CC BY
21
УДК 677.027:628.3-62-278
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21 -6-23 82-23 85
РАЗДЕЛЕНИЕ СТОЧНЫХ ВОД, СОДЕРЖАЩИХ АКТИВНЫЕ КРАСИТЕЛИ, УЛЬТРАФИЛЬТРАЦИЕЙ
© Ю.П. Осадчий, А.В. Маркелов
Ивановский государственный политехнический университет 153037, Российская Федерация, г. Иваново, ул. 8 Марта, 20 E-mail: [email protected]
На основании исследования механизма разделения жидкостей капиллярно-пористыми полимерными мембранами предложена математическая модель процесса разделения сточных вод отделочного производства текстильных предприятий, содержащих активные красители, методом ультрафильтрации, учитывающая влияние физических параметров на механизм и кинетику процесса переноса ингредиентов через мембрану, сопровождающегося образованием слоя геля. Модель прошла проверку на адекватность и позволяет рассчитать концентрацию активных красителей в разделяемой сточной воде в зависимости от сопротивления слоя геля. Использование данной модели также дает возможность подобрать оптимальный технологический режим процесса, определить основные характеристики как для нестационарного, так и для установившегося режимов, выбрать оптимальную степень концентрирования компонентов.
Ключевые слова: мембрана; баромембранное разделение; математическая модель
Процесс баромембранного разделения промышленных стоков, содержащих активные красители, протекающий с образованием слоя геля на мембране, является нестационарным процессом. Это обусловлено тем, что изменяющаяся толщина слоя геля влияет на гидродинамику и массообмен, вследствие изменения проницаемости и селективности этого слоя.
Целью разработки для математического описания процесса разделения промышленных стоков, содержащих активные красители (ярко-красный 5СХ, ярко-голубой КХ, золотисто-желтый 2КХ), применяемого при крашении пряжи на аппаратах АКДУ-6-02, является описание влияния физических параметров на механизм и кинетику процесса переноса ингредиентов через мембрану, сопровождающегося образованием слоя геля.
Уравнение материального баланса расходов воды и красителя имеет вид:
01 = 02 + Qз , (1)
где Q1 - расход вещества (вода и краситель) при подводе к рассматриваемому сечению, кг-с-1; 22 - расход вещества на выходе из сечения, кг-с-1; Q3 - расход вещества при проходе через мембрану, кг-с-1.
В общем виде для каждого компонента расходы определены следующим образом:
0! = Х,(1).у.Б, (2)
02 = X, (I+ М) - V - Б , (3)
03 = О - (Ш = 2Ог -к- г - Л1 , (4)
где Х,- - массовая доля компонента в потоке, кгм-3; V -скорость движения потока, м-с-1; I - координата длины
аппарата, м; Б - поперечное сечение трубки мембраны, м2; О, - проницаемость по веществу, кг- (м2-с)-1; F -поверхность разделения мембраны, м2; г - радиус трубки мембраны, м.
Значение массовой доли красителя при прохождении через рассматриваемое сечение примет вид:
Хк(I) - V - Б = Хк (I + Л1) - V - Б + Ов(1 -ф) - 2к-г - Л1, (5) Ок = Ов - (1-ф), (6)
где Хк - массовая доля красителя, кг-м-3; Ок - проницаемость мембраны по красителю, кг- (м2-с)-1; ОВ - проницаемость мембраны по воде, кг-(м2-с)-1; ф -степень разделения мембраны, или селективность.
Процесс разделения осуществляется путем непрерывного концентрирования исходной сточной воды при циркуляции ее через мембранные блоки БТУ 0,5/2 [1] и постоянного отвода пермеата. Полученный концентрат периодически отводился для последующего использования.
Аппараты с трубчатыми мембранами являются аппаратами идеального вытеснения. В данном случае мы имеем невысокие концентрации активного красителя (0,4-0,5 г-л-1) в воде и слабое влияние гелеобразования на проницаемость и селективность мембран в течение определенного времени. Предполагается, что разделение сточных вод ведется при постоянном давлении на всей длине блоков мембран и постоянной температуре. Схема процесса баромембранного процесса разделения представлена на рис. 1.
После преобразования получена постоянная интегрирования из начальных условий (I = 0, Х к = Хк 0), и выражение (5) принимает вид:
2382
Рис. 1. Схема процесса ультрафильтрационного разделения: 1 - произвольное сечение; 2 - мембрана
ХК - ХК 0 -
2• Ов • (1-ф) V • г
(7)
Изменение массовой доли красителя при прохождении сточной водой одного цикла (I = Ь) имеет вид:
ЛКк - •[-Хко -(1 -Ф)]Сх,
(8)
где О - общая проницаемость мембраны, кг(м-с) ; V - объем пермеата, полученного за данное время, м3; т - время процесса разделения, с.
По закону Дарси [2] изменение проницаемости мембран имеет следующий вид:
О —
АР
V (Км + Кг )
(9)
где АР - перепад давления над мембраной, н-м2; V -коэффициент вязкости для сточной воды, кинематический, Нм-с-кг-1; КМ - сопротивление мембраны, м-1; КГ - сопротивление слоя геля, м-1.
Сопротивление мембраны определяется из уравнения проницаемости по воде и принимается постоянным. Сопротивление слоя геля находили из экспериментальных данных, используя уравнение (9). График зависимости КГ от т представлен на рис. 2. Из него
видно, что изменение сопротивления слоя геля начинается через 4,5-5,5 часа. Это критическое значение времени (Ткр), которому соответствует критическое значение сопротивления слоя геля; дальнейшее увеличение времени ведет к значительному увеличению КГ и уменьшению О.
Математическая обработка данных позволила получить следующий вид уравнения зависимости КГ от т:
КГ - Ь • (ет -1),
(10)
где Ь = 2,06-1010, м-1; п = 1,34-10-4, с-1.
Проверена адекватность полученной расчетной зависимости (10) с удовлетворительной сходимостью при оптимальных параметрах ведения процесса разделения, полученных ранее [3]. Решая уравнение (9 и 10), (8 и 11) получили:
О-■
АР
у^Ям + Ь • (еет-Г
Л'
СХК -
_Ар • р \Хко - (1 -Ф)] • д . •V •[Ям + Ь • (ет-1)]
(11)
(12)
Проинтегрировав (12) методом неопределенных коэффициентов [4], получили уравнение, позволяющее
1
1
I
2383
Рис. 2. Изменение сопротивления слоя геля процессу разделения от времени (АР = 0,2 МПа, V = 2 м^с1, Т = 293 К). ЯГ - сопротивление слоя геля, м-1; т - время, с
Таблица 1
Результаты проверки модели на адекватность
Коэффициент вязкости динамический, v106, нсм-2 Сопротивление слоя геля, Rr 10-12, м-1 Сопротивление мембраны, Rm10-12, м-1 Длина мембраны общая, М0-3, м Время процесса разделения, т10-3, с Расчетная концентрация, Хк', кг м-3 Фактическая концентрация, Хк , кг м-3 Относительная ошибка, а, %
1,01 0,01 4,12 2,4 1,2 0,41 0,40 -0,35
1,01 0,01 4,12 4,8 2,4 0,43 0,41 -0,34
1,02 0,02 4,12 7,2 3,6 0,47 0,45 -0,31
1,02 0,04 4,12 14,4 7,2 0,79 0,75 -0,24
1,02 0,06 4,12 21,6 10,8 0,98 0,97 -0,21
1,03 0,47 4,12 36,0 14,4 1,45 1,49 +0,35
1,03 1,09 4,12 43,2 18,0 2,87 2,83 -0,21
1,05 1,85 4,12 50,4 21,8 5,67 5,32 -0,35
1,05 2,11 4,12 57,6 25,5 14,34 15,22 -0,45
1,06 3,99 4,12 64,8 28,3 17,23 17,01 -0,32
1,07 7,87 4,12 72,0 36,2 34,23 35,11 +0,56
1,07 14,34 4,12 82,6 38,4 64,35 68,45 +1,34
рассчитать значение массовой доли красителя в произвольном сечении аппарата.
Хк — Хк о + I n • т + ln
x[n
АР • F •[Хко - (1 -Ф)] v V • n • (RM - b)
RM
Rm + b • (enT-1)
(13)
Зная изменение массовой доли красителя в произвольном сечении от времени, нашли оптимальное время и степень концентрирования сточных вод, содержащих активные красители, в зависимости от изменения значений сопротивления слоя геля над мембраной.
Для определения адекватности полученной модели сравнивали экспериментальные и расчетные значения Хк за определенные промежутки времени, которые приведены в табл. 1.
ВЫВОДЫ
1. Предлагаемая модель дает возможность рассчитать концентрацию активных красителей в разделяемой сточной воде в зависимости от увеличения сопротивления слоя геля.
2. Расчетное КГ ^ = 0,1RM соответствует времени процесса 5,3 часа, что совпадает с экспериментальными данными.
3. Относительная ошибка Хк находится в пределах 0,21-1,34 %, что также подтверждает справедливость используемых для расчета соотношений.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Каталог ВНИИСС и НИИТЭХИМ. Мембраны и мембранная техника. Черкассы, 1999. 256 с.
2. Невский А.В., Мешалкин В.П., Шарнин В.А. Анализ и синтез водных ресурсосберегающих химико-технологических систем. М.: Наука, 2004. 212 с.
2384
х
3. Бесков В.С., Сафронов В.С. Общая химическая технология и основы промышленной экологии. М.: Химия, 1999. 472 с.
4. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике. М.: Наука, 1996. 425 с.
Поступила в редакцию 24 мая 2016 г.
Осадчий Юрий Павлович, Ивановский государственный политехнический университет, г. Иваново, Российская Федерация, кандидат технических наук, доцент, докторант, доцент кафедры «Автомобили и автомобильное хозяйство», e-mail: [email protected]
Маркелов Александр Владимирович, Ивановский государственный политехнический университет, г. Иваново, Российская Федерация, кандидат технических наук, старший преподаватель, старший преподаватель кафедры «Автомобили и автомобильное хозяйство», e-mail: [email protected]
UDC 677.027:628.3-62-278
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21 -6-23 82-23 85
ULTRAFILTRATION SEPARATION OF SEWAGE CONTAINING ACTIVE DYEING
© Y.P. Osadchiy, A.V. Markelov
Ivanovo State Polytechnic University 20 8 Marta St., Ivanovo, Russian Federation, 153037 E-mail: [email protected]
Basing on the study of liquids separation by capillary-porous polymeric membrane the mathematic model of sewage waters separation process of textile enterprises finishing department containing active dying by ultrafiltration method considering the influence of physical parameters on the mechanism and kinetics of the process of ingredients' transfer through membrane, accompanied by jelly build up are studied. The model was tested in its adequacy and let calculate concentration of active dying in the separated sewage water depending on resistance of jelly layer. The use of this model let find definitive technologic regime of the process, define basic characteristics both for non-standard and for the established regimes, to choose the definite grade of components' concentration.
Key words: membrane; baromembrane separation; mathematic model
REFERENCES
1. Katalog VNIISS i NIITEKhIM. Membrany i membrannaya tekhnika [Catalogue of RRIC and NRITERCC. Membranes and membrane technics]. Cherkassy, 1999. 256 p. (In Russian).
2. Nevskiy A.V., Meshalkin V.P., Sharnin V.A. Analiz i sintez vodnykh resursosberegayushchikh khimiko-tekhnologicheskikh sistem [Analysis and synthesis of water resource protecting chemical-technologic systems]. Moscow, Nauka Publ., 2004. 212 p. (In Russian).
3. Beskov V.S., Safronov V.S. Obshchaya khimicheskaya tekhnologiya i osnovypromyshlennoy ekologii [General chemical technology and basis of industrial ecology]. Moscow, Khimiya Publ., 1999. 472 p. (In Russian).
4. Korn G., Korn T. Spravochnikpo matematike [A guide to mathematics]. Moscow, Nauka Publ., 1996. 425 p. (In Russian).
Received 24 May 2016
Osadchiy Yuriy Pavlovich, Ivanovo State Polytechnic University, Ivanovo, Russian Federation, Candidate of Technics, Associate Professor, Candidate for Doctoral Degree, Associate Professor of Vehicles and Vehicle Fleet Department, e-mail: [email protected]
Markelov Aleksander Vladimirovich, Ivanovo State Polytechnic University, Ivanovo, Russian Federation, Candidate of Technics, Senior Lecturer, Senior Lecturer of Vehicles and Vehicle Fleet Department, e-mail: [email protected]
Информация для цитирования:
Осадчий Ю.П., Маркелов А.В. Разделение сточных вод, содержащих активные красители, ультрафильтрацией // Вестник Тамбовского университета. Серия Естественные и технические науки. Тамбов, 2016. Т. 21. Вып. 6. С. 2382-2385. DOI: 10.20310/18100198-2016-21-6-2382-2385
Osadchiy Y.P., Markelov A.V. Razdelenie stochnykh vod, soderzhashchikh aktivnye krasiteli, ul'trafil'tratsiey [Ultrafiltration separation of sewage containing active dyeing]. Vestnik Tambovskogo universiteta. Seriya Estestvennye i tekhnicheskie nauki — Tambov University Review. Series: Natural and Technical Sciences, 2016, vol. 21, no. 6, pp. 2382-2385. DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-6-2382-2385 (In Russian).
2385
