Получение дистиллированной воды методом двухступенчатого обратного осмоса на установках Вагнер (ТМ "Сила айсберга") 2023 г.

ПОЛУЧЕНИЕ ДИСТИЛЛИРОВАННОЙ ВОДЫ МЕТОДОМ ДВУХСТУПЕНЧАТОГО ОБРАТНОГО ОСМОСА НА УСТАНОВКАХ «ВАГНЕР» (ТМ «СИЛА АЙСБЕРГА») С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СВЕРХНИЗКОНАПОРНЫХ МЕМБРАННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

PRODUCTION OF DISTILLED WATER BY THE METHOD OF TWO-STAGE REVERSE OSMOSIS AT THE INSTALLATIONS OF THE COMPANY "WAGNER" (TM "POWER OF ICEBERG") USING ULTRA-LOW-PRESSURE MEMBRANE ELEMENTS

Скачать полный текст статьи в сборнике

Николаев Николай Алексеевич

к.э.н., доцент кафедры экономики труда и управления персоналом

ФГБОУ ВО Уральский государственный экономический университет

Россия, г. Екатеринбург

Ахатова Алиса Фагильевна

специалист по водоподготовке ООО «Вагнер-Екатеринбург»

Россия, г. Екатеринбург

Кошелева Мария Александровна

специалист по водоподготовке ООО «Вагнер-Екатеринбург»

Россия, г. Екатеринбург

Тиняков Вячеслав Андреевич

менеджер по инновациям ООО «Вагнер-Екатеринбург»

Россия, г. Екатеринбург

Содержание статьи

Актуальность исследования.

Исследование эффективности применения сверх низконапорных обратноосмотических мембран для получения дистиллированной воды

Характеристики работы установки двуступенчатого обратного осмоса «Вагнер-125Д» при проведении исследования

Сравнительный анализ технико-экономической эффективности методов получения дистиллированной воды

Выводы и результаты

Список литературы

Аннотация: Статья посвящена исследованию эффективности применения метода двухступенчатого обратного осмоса для получения дистиллированной воды с использованием сверх низконапорных мембранных элементов. Представлено описание и результаты проведения производственно-лабораторного эксперимента получения дистиллированной воды с применением установки «Вагнер» и сверх низконапорных мембранных элементов. Проведен сравнительный анализ технико-экономических показателей применения предложенного метода по сравнению с традиционными методами выпаривания и двухступенчатого обратного осмоса.

The article is devoted to the study of the effectiveness of the application of the two-stage reverse osmosis method to obtain distilled water using ultra-low-pressure membrane elements. A description and results of a production and laboratory experiment for obtaining distilled water using the Wagner plant and super-low-pressure membrane elements are presented. A comparative analysis of the technical and economic indicators of the application of the proposed method was carried out in comparison with traditional methods of evaporation and two-stage reverse osmosis.

Ключевые слова: получение дистиллированной воды, метод двухступенчатого обратного осмоса, дистилляция воды, получение дистиллированной воды методом обратного осмоса с использованием сверх низконапорных мембранных элементов.

Key words: production of distilled water, two-stage reverse osmosis method, water distillation, production of distilled water by reverse osmosis using super-low pressure membrane elements.

Цель исследования – исследование технико-экономической эффективности использования метода получения дистиллированной воды с использованием сверх низконапорных мембранных элементов.

Актуальность исследования. Метод двухступенчатого обратного осмоса на сегодняшний день является одним из самых энергоэффективных способов получения дистиллированной воды, который широко используется во многих областях экономики: медицине, химической, металлургической, машиностроительной, пищевой промышленности, микроэлектронике и других. Вместе с тем, несмотря на высокую энергоэффективность по сравнению с выпариванием, метод двухступенчатого осмоса остается весьма затратным, поскольку требует значительные энергозатраты на создание высокого давления, необходимого для начала процесса обратного осмоса. На сегодняшний день установки обратного осмоса, работающие на средненапорных мембранных элементах, эксплуатируются при давлении от 10 до 15 бар, что требует около 3 кВт∙ч электроэнергии на получение 250 литров дистиллированной воды.

Одним из перспективных способов дальнейшего снижения энергозатрат на получение дистиллированной воды, на наш взгляд, является использование сверх низконапорных мембранных элементов, работающих при пониженном давлении от 5 до 7 бар, что позволяет значительно экономить расход электроэнергии, а также уменьшить мощность и стоимость используемых водяных насосов. Вместо мощных высоконапорных вертикальных центробежных насосов возможно использование горизонтальных низконапорных, а в некоторых случаях обойтись без насосов первой ступени, используя давление, создаваемое в водопроводной сети. Однако, недостаточно исследованным остается вопрос об эффективности и качестве получаемой дистиллированной воды методом двухступенчатого обратного осмоса с использованием сверх низконапорных мембранных элементов.

Различным аспектам получения дистиллированной воды методом двухступенчатого обратного осмоса посвящены труды отечественных и зарубежных ученых: Алиевой О.О. [1], Гонопольского А.М., Дуженко И.С. [2], Игнатущенко К.В., Филонова А.Г. [3], Овчарова В.Г., Беспалова А.А. [4], Поворова А.А., Ильиной М.Е., Селиванова О.Г., Курочкина И.Н. [5], Федоренко В.И. [6] Фрога Б.Н., Первова А.Г. [7], Lee W.J., Goh P.S., Lau W.J., Ong C.S., Ismail A.F. [8], Bohdziewicz J., Sroka E. [9], Menchik P., Moraru С.I. [10], Han G., Liang C. Z., Chung T.S., Weber M., Maletzko C. [11] и других.

Несмотря на имеющееся в научной литературе большое количество публикаций, посвященных исследованиям очистки воды методами двуступенчатого обратного осмоса, нам не удалось обнаружить исследований, раскрывающих эффективность применения двухступенчатого обратного осмоса с использованием сверх низко напорных мембран для получения дистиллированной воды.

Таким образом, исследование технико-экономической эффективности применения метода двуступенчатого обратного осмоса для получения дистиллированной воды является актуальной научно-практической задачей, обусловленной следующими причинами:

1. С научно-методической точки зрения необходимостью получения новых знаний об эффективности и экономической целесообразности получения дистиллированной воды методом двухступенчатого обратного осмоса с использованием сверх низко напорных мембран рабочим давлением 5-7 бар.

2. С практической точки зрения необходимостью снижения себестоимости производства дистиллированной воды, затрат на покупку и эксплуатацию установок и водяных насосов.

Основное содержание исследования эффективности применения сверх низконапорных обратноосмотических мембран для получения дистиллированной воды

Исследование проводилось методом производственно-лабораторного эксперимента с использованием установки получения дистиллированной воды методом двухступенчатого обратного осмоса (дистиллятора) «Вагнер-125» в период с 20.03.2023 по 04.04.2023 г.

Для проведения исследования использовались:

- установка двухступенчатого обратного осмоса (дистиллятор) «Вагнер-125Д» производительностью 125 литров в час, оснащенная горизонтальными насосами 1-й и 2-й ступени с напором до 60 метров (6 бар) мощностью 0,75; 0,55 кВт. с TDS метром для контроля общей минерализации;

- городская водопроводная вода с общей минерализацией 300-400 мг/л;

- сменный фильтрующий элемент предварительной очистки из прессованного активированного угля стандарта 10 Big Blue – 10 мкм;

- сверхнизконапорные мембранные элементы с рабочим давлением 5-7 бар (см. Рис. 1).

Рисунок 1 – Установка двухступенчатого обратного осмоса «Вагнер-125Д»

Исследование проводилось при режимах работы, представленных в таблице 1.

Таблица 1 – Характеристики работы установки двуступенчатого обратного осмоса «Вагнер-125Д» при проведении исследования

В результате проведенного экспериментального исследования удалось установить, что при рабочем давлении 5-6 бар установка выдавала расход пермеата второй ступени 125-160 л/ч при общем солесодержании 0-1 мг/л.

Для проведения исследования соответствия состава воды по основным показателям качества, установленным «ГОСТ Р 58144-2018, Вода дистиллированная. Технические условия», был проведен анализ полученного пермеата второй стадии в аккредитованной лаборатории, результаты которого представлены на рисунке 2.

Рисунок 2 – Результаты исследования пермеата 2-й ступени, полученного на установке двухступенчатого обратного осмоса «Вагнер-125Д» с использованием сверх низко напорных мембранных элементов

На основании результатов исследований пермеата второй стадии, полученных в условиях производственного эксперимента и в аккредитованной лаборатории мы можем сделать вывод, что качество полученной воды соответствует «ГОСТ Р 58144-2018, Вода дистиллированная. Технические условия».

Мы провели сравнение технико-экономической эффективности использования традиционного метода «выпаривания», метода двухступенчатого обратного осмоса с использованием средненапорных и сверх низконапорных мембранных элементов, результаты которого представлены в таблице 2.

Таблица 2 – Сравнительный анализ технико-экономической эффективности методов получения дистиллированной воды

Как показывает многолетний полученный опыт эксплуатации установок получения дистиллированной методом двухступенчатого обратного осмоса «Вагнер» (торговая марка «Сила айсберга»), соблюдение правил эксплуатации, регулярное проведение химических моек мембранных элементов с использованием рекомендуемых щелочных и кислотных растворов, использование ингибиторов осадкообразования позволяет устойчиво получать дистиллированную воду с периодом замены мембранных элементов не менее 2-х лет.

Следует отметить, что использование сверх низконапорных мембранных элементов ограниченно следующими основными требованиями к исходной воде:

- общее солесодержание до 1000 мг/л.

Общие требования для всех типов мембранных элементов:

- температура воды +5 - +45 град.С;

- содержание железа не более 0,3мг/л;

- содержание марганца не более 0,1мг/л;

- гетеротрофные бактерии не более 1000шт/мл.

При превышении показателей качества исходной воды, рекомендованных производителями мембранных элементов, перед установкой следует установить соответствующую условиям систему водоподготовки.

Выводы и результаты

1. Как показал проведенный эксперимент, применение метода двухступенчатого обратного осмоса с использованием сверх низконапорных мембранных элементов позволяет устойчиво получать дистиллированную воду при рабочем давлении 5-6 бар и энергозатратах меньших по сравнению с использованием средне- и высоконапорных мембранных элементов, функционирующих при рабочем давлении 10-15 бар.

2. Потребляемая электрическая мощность на 1 м³ дистиллированной воды составляет в среднем 720 кВт∙ч/м³ при использовании метода выпаривания, 24 кВт∙ч/м³ при использовании средненапорных мембранных элементов и 5,2 кВт∙ч/м³ при использовании сверх низконапорных мембранных элементов.

3. Затраты на электроэнергию и цеховая себестоимость производства 1 м³ дистиллированной воды при использовании сверх низконапорных мембранных элементов получается в среднем в 3-4 раза ниже, чем при использовании средне- и высоконапорных мембран.

4. Соблюдение правил эксплуатации, регулярное проведение химических моек мембранных элементов с использованием рекомендуемых щелочных и кислотных растворов, использование ингибиторов осадкообразования позволяет устойчиво получать дистиллированную воду с периодом эксплуатации мембран не менее 2-х лет.

Список литературы

1. Алиева О.О., Обратный осмос в схемах глубокого обессоливания добавочной воды на // DIZWW. 2021. №19-1. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/obratnyy-osmos-v-shemah-glubokogo-obessolivaniya-dobavochnoy-vody-na-tes-1 (дата обращения: 12.08.2023).
2. Гонопольский А.М., Дуженко И.С., Исследование эффективности двухстадийной мембранной очистки поверхностных промышленно-ливневых стоков // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2017. №1 (20). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/issledovanie-effektivnosti-dvuhstadiynoy-membrannoy-ochistki-poverhnostnyh-promyshlenno-livnevyh-stokov (дата обращения: 12.08.2023).
3. Игнатущенко К.В., Филонов А.Г., О возможностях применения двухступенчатых схем обессоливания воды мембранными методами на ТЭС с парогазовой установкой в Калининградском регионе // Вестник молодежной науки. 2018. №3 (15). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/o-vozmozhnostyah-primeneniya-dvuhstupenchatyh-shem-obessolivaniya-vody-membrannymi-metodami-na-tes-s-parogazovoy-ustanovkoy-v (дата обращения: 12.08.2023).
4. Овчаров, В. Г. Методы получения дистиллированной воды / В. Г. Овчаров, А. А. Беспалов // Энергоэффективность и энергосбережение в современном производстве и обществе: Материалы международной научно-практической конференции, Воронеж, 09–10 июня 2020 года. – Воронеж: Воронежский государственный аграрный университет им. Императора Петра I, 2020. – С. 377-381. – EDN GDVDXH.
5. Поворов А.А., Ильина М. Е., Селиванов О.Г., Курочкин И.Н. Оценка эффективности мембранного разделения высококонцентрированных фильтрационных вод полигона ТБО на двухступенчатой установке обратного осмоса // ВХР. 2021. №6. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/otsenka-effektivnosti-membrannogo-razdeleniya-vysokokontsentrirovannyh-filtratsionnyh-vod-poligona-tbo-na-dvuhstupenchatoy (дата обращения: 12.08.2023).
6. Федоренко В. И., Производство ультрачистой воды с применением двухступенчатого обратного осмоса / В. И. Федоренко, И. Е. Кирякин, С. С. Бурковский // Мембраны. – 2004. – № 4(24). – С. 5-17.
7. Фрог Б.Н., Первов А.Г. Водоподготовка. Учеб. для вузов: – М.: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2014. – 512 с.
8. Lee W.J., Goh P.S., Lau W.J., Ong C.S., Ismail A.F. Antifouling zwitterion embedded forward osmosis thin film composite membrane for highly concentrated oily wastewater treatment // Separation and Purification Technology. 2019. Vol. 2141. P. 40–50.
9.  Bohdziewicz J., Sroka E. Integrated system of activated sludge–reverse osmosis in the treatment of the wastewater from the meat industry // Process Biochemistry. 2005. Vol. 40. No. 5. P. 1517–1523.
10. Menchik P., Moraru С.I. Nonthermal concentration of liquid foods by a combination of reverseosmosisand forwardosmosis. Acid whey: A case study // Journal of Food Engineering. 2019. Vol. 253. P. 40–48.
11. Han G., Liang C. Z., Chung T.S., Weber M., Maletzko C. Combination of forward osmosis (FO) process with coagulation/flocculation (CF) for potential treatment of textile wastewater // Water Research. 2016. Vol. 9115. P. 361–370