Теоретические основы защиты гидросферы методами макрофильтрации (диализ, электродиализ) и ультрафильтрации

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Пензенская государственная технологическая академия»

(ПГТА)

Кафедра «Биотехнологии и техногенная безопасность»

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовой работе

По дисциплине «Теоретические основы защиты окружающей среды»

на тему: «Теоретические основы защиты гидросферы методами макрофильтрации (диализ, электродиализ) и ультрафильтрации»

ПГТА 3.280202.10 ПЗ

                                                           Выполнил: студент группы 08ЭК1в 

                                                                             Борзихина О.И.

                                                           Проверил: к.х.н, доцент кафедры БТБ

                                                                              Сагуленко В.С.

Работа защищена с оценкой_______________

                                                   Пенза 2011

                                                                           Утверждаю:

Зав. кафедрой БТБ (ТИСЗОС)

д.т.н., профессор                       К.Р. Таранцева

______________________2011 г.

Задание к курсовой работе на тему:

Сточные воды очищают от коллоидно-диспергированного катализатора ультрафильтрацией. Рассчитайте рабочее давление процесса, обеспечивающее отделение от сточных вод взвеси, содержащей 60% катализатора, если плотность катализатора , средний диаметр взвешенных частиц 60нм, а рабочее давление процесса превышает осмотическое давление отделяемого концентрата примерно в 100 раз. Плотность концентрата принять равной 2600, температура 20 .

Задание получил: ___________________________________________________

Содержание

1.Введение…………………………………………………………………..4

2.Метод ультрафильтрации………………………………………………..5

3.Электродиализ…………………………………………………………...10

4.Диализ……………………………………………………………………15

5.Задача…………………………………………………………………….18

6.Заключение………………………………………………………………20

7.Список литературы……………………………………………………...21

Введение

Загрязнение окружающей среды представляет собой изменение качества среды способное вызвать отрицательное воздействие.

Очистка от низкомолекулярных примесей и электролитов производится мембранными методами.

Мембрана – разделяющая фаза, расположенная между двумя другими фазами и действующая как активный (если есть переносчики) или пассивный (если мембрана нейтральна к переносимому веществу) барьер в процессе переноса вещества между фазами. Мембраны представляют собой пористые тела и непроницаемость их для коллоидных частиц значительно(на несколько порядков) меньше, чем для ионов и молекул, имеющих намного меньшие массу и размеры.

В мембранных процессах большое значение имеют барометрические процессы, которые включают такие методы как диализ и ультрафильтрация. С их помощью происходит удаления из золей избыточного количества электролитов. Как правило, ультрафильтрацию применяют в том случае, если молекулы растворенного вещества более чем на порядок превышают размеры молекул растворителя и лежат ниже предела разрешения оптического микроскопа (0,5 мкм). Диализ широко используется для очистки растворов белков и других ВМС от растворенных солей, для отделения щелочи от гемицеллюлоз после процесса обработки целлюлозы щелочью (мерсеризации) и т. п.

Метод ультрафильтрации.

К физико-химическим методам очистки сточных вод относят коагуля-

цию, флотацию, адсорбцию, ионный обмен, экстракцию, ректификацию, вы-

паривание,  дистилляцию,  обратный осмос и ультрафильтрацию,  кристалли-

зацию,  десорбцию и др.  Эти методы используют для удаления из сточных

вод тонкодисперсных взвешенных твердых и жидких частиц,  растворимых

газов, минеральных и органических веществ.

Использование физико-химических методов для очистки сточных вод по

сравнению с биохимическим имеет ряд преимуществ: 

1) возможность удаления из сточных вод токсичных, биохимически не-

окисляемых органических загрязнений; 

2) достижение более глубокой и стабильной степени очистки; 

3) меньшие размеры сооружений; 

4) меньшая чувствительность к изменениям нагрузок; 

5) возможность полной автоматизации; 

6)  более глубокая изученность кинетики некоторых процессов,  а также

вопросов моделирования, математического описания и оптимизации, что

важно для правильного выбора и расчета аппаратуры; 

7) методы не связаны с контролем за деятельностью живых организмов; 

8) возможность рекуперации различных веществ.

Выбор того или иного метода очистки  (или нескольких методов) произ-

водят с учетом санитарных и технологических требований, предъявляемых к

очищенным производственным сточным водам с целью дальнейшего их ис-

пользования,  а также с учетом количества сточных вод и концентрации за-

грязнений в них.

Ультрафильтрацией называют процесс фильтрования растворов через полупроницаемые мембраны, избирательно пропускающие растворитель и полностью или частично задерживающие молекулы растворенных в них веществ,  под давлением,  превышающим осмотическое давление.

В основе этого способа лежит явление осмоса – самопроизвольного пе-

рехода растворителя  (воды)  в раствор через полупроницаемую мембрану.

Давление π в растворе,  заставляющее растворитель переходить через мем-

брану,  называют осмотическим.  Создав над раствором давление p1,  равное

осмотическому, осмос прекращается и наступает состояние равновесия.

Величина осмотического давления π  (в Па) для растворов определяется

по уравнению Вант-Гоффа:

π = β*R*T*C/M

где β = (1 + α) – коэффициент Вант-Гоффа; α - степень диссоциации раство-

ренного вещества; R – газовая постоянная; T – абсолютная температура рас-

твора, К;  c –  концентрация растворенного вещества,  г/л; M –  молекулярная

масса растворенного вещества, г/моль.

Механизм фильтрования через пористую мембрану объясняется тем, что

поры такой мембраны достаточно велики,  чтобы пропускать молекулы рас-

творителя, но слишком малы, чтобы пропускать молекулы растворенных ве-

ществ.

При ультрафильтрации размер отделяемых частиц dч на порядок больше. В

процессе ультрафильтрования мембраной задерживаются высокомолекуляр-

ные вещества, а низкомолекулярные вещества и растворитель свободно про-

ходят через поры мембраны.

Условные границы применения этого процесса: dч = 0,001…0,02 мкм;

От обычной фильтрации такие процессы отличаются отделением частиц

меньших размеров.

Давление,  необходимое для проведения процесса ультрафильтрации (0,1…0,5 МПа).

Ультрафильтрование принципиально отличаются от обычного фильтрования. При ультрафильтровании образуются два раствора,  один из которых обогащен растворенным веществом.

При ультрафильтрации растворенные вещества задерживаются на мем-

бране потому, что размер молекул их больше, чем размер пор, или вследст-

вие большого трения их молекул о стенки пор мембраны.

Эффективность процесса зависит от свойств мембран. Они должны об-

ладать высокой селективностью, большой проницаемостью, устойчивостью к

действию среды, постоянством характеристик в процессе эксплуатации, дос-

таточной механической прочностью, низкой стоимостью.

Селективность ϕ  (в %)  мембран в процессе разделения определяют по

Формуле:

ϕ = 100(cо - cф)/cо = 100(1 - cф/cо),

где cо и cф –  концентрация растворенного вещества в исходном растворе

(сточной воде) и фильтрате (очищенной воде).

Пористость β мембраны можно выразить соотношением

β = π*dср2*n/4,

где dср – средний диаметр пор, м; n – число пор на 1 м 2 площади мембраны.

Проницаемость определяется количеством фильтрата Vф, полученного в

единицу времени с единицы рабочей поверхности:

Vф = k1 (ΔP - ΔPо), 

где Δp – разность давлений воды до и после мембраны; ΔPо – разновидность

осмотических давлений; k1 – коэффициент, зависящий от проницаемости

мембраны.

В процессе очистки некоторое количество растворимого вещества про-

ходит через мембрану вместе с водой. Этот проскок S практически не зависит от давления:

S = k2(cо - cф)

где k2 – константа мембраны.

Для проведения процесса применяют непористые –  динамические и

диффузионные мембраны,  представляющие собой квазигомогенные гели,  и

пористые мембраны в виде тонких пленок,  изготовленные из полимерных

материалов. Наиболее распространены полимерные мембраны из ацетатцел-

люлозы, полиэтилена, политетрафторэтилена, пористого стекла.

Процесс мембранного разделения зависит от давления,  гидродинамиче-

ских условий и конструкции аппарата,  физико-химической природы и кон-

центрации сточных вод, содержания в них примесей, от температуры. Увели-

чение концентрации раствора приводит к росту осмотического давления рас-

творителя,  повышению вязкости раствора и росту концентрации поляриза-

ции, т.е. к снижению проницаемости и селективности.

Достоинства метода: отсутствие фазовых переходов при отделении при-

месей;  возможность проведения процесса при комнатных температурах без

применения или с небольшими добавками химических реагентов;  простая

конструкция аппаратуры. Недостатки метода: явление концентрационной поляризации,  т.е.  рост концентрации растворенного вещества у поверхности

мембраны, что приводит к снижению производительности установки, степе-

ни разделения компонентов и срока службы мембран;  проведение процесса

при повышенных давлениях, что требует специальных уплотнений аппарату-

ры.

Природа растворенного вещества оказывает влияние на селективность.

При одинаковой молекулярной массе неорганические вещества задержива-

ются на мембране лучше, чем органические. С повышением давления удель-

ная производительность мембраны увеличивается. Однако при высоких дав-

лениях происходит уплотнение материала мембран,  что вызывает снижение

проницаемости,  поэтому для каждого вида мембран устанавливают макси-

мальное рабочее давление. С ростом температуры увеличивается проницае-

мость мембран,  но при этом повышается осмотическое давление,  которое

уменьшает проницаемость;  также начинается усадка и стягивание пор мем-

браны,  что также снижает проницаемость;  возрастает скорость гидролиза,

сокращая срок службы мембран.  Например,  ацетатцеллюлозные мембраны

при 50°С разрушаются,  поэтому необходимо работать при температуре

20…30°С.

Конструкция аппаратов для проведения процессов ультрафильтрации должна обеспечивать большую поверхность мембран в единице объема, механическую прочность и герметичность. По способу укладки мембран аппараты подразделяются на четыре основные типа: 

1) типа фильтр-пресс с плоскопараллельными фильтрующими устрой-

ствами; 

2) с трубчатыми фильтрующими элементами; 

3) с рулонными или спиральными элементами; 

4) с мембранами в виде полых волокон.

Электродиализ

Электрохимические методы очистки сточных вод

Для очистки сточных вод от различных растворимых и диспергирован-

ных примесей применяются процессы анодного окисления и катодного вос-

становления,  электрокоагуляции,  электрофлокуляции и электродиализа. Все

эти процессы протекают на электродах при прохождении через сточную воду

постоянного электрического тока  (рис.1). Электрохимические методы по-

зволяют извлекать из сточных вод ценные продукты при относительно про-

стой технологической схеме очистки, без использования химических реаген-

тов. Основным недостатком этих методов является большой расход электро-

энергии. Очистку сточных вод электрохимическими методами можно прово-

дить периодически или непрерывно.