г. В., Кирсанов В. А. Применение мембранной технологии в целлюлозно-бумажной промышленности. // Экология и промышленность России, 2002, № 7. С. 33—35.
2. Вишнякова А. П., Бровко О. С. Для очистки, концентрирования и фракционирования лигносульфонатов сульфитного щелока // Экология и промышленность России, 2009, №8. С. 37—39.
3. Зименков В. В., Симонов С. С., Еманкова Л. М. Разработка схемы предочистки сточной воды Селенгинского целлюлозно-картонного комбината перед обратноосмотическим обессоливанием. // Химияи технология воды, 1994, т. 16, № 1. С. 51—58.
4. Терпугов Г. В. Разработка процессов очистки сточных вод и технологических жидкостей с использованием мембранной технологии: Дис. ... док. тех. наук. М., 2000.
5. Труберг А. А., Силос О. В., Терпугов Г. В. Исследование очистки сточных вод сульфатных целлюлозно-бумажных заводов с помощью полупроницаемых мембран.// Химическаяпромышленность, 2012, № 2. С. 28—33.
6. Труберг А. А., Силос О. В., Терпугов Г. В. Влияние концентрации растворенных веществ в стоках сульфатных целлюлозно-бумажных заводов на селективность полупроницаемых мембран.// Химическаяпромышленность, 2010, № 11. С. 38—42.
7. Хабетс Л. Экономичная экология. // Целлюлоза, бумага, картон, 2009, № 4. С. 59—63.