Результат интеллектуальной деятельности: Способ получения осажденной мембраны

Предлагаемое изобретение относится к области фильтрации и может быть использовано для разделения и очистки коллоидных систем и растворов методом микро-, ультра- и нанофильтрации.

Известен способ получения осажденной мембраны путем пропускания водной суспензии оксида графита концентрацией 0,01% через пористую подложку с образованием селективного слоя, который высушивают при комнатной температуре, после чего производят повторные пропускания суспензии до нанесения 6-10 селективных слоев на подложку (Дытнерский, Ю.И. Обратный осмос и ультрафильтрация. - Москва: Химия, 1978, с. 82-83).

Недостатком описанного способа является низкая эффективность очистки, обусловленная невысокой механической прочностью селективного слоя мембраны.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является способ изготовления фильтрующего элемента путем пропускания суспензии через пористую подложку с размером пор, равным 0,5-2,0 мкм, с образованием селективного слоя. При этом в качестве суспензии используют гематит, диспергированный до концентрации не более 1 г/л в водном растворе FeCl₃ с концентрацией не более 1 г/л до достижения удельной плотности 40-80 мкг гематита на 1 см² в пересчете на железо (Патент RU №2104760, МПК B01D 69/14, опубл. 1998).

Недостатком описанного способа является низкая эффективность очистки при ограниченной области применения очистки коллоидных систем вследствие образования неустойчивого селективного слоя, разрушающегося при колебаниях рН очищаемой системы и создающего возможность вторичного загрязнения соединениями железа за счет восстановления железа (III).

Предлагаемым изобретением решается задача повышения эффективности очистки при расширении области применения.

Для достижения указанного технического результата в способе получения осажденной мембраны путем пропускания суспензии через пористую подложку с образованием селективного слоя, в качестве суспензии используют бентонит, диспергированный в водном растворе диаллилдиметиламмония хлорида, в соотношении по сухому веществу (0,5-1,0)-1,5⋅10^-6, при этом образование селективного слоя на пористой подложке с размером пор от 0,1 мкм до 5,0 мкм осуществляют в режиме рециркуляции при давлении 0,2-0,3 МПа до осветления суспензии с последующим уплотнением селективного слоя путем повышения давления до 0,3-0,4 МПа в течение 10-20 минут.

Повышение эффективности очистки при расширении области применения вследствие образования устойчивого селективного слоя осажденной мембраны, обладающего сорбционной способностью в отношении коллоидных систем и растворов, содержащих ионы, в частности, тяжелых металлов, достигается тем, что в качестве суспензии используют бентонит, диспергированный в водном растворе диаллилдиметиламмония хлорида, в соотношении по сухому веществу (0,5-1,0)-1,5⋅10^-6, при этом образование селективного слоя на пористой подложке с размером пор от 0,1 мкм до 5,0 мкм осуществляют в режиме рециркуляции при давлении 0,2-0,3 МПа до осветления суспензии с последующим уплотнением селективного слоя путем повышения давления до 0,3-0,4 МПа в течение 10-20 минут.

Использование бентонита, диспергированного в водном растворе диаллилдиметиламмония хлорида (полиДАДМАХ), в соотношении по сухому веществу (0,5-1,0)-1,5⋅10^-6 является оптимальным. Уменьшение количества бентонита в соотношении менее 0,5 не целесообразно, так как приводит к формированию слоя низкой селективности вследствие увеличения размера пор. Увеличение количества бентонита в соотношении более 1,0 не целесообразно, так как приводит к формированию селективного слоя, характеризующегося высоким гидравлическим сопротивлением. Использование полиДАДМАХ в соотношении в количестве менее 1,5⋅10^-6 не целесообразно, так как приводит к неполному связыванию частиц бентонита, увеличению размера пор, возникновению дефектов, в частности, образованию пустот в структуре селективного слоя и, как следствие, к снижению эффективности очистки. Увеличение полиДАДМАХ в соотношении более 1,5⋅10^-6 не целесообразно, так как приводит к его необоснованному перерасходу.

Давление 0,2-0,3 МПа, при котором осуществляют образование селективного слоя на пористой подложке до полного осветления суспензии, является оптимальным. Проведение процесса до неполного осветления суспензии при давлении менее 0,2 МПа не целесообразно, так как приводит к недостаточному формированию селективного слоя мембраны и, как следствие, к снижению эффективности очистки. Проведение процесса после полного осветления суспензии при давлении более 0,3 МПа не целесообразно, так как приводит к повышению энергоемкости процесса и продавливанию селективного слоя в структуру пористой подложки.

Использование пористой подложки с размером пор от 0,1 до 5,0 мкм является оптимальным. Использование подложки с размером пор менее 0,1 мкм не целесообразно, так как при этом снижается проницаемость осажденной мембраны и повышаются гидравлические сопротивления подложки и селективного слоя, увеличивая энергоемкость процесса формирования осажденной мембраны. Использование подложки с размером пор более 5,0 мкм не целесообразно, так как образованный селективный слой характеризуется большой неоднородностью и значительным количеством неселективных пор, снижающих эффективность очистки.

Повышение давления до 0,3-0,4 МПа в течение 10-20 минут для уплотнения селективного слоя является оптимальным. Уплотнение при давлении менее 0,3 МПа в течение менее 10 минут не целесообразно, так как не позволяет устранить остаточные дефекты в структуре селективного слоя, снижая эффективность очистки. Уплотнение при давлении свыше 0,4 МПа в течение более 20 минут не целесообразно, так как приводит к повышению энергоемкости процесса, продавливанию селективного слоя в структуру пористой подложки или разрушению селективного слоя.

Способ получения осажденной мембраны осуществляется следующим образом.

Пропускают суспензию через пористую подложку с размером пор от 0,1 мкм до 5,0 мкм с образованием селективного слоя. В качестве суспензии используют бентонит, диспергированный в водном растворе диаллилдиметиламмония хлорида, в соотношении по сухому веществу (0,5-1,0)-1,5⋅10^-6. Применение бентонита - природного глинистого минерала, обладающего свойством набухать при гидратации, и полиДАДМАХ обусловлено способностью формирования в водной среде устойчивой пористой структуры.

При этом образование селективного слоя осуществляют в режиме рециркуляции при давлении 0,2-0,3 МПа до осветления суспензии с последующим уплотнением селективного слоя путем повышения давления до 0,3-0,4 МПа в течение 10-20 минут. Получают селективный слой, характеризующийся устойчивостью и способностью извлечения из воды загрязнений как в коллоидной, так и ионной формах.

Сущность предлагаемого способа поясняется следующими примерами:

Пример 1.

Пропускают суспензию через пористую подложку, в качестве которой используют пористый полипропиленовый микрофильтр площадью, равной 0,65 см², с размером пор, равным 5 мкм. В качестве суспензии используют бентонит, диспергированный в водном растворе полиДАДМАХ, в соотношении по сухому веществу 1-1,5⋅10^-6, и образование селективного слоя осуществляют в режиме рециркуляции при давлении 0,2-0,3 МПа до осветления суспензии с последующим уплотнением селективного слоя путем повышения давления до 0,3-0,4 МПа в течение 20 минут. После чего через осажденную мембрану пропускают раствор соли железа, например, сульфата железа или сульфата железа(III)-аммония, с концентрациями, равными 2, 6, 10 мг/л (по железу), при изменении рН раствора от 5,5 до 8,5. В фильтрате определяют содержание железа фотометрическим методом с сульфосалициловой кислотой. Значение эффективности очистки рассчитывают как разницу между исходной концентрацией очищаемой системы и концентрацией в фильтрате, отнесенную к исходной концентрации. Получены следующие результаты: при очистке от Fe³⁺ с начальной концентрацией 2 мг/л и рН, равной 6,5, эффективность очистки составила 80%, при очистке от Fe³⁺ с начальной концентрацией 6 мг/л и рН, равной 6,4, эффективность составила 68,3%, при очистке от Fe³⁺ с начальной концентрацией 10 мг/л и рН, равной 6,5, эффективность составила 63,4%, при очистке от Fe³⁺ с начальной концентрацией 2 мг/л и рН, равной 5,5, эффективность составила 78,4%, при очистке от Fe³⁺ с начальной концентрацией 6 мг/л и рН, равной 8,5, эффективность составила 82,4%, при очистке от Fe²⁺ с начальной концентрацией 2 мг/л и рН, равной 5,5, эффективность составила 77%. Данный пример показывает, что применение осажденной мембраны, полученной по предлагаемому способу, приводит к повышению устойчивости селективного слоя осажденной мембраны при колебании рН очищаемой воды.

Пример 2.

Пропускают суспензию через пористую подложку, в качестве которой используют пористый керамический микрофильтр площадью, равной 10 см², с размером пор, равным 0,1-1,5 мкм. В качестве суспензии используют бентонит, диспергированный в водном растворе полиДАДМАХ, в соотношении по сухому веществу 0,5-1,5⋅10^-6 и образование селективного слоя осуществляют в режиме рециркуляции при давлении 0,2-0,3 МПа до осветления суспензии с последующим уплотнением селективного слоя путем повышения давления до 0,3-0,4 МПа в течение 10-15 минут. Затем через осажденную мембрану пропускают раствор соли железа, например, сульфата железа, с концентрациями 2, 10 мг/л (по железу) и растворы соли марганца и свинца. В фильтрате определяют содержание железа, марганца и свинца фотоколориметрическим методом. В частности, при использовании пористой подложки с размером пор 1,5 мкм получены следующие результаты: при очистке от Fe²⁺ с начальной концентрацией 10 мг/л и рН, равной 6,5, эффективность очистки составила 74,4%, при очистке от Μn²⁺ с начальной концентрацией 2 мг/л и рН, равной 6,8, эффективность очистки составила 40%. При использовании пористой подложки с размером пор 0,1 мкм получены следующие результаты: при очистке от Mn²⁺ с начальной концентрацией 10 мг/л и рН, равной 6,5, эффективность очистки составила 65,2%, от Pb²⁺ с начальной концентрацией 0,5 мг/л и рН, равной 6,5, эффективность очистки составила 71%, при очистке от Fe²⁺ с начальной концентрацией 2 мг/л и рН, равной 6,7, эффективность очистки составила 80,1%, при очистке от Fe²⁺ с начальной концентрацией 10 мг/л и рН, равной 6,5, эффективность очистки составила 78%. Данный пример показывает, что применение осажденной мембраны, полученной по предлагаемому способу, приводит к эффективной очистке, как коллоидных систем, так и растворов.

Таким образом, использование предлагаемого способа приводит к повышению эффективности очистки при расширении области применения вследствие образования устойчивого селективного слоя осажденной мембраны, обладающего сорбционной способностью в отношении коллоидных систем и растворов, содержащих ионы, в частности, тяжелых металлов.