Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Во многих отраслях промышленности применяется вода повышенного качества, что обеспечивается с помощью систем тонкой очистки воды. Малотоннажные установки тонкой очистки воды, в том числе с мембранными модулями, используют, как правило, в качестве исходной водопроводную воду. Взвешенные вещества, содержащиеся в водопроводной воде, негативно влияют на производительность и срок службы фильтров тонкой очистки, мембран и других сепарационных элементов, работающих по типовым схемам. В настоящее время имеется ограниченное число исследований, посвященных понижению уровня загрязненности исходной воды в малотоннажных системах тонкой очистки воды путем применения стадии предочистки. Отсутствие научно обоснованных способов дешевой и эффективной защиты установок и модулей сдерживает их применение специальными пользователями ввиду преждевременного выхода из строя сепарационных элементов.
Актуальность темы диссертации заключается в разработке и внедрении новых эффективных предфильтров дополнительной очистки воды на входе в установки локальной очистки воды, расширении области применения мембранной технологии в пищевой промышленности, медицине и быту.
Связь работы с крупными научными программами, темами:
-
Разработка и внедрение высокоэффективных селективных процессов и установок водоочистки на основе мембранных технологии. По заданию Министерства образования Республики Беларусь, выполнялась в 1998 году.
-
Разработка научных основ применения малогабаритных (1-5 м3/ч) мембранных установок в качестве энергосберегающего фактора при водо-подготовке в промышленности и коммунальном хозяйстве. Государственная программа фундаментальных исследований на 1996-2000 гг.
-
Организовать и освоить производство установок мембранной очистки воды. Региональная научно-техническая программа "Инновационное развитие Витебской области", выполняется в 2000 г.
Целью диссертационной работы является установление закономерности фііпьтрования водопроводной воды со сверхнормативным содержанием взвешенных веществ через мембраны и микрофильтры и разработка научных основ применения фильтроматериалов с регулярной многослойной структурой в установках тонкой очистки жидкостей для увеличения срока службы основных сепарирующих модулей систем.
Задачи исследования:
1. Определение закономерностей фильтрования водопроводной воды через мембраны и фильтры тонкой очистки при прямом подключении к водопроводной сети и разработка дополнительных средств защиты систем тонкой
очистки воды. 2. Разработка математической модели процесса фильтрования в мембранном модуле и на фильтрах с целью оптимизации технологии пре-дочистки и регенерации фильтров, а также научно обоснованного метода выбора предфильтра и ею интеграции в аппаратурно-тсхнологическое оформление процесса очистки воды, содержащей взвешенные вещества. 3. Разработка гидравлической модели трикотажного фильтра с многослойной регулярной структурой, исследование и моделирование процесса фильтрования воды через волоконные фильтровальные материалы с текстурированными нитями. 4. Изучение способов оптимального сочетания предфильтр - мембранный модуль и предфильтр - фильтр тонкой очистки, а также разработка конструкции трикотажного фильтра и способов его интеграции в системы тонкой очистки воды.
Объект и предмет исследования:
Объектом исследования выступает водопроводная вода Республики Беларусь, где в качестве типового образца использована водопроводная вода г. Новополоцка. Предметом исследования является технология локальной предочистки водопроводной воды с целью увеличения срока службы мембранных и других систем тонкой очистки воды.
Методология и методы проведенного исследования: 1. Физико-химические и микроскопические методы анализа загрязнений водопроводной воды и структуры фильтровальных материалов. 2. Экспериментальное изучение кинетики и математическое моделирование работы мембран и предфильтра в процессах очистки водопроводной воды. 3. Математическое моделирование влияния масштаба пористой среды на извилистость, разработка математической модели отложения загрязнений в мембранном модуле и на нредфильтрах, а также гидравлической модели трикотажного фильтра и процесса фильтрования. 4. Компьютерное моделирование процессов для обработки экспериментальных данных.
Научная новизна и значимость полученных результатов: 1. Предложена математическая модель работы ультрафильтрационного (УФ) мембранного модуля в тупиковом и проточном режимах при нелинейности начального периода ультрафильтрации, основанная на масштабном изменении коэффициента извилистости. 2. Разработана гидравлическая модель трикотажных фильтров и изучена закономерность фильтрования на них водопроводной воды. Обоснована целесообразность применения трикотажного материала в качестве предфильтра в установках тонкой очистки водопроводной воды. 3. Сформулированы основные требования к предфильтрам и разработан алгоритм выбора предфильтра. 4. На основании разработанной модели, установленных критериев и методики выбора предфильтров исследованы свойства ряда фильтроматериалов на модельной суспензии и водопроводной воде и определена оптимальная структура материала предфильт-
pa. 5. Получена модель кинетики забивки и эффективности регенерации трикотажного фильтра. 6. Разработаны компьютерные программы моделирования фильтрации для обработки экспериментальных данных, а также для расчета предфильтра и показателя фильтруемости водопроводной воды до и после предфильтра.
Практическая (экономическая, социальная) значимость полученных результатов состоит в разработке и внедрении новых эффективных фильтров для дополнительной очистки воды на входе в мембрашгую установку. Разработанные конструкции предфильтра, позволяют эффективно совмещать его с фильтром тонкой очистки или мембранным модулем и осуществлять многократную регенерацию обратным током воды. Разработанный предфильтр обеспечивает: увеличение рабочего ресурса фильтров тонкой очистки в 1,5-4,5 раза, повышение производительности микрофильтрационного модуля в 1,5-2,5 раза в схеме предфильтр - микрофильтрационная мембрана, а в схеме предфильтр - ультрафильтрационная или обратноосмотиче-ская мембрана - на 15-20 %.
Разработаны экспресс-метод оценки качества входной воды, его программное обеспечение и модель прогнозирования параметров трикотажных фильтров, необходимых для процесса фильтрования, а также при их производстве.
Полученные в диссертации результаты внедрены на Полоцком винодельческом заводе, где была произведена модернизация обратноосмотиче-ской водоочистной установки, заключающаяся в ее оснащении системой предфнльтрации на основе трикотажного фильтровального материала ПТТФ. В результате внедрения получен положительный экономический эффект.
Социальная значимость исследования состоит в удешевлении и более широком внедрении локальных систем тонкой очистки воды, особенно для нужд пищевой промышленности, медицины и быта, что повышает как качество воды, так и продукции, в производстве которой используется высокочистая вода.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
1. Теоретическая и прикладная модели нестационарной кинетики ультрафильтрации, основанные на масштабном изменении коэффициента извилистости. 2. Гидравлическая модель фильтровального материала с текстуриро-ванными нитями, частным случаем которой является модель волокнистого материала. 3. Модель кинетики забивки трикотажного фильтроматериала в режиме фильтрования и разработанные рациональные условия регенерации предфильтров. 4. Алгоритм выбора эффективных предфильтров для защиты локальных систем тонкой очистки воды, работающих по схеме прямого подключения к водопроводной сети, от избыточных взвешенных веществ. 5. Конструктивное оформление и технология применения предфильтров в
системах локальной очистки водопроводной воды. 6. Методика и компьютерная программа оценки качества водопроводной воды по индексу заиливания.
Личный вклад соискателя состоит в проведении информационного поиска, экспериментальных лабораторных исследований процессов фильтрования водопроводной воды; обработке экспериментальных данных; математическом моделировании процессов очистки воды; разработке технологической схемы и аппаратурного оформления процессов, включающих стадию предочистки воды.
Апробация результатов диссертации. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях (НТК) ПГУ (г. Новополоцк, 1997-1999), IV Республиканской научной конференции студентов и аспирантов Республики Беларусь (НИРС-98) (г. Гродно, 1998), Международной НТК "Новые ресурсосберегающие технологии и улучшение экологической обстановки в легкой промышленности и машиностроении" (г. Витебск, 1998), Международной 53-й НТК профессоров, преподавателей, научных работников и аспирантов Белорусской государственной политехнической академии (г. Минск, 1999), I Международном научно-практическом конгрессе "Демографические проблемы Беларуси" (г. Минск, 1999), НТК "Проблемы научно-инновационного развития и пути их решения" (г. Витебск, 1999).
Опубликованность результатов. По результатам работы имеются 4 публикации в ведущих научно-технических журналах, опубликовано также 2 доклада, 3 тезиса докладов, 2 статьи приняты для опубликования. Общее количество страниц опубликованных материалов - 33 с.
Структура и объем диссертации. Диссертация содержит общую характеристику работы, введение, 4 главы, заключение, список литературы и приложения. Работа изложена на 162 страницах, включая 9 приложений, 22 таблицы,'75 иллюстраций. Библиография включает 219 литературных источников.