СПОСОБ УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ТЕХНОЛОГИИ МЕМБРАННОЙ УЛЬТРАФИЛЬТРАЦИИ ИЛИ МИКРОФИЛЬТРАЦИИ В ОБРАБОТКЕ ПРОМЫВОЧНОЙ ВОДЫ Российский патент 2011 года по МПК B01D61/00 

Настоящее изобретение относится к способу обработку промывочных вод с использованием мембранной системы, включающей мембрану микрофильтрации или ультрафильтрации.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Промывочная вода - это поток сточной воды, полученный после фильтрации сырой воды через среду, такую как фильтрующая среда, мембрану ультрафильтрации (УФ) или мембрану микрофильтрации (МФ), и промывки для удаления накопившихся сухих веществ с наполнителя фильтра или с поверхности мембран УФ или МФ. Эта промывочная вода, представляющая собой относительно концентрированный поток по сравнению с сырой водой, содержит высокие уровни загрязнений, таких как взвешенные вещества, коллоидный материал, бактерии, вирусы и прочие водорастворимые органические вещества. Извлечение чистой воды после пропускания через фильтрующую среду или после первой стадии УФ или МФ системы составляет примерно 85-90%, что означает, что 10-15% подаваемой воды превращают в концентрированную или промывочную воду. Эту воду в дальнейшем обрабатывают на второй стадии УФ или МФ системы для повышения извлечения чистой до 96-98%. Водный фильтрат, полученный на этой второй стадии УФ/МФ, представляет собой такую же чистую воду, как после первой стадии УФ/МФ системы, и может быть использован в технологических системах или как питьевая вода. Однако из-за более высокого уровня загрязнений в промывочной воде после первой стадии УФ/МФ мембраны второй стадии УФ/МФ системы быстро загрязняются и должны использоваться при более низких расходах по сравнению с мембранами первой стадии УФ/МФ системы. Это приводит как к повышению капитальных затрат (большее количество мембран) и повышению эксплуатационных затрат (частая очистка мембран). Поэтому имеется заинтересованность в минимизации загрязнения мембран на второй стадии УФ/МФ системы, чтобы при этом мембраны работали более длительный период времени между чистками, работали на скорости потока в соответствии с выбранными мембранами, работали с более высокими расходами по сравнению с достигаемыми, или осуществлялось сочетание указанных преимуществ. Дополнительно имеется заинтересованность в снижении количества и/или размера мембран, чтобы снизить капитальные затраты на новую систему, содержащую мембраны второй стадии УФ/МФ для регенерации промывочной воды.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение предлагает способ обработки промывочной воды с использованием технологии мембранного разделения, включающий следующие стадии: сбор промывочной воды в приемнике, пригодном для удержания указанной промывочной воды, обработку указанной промывочной воды одним или более чем одним водорастворимым полимером, где указанные водорастворимые полимеры выбирают из группы, содержащей амфотерные полимеры, катионные полимеры, где указанная плотность заряда составляет приблизительно от 5 до приблизительно 100 мол.%, цвитттер-ионные полимеры и их сочетания, возможно смешивание указанных водорастворимых полимеров с указанной промывочной водой, пропускание указанной обработанной промывочной воды через мембрану, где указанная мембрана является мембраной ультрафильтрации или микрофильтрации, и возможно обратная промывка указанной мембраны для удаления сухого остатка с поверхности мембраны.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг.1 иллюстрирует общую технологическую схему обработки промывочной воды, которая включает мембрану микрофильтрации/ультрафильтрации, где мембрана погружена в резервуар, а также дополнительную мембрану для дополнительной обработки пермеата с указанной мембраны микрофильтрации/ультрафильтрации.

Фиг.2 иллюстрирует общую технологическую схему обработки промывочной воды, которая включает резервуар для смешивания, осветлитель/предварительный фильтр и мембрану микрофильтрации/ультрафильтрации, где мембрана погружена в резервуар, а также дополнительную мембрану для дополнительной обработки пермеата с указанной мембраны микрофильтрации/ультрафильтрации.

Фиг.3 иллюстрирует общую технологическую схему обработки промывочной воды, которая включает резервуар для смешивания, осветлитель/ предварительный фильтр и мембрану микрофильтрации/ультрафильтрации, где мембрана находится снаружи сырьевого резервуара, содержащего промывочную воду, а также дополнительную мембрану для дополнительной обработки пермеата с указанной мембраны микрофильтрации/ультрафильтрации.

На Фиг.4 показана эффективность обработки промывочной воды продуктом Core Shell, ДМАЭА.МХЧ/АкАм, фильтрации ее через УФ мембрану при отслеживании потока пермеата как функции показателя объемной концентрации. На Фиг.4 сравнивают контрольный образец с профильтрованной и предварительно осажденной водой.

На фиг.5 показано сравнение контрольного образца с образцом промывочной воды, обработанной двумя различными дозировками продукта В, ДМАЭА.МХЧ/БХЧ/АкАм.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Определение терминологии:

«УФ» означает ультрафильтрацию. «МФ» означает микрофильтрацию.

«Амфотерный полимер» означает полимер, полученный из катионных мономеров и анионных мономеров и, возможно, другого(-их) неионного(-ых) мономера(-ов). Амфотерные полимеры могут иметь положительный или отрицательный заряд. Амфотерный полимер может быть также получен из цвиттер-ионных мономеров и катионных или анионных мономеров и, возможно, неионных мономеров. Амфотерный полимер является водорастворимым.

«Катионный полимер» означает полимер, имеющий общий положительный заряд. Катионные полимеры по изобретению готовят полимеризацией одного или более катионных мономеров; сополимеризацией одного или более неионных мономеров и одного или более катионных мономеров; конденсацией эпихлоргидрина и диамина или полиамина, или конденсацией этилендихлорида и аммиака, или формальдегида и соли амина. Катионный полимер является водорастворимым.

«Цвиттер-ионный полимер» означает полимер, состоящий из цвиттер-ионных мономеров и, возможно, другого неионного мономера(-ов). В цвиттер-ионных полимерах все полимерные цепочки и сегменты внутри этих цепочек являются электрически строго нейтральными. Поэтому цвиттер-ионные полимеры представляют собой подгруппу амфотерных полимеров и обязательно имеют нейтральный заряд по всем полимерным цепям и сегментам, поскольку и заряд аниона и заряд катиона находятся на одном цвиттер-ионном мономере. Цвиттер-ионный полимер является водорастворимым.

Предпочтительные воплощения изобретения

Как указывалось выше, изобретение предлагает способ обработки промывочной воды с использованием мембраны микрофильтрации или ультрафильтрации.

После того как промывочную воду собрали и обработали одним или более чем одним водорастворимым полимером, промывочную воду пропускают через мембрану. По одному из воплощений изобретения мембрана может быть погружена в резервуар. По другому воплощению изобретения мембрана находится снаружи сырьевого резервуара, содержащего указанную промывочную воду.

По другому воплощению изобретения промывочную воду, которая проходит через мембрану микрофильтрации или ультрафильтрации, можно дополнительно обработать с помощью одной или более мембран. Еще по одному воплощению изобретения дополнительная мембрана является либо обратноосмотической мембраной или мембраной нанофильтрации.

Разнообразные схемы обработки промывочной воды очевидны любому специалисту. По одному воплощению изобретения собранные сточные воды свалок перед пропусканием их через мембрану ультрафильтрации или микрофильтрации можно пропустить через один или более фильтров или осветлителей. По другому воплощению изобретения фильтр выбирают из группы, состоящей из песчаного фильтра, фильтра со множественной загрузкой, тканого фильтра, кассетного фильтра и мешочного фильтра.

Мембраны, используемые в способе обработки промывочной воды, могут иметь разные типы физических и химических параметров.

Что касается физических параметров, по одному из воплощений изобретения мембрана ультрафильтрации имеет размер пор в интервале от 0,003 до 0,1 мкм. По другому воплощению изобретения мембрана микрофильтрации имеет размер пор в интервале от 0,1 до 0,4 мкм. По другому воплощению изобретения мембрана имеет половолоконную конфигурацию с режимом движения фильтруемого материала от периферии к центру или от центра к периферии. По другому воплощению изобретения мембрана имеет плоскую конфигурацию. По другому воплощению изобретения мембрана имеет трубчатую конфигурацию. По еще одному воплощению изобретения мембрана имеет структуру с множеством отверстий.

Что касается химических параметров, по одному из воплощений изобретения мембрана является полимерной. По другому воплощению изобретения мембрана является неорганической. Еще по одному воплощению изобретения мембрана выполнена из нержавеющей стали.

Существуют другие физические и химические параметры мембраны, которые можно использовать в заявленном изобретении.

Для обработки промывочной воды можно использовать различные типы и количества химических составов. По одному из воплощений изобретения промывочную воду, собранную после пропускания через фильтрующую среду или после первой стадии УФ/МФ процесса, обрабатывают одним или более чем одним водорастворимым полимером. Возможно смешивают промывочную воду с добавленным полимером с помощью смешивающих устройств. Существует множество различных типов смешивающих устройств, известных специалистам.

По другому воплощению изобретения эти водорастворимые полимеры обычно имеют молекулярную массу приблизительно от 2000 до приблизительно 10000000 дальтон.

По другому воплощению изобретения эти водорастворимые полимеры выбирают из группы, состоящей из амфотерных полимеров, катионных полимеров и цвиттер-ионных полимеров.

По другому воплощению изобретения амфотерные полимеры выбирают из группы, состоящей из сополимера четвертичной соли диметиламиноэтил-акрилат-метилхлорид (ДМАЭА.МХЧ)/акриловой кислоты, сополимера хлорида диаллилдиметиламмония/акриловой кислоты, сополимера соли диметиламиноэтил-акрилатметилхлорида/N,N-диметил-N-метакриламидопропил-N-(3-сульфопропил)-аммоний-бетаина, сополимера акриловой кислоты/N,N-диметил-N-метакриламинопропил-N-(3-сульфопропил)-аммоний-бетаина и терполимера ДМАЭА.МХЧ/акриловой кислоты/N,N-диметил-N-метакриламидопропил-N-(3-сульфопропил)-аммоний-бетаина.

По другому воплощению изобретения водорастворимые полимеры имеют молекулярную массу приблизительно от 2000 до приблизительно 10000000 дальтон. Еще по одному воплощению изобретения водорастворимые полимеры имеют молекулярную массу приблизительно от 100000 до приблизительно 2000000 дальтон.

По другому воплощению изобретения дозировка амфотерных полимеров составляет приблизительно от 1 части на млн (ppm) до приблизительно 2000 частей на млн активных сухих веществ.

По другому воплощению изобретения амфотерные полимеры имеют молекулярную массу от приблизительно 5000 до приблизительно 2000000 дальтон.

По другому воплощению изобретения амфотерные полимеры имеют отношение эквивалента катионного заряда к эквиваленту анионного заряда приблизительно от 3,0:7,0 до приблизительно 9,8:0,2.

По другому воплощению изобретения катионные полимеры выбирают из группы, состоящей из полидиаллилдиметиламмонийхлорида (полиДАДМАХ), полиэтиленимина, полиэпиамина, полиэпиамина, сшитого аммиком или этилендиамином, конденсационного полимера этилендихлорида и аммиака, конденсационного полимера триэтаноламина и жирной кислоты таллового масла, поли(соли диметиламиноэтилметакрилата серной кислоты) и поли(четвертичной соли диметиламиноэтилакрилата-метилхлорида).

По другому воплощению изобретения катионные полимеры являются сополимерами акриламида (АкАм) и одного или более катионных мономеров, выбранных из группы, состоящей из диаллилметиламмония хлорида, четвертичной соли диметиламиноэтилакрилата-метилхлорида; четвертичной соли диметиламиноэтилметакрилата-метилхлорида и четвертичной соли диметиламиноэтилакрилата-бензилхлорида (ДМАЭА.БХЧ).

По другому воплощению изобретения катионные полимеры имеют катионный заряд от 20% моль до 50% моль.

По другому воплощению изобретения дозировка катионных полимеров составляет приблизительно от 0,1 части на млн до приблизительно 1000 частей на млн активных сухих веществ.

По другому воплощению изобретения катионные полимеры имеют катионный заряд по меньшей мере приблизительно 5 мол.%.

По другому воплощению изобретения катионные полимеры имеют катионный заряд 100 мол.%.

По другому воплощению изобретения катионные полимеры имеют молекулярную массу от приблизительно 100000 до приблизительно 10000000 дальтон.

По другому воплощению изобретения в состав цвиттер-ионных полимеров входит приблизительно от 1 до 99 мол.% N,N-диметил-N-метакриламидопропил-N-(3-сульфопропил)-аммоний-бетаина и приблизительно от 90 до приблизительно 1 мол.%, одного или более чем одного неионного мономера.

На фиг.1-3 представлены три потенциальные схемы обработки промывочной воды.

На фиг.1 промывочную воду после пропускания через фильтрующую среду или после первой стадии УФ или МФ системы собирают в приемнике (1) промывочной воды. Промывочную воду затем направляют по трубопроводу, в котором происходит указанное по ходу добавление (3) одного или более чем одного полимера. Обработанную промывочную воду затем направляют в мембранный узел (6), который погружен в резервуар (11). Также полимер (10) можно добавлять в резервуар (11), содержащий погруженную мембрану. Погруженная мембрана может быть мембраной ультрафильтрации или мембраной микрофильтрации. Возможно последующий пермеат (8) затем направляют через дополнительную мембрану (9), которая может являться либо обратноосмотической мембраной или мембраной нанофильтрации.

Со ссылкой на фиг.2 промывочную воду собирают в приемнике (1) промывочной воды. Промывочную воду затем направляют по трубопроводу, в котором происходит указанное по ходу добавление (3) одного или более чем одного полимера. Обработанную промывочную воду затем направляют в резервуар (2) для смешивания, в котором ее смешивают смешивающим устройством (7), при этом возможно добавляют в резервуар (2) для смешивания дополнительный полимер (4). Обработанную промывочную воду пропускают через предварительный фильтр (5) или осветлитель (5). Обработанную промывочную воду затем направляют по трубопроводу в мембранный узел (6), погруженный в резервуар (11). Возможно в резервуар (11), содержащий погруженную мембрану, добавляют полимер (10). Погруженная мембрана может быть мембраной микрофильтрации или мембраной ультрафильтрации. Возможно последующий фильтрат (8) затем направляют через дополнительную мембрану (9), которая может быть либо обратноосмотической мембраной или мембраной нанофильтрации.

Со ссылкой на фиг.3 промывочную воду собирают в приемнике (1) промывочной воды. Промывочную воду затем направляют по трубопроводу, в котором происходит указанное по ходу добавление (3) одного или более чем одного полимера. Обработанную промывочную воду затем направляют в резервуар (2) для смешивания, в котором ее смешивают смешивающим устройством (7), при этом возможно добавляют в резервуар (2) для смешивания дополнительный полимер (4). Обработанную промывочную воду пропускают через предварительный фильтр (5) или осветлитель (5). Обработанную промывочную воду затем направляют по трубопроводу в мембранный узел (6), содержащий мембрану микрофильтрации или мембрану ультрафильтрации. Возможно последующий фильтрат (8) затем направляют через дополнительную мембрану (9), которая может быть либо обратноосмотической мембраной или мембраной нанофильтрации. Полученный пермеат собирают для различных целей, что известно специалистам.

По другому воплощению изобретения технологию мембранного разделения выбирают из группы, состоящей из мембранного разделения в перекрестном потоке, мембранного разделения в полутупиковом режиме, мембранного разделения в тупиковом режиме.

Следующие примеры не ставят своей целью ограничение сущности и объема патентных притязаний.

ПРИМЕРЫ

Производительность мембраны изучали, проводя измерения мутности и изучая мембранную фильтрацию на образцах промывочной воды, обработанной полимером. Мутность измеряли на нефелометре Hach (Hach, Эймс, Айова), чувствительного до 0,06 НЕМ (нефелометрическая единица мутности), и проводили изучение мембранной фильтрации в перемешиваемой кювете для фильтрации в тупиковом режиме (Millipore, Бэдфорд, Массачусетс) с площадью мембраны 42 см² при скорости перемешивания 50 об/мин, трансмембранном давлении (ТМД) 68,9 кПа манометрических (10 фунтов/дюйм² манометрических) и с УФ мембраной на 100000 дальтон.

Пример 1

В отдельные банки с образцом промывочной воды (полученной с установки микрофильтрации сырой воды юга США) медленно добавляли при перемешивании в магнитной мешалке в течение примерно 3 минут увеличивающееся количество органических (катионных и анионных) полимеров, неорганических продуктов и сочетаний неорганических и органических продуктов. Мутность надосадочной жидкости измеряли после того как обработанные твердые вещества оседали в течение 10 минут на дно банки (см. табл.1).

Таблица 1 Мутность обработанного и необработанного образца промывочной жидкости Продукт Дозировка активного в-ва (ppm) Надосадочная жидкость, мутность^∗ (НЕМ) Отсутствие   525 Продукт-А (пр-ва Core Shell, ДМАЭА.МХЧ/АкАм, 50% мол. катионный заряд) 5,25 195 Продукт-В (ДМАЭА.МХЧ/БХЧ /АкАм, 35% мол. катионный заряд) 2,5 321 Продукт-С (Хлоргидрат алюминия+полиДАДМАХ) 1,1 3,1 544 Хлорид железа 4,5 496 Хлоргидрат алюминия 6.25 543 ^∗после осаждения в течение 10 минут

Из табл. 1 понятно, что мутность значительно снижается с катионными органическими полимерами, но не с катионными неорганическими продуктами, или смесью неорганического продукта и органического полимера.

Пример 2

Используя методику, описанную в примере 1, промывочную воду, обработанную продуктом А (пр-ва Core Shell, ДМАЭА.МХЧ/АкАм), непосредственно фильтровали через УФ мембрану, и поток пермеата отслеживали как функцию показателя объемной концентрации («ПОК») (т.е. отношение подаваемого объема к удерживаемому объему). Результаты показаны на фиг.4. Фиг.4 также иллюстрирует результаты фильтрации обработанной, а затем предварительно осажденной промывочной воды.

Из фиг.4 становится очевидным, что при данном показателе объемной концентрации поток пермеата был примерно на 100% больше, чем контрольный, а после предварительного осаждения обработанных твердых веществ поток пермеата был на 200% больше контрольного.

Пример 3

Используя методику, описанную выше в примере 1, промывочную воду обработали двумя различными дозировками Продукта В (ДМАЭА.МХЧ/БХЧ/АкАм) перед фильтрацией через УФ мембрану. Результаты показаны на фиг.5.

Из фиг.5 становится очевидным, что увеличенная доза Продукта В привела к увеличению потока пермеата, который был на 100% больше, чем контрольный с 625 частями на млн (ppm) продукта В, например, при ПОК равном 1,3.

Описан способ обработки промывочной воды посредством использования технологии мембранного разделения. В частности, в способе обработки промывочной воды имеются следующие стадии: сбор промывочной воды в приемнике, пригодном для удержания такой промывочной воды, обработка указанной промывочной воды одним или более чем одним водорастворимым полимером, при этом указанные водорастворимые полимеры выбирают из группы, включающей амфотерные полимеры, катионные полимеры, где указанная плотность загрузки составляет от приблизительно 5% мол. до приблизительно 100 мол.%, цвиттер-ионные полимеры и их сочетание; возможно смешивание указанных водорастворимых полимеров с указанной промывной водой; пропускание указанной промывной воды через мембрану. Указанная мембрана является мембраной ультрафильтрации или микрофильтрации. Возможна обратная промывка мембраны для удаления сухого вещества с поверхности мембраны. 19 з.п. ф-лы, 5 ил., 1 табл.

1. Способ обработки промывочной воды использованием технологии мембранного разделения, включающий следующие стадии: а) сбор промывочной воды в приемнике, пригодном для удержания указанной промывочной воды; b) обработка указанной промывочной воды одним или более чем одним водорастворимым полимером, где указанные водорастворимые полимеры выбирают из группы, содержащей: амфотерные полимеры, катионные полимеры, где указанная плотность заряда составляет приблизительно от 5 мол.% до приблизительно 100 мол.%, цвитттер-ионные полимеры, и их сочетания; с) возможно смешивание указанных водорастворимых полимеров с указанной промывочной водой; d) пропускание указанной обрабатываемой промывочной воды через мембрану, где указанная мембрана является мембраной ультрафильтрации или микрофильтрации, и е) возможно обратная промывка указанной мембраны для удаления сухого остатка с поверхности мембраны.

2. Способ по п.1, в котором движущей силой пропускания указанной промывочной воды через указанную мембрану является положительное или отрицательное давление.

3. Способ по п.1, в котором указанная мембрана ультрафильтрации имеет размер пор в интервале от 0,003 до 0,1 мкм.

4. Способ по п.1, в котором указанная мембрана микрофильтрации имеет размер пор в интервале от 0,1 до 0,4 мкм.

5. Способ по п.1, в котором указанная мембрана погружена в резервуар.

6. Способ по п.1, в котором указанная мембрана находится снаружи сырьевого резервуара, содержащего указанную промывочную воду.

7. Способ по п.1, в котором водорастворимые полимеры имеют молекулярную массу от приблизительно 2000 до приблизительно 10000000 Да.

8. Способ по п.1, в котором амфотерные полимеры выбирают из группы, состоящей из сополимера четвертичной соли диметиламиноэтил-акрилат-метилхлорид/акриловой кислоты, сополимера хлорида диаллилдиметиламмония/акриловой кислоты, сополимера соли диметиламиноэтил-акрилатметилхлорида/N,N-диметил-N-метакриламидопропил-N-(3-сульфопропил)-аммоний-бетаина, сополимера акриловой кислоты/N,N-диметил-N-метакриламинопропил-N(3-сульфопропил)-аммоний-бетаина и терполимера ДМАЭА.МХЧ / акриловой кислоты/N,N-диметил-N-метакриламидопропил-N-(3-сульфопропил)-аммоний-бетаина.

9. Способ по п.1, в котором дозировка аморфных полимеров составляет приблизительно от 1 ч./млн до приблизительно 2000 ч./млн активных сухих веществ.

10. Способ по п.1, в котором амфотерные полимеры имеют молекулярную массу от приблизительно 5000 до приблизительно 2000000 Да.

11. Способ по п.1, в котором амфотерные полимеры имеют отношение эквивалента катионного заряда к эквиваленту анионного заряда приблизительно от 3,0:7,0 до приблизительно 9,8:0,2.

12. Способ по п.1, в котором катионные полимеры выбирают из группы, состоящей из полидиаллилдиметиламмонийхлорида, полиэтиленимина, полиэпиамина, полиэпиамина, сшитого аммиком или этилендиамином, конденсационного полимера этилендихлорида и аммиака, конденсационного полимера триэтаноламина и жирной кислоты таллового масла, поли(соли диметиламиноэтилметакрилата-серной кислоты), и поли(четвертичной соли диметиламиноэтилакрилата-метилхлорида).

13. Способ по п.1, в котором катионные полимеры являются сополимерами акриламида и одного или более катионных мономеров, выбранных из группы, состоящей из диаллилметиламмония хлорида, четвертичной соли диметиламиноэтилакрилат-метилхлорида; четвертичной соли диметиламиноэтилметакрилат-метилхлорида, и четвертичной соли диметиламиноэтилакрилат-бензилхлорида.

14. Способ по п.1, в котором дозировка катионных полимеров составляет приблизительно от 0,1 ч./млн до приблизительно 1000 ч./млн активных сухих веществ.

15. Способ по п.1, в котором катионные полимеры имеют катионный заряд по меньшей мере приблизительно 5 мол.%.

16. Способ по п.1, в котором катионные полимеры имеют катионный заряд 100 мол.%.

17. Способ по п.1, в котором катионные полимеры имеют молекулярную массу от приблизительно 500000 до приблизительно 10000000 Да.

18. Способ по п.1, в котором в состав цвиттер-ионных полимеров входит приблизительно от 1 до 99 мол.% N,N-диметил-N-метакриламидопропил-N-(3-сульфопропил)-аммоний-бетаина и приблизительно от 90 до приблизительно 1 мол.% одного или более чем одного неионного мономера.

19. Способ по п.1, дополнительно включающий пропускание указанной промывочной воды после обработки полимером через фильтр или осветлитель перед пропусканием указанной промывочной воды через указанную мембрану.

20. Способ по п.1, дополнительно включающий пропускание пермеата с указанной мембраны через дополнительную мембрану.