Reducing the concentration of Ca2+ Ions in Water Using Ultra- and Nanofiltration Ceramic Membranes

ПРОБЛЕМИ ХІМІЇ ТА ХІМІЧНОЇ ТЕХНОЛОГІЇ 107 УДК 628.1.033+66.067.124 Т.Ю. Дульнева ЗНИЖЕННЯ КОНЦЕНТРАЦІЇ ІОНІВ Са2+ У ВОДІ УЛЬТРА- І НАНОФІЛЬТРАЦІЙНИМИ КЕРАМІЧНИМИ МЕМБРАНАМИ The main regularities of processes of water purification from Ca2+ ions using ultra- and nanofiltration ceramic membranes, in particular, the influence of the operating pressure, the duration of the experiments, the concentrations of Ca2+ ions in the original solution and its temperature to reduce the content of these ions in the filtrate were identified. The cleaning process of the model solution CaCl2 was carried out on an experimental installation of baromembranes using ultra-and nanofiltration tubular membranes of ceramic oxide (produced in Germany). By the experimental results characteristics of ceramic membranes: retention coefficient R (%) of ions Ca2+ and specific productivity Jv (m /(m ⋅h) of membrane were calculated. It has been established that on these results the processes of water purification from Ca2+ ions ultra- and nanofiltration ceramic membranes is advantageously carried out at a pressure 2+ of respectively 0,6 and 1,0 MPa. It was studied that for such membranes with increasing concentrations of Ca ac3 cordingly to 90,0 and 120,0 mg/dm retention coefficient of these ions was reduced to 22,2 and to 83,33 %. And specific productivity membranes remained almost unchanged. Lowering the temperature of the feed solution CaCl2 resulted in a decrease in the specific productivity of the membrane, which is associated with a decrease in solution viscosity and without affecting the degree of its purification from Ca2+. It was concluded that studies have shown the 2+ high efficiency of water purification from Ca using ceramic nanofiltration membranes compared with ultrafiltration. On the basis of obtained results, use of ceramic nanofiltration membranes in the first stage water softening, for example, prior to ion exchange to ensure boilers CHP, heating systems and boilers feeding was suggested. 3 2 Keywords: ceramic membranes, calcium, ultrafiltration, nanofiltration, degree of purification, specific productivity. Вступ Твердість води є важливим показником, який багато в чому визначає її якість і залежить від кількості розчинених у ній солей кальцію та магнію. Для більшої частини території України характерна тверда вода з вмістом у ній солей кальцію та магнію, що перевищують 6,0 мг-екв/дм3 [1]. Варто зазначити, що гранично допустима концентрація цих солей для фізично повноцінної питної води становить 6,0—10,0 мг-екв/дм3 [2]. У той самий час вода для спеціальних технологічних потреб (живильна вода парових котлів ТЕЦ, тепломереж і бойлерів будинків) повинна відповідати солевмісту на рівні 0,01—0,02 мг-екв/дм3 [3]. Тому для вирішення зазначених проблем необхідне зниження твердості води, зокрема, зменшення вмісту в ній іонів Са2+ до необхідних норм відповідно до її призначення. З огляду на аналіз науково-технічної літератури, на сьогодні для одержання глибокопом’якшеної води існують різні методи, найефективнішими з яких вважаються іонний обмін [4], двоступеневі системи Na-катіонування та зворотного осмосу [1, 3], а також нанофільтрація на полімерних мембранах [5]. Однак застосування іонообмінних методів зіштовхується із проблемою утилізації регенераційних розчинів, яка являє серйозну екологічну небезпеку, а також вимагає високих експлуатаційних витрат на інгібітори, солі, миючі розчини. Крім того, існує проблема регенерації зворотноосмотичних та нанофільтраційних мембран. На сьогодні в промислово розвинених країнах світу знайшли широке використання для очищення води баромембранні методи на основі керамічних мембран (мікро-, ультра- і нанофільтрація), що пов’язано, насамперед, з їх високою ефективністю й економічністю [6]. Порівняно з ацетилцелюлозними (І покоління) і поліамідними (ІІ покоління) керамічні мембрани мають низку таких переваг [7]: • хімічна стійкість до розчинів і сумішей, що фільтруються, незалежно від значення їх рН, до розчинників та окислювачів; • термостійкість, що визначається умовами виготовлення мембран; • стійкість до дії мікроорганізмів; • тривалий строк їх експлуатації. Зазначені властивості керамічних мембран визначають простоту їх регенерації та дезінфекції, можливість роботи при високій температурі, а також із сильнозабрудненими Наукові вісті НТУУ "КПІ" Методика експерименту В експериментах були використані модельні розчини солі СаСl2, які містили 60,0— 120,0 мг/дм3 іонів Са2+. Концентрацію іонів Са2+ у вихідному розчині та фільтраті визначали відповідно до методики [8]. Процес очищення модельного розчину СаСl2 здійснювали на дослідній баромембранній установці, яка працювала в проточнорециркуляційному режимі [9]. У дослідній установці застосовували ультра- і нанофільтраційні трубчасті мембрани з оксидної кераміки (виробництво Німеччини) із середнім діаметром пор в активному шарі відповідно 3,0 і 0,9 нм. Робоча внутрішня поверх− ня кожної мембрани становила 2,29 10 3 і 2,64 − 10 3 м2 відповідно, а зовнішній і внутрішній діаметр трубок — 10,0 і 7,0 мм. За результатами експериментів були розраховані розділові характеристики керамічних мембран: коефіцієнт затримки R (%) іонів Са2+ і питома продуктивність J v (м3/(м2⋅год) мембрани [10]. Коефіцієнт затримки R і питому продуктивність J v мембрани визначали, відповідно, за формулами:  1 − C ′′  R=  100 %,  C′  Jv = Δq , S Δt де C ′ — концентрація іонів Са2+ у вихідному розчині, мг/дм3; C ′′ — концентрація цих іонів в очищеному розчині, мг/дм3; Δ q — об’єм Результати та їх обговорення Як видно з рис. 1, зі збільшенням робочого тиску від 0,1 до 0,8 МПа (крива 1) і від 0,4 до 1,4 МПа (крива 2) при концентрації у вихідному розчині іонів Са2+ 70,0—75,0 мг/дм3 і тривалості експерименту три години спостерігалося їх зниження у фільтраті до 21,5 і 80,3 % відповідно для ультра- та нанофільтраційної керамічних мембран, що пов’язано з підвищенням процесу проходження крізь них іонів Са2+ внаслідок збільшення потоку розчину, що очищувався. При цьому відбувалося підвищення питомої продуктивності цих мембран (рис. 1, криві 1′, 2′) у результаті зростання рушійної сили процесів — тиску. З огляду на отримані результати, процеси очищення води від іонів Са2+ ультра- та нанофільтраційної керамічними мембранами доцільно здійснювати при тиску 0,6 і 1,0 МПа відповідно. 0,16 100 80 2 0,12 1′ 60 2 Метою роботи є визначення основних закономірностей процесів очищення води від іонів Са2+ ультра- і нанофільтраційними керамічними мембранами, зокрема, впливу робочого тиску, тривалості експериментів, концентрації іонів Са2+у вихідному розчині та його температури на зниження вмісту цих іонів у фільтраті. 0,08 3 Постановка задачі пермеату, що пройшов крізь мембрану, дм3; 2 S — площа мембрани, м ; Δ t — тривалість процесу, год. Jv, м /(м ⋅год) рідинами. Строк експлуатації таких мембран доволі тривалий (8—10 років). 2014 / 3 R, % 108 40 1 2′ 20 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Р, МПа 1,2 1,4 0,04 0 1,6 Рис. 1. Залежність коефіціє (...truncated)