Тумлерт В.А., к.т.н., Гранкин Ю.Я., к.т.н., Югай И.А.

Казахский научно-исследовательский институт водного хозяйства

ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ГОМОГЕННЫХ ИОНИТОВЫХ МЕМБРАН ПРИ ОПРЕСНЕНИИ ИМИТАТА КОЛЛЕКТОРНО-ДРЕНАЖНЫХ ВОД

Значительные объемы коллекторно-дренажных вод (КДВ), которые отводятся от систем орошения, не могут использоваться из-за большой минерализации и содержания вредных веществ – гербицидов, пестицидов, поверхностно-активных веществ (ПАВ) и др. Современные мембранные технологии (электродиализ, обратный осмос) с использованием стандартных гетерогенных мембран МА-40, МК-40, МАК, МКК не позволяют эффективно опреснять коллекторно-дренажные воды, т.к. удаляют необходимые для растений элементы. В последние годы ведется разработка гомогенных ионитовых мембран с улучшенными ионообменными свойствами и зарядселективных мембран, позволяющих направленно извлекать ионы определенных растворенных солей. Нами изучались физико-химические свойства и селективность новых ионообменных мембран типа МК-100 и МА-41И на имитате коллекторно-дренажных вод. Исследования проводились на лабораторном стенде, созданном на базе электродиализной опреснительной установки ЭДУ1-400х2.

Имитат КДВ приготавливался из исходной воды, содержащей 2,6 г/л солей, с доведением их концентрации на опреснительной установке со стандартными мембранами МА-40 и МК-40 до 7,2…7,4 г/л, затем поступал в железобетонные емкости, откуда перекачивался в баки концентрата и дилюата, уровень в которых регулировался поплавковой запорной арматурой. Из бака концентрата имитат подавался насосом через блок гидравлической переполюсовки трактов в концентрирующие камеры электродиализного аппарата с мембранами МК-100 и МА-41И, а получаемый рассол сбрасывался через поплавковый расходомер на испарительные площадки. Из бака дилюата имитат направлялся в обессоливающие камеры пакетов ЭДА с мембранами МК-100 и МА-41И, а опресненная вода выводилась через поплавковый расходомер.

Электродиализные камеры промывались рассолом. Давление рабочих рассолов в трактах дилюата (опресненной воды), концентрата и промывки электродных камер контролировались образцовыми манометрами. В каждом тракте устанавливались токосъемники, датчики солесодержания и пробоотборники. Электропитание постоянным током пакета с мембранами МК-100 и МА-41И осуществлялось: при снятии вольт-амперной характеристики – от генератора постоянного тока с плавной регулировкой напряжения, в рабочем режиме – от пульта управления опреснительной установки со ступенчатой регулировкой напряжения.

Аппарат типа Э.400.01 был собран из 23 мембран МА-41И, которыми начинался и заканчивался пакет, и 22 мембран МК-100. Использовались межмембранные прокладки лабиринтного типа от заводского аппарата Э.400.01.

С целю выбора гидравлического режима работы аппарата были сняты расходные характеристики при ступенчатом повышении давления имитата КДВ, подаваемого в тракты дилюата и концентрата (табл.1). Полученные зависимости показаны на рисунке 1.

Таблица 1 – Расход и скорость движения воды по трактам в зависимости от давления на входе

Давление на входе, МПа	Расход по трактам, м^3/с		Скорость движения, см/с
	дилюата	концентрата	дилюата	концентрата
,05	0,290	0,295	13,6	13,8
0,10	0,445	0,470	21,0	22,5
0,15	0,575	0,615	27,5	29,0
0,20	0,710	0,700	33,0	33,0
0,25	0,750	0,850	35,0	39,0

Рис.1 Зависимость скорости движения жидкости в рабочих ячейках

от давления на входе

На основании полученных данных была выбрана необходимая для проведения исследований работы мембран деполяризационная скорость движения имитата КДВ в межмембранной прокладке υ=24,3 см/с, которая устанавливалась при давлении Р на входе в ЭДА равном 0,125 МПа.

Вольт-амперные характеристики исследуемой мембранной системы, снятые в прямом и обратном электрических режимах (табл.2), позволили установить зависимость изменения сопротивления R мембранной системы от величины проходящего через аппарат тока І (рис.2).

Таблица 2 – Вольт-амперная характеристика мембранной системы

U, В	І, А	R, Ом	1/ І, А^-1	U, В	І, А	R, Ом	1/ І, А^-1
Прямой режим				Обратный режим
15,5	19,6	0,79	0,051	15,5	19,5	0,79	0,051
21,0	25,2	0,83	0,039	21,0	25,0	0,84	0,040
26,0	30,8	0,84	0,032	26,0	30,6	0,85	0,032
32,0	37,3	0,85	0,027	32,0	37,1	0,86	0,027
40,0	44,8	0,89	0,022	40,0	44,6	0,89	0,022
51,0	50,0	1,02	0,020	51,0	49,8	1,02	0,020
63,0	54,2	1,16	0,018	63,0	54,0	1,16	0,018

Рис. 2 Зависимость изменения сопротивления мембранной системы

от величины тока

Поскольку точка перелома на графике соответствует критической плотности тока для пакета с мембранами МА-41И и МК-100, его величина I_кр=43,5А. Принимая, что I_р=0,8 I_кр, установлена величина рабочего тока I_р=34,7А.

Гидравлические и электрические параметры работы лабораторной установки регистрировались через каждые 4 часа перед переполюсовкой. Проводились физико-химические анализы исходного имитата КДВ, опресненной воды и рассола (табл.3).

В процессе исследований (время наработки 250 часов) гидравлические, электрические и физико-химические параметры изменялись всего лишь в пределах 2…4% и составляли в среднем: напряжение на электродах – 30В; потребляемый аппаратом ток – 34,5А; давление рассола и дилюата на входе в аппарат – 0,125 МПа; расход воды через дилюатный и рассольный тракты – по 0,52 м³/ч; скорость движения жидкости в рабочих камерах – 24,3 см/с.

Минерализация исходного имитата КДВ колебалась от 7,78 до 7,80 г/л, дилюата на выходе из аппарата – от 4,73 до 4,79 г/л, рассола – от 10,81 до 10,86 г/л.

Таблица 3 – Физико-химический состав исходного имитата КДВ, опресненной воды и рассола

Исследуемая жидкость	рН	Жесткость, мг-экв/л	НСО3	Сl	SO4	Ca	Mg	Na^+ K	Сумма минер. веществ, мг/л
Имитат КДВ	7,1	74,8	8,69 530	27,32 970	80,2 3850	34,0 680	40,8 490	43,4 1259	7778
Опресненная вода	7,1	33,6	7,38 450	19,39 688	425 2040	17,34 347	16,32 196	34,72 1007	4728
Рассол	7,1	116	10 610	35,25 1251	117,9 5659	50,7 1014	65,28 783	52 1058	10825

Примечание. Содержание ионов дано в мг-экв/л (числитель) и мг/л (знаменатель).

Диаграмма изменения химического состава имитата КДВ в проточном режиме опреснения (рис.3) показывает, что на мембранах МК-100 и МА-41И лучше снимаются ионы Ca, Mg, SO₄ и Cl, в то время как HCO₃, Na и K извлекаются менее чем на 30%.

Рис. 3 Изменение химического состава имитата КДВ в проточном режиме опреснения

Таким образом, исследованиями в лабораторных условиях установлена селективность новых гомогенных мембран МК-100 и МА-41И. Общий солесъем на этих мембранах на 32% выше по сравнению со стандартными мембранами МК-40 и МА-40, что позволяет использовать их при создании аппаратов-концентраторов для концентрирования рассолов.