Применение гибридной бароэлектромембранной технологии для получения деионизированной воды в производстве арамидных нитей

Аннотация

Е.В. Любегина

В настоящей статье автором проведен сравнительный анализ существующей на предприятии схемы получения обессоленной воды, используемой в технологическом процессе при производстве арамидных нитей, и альтернативной схемы, заключающейся в применении  гибридной бароэлектромембранной технологии для получения деионизированной воды с использованием опытной установки.
Ключевые слова: гибридная бароэлектромембранная технология, деионизированная (обессоленная) вода, мембраны, механическая очистка, Диметилацетамид, Изобутиловый спирт.
Стр. 79-88
№ гос. регистрации 0421000096\0016

02.00.04 - Физическая химия

Проблема очистки и утилизации промышленных сточных вод имеет принципиальное значение для обеспечения безопасной среды обитания человека. Речь идет не только об улучшении экологической ситуации в целом, но и о возможности извлечения из сточных вод и возврата в производство дорогостоящих растворов.
В ОАО «Каменскволокно» совместно с Кубанским Государственным университетом ведутся научные исследования и разработки промышленных установок, обеспечивающих возврат в производство очищенных сточных вод и технологических растворов.
ОАО «Каменскволокно» является крупнейшим производителем арамидных волокон и нитей в России. Выпускаемые нити обладают уникальными физико-механическими свойствами, благодаря которым используются в сверхпрочных композиционных материалах, при изготовлении средств баллистической защиты, специальной защитной одежды, в кабельной промышленности и других отраслях промышленности.
Технология получения арамидных нитей требует огромных затрат обессоленной воды для промывки нити от органических примесей.
В ОАО «Каменскволокно» получение обессоленной воды осуществляется по классической ионообменной технологии, недостатки  которой связаны с большим потреблением кислот, щелочей и хлорида натрия и вторичным загрязнением окружающей среды. Из-за имеющейся тенденции к увеличению солесодержания воды традиционных водоисточников ионообменная технология становится все менее экономически оправданной и не позволяет обеспечить предприятие обессоленной водой при выполнении существующих требований к охране окружающей среды. После промывки арамидных волокон в деионизованную воду поступает большое количество диметилацетамида (ДМАА) и изобутилового спирта (ИБС), что требует дополнительных затрат на реагентную и биологическую очистку.  Кроме того, со сточными водами теряется большое количество дорогостоящих растворителей ДМАА и ИБС.
В настоящее время на предприятии была создана и эксплуатируется опытно-промышленная гибридная бароэлектромембранная установка производительностью 5 м³/ч (ГБМУ-5). Установка предназначена для глубокой очистки сточных вод II промывки нити. К каждому из полученных растворов предъявлены определённые требования к качественному и количественному составу.

Таблица №1- Требования к рабочим растворам

Примечание:  обессоленная вода и регенерированные растворители – это растворы, полученные на ГБМУ.
На рисунке 1 представлена принципиальная баромембранная схема очистки сточных вод. Отработанная II помывка проходит 3 ступени обратного осмоса и одну ступень коцентрирования. Очищенная обессоленная вода возвращается в технологическую цепочку, а концентрат поступает в цех регенерации для дальнейшей переработки.

 
Рис 1.Баромембранная технологическая схема очистки сточных вод при производстве арамидных волокон.

Во время эксперимента вода и полученная нить подвергались контролю. Два раза в сутки очищенная обессоленная вода отбиралась на общий анализ. Усредненные результаты представлены в таблице №2.

Таблица №2 – Усредненные фактические показатели очищенной обессоленной воды

Из таблицы №2 видно, что вода, очищенная на ГБМУ-5 соответствует предъявленным требованиям и имеет лучшие показатели, чем вода поступающая с участка ВиК.
Отбор проб воды для определения содержания органических веществ осуществлялся  один раз в сутки на входах и выходах трактов ретентата и пермеата каждого из модулей. Определение осуществлялось методом газожидкостной хроматографии на хроматографе  «Цвет-550». Измерения проводились после достижения стационарного состояния.  По полученным данным концентраций примесей  производился расчет селективности каждого из потоков.
Для разбавленных водных смесей, состоящих из растворителя (воды) и  растворенного вещества, выражается селективность по отношению к растворенному веществу. Растворенное вещество частично или полностью задерживается, в то время как молекулы растворителя (воды) свободно проходят через мембрану. Величина R определяется соотношением:
R=1-,
где Ср-концентрация растворенного вещества в пермеате;
Сf- концентрация растворенного вещества в сырье.        
Результаты исследования селективности модулей в водных растворах ДМАА и ИБС представлены на рисунках 2-3.

Рис.2- Селективность ступеней по ДМАА

Рис.3- Селективность ступеней по ИБС

Особенностью изученной системы является очень слабая зависимость селективности от концентрации органических веществ в ретентате, но наблюдается обратная зависимость селективности обратноосмотического модуля от температуры водного раствора (чем больше температура раствора, тем ниже селективность). Это позволяет при моделировании и оптимизации процесса пренебречь концентрационной поляризацией и считать, что селективность мембраны во всем диапазоне концентрации остается постоянной при условии поддержания температуры раствора 20±20° С. Ранее, на модельной установке были проведены исследования селективности первого и второго обратноосмотических модулей в водных растворах ДМАА при 200° С и 320° С.

Рис. 4 Зависимость селективности I и II обратноосмотических модулей от концентрации ретентата, (прямая 1получена при 20° С, прямая 2 - при 32° С) .

Из  рисунка 4 видно, что при одновременном присутствии растворителей наблюдается синергетический эффект: селективность мембран при одновременном присутствии ДМАА и ИБС возрастает и достигает значения 96 % при температуре 20° С.

Таблица №5- средние значения физико-механических показателей термообработанной нити

Где Т, текс – линейная плотность нити;
ΔТ, % - отклонение фактической линейной плотности от    номинальной;
Ротн, сН/текс – относительная разрывная нагрузка нити;
Cp, % - коэффициент вариации по разрывной нагрузке.
Из представленной таблицы видно, что опытная нить, прошедшая стадию промывки деионизованной водой, по физико-механическим показателям соответствует СТП ЖЦ 10/04-51605609-2009. 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные опытно-промышленные испытания гибридной бароэлектромембранной установки  показали, что она обеспечивает очистку отработанной обессоленной воды производства арамидных волокон до уровня деионизованной воды.
Физико-механические показатели арамидных нитей при их промывке повторно использованной водой не ухудшаются, а наоборот, заметна стабильность результатов по длине нити.
Также с введением в эксплуатацию опытно-промышленной установки ежечасно экономится около 5 м³ обессоленной воды (постоянная подпитка установки составляет 50 дм³/ч, т. к. ежечасно образуется 50 дм³ концентрата, который направляется в цех регенерации).

Литература

1. М. Мулдер Введение в мембранную технологию. Москва «Мир», 1999, 495 с.
2. Стандарт предприятия ОАО «Каменскволокно» «Порядок предъявления продукции ПВВ отделу технического контроля» СТП 9-2006.
3. Процессы и аппараты химической технологии: Учебник для вузов. Изд. 2-е. В 2-х кн. Часть 2. Массообменные процессы и аппараты. М.: Химия, 1995.-368с.