Примеры применения мембранных контакторов для удаления кислорода из воды

Изменение концентрации растворѐнного кислорода в воде за время эксперимента в каталитическом лабораторном мембранном контакторе/реакторе на мембране Celgard X50 (паспортные данные: внешний диаметр 0,3 мм, толщина стенок 0,04 мм, номинальный размер пор прямоугольной формы 0,04 х 0,1 мкм и пористость 40%) представлено на 8 рис.2 и в табл. 3. Как видно из рисунка, при использовании лабораторного модуля с мембранами без палладия на внешней поверхности (исходные мембраны) изменения концентрации растворѐнного кислорода в воде не наблюдается (кривая 1). На каталитическом лабораторном контакторе/реакторе концентрация растворенного кислорода в воде была понижена на три порядка только за счет каталитической реакции (кривая 2).

Рис. 2. Зависимость изменения концентрации растворѐнного кислорода в воде от времени проведения эксперимента. Расход воды —25 л/ч. 1 — исходный мембранный модуль (без палладия), 2 — каталитический мембранный модуль (содержание палладия 1 масс.% Pd)

Таблица 3.1. Изменение концентрации растворѐнного кислорода в воде за время проведения эксперимента.

 

Принципиальная  схема.

     Одним из основных требований при конструировании мембранного реактора является эффективное использование всего внутреннего объема, то есть, недопущение образования так называемых «мертвых зон». Наряду с герметичностью модуля и возможностью замены мембранного волокна, конструктивные особенности также предусматривали использование антикоррозионных и теплопроводящих материалов для обеспечения идентичности температур в термостатированном боксе и мембранном реакторе.

     Разработанный мембранный контактор/реактор, приведенный на рис.4.1, представляет собой стеклянный капилляр с внутренним диаметром 2,2 мм и длиной 450 мм, в котором герметично закреплена одна половолоконная мембрана. Водород подавался внутрь полого волокна, в то время как вода, содержащая растворенный кислород, – внутрь стеклянного капилляра и омывала мембрану с внешней стороны. При последовательном соединении трëх одинаковых реакторов общая геометрическая площадь поверхности каталитических мембран составила 43,7 см2.

Рис. 4.1. Одноволоконный каталитический мембранный контактор/реактор для удаления растворенного кислорода из воды: 1– стеклянный капилляр, 2– Pd- содержащая половолоконная мембрана.

Принципиальная схема  экспериментальной установки для  изучения удаления растворенного кислорода из воды в мембранном каталитическом реакторе представлена на рис.4.2.

 

Одним из важных требований при разработке установки была ее модульность, означающая взаимозаменяемость мембранных реакторов различных типов (1).

Важным элементом установки  является термостатированный азотный  бокс (2), предназначенный для предотвращения контакта очищаемой воды с атмосферным кислородом. Воздушный термостат включает в себя датчик температуры в виде контактного ртутного термометра, воздушный нагреватель и вентилятор. Благодаря двухпозиционной системе регулирования температура в термостате выдерживается с точностью до 1°С.

Рис. 4.2. Принципиальная схема  экспериментальной установки: 1 –  мембранный

модуль, 2 – термостатированный азотный бокс, 3 – перистальтический  насос,

4 – резервуар с водой,  насыщенной кислородом, 5 – оксиметр, 6 – расходомеры,

7 – анализатор растворенного  водорода в воде.

     Подача дистиллированной воды в мембранный модуль осуществлялась в прямоточном режиме с помощью перистальтического насоса с шаговым электродвигателем (3). Как только насыщенная кислородом вода из резервуара (4) заполняла систему, контур замыкался, и вода циркулировала, многократно проходя через мембранный модуль (1). В установке предусмотрена возможность как последовательного, так и параллельного соединений мембранных реакторов. Изменение концентрации растворенного кислорода измерялось на выходе из мембранного реактора с помощью портативного оксиметра (5), включенного в контур с водой. Для определения потока водорода на входе и выходе из системы использовались расходомеры (6). Содержание растворенного водорода в воде определялось с помощью малогабаритного проточного анализатора.

 

 

5.Области применения.

     В зависимости от рабочих условий, создаваемых в мембранном контакторе можно как эффективно удалять газы из жидкостей, так и, напротив, насыщать парами жидкости контактирующие газы. Наиболее перспективные области применения контакторов: деаэрация питательной воды для котлов; производство особо чистой воды для нужд  : микроэлектроники; процессы дегазации при подготовке воды для подпитки теплоносителей. В медицине мембранные контакторы применяются в процессах насыщения крови кислородом.

Системы мембранной дегазации  воды предназначены для снижения содержания практически всех растворенных в воде газов — кислорода, углекислого газа, азота, метана, сероводорода, радона и т.д. Наиболее актуальны вопросы дегазации воды при создании систем водоподготовки для паровых и водогрейных котельных, в пищевой промышленности, при получении особо чистой воды для микроэлектроники и медицины,  в системах подготовки воды для производства льда.

Основой мембранных дегазаторов  служат мембранные контакторы — половолоконные модули с гидрофобными мембранами из полипропилена или полиолефина. Внутри мембранных волокон находится газовая фаза, а вода подается в межволоконное пространство контакторов противотоком по отношению к газовой фазе. За счет своей гидрофобности мембрана остается непроницаемой для воды, а растворенные в воде газы, за счет разницы парциального давления, диффундируют из воды в газовую фазу. В зависимости от конкретной задачи (качество исходной воды, необходимый расход воды, требуемая глубина дегазации, наличие и стоимость энергоносителей на объекте, наличие и стоимость инертных газов и т.д.) возможны различные варианты организации процесса дегазации:

-с прокачкой газа-носителя (воздуха или азота) через контактор;

-с созданием вакуума  внутри полых волокон;

-комбинированный вариант  с созданием вакуума внутри  волокон и одновременной

прокачкой газа-носителя.

Рис.5.1. Мембранные контакторы используются в различных пунктах  предприятия с

законченным циклом производства (NF-нанофильтрация, RO-обратный осмос, MC-

мембранный контактор).

 

6.Заключение.

Достоинства мембранных контакторов:

-реализация одностадийного  процесса удаления из воды  растворенного кислорода при

комнатной температуре без  стадии барботажа водорода в воде;

-большая поверхность  контакта, что приводит к использованию  компактного

оборудования;

-возможность автоматизации  процесса;

-модулируемость(возможность многократно сочетать элементы);

-существенное увеличение  площади поверхности газ-жидкость  на единицу объема;

-большие скорости массопереноса;

-высокая глубина очистки  воды.

 

7.Список литературы.

1.В.Волков, Г.Терещенко «Вода без кислорода» //The chemical journal, 2009.

2. Д.Е. Виткина, Е.И. Школьников, И.В. Петров, В.И. Лебедева, В.В.  Волков

«Исследование половолоконных полипропиленовых Pd-содержащих мембран методом

динамической десорбционной порометрии»// Труды МФТИ, 2009, Том 1, № 1

3. Бекман И. Н., Бессарабов Д. Г., Сандерсон Р. Д. Диффузионные процессы в

абсорбционном модуле мембранного контактора//Весн. Московского ун-та. Сер. 2. Химия.

2000.

4. Бекман И. Н., Бессарабов Д. Г., Сандерсон Р. Д. Разделение газовой смеси в

абсорбционном модуле мембранного контактора//Весн. Московского ун-та. Сер. 2. Химия.

2001.

5. Сидыганов Ю.Н., Шамшуров Д.Н., Окунев А.Ю. Модель массопереноса

многокомпонентной смеси  в мембранных контакторах для  оптимизации процесса

газоразделения// Мех. и Электр, сельского хоз., №12,2006

6. A. Criscuoli , M.C. Carnevale, H. Mahmoudi, S. Gaeta, F. Lentini, E. Drioli. «Membrane

contactors for the oxygen and pH control in desalination»//Journal of Membrane Science.2011

7. Boiler feed water deoxygenation using hollow fiber membrane contactor Jiahui Shao, Huifeng Liu, Yiliang He, 2007