Кинетические закономерности и технологическая эффективность применения электромембранных процессов при очистке промышленных растворов производства печатных плат Шестаков Константин Валерьевич

Введение к работе

Актуальность темы исследования. В процессах производства печатных плат образуется большое количество промышленных растворов и стоков с содержанием цветных и ценных металлов. Известно, что две трети данных металлов безвозвратно уносится с промышленными стоками. Возможность их извлечения позволит значительно сократить себестоимость продукции и производственные издержки предприятий. К тому же, воды рек, морей и океанов интенсивно загрязняются сточными водами, особенно предприятий с неотработанной технологией очистки стоков, которые экономически не заинтересованы в переоборудовании старых очистных станций и сооружений. В то время как очистка сточных вод должна являться неотъемлемой частью функционирования промышленного предприятия, у которого в технологических процессах образуются промышленные и сточные воды.

Поэтому в настоящее время в связи с тем, что проблема снижения загрязнения окружающей среды вышла на передний план в списке глобальных проблем, в процессах разделения, очистки и концентрирования промышленных растворов все большую актуальность приобретают методы электромембранной технологии, способные извлекать порядка 90 % переходящих в стоки солей. Отсюда вытекает необходимость более глубокого изучения подобных методов и разработки технологического оформления их применения на промышленных предприятиях. Исследования мембранных методов очистки и концентрирования промышленных растворов ведутся как в нашей стране, так и за рубежом.

Работа выполнена в рамках государственных заданий: ГЗ № 1222 базовая часть в сфере научной деятельности на 2014 - 2016 гг.; ГЗ № 10.4798 2017/БЧ базовая часть в сфере научной деятельности на 2017 - 2019 гг. и при поддержке стипендии Президента Российской Федерации для обучения студентов и аспирантов за рубежом на 2016 -2017 гг.

Цель работы: исследование кинетических закономерностей и технологической эффективности процесса электромембранной очистки и концентрирования промышленных растворов при производстве печатных плат.

Задачи работы:

1. Провести экспериментальные исследования и получить данные о кинетических, структурных и вольт-амперных характеристиках мембран в процессе электромембранной очистки промышленных растворов при производстве печатных плат. Получить экспериментальные данные и найти кинетические зависимости, характеризующие изменение концентрации загрязняющих веществ в трактах диализата и концентрата при электродиализном разделении многокомпонентных растворов электролитов. Исследовать и обосновать экспериментальные данные по коэффициенту задержания и выходному потоку при разделении промышленных электролитов производства печатных плат как функции величины концентрации, трансмембранного давления, температуры и плотности тока.

2. Разработать аппроксимационные выражения и получить численные значения эмпирических коэффициентов для теоретического расчета кинетических коэффициентов электробаромембранного процесса очистки технологических растворов при производстве печатных плат.

3. Разработать методику определения оптимальных значений технологических параметров электробаромембранных процессов очистки промышленных растворов при производстве печатных плат. Разработать методики расчета технологических параметров для электромембранных аппаратов.

4. Разработать и запатентовать конструкции электробаромембранных аппаратов плоскокамерного и рулонного типов и программы для ЭВМ по расчету технологических параметров электромембранных процессов, основанные на разработанных методиках.

5. Предложить методику для расчета эколого-экономической эффективности, учитывающей особенности электромембранного разделения технологических растворов при производстве печатных плат. Разработать технологическую схему очистки растворов и оценить ее эколого-экономическую эффективность в условиях проведения процессов разделения промышленных электролитов при производстве печатных плат. Разработать методику имитационно-виртуального моделирования для получения практических навыков на электродиализных установках очистки сточных вод производства печатных плат.

Объекты исследования: сточные воды, образующихся в процессе производства печатных плат, содержащие катионы меди, никеля и железа; ацетатцеллюлозные мембраны МГА-100, МГА-95; ионообменные мембраны PCAcid 60 и СМ(Н) (RALEX), МК-40, МА-40.

Методы исследования, используемые в диссертации, базируются на теоретических основах массопереноса в мембранах, математическом моделировании процессов, экспериментальных методиках исследования структуры и кинетики мембранного процесса.

Научная новизна:

Получены , интерпретированы и обобщены экспериментальные данные по соотношению кристалличности и аморфности, вольт-амперным характеристикам ионообменных и полупроницаемых мембран.

Проанализированы экспериментальные данные, получены и обобщены кинетические зависимости, характеризующие изменения концентрации в трактах диализата и концентрата при электродиализном разделении многокомпонентных растворов при производстве печатных плат. Получены данные по коэффициенту задержания и выходному потоку при разделении промышленных электролитов производства печатных плат как функции величины концентрации, трансмембранного давления, температуры и плотности тока.

Получены аппроксимационные выражения и численные значения эмпирических коэффициентов, необходимых для аналитического расчета кинетических коэффициентов электробаромембранного процесса очистки технологических растворов при производстве печатных плат.

Посредством феноменологических уравнений разработана методика определения оптимальных значений технологических параметров электробаромембранных процессов очистки промышленных растворов при производстве печатных плат с учетом проницаемости и селективности полимерных мембран.

Практическая значимость:

Разработаны и запатентованы конструкции электробаромембранных аппаратов плоскокамерного (патент № 2625668) и рулонного типов (патент № 2634010). Значимость выполненных исследований для практики подтверждена разработанными программами по расчету технологических параметров электромембранных процессов (свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2016615393, № 2016615389 и № 2017618188).

Разработаны методики расчета геометрических и технологических параметров для электромембранных аппаратов, позволяющие определить рабочую площадь мем-

бран, оптимальный интервал плотности тока, провести секционирование аппаратов в комплексной установке и оценить энергозатраты на ведение процесса разделения. Приведен технологический расчет электромембранного процесса на примере разде-ления технологических растворов на базе электролитов при производстве печатных плат.

Предложена методика расчета эколого-экономической эффективности при элек-тромембранном разделении технологических растворов при производстве печатных плат. Разработана технологическая схема и оценена ее эколого-экономическая эффек-тивность для процессов разделения промышленных электролитов при производстве печатных плат. Практическая реализация исследований по электромембранному раз-делению растворов производства печатных плат подтверждена актом внедрения на АО «Эфир» г. Тамбов. Разработанные электробаромембранные аппараты приняты к внедрению на ООО «ТМБ-Технологии» г. Котовск. Разработана методика имитаци-онно-виртуального моделирования для получения практических навыков на электродиализных установках очистки сточных вод производства печатных плат.

Положения, выносимые на защиту:

1. Экспериментальные данные по соотношению кристалличности и аморфности, вольт-амперным характеристикам полупроницаемых и ионообменным мембран; экспериментальные данные и кинетические зависимости, характеризующие изменение концентрации в трактах диализата и концентрата при электродиализном разделении многокомпонентных растворов производства печатных плат; данные по коэффициен-ту задержания и выходному потоку при разделении промышленных электролитов при производстве печатных плат от величины концентрации, трансмембранного давления, температуры и плотности тока.

2. Полученные автором аппроксимационные выражения и численные значения эмпирических коэффициентов, необходимых для аналитического расчета кинетиче-ских коэффициентов электробаромембранного процесса очистки технологических растворов при производстве печатных плат.

3. Методика определения оптимальных значений технологических параметров электробаромембранных процессов очистки промышленных растворов производства печатных плат с учетом селективных и проницаемых свойств полимерных мембран. Методики расчета геометрических и технологических параметров электромембран-ных аппаратов.

4. Разработанные конструкции электробаромембранных аппаратов плоскока-мерного и рулонного типов, обладающих патентной чистотой, и программы по расче-ту технологических параметров электромембранных процессов.

5. Методика расчета эколого-экономической эффективности с учетом особенностей электромембранного разделения технологических растворов при производстве печатных плат. Технологическая схема очистки растворов и методика оценки эколо-го-экономической эффективности для процессов разделения промышленных элек-тролитов при производстве печатных плат. Методика имитационно-виртуального моделирования для получения практических навыков на электродиализных установках очистки сточных вод производства печатных плат.

Личный вклад автора заключается в формулировании проблемы, цели и задач исследования, выборе методик исследования для решения поставленных задач, пла-нировании и проведении экспериментальных исследований и их интерпретации.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались на международных конференциях: Международной научно-технической конференции «Реальность - сумма информационных технологий» (Курск, 2015); Международной научно-технической конференции «Страна живет, пока работают заводы» (Курск, 2015); VII и VIII международных научно-инновационных молодежных конференциях «Современные твердофазные технологии: теория, практика и инновационный менеджмент» (Тамбов, 2015, 2016); II и III международных научно-практических конференциях «Виртуальное моделирование, прототипирование и промышленный дизайн» (Тамбов, 2015, 2016); Международной научно-практической конференции «В.И. Вернадский: устойчивое развитие регионов» (Тамбов, 2016); 1-й Международной научно-практической конференции «Повышение эффективности и экологические аспекты использования ресурсов в сельскохозяйственном производстве» (Тамбов, 2016); Международной научно-практической конференции «Плановский-2016. Повышение эффективности процессов и аппаратов в химической и смежных отраслях промышленности» (Москва, 2016); Международной научной конференции «Frontiers in Wastewater Treatment and Modelling» (Палермо, 2017).

Публикации. Материалы диссертации изложены в 23 печатных публикациях, из них две статьи в изданиях, индексируемых в международных базах цитирования Scopus, шесть статей в журналах, рекомендованных ВАК РФ. Получены два патента РФ на изобретение и два свидетельства регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка используемых источников и приложения. Диссертация включает 154 страницы машинописного текста, в том числе 41 рисунок, 11 таблиц, списка используемых источников, насчитывающего 145 наименований публикаций отечественных и зарубежных авторов.