Помогите разработать мембранный модуль

[Илья+++++]

Нужна помощь в разработке на дипломный проект трехстадийного мембранного модуля для очистки воды с низкой и средней удельной активностью. Стадии: микро-, ультра-, и обратный осмос, расход небольшой -- не более 0,5 куб.м/ч на входе, рабочее давление 4,5 атм. Можно ли оформить его без промежуточных емкостей, чтобы вода перетекала из фильтров предыдущей стадии прямо на фильтры следующей стадии? Каких габаритов примерно получится модуль? Нужны ли в нем какие-то промежуточные насосы или можно обойтись теми, что подают воду на вход? Можно ли отправлять концентрат в емкость с исходной водой до получения в ней предельной концентрации загрязнений? Какие мембраны стоит взять: вода в основном слабосоленая -- органики может чуть более 0,01 г/л, ничего высокомолекулярного? Насколько мне дубу понятно, среди всего прочего правильно сделать расчет как для обычных стоков, а потом проверить на удельную активность?
Необходимо уменьшить концентрацию радионуклидов (их аж 15 в перечне) и при этом довести воду до кондиции на сброс в водоем, а концентрат отправить на цементирование.
Спасибо за любую помощь.
Моя специальность -- радиационная безопасность, но по водоочистке или водоподготовке отдельного курса не было. По книжкам делаю, но чувствую другим местом, что что-то делаю не правильно.

[amik]

Тему перенес из учебного раздела, ибо вопрос показался глубже обычного студенческого уровня

[Гесс]

теоретически я технолог, практически - нет, думаю после меня придут люди работавшие с этим в железе и поправят.
Пока мое мнение на основе того чему меня учили:
лучше озаботиться промежуточными емкостями, во первых дабы в случае ежели че в конце работать перестанет то чтобы все сразу не утонуло, а во вторых где будут расположены фильтры? нас заставляли впихивать их на нижний уровень а там самотек уже не катит.

[Илья+++++]

Спасибо. Прошу прощения за неточность. Конечно же никакого самотека нет, но какой примерно напор от насосов нужен был, чтобы обеспечить все 3 стадии.
Модуль небольшой и сделан должен быть максимально компактно: все на одной раме в одном месте, так чтобы если что в широкое окно выпихнуть и краном можно подцепить можно было.

[Илья+++++]

Прошу оценить схему блока, что получилась на данный момент.
Прошу прощения если где неформат.

[thiobarbiturat99]

Имел дело с установкой обратного осмоса (УОО) в промышленности для обессоливания производственной воды. Контроль- по электропроводности, снижению на 10% расхода пермеата, изменение давления на фильтре тонкой очистки (до фильтра и сразу после него). Затем осуществляют замену мембран
По схеме- я бы концентрат после УОО направлял отдельным потоком, так как он получается наиболее очищенным, чем после установки ультра- и микро- фильтрации.
До УОО ОБЯЗАТЕЛЬНО поставить мощный насос, так как чтобы продавить воду через УОО, нужно давление порядка 10 килограмм
Как и фильтр тонкой очистки (ФТО).
Я бы на Вашем месте обязательно поставил модули УОО как параллельно, так и последовательно для более лучшей очистки...
Емкость можете поставить....Но без мощного насоса все равно не справитесь...

[Iskander]

Микрофильтрация вполне может быть прямоточной, без накопительного бака. Остальные две ступени - с циркуляционными баками. То есть, если вода маломутная, то для УФ тоже в принципе можно обойтись прямым током (производительность мембраны - до 20 л/мин с квадратного метра ), но ОО - только на циркуляции.

Давление.
Для МФ и УФ не особо критично, для УО - важно. У нас работает установка обратного осмоса на насосе 15 атм. Да, вода на обратный осмос идёт после Na-катионирования, имейте это в виду. В противном случае мембрана садится быстро и производительность сильно падает.

Расход воды.
500 л/ч для осмоса - это много. Нужны большие площади мембраны. Наша установка, если правильно помню, при площади около 0,25-0,3 метра даёт примерно 300 л воды в день (12 часов), то есть 600 - сутки. Впрочем, она работает на сравнительно невысоком давлении, а этот параметр важен.

Напор насосов.
Для УФ - не менее 3 м3/час на каждый квадратный метр мембраны. Впрочем, для почти чистой воды (если мало органики и всяких там водорослей с продуктами их жизнедеятельности) можно меньше. Если раствор коллоидный (пусть на неорганике), то при меньшем расходе мембрана забьётся.

Регенерация мембран.
Решайте сами. Если будут полимерные мембраны, то их проще сжечь и на цементацию. Если керамика, то придётся отрабатывать схемы очистки Трилоном или кислотами/щелочами.

Приведите список изотопов. Может проще окажется удалять их компактным ионным обменом с последующим вымыванием из ионообменника в цеху цементации? Да, осмос - это не абсолютная отсечка. При высоких концентрациях солей проскок до 0,5% от количества растворённой соли. То есть из рассола 10 г/л дистиллят в одну стадию не получится.

[Илья+++++]

Вот список нуклидов. Активности к сожалению секретны, кроме цезия и стронция как водится. Общая активность на соли и атомарный углерод если такой окажется принял 1/3 от исходной {(10^-6 Ки/кг)/3} т.е. 1,24*10^4 Бк/кг. Активность всего остального принимал пропорционально уровням вмешательства без учета Eu, Pu и Cm. Т.е. реально активность может оказаться несколько больше этой цифры. Соли -- 2 г/л.

[Илья+++++]

Iskander, если не секрет, где вы работаете?

[Iskander]

Пошёл поток сознания, но может что-то будет полезно.

Из общих соображений проблемными для ионного обмена могут быть иод, теллур и углерод. Впрочем, если углерод в виде карбоната, то сорбируется он хорошо.

Для этой смеси я бы думал в сторону соосаждения на носителе, например гидроксиде трёхвалентного железа с последующей коагуляцией осадка. Это вполне надёжно выведет все элементы кроме стронция, цезия, теллура, иода и углерода. Кек - на сушку и захоронение. Кстати, активность раствора для этого процесса не особо важна и её можно не уточнять.

Стронций можно соосадить с барием в виде сульфата, цезий - в виде гексацианоферрата железа (берлинской лазури). Впрочем, это классические методы переработки ЖРО. Для осаждения теллура просится медь, соосаждением с сульфидом меди, правда она окислит иодид и здорово увеличит его подвижность.
Для отделения мелких осадков, особенно лазури, очень хороша ультрафильтрация.
Иод можно перевести в иодат, поглотить ионообменной смолой, затем восстановить и десорбировать нагреванием или десорбировать вымыванием с хлоридом.

2 г/л солей - это невысокая солёность, вполне пригодная даже для однократного осмоса. Для пущей надёжности я бы поставил последовательно две осмотических мембраны, чтобы вторая дочищала пермеат первой.

В общем, вырисовывается две схемы: реагентная и осмотическая.
Плюсы реагентной - простота и возможность операций с большими объёмами растворов. Минус - больше материала на захоронение.
Осмотическая более энергоёмкая и сложная, но даёт меньшее количество осадков на захоронение.
Можно их комбинировать: сперва сконцентрировать раствор осмосом (в два-три раза, больше однократный осмос на невысоком давлении не вытянет), затем осадить радионуклиды.

Iskander, если не секрет, где вы работаете?

Минск, Академия Наук Беларуси.
С мембранами работал много, хотя сам их и не отливаю. Соседи по институту этим занимаются, но о деталях в личной переписке.

[Илья+++++]

Iskander, сори за почерк, это не теллур а Tc-99. Спасибо большое, прямо в точку попал. Собственно идея и состояла в том, чтобы пермеат отправить в два фильтр-контейнера на Sr и Cs (хоть это считать не придется).

Справедливо ли в данном случае принять селективность не зависящей от температуры воды а удельную производительность по пермеату принять как ~(1/вязкость воды) на ОО (Это я Дытнерскому)?

И еще, насколько понял ничего криминального в проточной первой ступени нет, и рассчитываются первая и вторая по аналогии?

[Iskander]

Ну, я тоже хорош.
Теллуру приписал атомный вес 99. Впрочем, честно говоря, на цифры изотопов я внимательно не смотрел. Технеций должен соосаждаться на железе.

Справедливо ли в данном случае принять селективность не зависящей от температуры воды а удельную производительность по пермеату принять как ~(1/вязкость воды) на ОО (Это я Дытнерскому)?

Вот тут ничего сказать не могу. Расчётов ОО я не делал, а с моими объектами на УФ (белки и прочая органика) это всё равно не работает.

И еще, насколько понял ничего криминального в проточной первой ступени нет, и рассчитываются первая и вторая по аналогии?

Нет.
Первая ступень может быть выполнена в тупиковой схеме, так как это по сути проточный фильтр высокой производительности.
Вторая и тертья (УФ и ОО) - всегда тангенциальные, а это означает циркуляцию рабочего раствора и отбор пермеата.

[Илья+++++]

Iskander, спасибо большое, по разработке более или менее уверенно становится, гораздо легче понимаешь суть дела, когда её осведомленный собеседник разъясняет , чем все по тем же книжкам . Остались конечно вопросы, например:
-- можно ли площадь мембраны считать аддитивной на каждый компонент смеси, т.е. имея молярные концентрации всех компонентов в отдельности (не только ионов) рассчитать площадь для каждого из них в отдельности а затем сложить площади?
Вопрос всплыл потому что в литературе везде однокомпонентные системы рассмотрены.
-- где взять габариты и присоединительные размеры элементов.

Их на самом деле ещё много, но у вас помимо этой темы еще и дела есть.

[Iskander]

-- можно ли площадь мембраны считать аддитивной на каждый компонент смеси, т.е. имея молярные концентрации всех компонентов в отдельности (не только ионов) рассчитать площадь для каждого из них в отдельности а затем сложить площади?

И да и нет.
С одной стороны известно, что полизарядные ионы для УФ и ОО мембран - это зло (для их устранения и применяется натрий-катионирование). С другой стороны, где взять поправочные коэффициенты для их учёта я не представляю. Так что я бы вёл расчёт как на аддитивные компоненты, а затем результат умножил бы на 1,5-2 (эдакий запас производительности) и потом рассчитал бы соответствующие насосы.

-- где взять габариты и присоединительные размеры элементов.

Присоединительные элементы рассчитываются исходя из потока и напора жидкости.
Думаю, полдюйма для 0,5 куб/час пермеата будет достаточно. Для циркуляционных насосов - не менее дюйма. Диаметр рассчитывается (оценивается) исходя из рабочего давления и производительности питающего насоса.

Габариты установки.
Рулонное исполнение элементов даёт трубу-фильтр примерно 2 м длиной и сантиметров 20 в диаметре при площади мембраны 3-5 м2.
Всё очень оценочно и зависит от массы параметров.

[himdim2012]

извините, что помешал вашему диалогу, но хотел бы поделиться бы парой соображений исходя из практического опыта эксплуатации.

Справедливо ли в данном случае принять селективность не зависящей от температуры воды а удельную производительность по пермеату принять как ~(1/вязкость воды)

Нет, селективность зависит от температуры сильно, особенно для рулонных элементов. Более менее нормально работают в интервале 15-30 С, если эти параметры отличаются то надо предусмотреть дополнительные меры.

где взять габариты и присоединительные размеры элементов.

как правило индивидуально установки не разрабатываются. Существуют готовые продукты для разной производительности и они компонуются в зависимости от задач. Посмотрите документацию фирм занимающихся продажей водоподготовительного оборудования.

С одной стороны известно, что полизарядные ионы для УФ и ОО мембран - это зло (для их устранения и применяется натрий-катионирование)

Конечно зло, но если для предподготовки воды для ОО использовать на реальном производстве Na катионирование, то вода будет золотой. Может вполне обойтись и без Na катионирования, воду сразу подавать на ультрафильтрацию даже высокоминерализованную, далее осмос. На практике это работает.

Да кстати не совсем понятно, а зачем воду пропускать через микрофильтрацию, затем ультрафильтрацию, а после этого обратный осмос? Можно обойтись ультра и осмосом.

Для пущей надёжности я бы поставил последовательно две осмотических мембраны, чтобы вторая дочищала пермеат первой.

на мой взгляд, сделал бы по другому. Пермеат доочистить можно ионным обменном (противоточные фильтры) это эффективней и дешевле. А для уменьшения объема концентрата использовал бы два блока осмоса. Первый очищал бы исходную воду, второй работал на концентрате первого + растворы от регенераций ионообменных фильтров (так делают), концентрат от второго в дренаж (или захоронение, с спецификой ЖРО не знаком, можно наверно здесь произвести коагуляцию), в итоге можно получить достаточно концентрированный раствор небольшого объема, пермеат от второго блока объединялся бы с первым.

Из общих соображений проблемными для ионного обмена могут быть иод, теллур и углерод. Впрочем, если углерод в виде карбоната, то сорбируется он хорошо.

Для этой смеси я бы думал в сторону соосаждения на носителе, например гидроксиде трёхвалентного железа с последующей коагуляцией осадка. Это вполне надёжно выведет все элементы кроме стронция, цезия, теллура, иода и углерода.Для этой смеси я бы думал в сторону соосаждения на носителе, например гидроксиде трёхвалентного железа с последующей коагуляцией осадка.

вот это дешевле, чем натрий-катионирование, удаляет часть радиоактивных изотопов, плюс более-менее очищает воду (предочистка перед осмосом) и микрофильрация не нужна. Т.е. схема водоочистки может выглядеть так исходная вода-коагуляция- УФ-ОО- ионный обмен- обессоленная вода.

[Илья+++++]

Спасибо, нисколько не помешали.

Более менее нормально работают в интервале 15-30 С, если эти параметры отличаются то надо предусмотреть дополнительные меры.

А если температура воды 1-15 С, как ввести поправку, только ли это будет касаться температуры, вязкости и плотности воды, или необходимы поправки на саму мембрану.

Существуют готовые продукты для разной производительности и они компонуются в зависимости от задач. Посмотрите документацию фирм занимающихся продажей водоподготовительного оборудования.

Буду очень благодарен, если вы посоветуете фирму (с открытой документацией). У нас по области никто подобные вещи не производит, и с документами туго. Опыта у самого нет, но насколько понял такая документация тоже не бесплатная? Был бы только рад, если смог избавиться от конструирования и самих элементов по древним образцам, сам понимаю, что ерундой занимаюсь.

Да кстати не совсем понятно, а зачем воду пропускать через микрофильтрацию, затем ультрафильтрацию, а после этого обратный осмос? Можно обойтись ультра и осмосом.

Были небольшие опасения за фильтры второй ступени, модуль один на весь объект. Если бы мог сейчас уже изменить название темы, так бы и сделал, но поспешил и вынес микрофильтрацию в название.

[Iskander]

А если температура воды 1-15 С, как ввести поправку, только ли это будет касаться температуры, вязкости и плотности воды, или необходимы поправки на саму мембрану.

При работе насосов температура неизбежно подрастёт. Охлаждать ЖРО, используя дополнительную воду - это значит иметь риск очистки ещё и её.
Я бы в практической реализации ориентировался на данные лабораторной установки. Расчётами всего не учтёшь в принципе.

Конечно зло, но если для предподготовки воды для ОО использовать на реальном производстве Na катионирование, то вода будет золотой. Может вполне обойтись и без Na катионирования, воду сразу подавать на ультрафильтрацию даже высокоминерализованную, далее осмос. На практике это работает.

Мы применяем катионирование. Правда, потребность в воде - до 500 литров в неделю только. Регенерация ионообменников - поваренной солью. В данной задаче это приведёт к увеличению количества отходов на захоронение. Правда, с параллельным снижением удельной активности, что может быть неплохо.

Да кстати не совсем понятно, а зачем воду пропускать через микрофильтрацию, затем ультрафильтрацию, а после этого обратный осмос? Можно обойтись ультра и осмосом.

Можно, только УФ мембраны будут забиваться. На эти грабли мы уже наступали пару раз, поэтому микрофильтрация будет не лишней.

[himdim2012]

А если температура воды 1-15 С, как ввести поправку, только ли это будет касаться температуры, вязкости и плотности воды, или необходимы поправки на саму мембрану.

дешевле и проще предусмотреть подогрев воды например в теплообменнике, если пытаться подогнать параметры мембраны под эту температуру это будет очень сложно и дорого, хотя детально этот вопрос не прорабатывал.

Буду очень благодарен, если вы посоветуете фирму (с открытой документацией).

Некоторые вещи можно посмотреть на этом сайте http://www.mediana-filter.ru.
Погуглите в инете, в принципе тема популярная,можно найти и литературу и документы и людей-специалистов в этой теме.

При работе насосов температура неизбежно подрастёт

Ага, только для этого воду в замкнутом цикле несколько часов погонять. В остальном влиянием насосов на температуру можно пренебречь.

В данной задаче это приведёт к увеличению количества отходов на захоронение. Правда, с параллельным снижением удельной активности, что может быть неплохо.

Если говорить о реальном производстве, боюсь что будет экономически не целесообразно.

Можно, только УФ мембраны будут забиваться. На эти грабли мы уже наступали пару раз, поэтому микрофильтрация будет не лишней.

Если правильно настроить режим промывок и подобрать хороший моющий раствор (зависит от типа загрязнений чем забивается фильтр) можно этого избежать. Опять же здесь встает вопрос об экономической целесообразности. На худой конец можно взять пограничный размер пор в мембранах (между микро и ультра), например 0,1- 0,2 микрон, т.о. можно сократить число единиц оборудования.

Конечно всего просчитать невозможно, нужны лаб. испытания. Но общая схема вроде вырисовывается.

[Илья+++++]

Спасибо. Схема действительно оформляется, и за ссылку спасибо.
С подогревом воды тоже не должно быть проблем. Так что в этой части очень помогли.
Самой страшной вещью теперь является расчет.

[Илья+++++]

Расчет_ультра.pdf

Если сюда кто заглянет, вот что у меня получилось на данный момент с расчетом. Что там неверно или неточно?