Разработка совмещенного флотационно-мембранного процесса очистки сточных вод от тяжелых металлов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.18, кандидат технических наук Судиловский, Петр Сергеевич

• Судиловский, Петр Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Судиловский, Петр Сергеевич

Введение.

Глава 1. Обзор литературы.

1.1. Актуальность проблемы очистки сточных вод. Переход к устойчивому водопотреблению.

1.2. Тяжелые металлы - токсичные компоненты промышленных сточных вод.

1.3. Методы очистки сточных вод от тяжелых металлов.

1.3.1. Общий обзор методов очистки от тяжелых металлов.

1.3.1.1. Реагеитчые методы перевода в дисперсную фазу.

1.3.1.2. Электрохимические методы осалсдеиия дисперсной фазы.

1.3.1.3. Методы отделения дисперсной фазы.

1.3.1.4. Сорбционные методы очистки от тяжелых металлов.

1.3.1.5. Мембранные методы очистки от тяжелых металлов.

1.3.1.6. Сопоставление различных способов очистки сточных вод от тяжелых металлов.

1.3.2. Применение флотации для очистки от тяжелых металлов.

1.3.3. Применение обратного осмоса и нанофильтрации для очистки от тяжелых металлов.

1.4. Выводы из литературного обзора.

Глава 2. Материалы и методы.

2.1. Методика исследования гидродинамики барботажа с использованием мембран и исследования очистки от тяжелых металлов с помощью мембранной флотации в периодическом режиме.

2.2. Методика определения размера пузырьков, полученных диспергированием через микрофильтрационные мембраны.

2.2. Методика определения размера пузырьков, полученных диспергированием через микрофильтрационные мембраны.

2.3. Методика исследования очистки от тяжелых металлов с помощью мембранной и электрофлотации в комбинированном мембранно-электрофлотационном аппарате непрерывного типа.

2.4. Методика исследования эффективности нанофильтрации и обратного осмоса для удаления тяжелых металлов. Схема и описание экспериментальной установки.

2.5. Методика исследования эффективности ингибирования осадкообразования на мембранах.

2.6. Методика анализа концентрации тяжелых металлов и измерения рН и температуры в исходной и очищенной сточной воде.

2.7. Использованные реагенты и материалы.

Глава 3. Исследование процесса мембранной флотации.

3.1. Определение процесса мембранной флотации.

3.2. Гидродинамика барботажа с использованием микрофильтрационных мембран.

3.3. Применение мембранной флотации для очистки сточных вод от тяжелых металлов. Эксперименты в периодическом режиме (на статической ячейке).

3.4. Применение мембранной флотации для очистки сточных вод от тяжелых металлов. Эксперименты на комбинированном мембранно-электрофлотационном аппарате непрерывного типа.

Глава 4. Исследование НФ и 00 для очистки от тяжелых металлов.

4.1. Влияние температуры на удельную производительность и селективность мембран.

4.2. Влияние исходной концентрации тяжелых металлов на удельную производительность и селективность мембран.

4.3. Влияние рН исходной воды на удельную производительность и селективность мембран.

4.4. Ингибирование осадкообразования на обратноосмотических и нанофильтрационных мембранах.

Глава 5. Мембранная очистка сточных вод от тяжелых металлов. Расчет и технико-экономический анализ.

5.1. Принципы расчета технологических схем мембранной очистки сточных вод от тяжелых металлов.

5.2. Технико-экономический анализ комбинированных технологических схем, включающих флотационные и баромембранные методы очистки.

5.3. Применение разработанного флотационно-мембранного процесса на практике.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка совмещенного флотационно-мембранного процесса очистки сточных вод от тяжелых металлов»

Очистка сточных вод приобретает все большую значимость в промышленности и муниципальном хозяйстве как одно из необходимых мероприятий, предназначенных для перехода к устойчивому водопотреблению и созданию замкнутых производственных циклов.

Тяжелые металлы (ТМ) являются основными токсическими компонентами сточных вод гальванической, электронной и других отраслей промышленности. Удаление данных загрязнений позволит вторично использовать сточные воды в основной технологии, обеспечив, таким образом, энерго- и ресурсосбережение.

Мембранные методы разделения, в частности напофильтрация (НФ) и обратный осмос (00), являются одними из самых перспективных, позволяющих значительно снизить затраты на обработку сточных вод и получать воду любого требуемого качества, а также экономить производственные площади и снижать трудозатраты.

Флотационные процессы также все чаще находят применение для очистки стоков различного происхождения, позволяя достигнуть высоких степеней очистки при низком энергопотреблении, причем наиболее энергоэффективным способом флотации является флотация с диспергированием воздуха через пористые материалы.

В то же время наблюдается недостаток данных по эффективности применения флотации, НФ и низконапорного 00 для очистки сточных вод от ТМ. В связи с этим в настоящей работе был изучен процесс флотации с диспергированием воздуха через микропористые мембраны (мембранная флотация), а также очистка от тяжелых металлов на серийно производимых НФ и низконапорных 00 мембранных модулях.

Научная новизна

Впервые предложено проводить процесс флотационной очистки с использованием мембран для диспергирования воздуха. Для этого нового метода очистки предложен термин - мембранная флотация.

Впервые на основании принципов минимума энергии и мощности диссипации получено аналитическое уравнение, связывающее скорости свободного и стесненного всплытия пузырьков и газосодержание барботажного слоя, которое имеет хорошую сходимость с экспериментальными данными.

Впервые получены данные о влиянии рН исходной воды, температуры и исходной концентрации ТМ на селективность и удельную производительность серийно производимых НФ и 00 мембранных модулей при очистке от ТМ.

Практическая значимость

Продемонстрирована высокая селективность очистки сточных вод отТМ методами мембранной флотации, нанофильтрации и обратного осмоса.

Разработан и изготовлен опытный образец флотатора и установка, сочетающая процессы мембранной флотации и электрофлотации. Данная установка помимо исследовательских целей используется и в учебном процессе.

Разработан алгоритм расчета флотационных аппаратов с использованием мембран для диспергирования воздуха.

Разработана, испытана и внедрена в производство новая композиция антискаланта (ингибитора осадкообразования неорганических веществ на мембранах), не уступающего известным импортным аналогам.

Проведенный технико-экономический анализ комбинирования флотационных и мембранных методов в процессах очистки от ТМ позволяет выбрать оптимальный вариант внедрения в процессы очистки сточных вод.

Апробация работы

Результаты исследований докладывались на XVIII-й Конференции «МКХТ-2004», 2004 (Москва, Россия); Конгрессе «Mempro-З», 2006, (Нанси, Франция); 1-й Конференции «Водоподготовка-2006», 2006 (Москва, Россия); Международной конференции «Enikopolov's readings», 2006 (Ереван, Армения); Международной конференции «Desalination and the Environment», 2007 (Халкидики, Греция); Конференции «Ресурсо- и энергосберегающие технологии в химической и нефтехимической промышленности», 2006 (Москва, Россия); Семинарах «NATO/CCMS Pilot Study on Clean Products and Processes» в Будапеште (Венгрия), Апесунде (Норвегия), Стамбуле (Турция) в 2004-2006 г.г., соответственно.

Заключение диссертации по теме «Мембраны и мембранная технология», Судиловский, Петр Сергеевич

Выводы

1. Выведена формула связи скоростей стесненного и свободного всплытия газовых пузырьков и газосодержания слоя. Проведена экспериментальная проверка формулы, которая показала хорошую сходимость с экспериментальными данными в области высоких газосодержаний.

2. Сконструирован и изготовлен опытный образец комбинированного флотационного аппарата для очистки сточных вод, сочетающего мембранную флотацию и электрофлотацию. Полученные экспериментальные данные по степени флотационной очистки от тяжелых металлов в зависимости от технологических параметров процесса - времени флотации, концентрации тяжелых металлов и флотореагентов (ПАВ, флокулянта) - могут использоваться на практике.

3. На основании результатов исследования гидродинамики и эффективности очистки от тяжелых металлов в процессе мембранной флотации предложен алгоритм расчета флотаторов, который позволяет получить необходимое количество мембранных каналов, геометрические размеры флотатора, подобрать компрессорное оборудование.

4. Получены данные по влиянию температуры, концентрации тяжелых металлов и рН воды на селективность и удельную производительность мембран, позволяющие произвести выбор типа мембран и технологические параметры для решения конкретной задачи очистки. Разработан и внедрен новый антискалант (ингибитор осадкообразования на мембранах). Установка обратного осмоса с дозированием разработанного антискаланта внедрена на участке водоподготовки и очистки сточных вод ОАО «НИЦЭВТ», г. Москва.

5. Проведенный технико-экономический анализ вариантов технологических схем с использованием мембранных и флотационных методов очистки показал перспективность совмещения флотационного и мембранного методов очистки сточных вод от тяжелых металлов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Судиловский, Петр Сергеевич, 2007 год

1. Программа действий: Повестка дня на 21 век. Женева, Центр "За наше общее будущее", 1993. - 70 с.

2. Беличенко Ю.П. Замкнутые системы водообеспечения химических производств. М., Химия, 1990. - 208 с.

3. Лукашевич О.Д. Концепция устойчивого развития и водопотребление. // Вода и экология. Проблемы и решения. 2005. - №3. - С. 3-12.

4. Экологическое предприятие "Очистные сооружения": Цветные металлы. Доступно по адресу: htlp.V/www. 1 os.ru/content/subs/doc27/tyzmctal.

5. Толоконцев Н. Яды вчера и сегодня. Доступно по адресу: http://n-t.ru/ri/gd/yd3Q .htm.

6. Справочник по элементарной химии под ред. А.Т.Пилипенко. М., Химия, 1977.- 658 с.

7. Кузнецов Н.Т., Колесников В.А. и др. Технологические процессы и системы водоочистки экологически безопасных гальванических производств: Учебн. пособие. М., Иваново, 2001. - 255 с.

8. Колесников В.А., Ильин В.И. Экология и ресурсосбережение электрохимических производств. М., РХТУ, 2004. - 220 с.

9. Халдеев Г. В., Кичигин В. И., Зубарева Г. И. Очистка и переработка сточных вод гальванического производства: Учебное пособие по спецкурсу. Пермь, Перм. Ун-т, 2005. - 124 с.

10. Запольских А.К., Образцов В.В. Комплексная переработка сточных вод гальванического производства. Киев, Техника, 1989. - 200 с.

11. Колесников В. А., Меньшутина Н. В. Анализ, проектирование технологий и оборудования для очистки сточных вод. М., ДеЛи принт, 2005. - 266 с.

12. Кульский Л. А. Очистка воды на основе классификации её примесей. -Киев, Украинский НИИ НТИ и ТЭИ, 1967. 14 с.

13. Кульский Л. А. Теоретические основы и технология кондиционирования воды. Киев, Наукова думка, 1980. - 386 с.

14. Кульский Л. А., Строкач П. П. Технология очистки сточных вод. -Киев, Вища школа, 1986. 482 с.

15. Бабаев И. С. Безреагентные методы очистки высокомутных вод. М., Стройиздат, 1978. - 265 с.

16. Орлов Н. С. Методология разработки комплексных систем очистки жидких химических сред на основе баромембранных процессов: Дис. . доктора техн. наук. М., РХТУ им. Д. И. Менделеева, 2000. - 405 с.

17. Проскуряков В.А., Шмидт Л.И. Очистка сточных вод в химической промышленности. Л., Химия, 1977. - 520 с.

18. Charerntanyarak L. Heavy metals removal by chemical coagulation and precipitation. // Water Sciense and Technology. 1999. - №39 (10/11). - C. 135-138.

19. Колесников В.А., Ильин В.И., Капустин 10.И. и др.; Под ред. В.А. Колесникова. Электрофлотационная технология очистки сточных вод промышленных предприятий. М., Химия, 2007. - 304.

20. Коагулянты. Новые технологии и оборудование в водоподготовке и водоотведении. Вып. 1. М., ВИМИ, 2000. - 86 с.

21. Фрог Б.Н. Водоподготовка: Учебное пособие для вузов. М., Изд-во МГУ, 1996.-680 с.

22. Chen G. Electrochemical technologies in wastewater treatment. // Separation and Purification Technology. 2004. - №38. - С. 11-41.

23. Ping G., Xueming Ch., Feng Sh., Guohua Ch. Removal of chromium(Vl) from wastewater by combined electrocoagulation-electroflotation without a filter. // Sep. and Purif. Tech. 2005. - №43. - С. 117-123.

24. Kongsricharoern N., Polprasert C. Electrochemical precipitation of chromium (Cr6+) from an electroplating wastewater. // Water Sci. Technol.- 1995.-№31 (9). C. 109-117.

25. Kongsricharoern N., Polprasert C. Chromium removal by a bipolar electrochemical precipitation process. // Water Sci. Technol. 1996. - №34 (9). - C. 109-116.

26. Subbaiah Т., Mallick S.C., Mishra K.G., Sanjay K., Das R.P. Electrochemical precipitation of nickel hydroxide. // J. Power Sources. -2002. №112. - C. 562-569.

27. Селицкий Г. А. Электрокоагуляционный метод очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов. / В кн. Охрана окружающей среды: Обзор, информ. вып. 2, - М., ЦНИИцветмет экономики и информаци, 1987. - С. 24.

28. Бунин Н. И. Электрокоагуляционные установки для очистки сточных вод предприятий АПК. // Междунар. Агропром. Ж. 1989. - №6. - С. 125-130.

29. Турский Ю. И., Филиппова И. В. (ред.), ed. Очистка производственных сточных вод. 1967, Химия: Л. 332 с.

30. Очистка производственных сточных вод и утилизация осадков. Под редакцией В.Н. Соколова. М., Стройиздат, 1992. - 345 с.

31. Яковлев С. В., Карелин Я. А., Ласков 10. М., Воронов 10. В. Очистка производственных сточных вод: Учебное пособие для студентов вузов.- М., Стройиздат, 1979. 320 с.

32. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии: Учебник для вузов. Изд. 2-е. В 2-х кн. М., Химия, 1995. - 352 и 368 с.

33. Касаткин А.Г. Процессы и аппараты химической технологии: Учебник для вузов. 12-е изд., стереотипное, доработанное. Перепечатка с девятого издания 1973 г. М., ООО ТИД "Альянс", 2005. - 753 с.

34. Физико-химические основы флотации. Отв. ред. Ласкорин Б.Н., Плаксина Л.Д. М., Наука, 1983. - 264 с.

35. Жуков А.И., Монгайт И.Л., Родзюлер И.Д. Методы очистки производственных сточных вод. М., Стройиздат, 1977. - 256 с.

36. Черных С.И. Создание флотационных машин пневматического типа и опыт их применения на обогатительных фабриках. М., ЦНИИЭИ-Цветмет, 1995.-299 с.

37. Рубинштейн Ю.Б., Филиппов Ю.А. Кинетика флотации. М., Недра, 1980.-375 с.

38. Мулдер М. Введение в мембранную технологию: Пер с англ. М., Мир, 1999.- 513 с.

39. Каграманов Г. Г., Кочаров Р. Г., Дубровин А. А. Исследование очистки водных растворов от катионов с помощью керамических микрофильтров. // Химическая технология. 2001. - №1. - С. 42-46.

40. Lazaridis N. К., Blocher С., Dorda J., Matis К.А. A hybrid MF process based on flotation. // J. Membr. Sc. 2004. - №228. - C. 83-88.

41. Matis K. A., Peleka E. N., et al. Air sparging during the solid/liquid separation by microfiltration: application of flotation. // Sep. and Purif. Tech. 2004. - №40. - C. 1-7.

42. Mavrov V., Erwe Т., Bloecher C., Chmiel H. Study of new integrated processes combining adsorption, membrane separation and flotation for heavy metal removal from wastewater. // Desalination. 2003. - №157. - C. 97-104.

43. Свитцов А.А. Введение в мембранную технологию. М., ДеЛи принт, 2007. - 208 с.

44. Kurniawan Т.А., Chan G.Y.S., Lo W.-H., Babel S. Physico-chemical treatment techniques for wastewater laden with heavy metals. // Chem. Eng. J. 2006.-№118.-C. 83-98.

45. Kurniawan T.A., Chan G.Y.S., Lo W.-H. , Babel S. Comparisons of low-cost adsorbents for treating wastewaters laden with heavy metals. // Sci. Total Environ. 2006. - №5. - C. 121-136.

46. Leyva-Ramos R., Rangel-Mendez J.R., Mendoza-Barron J., Fuentes-Rubio L., Guerrero-Coronado R.M. Adsorption of cadmium(II) from aqueous solution onto activated carbon. // Water Sci. Technol. 1997. - №35 (7). - C. 205-211.

47. Monser L., Adhoum N. Modified activated carbon for the removal of copper, zinc, chromium, and cyanide from wastewater. // Sep. Purif. Technol. -2002,- №26. C. 137-146.

48. Hilal N., Busca G. et al. Use of activated carbon to polish effluent from metal working treatment plant: comparison of different streams. // Desalination. 2005. - №185. - C. 297-306.

49. Dabrowski A., Hubicki Z., Podko'scielny P., Robens E. Selective removal of the heavy metals from waters and industrial wastewaters by ion-exchange method. // Chemosphere. 2004. - №56 (2). - C. 91-106.

50. Rengaraj S., Yeon K.H., S.H. Moon. Removal of chromium from water and wastewater by ion exchange resins. // J. Hazard. Mater. 2001. - №87. - C. 273-287.

51. Sapari N., Idris A., Hisham N. Total removal of heavy metal from mixed plating rinse wastewater. Desalination. 1996. - №106. - C. 419-422.

52. Alvarez-Ayuso E., Garcia-Sanchez A., Querol X. Purification of metal electroplating wastewaters using zeolites. 11 Water Res. 2003. - №37(20). -C. 4855-4862.

53. Дытнерский Ю.И. Обратный осмос и ультрафильтрация. М., Химия, 1978.-362 с.

54. Дытнерский Ю.И. Баромембранные процессы. М., Химия, 1986. - 312 с.

55. Juang R.S., Shiau R.C. Metal removal from aqueous solutions using chitosan-enhanced membrane filtration. // J. Membr. Sci. 2000. - №165. -C. 159-167.

56. Aliane A., Bounatiro N., Cherif A.T., Akretche D.E. Removal of chromium from aqueous solution by complexation-ultrafiltration using a water-soluble macroligand. // Water Res. 2001. - №35(9). - C. 2320-2326.

57. Akita S., C.L.P., Nii S., Takahashi K.,Takeuchi H. Separation of Co(II)/Ni(ll) via micelar-enhanced ultrafiltration using organophosporus acid extractant solubilized by nonionic surfactant. // J. Membr. Sci. 1999. -№162.-C. 111-117.

58. Yurlova L., Kryvoruchko A., Kornilovich B. Removal of Ni(II) ions from wastewater by micellar-enhanced ultrafiltration. // Desalination. 2002. -№144.-C. 255-260.

59. Дытнерский Ю.И. Мембранные процессы разделения жидких смесей. -М., Химия, 1975.-425 с.

60. Ozaki Н., Sharma К., Saktaywin W. Performance of an ultra-lowpressure reverse osmosis membrane (ULPROM) for separating heavy metal: effects of interference parameters. // Desalination. 2002. - №144. - C. 287-294.

61. Qin J.J., Wai M.N., Oo M.H., Wong F.S. A feasibility study on the treatment and recycling of a wastewater from metal plating. // J. Membr. Sc. 2002. -№208.-C. 213-221.

62. Mohammad A.W., Othaman R., Hilal N. Potential use of nanofiltration membranes in treatment of industrial wastewater from Ni-P electroless plating. // Desalination. 2004. - №168. - C. 241-252.

63. Tanninen J., Manttari M., Nystrom M. Nanofiltration of concentrated acidic copper sulfate solutions. // Desalination. 2006. - №189. - C. 92-96.

64. Itoi S., Nakamura I., Kawahara T. Electrodialytic recovery process of metal finishing wastewater. // Desalination. 1980. - №32. - C. 383-389.

65. Tzanetakis N., Taama W.M.,Scott K.,Jachuck R.J.J., Slade R.S., Varcoe J. Comparative performance of ion exchange membrane for electrodialysis of nickel and cobalt. // Sep. Purif. Technol. 2003. - №30. - С. 113-127.

66. Водоподготовка и очистка промышленных стоков / Ред. колл.: Кульский J1. А. и др. Киев, Наукова думка, 1975. - 528 с.

67. Теория и технология флотации руд / Под ред. О. С. Богданова. М., Недра, 1990.- 523 с.

68. Дерягин Б.В., Духин С.С., Рулев Н.Н. Микрофлотация: Водоочистка, обогащение. М., Химия, 1986. - 112 с.

69. Родионов А.И., Клушин В.Н., Систер В.Г. Технологические процессы экологической безопасности. Калуга, Издат-во Н.Б. Бочкарёвой, 2000.- 800 с.

70. Алексеев Д.В., Николаев Н.А. Анализ технико-экономических показателей работы флотационных аппаратов. // Химическая промышленность. 2001. - №1. - С. 40-43.

71. Бараке К., и др. Дегремон. Технические записки по проблемам воды: Справочник. В 2-х т./ Пер. с англ. М., Стройиздат, 1983. - 608 с.

72. Boutin P., Wheeler D. The Flotation column. // Canad. Mining J. 1963. -№ No 4. - C. 55-56.

73. Dedek F. Das Anhaften der Luftblusen an der Obeiflache des Feststoffe bei det Flotation. // Gliickauf-Forschugsh. 1969. - №Bd. 30, N A. - C. 18-22.

74. Рубинштейн Ю.Б. Противоточные пневматические флотационные машины. М., Цветметипформация, 1979. - 54 с.

75. Рубинштейн Ю.Б. Создание и внедрение большеобъёмных противоточных пневматических флотационных машин. / В кн. / Интенсификация процессов обогащения минерального сырья, - М., Наука, 1981.-С. 75-82.

76. Matis К.А. (Ed.). Flotation Science and Engineering. New York, Marcel Dekker, 1995.- 454 p.

77. Khelifa A., Moulay S., Naceur A.W. Treatment of metal finishing effluents by the electro flotation technique. // Desalination. 2005. - №181. - C. 27-33.

78. Ясминов A.A., Орлов A.K., Карелин Ф.Н., Раппопорт Я.Д. Обработка воды обратным осмосом и ультрафильтрацией. М., Стройиздат, 1978.- 121 с.

79. Aim К.-Н., Song K.-G., Cha H.-Y., Yeom l.-T. Removal of ions in nickel electroplating rinse water using low-pressure nanofiltration. // Desalination.- 1999.-№122.-C. 77-84.83.