minimalizacja niebezpiecznych odpadów przemysłowych w
TRANSCRIPT
1
SPRAWOZDANIE z realizacji tematu pt.:
Minimalizacja niebezpiecznych odpadów przemysłowych w technologii chemicznej obróbki
powierzchni
wg harmonogramu rzeczowo finansowego zadania wykonanego w ramach umowy nr 41/Wn50/NE OZ Tx/D
Wykonawca:
Wydział Chemiczny Politechniki Warszawskiej
Zespół Ceramiki Specjalnej w Zakładzie Technologii Nieorganicznej i Ceramiki
Kierownik prac: dr inż. Zofia Puff
Sfinansowano ze środków Narodowego Funduszu Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej na zamówienie Ministerstwa Środowiska
Warszawa 31.10.2005 r.
2
Spis treści
str.
1. Wstęp
1.1. Postawy formalne zrealizowanego zadania
1.2. Cel i zakres prac
3
3
3
2. Stan obecny rozpoznania zagadnienia 2.1. Wprowadzenie
2.2. Analiza literatury patentowej i projektów realizowanych z funduszy KBN
2.2.1. Analiza literatury patentowej
2.2.2. Analiza projektów realizowanych z funduszy KBN
4 4
5
5
12
3. Założenia procesu technologicznego 15
4. Ocena laboratoryjna handlowych membran ceramicznych 16
5. Badanie laboratoryjne wydajności filtracyjnej wytypowanej membrany 17
6. Podsumowanie badań laboratoryjnych 29
7. Koncepcja aparaturowa 29
8. Opracowanie wytycznych dla projektu aparatury przenośnej do regeneracji kąpieli
myjących
32
9. Opracowanie koncepcji przenośnej aparatury do regeneracji kąpieli myjących
- opracował dr hab.1nż. Wojciech Piątkiewicz 42
10. Dyskusja wyników i wnioski 47
11. Literatura 51
3
1. Wstęp 1.1. Postawy formalne zrealizowanego zadania
Przedstawione opracowanie zostało wykonywane w Zespole Ceramiki Specjalnej
Zakładu Technologii Nieorganicznej i Ceramiki Wydziału Chemicznego Politechniki
Warszawskiej pod kierunkiem dr inż. Zofii Puff przy współpracy zespołu autorskiego pod
kierunkiem dr. hab. inż. Wojciecha Piątkiewicza z Wydziału Inżynierii Chemicznej i
Procesowej Politechniki Warszawskiej. Całość pracy została sfinansowana przez Narodowy
Fundusz Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej poprzez Departament polityki
Ekologicznej Ministerstwa Środowiska, na podstawie umowy nr 41/Wn50/NE OZ Tx/D z
dna 08.02.2005 r., zawartej pomiędzy zleceniodawcą a Politechniką Warszawską. Prace
zostały zrealizowane w okresie od 02.02.2005 r. do 31.10.2005 r.
1.2. Cel i zakres pracy
Celem pracy było opracowanie technologicznej koncepcji minimalizacji
niebezpiecznych odpadów przemysłowych, powstających w wyniku stosowania procesów
chemicznej obróbki powierzchni metalowych. W wyniku wykonanych badań
eksperymentalnych, analizy wyników dotychczas wykonanych w tym zakresie prac
badawczych, przedstawionych w publikacjach, udokumentowanych w opracowaniach
zrealizowanych projektów finansowanych przez KBN oraz w zastrzeżeniach patentowych, a
także w wybranych ofertach komercyjnych wyspecjalizowanych firm produkujących
elementy wykorzystywane do konstrukcji chemicznej aparatury technologicznej celem pracy
było również opracowanie projektu ruchomych (przenośnych) ceramicznych modułów
filtracyjnych, jako oferty skierowanej do małych i średnich przedsiębiorstw - małych i
średnich galwanizerni oraz malarni proszkowych. Aparatura ta pozwoliłaby na wielokrotne
wykorzystanie chemicznych kąpieli myjących poprzez oddzielenie z nich i utylizację
zanieczyszczeń produktami ropopochodnymi.
Zakres pracy obejmował prace przygotowawcze i zbieranie materiału do opracowania
koncepcji przeprowadzenia badań eksperymentalnych, testujących produkowane i dostępne
na rynku elementy filtrujące oraz inne podzespoły mogące być wykorzystane do
projektowanej aparatury, analizę literatury patentowej i projektów realizowanych z funduszy
KBN na w/w temat, prace laboratoryjne oraz opracowanie koncepcji i schematu aparatury, a
4
także prace projektowe przenośnej aparatury do regeneracji kąpieli myjących wraz ze
specyfikacją jej elementów składowych.
2. Stan obecny rozpoznania zagadnienia
2.1. Wprowadzenie
Chemiczna obróbka powierzchni metali znajduje szerokie zastosowanie w praktyce
przemysłowej. Poprzedza ona wiele ważnych operacji technologicznych, wpływając w istotny
sposób na ich jakość. Szczególne znaczenie ma chemiczna obróbka powierzchni przed
nakładaniem powłok ochronnych, np. malarskich i galwanicznych; od prawidłowego
przygotowania powierzchni zależy bowiem w znacznym stopniu jakość i właściwości
ochronne tych powłok.
Istnieje wiele różnych metod chemicznej obróbki powierzchni. W ostatnich latach coraz
większy rozwój następuje w technologiach wodnych, a to w związku z koniecznością
eliminowania technologii, zawierających rozpuszczalniki organiczne, stwarzających poważne
zagrożenia ekologiczne, jak np. tworzenie smogu, efekt cieplarniany, wzrost stężenia ozonu w
troposferze i in.
Wodne kąpiele obróbcze wymagają jednak także określonych działań, chroniących
środowisko. W trakcie bowiem ich stosowania zanieczyszczają się one olejami, tłuszczami,
inhibitorami korozji itp. W momencie osiągnięcia takiego ich poziomu, że efektywność
technologiczna procesów spada, kąpiel kwalifikuje się do wymiany. Zużyte kąpiele zaliczane
są, zgodnie z obowiązującą ustawą o odpadach, opracowaną w oparciu o prawodawstwo Unii
Europejskiej (ustawa z dnia 27 kwietnia 2001 r., Dz. U. Nr 62 poz. 628 wraz z późn. zm.), do
odpadów niebezpiecznych i wymagają takich działań, które zapobiegają ich powstawaniu lub
ograniczają ich ilość. Jednym z nich jest prowadzenie regeneracji kąpieli poprzez
zastosowanie membranowych procesów mikro- i/lub ultrafiltracyjnych. Należy zaznaczyć, że
jest to kierunek działań, zgodny z lansowaną na całym świecie ideą Czystej Produkcji CP
(Clearner Production), polegającej na redukcji zagrożeń u źródła.
Zapotrzebowanie polskiego przemysłu na wodne preparaty do chemicznej obróbki
powierzchni metali ocenia się na kilkadziesiąt tysięcy ton rocznie. Preparaty te w dużej części
zużywane są przez małe i średnie przedsiębiorstwa, wśród których należy wymienić przede
wszystkim malarnie proszkowe oraz galwanizernie.
5
W Krajowym Planie Gospodarki Odpadami (Uchwała RM nr 219 z dn. 29 października
2002 r. - M.P. Nr 11 poz. 159 z dn. 28 lutego 2003 r.) uwzględniono problem minimalizacji
powstawania odpadów (p. 3.2.3). Zgodnie z K.P.G.O. w zakresie odpadów z kształtowania i
mechanicznej obróbki powierzchni metali i z tworzyw sztucznych należy zwrócić większą
uwagę na minimalizację powstawania takich odpadów, jak zużyte oleje i emulsje z obróbki
metali. Wymaga to m. in. stosowania w zakładach procedur obejmujących oczyszczanie
płynów z zanieczyszczeń itp., w celu wydłużenia ich użytkowania. Dotychczasowe,
konwencjonalne technologie usuwania oleju lub zanieczyszczeń z kąpieli myjących
polegające na rozdzielaniu faz, takie jak zgarniacz oleju (oil skimmers) lub separator
koalescencyjny, są nieadekwatne dla usuwania silnie zemulgowanych lub rozpuszczonych
zanieczyszczeń z wodnych kąpieli myjących i nie pozwalają na uzyskanie takiej ich jakości,
która kwalifikuje je do powtórnego użycia,
Inne metody takie, jak ultrafiltracja polimerowa są niepraktyczne z powodu tego, że nie
mogą działać w agresywnych środowiskach, podwyższonych temperaturach i ekstremalnych
reżymach pH oraz ulegają erozji powierzchniowej wskutek działania drobnych cząstek metalu
i innych drobnych cząstek materiałów ściernych. Polimerowe membrany filtracyjne są trudne
do czyszczenia, kiedy stosuje się je do filtracji zanieczyszczeń o dużym stężeniu. Pozwalają
one na uzyskanie jedynie stosunkowo małego przepływu, tj. małej szybkości permeacji na
jednostkę filtracyjną, polimerowe membrany filtracyjne nie mogą być poddawane
pulsacyjnemu przepływowi wstecznemu przy wysokich ciśnieniach. Zwrotna pulsacja jest
określeniem zastosowania zwrotnego ciśnienia od strony przesączu do elementu
membranowego celem przepuszczenia przez element z powrotem pewnej objętości przesączu
poprzez powierzchnię zasilania membrany w celu rozerwania lub zniszczenia warstwy żelu
lub odłożonych cząstek na tej powierzchni membrany.
Ponadto należy podkreślić, że konwencjonalne technologie usuwania oleju z kąpieli
myjących są powierzchnio i kapitałochłonne ponieważ wymagają ustawienia odpowiedniej
instalacji przy każdej wannie z kąpielą myjąca.
2.2. Analiza literatury patentowej i projektów realizowanych z funduszy KBN.
2.1.1 Analiza literatury patentowej
Przy opracowaniu literatury patentowej posługiwano się bazami danych Urzędu
Patentowego RP oraz bazą danych espacenet worldwide i PL espacenet oraz Międzynarodową
6
Klasyfikacją Patentową MKP. Głównym celem poszukiwań były rozwiązania regeneracji
kąpieli myjących powierzchnie metali tożsame lub bliskie rozwiązaniu proponowanemu w
rozwiązaniu objętym umową. Obszar poszukiwań w zasadzie był ograniczony do patentów
polskich. Poszukiwania te nie dały pozytywnego rezultatu, to znaczy nie odnaleziono
patentów spełniających w/w warunek, Dla ilustracji zakresu naszych poszukiwań w bazach
danych literatury patentowej załączono niektóre wyniki tych poszukiwań. Należy jednak
podkreślić, że w wielu przypadkach natrafiono na trudności związane z ograniczoną
dostępnością baz danych większości Instytucji Naukowych (zwykle do pierwszych 500
wyników poszukiwań) oraz w wielu przypadkach z niedostępnością opisu patentu czy
zgłoszenia patentowego czy też jego skrótu w przeszukiwanej bazie danych.
2.2.1 Analiza literatury patentowej.
Do analizy literatury patentowej wykorzystano bazę danych Urzędu Patentowego RP
pl.expecenet.com . Zakres poszukiwań został ograniczony do podgrupy patentów o symbolu
Międzynarodowej Klasyfikacji Patentowej (MKP) C02F9/00, wybranej z ogólnej grupy
C02F.
Grupa C02F zagadnienia obróbki wody, ścieków, ścieków kanalizacyjnych, lub
szlamów, zaś podgrupa C02F9/00 - patenty dotyczące regeneracji reagentów do
recyrkulacji w procesach. Patenty tej grupy podano poniżej w tablicy 2.1.
Tablica 2.1.
Patenty podgrupy C02F9/00.
Baza l.p.
Tytuł Kod zgł.
Numer zgłoszenia
Data zgłoszenia
Numer prawa
wyłącznego
Klasyfikacja MKP
Data publikacji
BUP UZY
1
Urządzenie do odświeżania i pompowania ścieków
Ul 96980 30-01-1989
52447 C02F9/00 E03F1/00
06-08-1990
UZY 2
Osadnik filtracyjny zagrodowej oczyszczalni ścieków
Ul 98300 15-07-1993
54874 C02F9/00 23-01-1995
UZY 3
Urządzenie do oczyszczania ścieków
Ul 103245 20-08-1995
57578 C02F1/00 C02F3/00 C02F9/00
03-03-1997
UZY 4
Biologiczna oczyszczalnia ścieków o małej przepustowości
Ul 103721 10-11-1995
57595 C02F3/30 C02F3/00 C02F9/00
12-05-1997
7
UZY 5
Biologiczna oczyszczalnia ścieków o średniej przepustowości
Ul 103722 10-11-1995
57765 C02F3/30 C02F3/00 C02F9/00
12-05-1997
UZY 6
Układ urządzenia do uzdatniania wody
Ul 109275 18-02-1999
C02F1/48 C02F9/00
28-08-2000
UZY 7
Urządzenie do podczyszczania wód zużytych
Ul 110238 02-11-1999
C02F1/00 C02F9/00
07-05-2001
UZY 8
Stacja uzdatniania wody Ul 112288 18-06-2001
C02F1/00 C02F9/00
30-12-2002
UZY 9
Urządzenie do uzdatniania wody
Ul 112638 22-10-2001
C02F9/00 C02F1/44
05-05-2003
WYN 10
Oczyszczalnia ścieków przemysłowych, zwłaszcza ścieków myjni samochodowych
260487 03-07-1986
154423 C02F9/00 C02F1/00
12-05-1988
WYN 11
Sposób odprowadzania ścieków ogólnospławnych oraz instalacja do odprowadzania ścieków ogólnospławnych
261860 13-10-1986
147937 C02F1/00 C02F9/00
23-06-1988
WYN 12
Instalacja do odprowadzenia ścieków ogólnospławnych
269126 27-11-1987
155783 C02F1/00 C02F9/00
30-05-1989
WYN 13
Urządzenie do oczyszczania wód technologicznych skażonych podczas wiercenia
269963 31-12-1987
154029 C02F9/00 10-07-1989
WYN 14
Sposób odprowadzenia ścieków ogólnospławnych
272852 01-06-1988
157013 C02F1/00 C02F9/00
11-12-
1989
WYN 15
Sposób oczyszczania odpadowych gazów i ścieków z wytwórni melaminy
A2 275892 18-11-1988
159710 C02F9/00 21-08-1989
WYN 16
Węzeł do kompleksowej utylizacji odpadów
276111 29-11-1988
151871 C02F9/00 10-09-1989
WYN 17
Urządzenie do uzdatniania wody dla potrzeb dializy
A2 278366 20-03-1989
160677 C02F9/00 C02F1/00
22-12-1989
8
WYN 18
Sposób uzdatniania wody do celów pitnych i przemysłowych w szczególności usuwania żelaza
Al 282374 17-11-1989
162826 C02F9/00 C02F1/64
20-05-1991
WYN 19
Sposób ciągłego usuwania odpadów i przeróbki zasadowych, ciekłych i stałych pozostałości wiertniczych i urządzenie do ciągłego usuwania odpadów i przeróbki zasadowych, ciekłych i stałych pozostałości wiertniczych
Al 283940 23-02-1990
164220 E21B21/06 C02F9/00
03-09-1990
WYN 20
Oczyszczalnia ścieków Al 287077. 26-09-1990
164013 F23G7/00 C02F11/06 C02F9/00
06-04-1992
WYN 21
Sposób preparowania wody do mokrego chłodzenia koksu
Al 291704 11-09-1991
166955 C02F1/52 C02F9/00
05-04-1993
WYN 22
Elektrotermiczna oczyszczalnia ścieków
Al 292154 22-10-
1991
164990 C02F9/00 C02F1/00 C23G7/00
04-05-1993
WYN 23
Sposób uzdatniania wody Al 292912 19-12-1991
165938 C02F9/00 C02F1/78
26-06-1992
WYN 24
Sposób oczyszczania roztworów, zwłaszcza wód odpadowych z mokrego oczyszczania gazów
Al 293158 10-01-1992
166908 C02F1/66 C02F9/00 C02F1/52
12-07-1993
WYN 25
Układ do unieszkodliwiania zużytych emulsji smarno-chłodzących, zwłaszcza emulsji stosowanych w procesach obróbki metali
Al 295111 30-06-1992
167321 C02F9/00 C02F1/40
01-01-1994
WYN 26
Sposób wspólnej przeróbki ścieków poprocesowych, zawierających NH i/lub H S, oraz ługu sodowego, zawierającego siarczek sodowy
Al 295125 02-07-1992
168766 C02F9/00 C02F1/58
08-03-1993
WYN 27
Elektrotermiczna oczyszczalnia ścieków
Al 295808 02-09-1992
168563 C02F9/00 C02F1/00 F23G7/00
07-03-1994
9
WYN 28
Sposób rozprowadzania płynnych odpadów w ciekach wodnych, zwłaszcza substancji płynnych zanieczyszczonych chemicznie w rzekach żeglownych
Al 296555 10-11-1992
170663 C02F1/00 E03F1/00 C02F9/00
04-05-1993
WYN 29
Sposób i urządzenie do obróbki ścieków z procesu wytwarzania epichlorohydryny, zawierających organiczne substancje, zwłaszcza chloroorganiczne związki
Al 300287 03-09-1993
173477 C02F9/00 07-03-1994
WYN 30
Kabina sanitarna Al 302731 20-03-1994
172696 E03C1/01 E04H1/12 C02F9/00
19-09-1994
WYN 31
Sposób regeneracji ścieków powstających w procesie wytwarzania akumulatorów ołowiowych
Al 304138 06-07-1994
176064 C02F9/00 C02F1/58
H01M10/54
09-01-1995
WYN 32
Sposób i układ do oczyszczania ścieków z myjni samochodowej
Al 307125 02-07-1993
173192 C02F9/00 B60S3/00
02-05-1995
WYN 33
Układ zasilający oczyszczalni ścieków
Al 307351 12-08-1993
179059 C02F9/00 B01D21/02 B01D21/08 C02F1/52
15-05-1995
WYN 34
Sposób ochrony morskichwód przybrzeżnych i urządzenie do ochrony morskich wód przybrzeżnych
Al 308274 19-04-1995
176968 C02F1/00 E03F1/00 C02F9/00
28-10-1996
WYN 35
Sposób wytwarzania wody przemysłowej
Al 309176 19-06-
1995
178291 C02F9/00 C02F5/00 C02F3/32
23-12-1996
WYN 36
Sposób oczyszczania ścieków garbarskich
Al 309369 26-06-1995
C02F9/00 C02F3/00
06-01-1997
WYN 37
Sposób odzyskiwania związków metali ze ścieków przemysłowych i urządzenie do odzyskiwania związków metali ze ścieków przemysłowych
Al 309416 29-06-
1995
177430 C02F1/42 C02F1/62
C25D21/22 C02F9/00 B09B3/00
06-01-1997
WYN 38
Sposób usuwania węglowodorów ze środowiska wodnego
Al 310267 01-09-1995
178667 C02F3/34 C02F9/00
03-03-1997
WYN 39
Sposób oczyszczania ścieków zawierających związki organiczne i
Al 311299 23-04-1994
C02F9/00 C02F3/12 C02F1/72
05-02-1996
10
nieorganiczne, zwłaszcza ścieków z produkcji epichlorohydryny
WYN 40
Sposób eliminacji metanolu i formaldehydu z wód ściekowych
Al 313842 17-04-1996
C02F9/00 C02F1/00
27-10-1997
WYN 41
Sposób obróbki cieczy i urządzenie do jego realizacji
Al 317829 20-06-1995
C02F1/46 C02F9/00
C25B11/03
28-04-1997
WYN 42
Sposób i instalacja do wiązania substancji żywicznych i smołowych w instalacjach płuczek mokrych i elektrofiltrów mokrych
Al 322050 12-12-1996
C02F9/00 B01D53/00
B01D17/022
05-01-1998
WYN 43
Sposób i urządzenie do automatycznej cyrkulacji ścieków w komorach ściekowych
Al 326007 22-04-1998
E03F5/22 B01F5/02 C02F9/00
25-10-1999
WYN 44
Kontenerowe urządzenie do uzdatniania wody
Al 329183 14-10-1998
189326 C02F1/00 C02F9/00
25-04-2000
WYN 45
Sposób obróbki wody płuczkowej z procesu płukania gazu w instalacjido redukcji rudy żelaza
Al 329767 30-04-1997
C02F9/00 12-04-
1999
WYN 46
Sposób obróbki wody płuczącej przy przemywaniu gazów pochodzących z procesów hutniczych orazurządzenie do obróbki wody płuczącej przy przemywaniu gazów pochodzących z procesów hutniczych
Al 330008 28-04-1997
183117 B01D47/06 C10K1/08 C02F9/00
26-04-1999
WYN 47
Sposób utylizacji odpadów chromowych zawierających uwodnionetlenki chromu
Al 331266 02-02-1999
C01G37/00 C22B7/00 C02F9/00
14-08-2000
WYN 48
System do oczyszczania domowych ścieków bytowych
Al 335739 29-03-1998
C02F3/02 C02F3/28 C02F3/30 C02F9/00
08-05-2000
WYN 49
Sposób łącznego oczyszczania ścieków po produkcji kwasu cyjanurowego i kwasu trichtoroizocyjanurowego
Al 336777 26-11-1999
C02F9/00 04-06-2001
WYN 50
Oczyszczalnia Al 338843 07-03-2000
C02F9/00 10-09-2001
11
WYN 51
Urządzenie do oczyszczania i dozowania wody
Al 339630 28-09-1998
C02F9/00 02-01-2001
WYN 52
Sposób utylizacji czynnika płynnego, zawierającego frakcję lotną
Al 343483 30-04-1999
C02F9/00 C02F1/16
27-08-2001
WYN 53
Sposób i urządzenie do odzyskiwania ciepła odpadowego ścieków
Al 345442 24-01-
2001
C02F9/00 29-07-
2002 WYN
54 Kolumna odprowadzania ścieków
Al 345446 26-01-2001
C02F9/00 13-08-2001
WYN 55
Sposób oczyszczania ścieków z przetwórni benzolu koksochemicznego
Al 347459 10-05-2001
C02F9/00 18-11-2002
WYN 56
Instalacja sprężająca z co najmniej jedną pojemnościową sprężarką, wtryskującą wodę
Al 348292 26-06-2001
F04C29/00 C02F9/00
02-01-2002
WYN 57
Urządzenie do podczyszczania ścieków z procesu regeneracji czyściwa
Al 349817 24-09-2001
C02F1/00 C02F9/00
07-04-2003
WYN 58
Sposób podczyszczania ścieków z procesu regeneracji czyściwa
Al 349818 24-09-2001
C02F9/00 07-04-2003
WYN 59
Oczyszczalnia ścieków polakierniczych
Al 352133 11-02-2002
C02F9/00 25-08-2003
WYN 60
Sposób sekwencyjnego utleniania substancji zawartych w strumieniu ścieków
Al 353529 19-04-2002
C02F9/00 C02F1/74
20-10-2003
WYN 61
Sposób podczyszczania ścieków zawierających związki o charakterze redukującym
Al 353531 19-04-2002
C02F9/00 20-10-
2003
WYN 62
Sposób podczyszczania ścieków zawierających komponenty z żywicami mocznikowo-formaldehydowymi
Al 353532 19-04-2002
C02F9/00 20-10-
2003
WYN 63
Sieć wodociągowa Al 355520 14-08-2002
E03B1/02 C02F9/00
23-02-2004
WYN 64
Sposób uzdatniania wody i urządzenie do uzdatniania wody
Al 356761 21-10-2002
C02F9/00
WYN 65
Sposób obróbki i uzdatniania ścieków zawierających siarczany
Al 358091 17-04-2001
C02F9/00 09-08-2004
12
metali z zastosowaniem etapu dodawania amoniaku
WYN 66
Sposób i urządzenie do uzdatniania wody odpadowej
Al 362278 04-10-2001
C02F9/00 18-10-2004
2.2.2. Analiza projektów realizowanych z funduszy KBN
Analiza projektów KBN dotycząca celu, przedmiotu i zakresu niniejszego opracowania
objęła swoim zasięgiem PROJEKTY finansowane w ramach siedmiu KONKURSÓW to jest
od konkursu XXI do XXVII włącznie. Analizę przeprowadzono wybierając z zestawień
PROJEKTÓW znajdujących się w bazie danych OPI te które były opiniowane do realizacji
przez dwa Zespoły KBN;
1. Zespół Inżynierii Materiałowej i Technologii Materiałowej (T-08), oraz
2. Zespół Chemii, Technologii Chemicznej oraz Inżynierii Procesowej i Ochrony
Środowiska (T- 09)
Analizę projektów utrudniał fakt, że większość z nich nie posiadała dostępnych,
krótkich streszczeń oraz wykazu publikacji będących wynikiem realizacji tego projektu.
Potwierdzeniem trudności jakie zaistniały ze zgromadzeniem informacji o projektach
realizowanych z funduszy KBN i zgromadzonych w bazach danych OPI, jest fakt
odmówienia nam wykonania, na zlecenie, analizy tematycznej przez OPI.
Poniżej przedstawiono zestawienie znalezionych podczas gromadzenia wiadomości
źródłowych projektów w ramach poszczególnych konkursów KBN (tablica 2.2.).
13
Tablica 2.2. Projekty badawcze finansowane przez MNiI (KBN)
L.p. Numer
projektu Tytuł projektu Instytucja zgłaszająca Autor
(autorzy) Czas
realizacji i nakłady
1. 7T09D004 21
Badania nad oczyszczaniem zaolejonych ścieków z produkcji kabli z zastosowaniem zintegrowanych procesów membranowych: ultrafiltracji i nanofiltracji oraz ultrafiltracji i odwróconej osmozy
Politechnika Szczecińska Wydział Technologii i Inżynierii Chemicznej Instytut Technologii Chemicznej Nieorganicznej i Inżynierii Środowiska 70-322 Szczecin, Pułaskiego 10
dr inż. Krzysztof Karakulski + zespół
01.08.2001 - 30.06.2004 180 000 zł
2. 7T09C063 21
Analiza przyczyn zmniejszania wydajności procesów odwróconej osmozy i nanofiltracji metodą badania rozkładu czasu przebywania cząstki
Politechnika Śląska w Gliwicach Wydział Chemiczny Instytut Chemii i Technologii Nieorganicznej i Elektrochemii 44-100 Gliwice, Bolesława Krzywoustego 6
mgr inż. Piotr Dydo + zespół
01.09.2001 -01.09.2002 20000 zł
3. 4T08A 056 23
Opracowanie nowej metody i modelu przyrządu do pomiaru rozkładu rozmiarów i koncentracji cząstek w zawiesinie o zwiększonej zdolności rozdzielczej na podstawie rozpraszania światła.
Instytut Podstawowych Problemów Techniki PAN 00-049 Warszawa, Świętokrzyska 21
doc.dr hab. Feliks Rejmund
15.11.2002 14.11.2004 24 000 zł.
4. 4T09B094 25
Modyfikacja składu i mikrostruktury ceramiki korundowej w celu poprawy odporności na naprężenia termiczne.
Akademia Górniczo Hutnicza w Krakowie, Wydział Inżynierii Materiałowej, 30-059 Kraków, Al. A. Mickiewicza.
prof. dr hab. inż.Stanisław Jonas
12.08.2003- 16.07.2006 250 000 zł.
5. 4T09C 017 25
Mikrobiologiczny reaktor membranowy do biodegradacji składników organicznych ścieków przemysłowych.
Politechnika Wrocławska, Wydział Chemiczny, Instytut Inżynierii Chem. i Urządzeń Cieplnych, 50-373 Wrocław, ul. Norwida 4/6
prof. dr hab. Andrzej Noworyta
17.11.2003 16,07.2006 221 000 zł.
6. 4T09C04 25
Adsorpcja membranowa, nowy wysokosprawny proces zintegrowany do selektywnej separacji składników roztworów.
Politechnika Wrocławska, Wydział Chemiczny, Instytut Inżynierii Chem. i Urządzeń Cieplnych, 50-373 Wrocław, ul. Norwida 4/6
dr hab. inż. Andrzej Kołtuniewicz
26.11.2003 25.11.2006 243 680 zł.
14
7. 3T09A127 26
Badanie procesów fizyko-chemicznych w nanoporach za pomocą MNR (promotorski)
Uniwersytet AM w Poznaniu, Wydział Chemii, 60-780 Poznań, ul. Grunwaldzka 6
prof. dr hab. Stefan Jurga
24.05.2004 23,05.2005 19 900 zł,
8. 3T09D02526
Niskociśnieniowe procesy membranowe jako technika separacji substancji powierzchniowo czynnych.
Politechnika Wrocławska, Wydział Inżynierii Środowiska, 50-370 Wrocław, Wybrzeże Wyspiańskiego 27
dr inż. Katarzyna Majewska-Nowak
23.04.2004 22.10.2005 180 000 zł.
9. 3T08D04426
Porowata ceramika korundowa (promotorski) Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki 30-059 Kraków, Al. A. Mickiewicza 30
dr hab. inż. Anna Ślósarczyk
14.04.2004 13.04.2005 40 000 zł.
10. 3T09D 001 27
Badania modelowe procesu filtracji.
Politechnika Koszalińska Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska 75-620 Koszalin, Racławicka 15-17
prof. dr hab. inż. Tadeusz Piecuch
18.11.2004 17.11.2006 106 000 zł.
11. T08D 025 24
Nowa generacja kompozytowych tworzyw porowatychdo separacji zanieczyszczeń olejowych w instalacjachobróbki powierzchni metali.
Politechnika Warszawska, Wydział Chemiczny, 00-664 Warszawa, ul. Noakowskiego 3
dr Janusz Sokołowski
29.03.2002 22.03.2005 207 000 zł,
15
Jak wynika z powyższego, do analizy wybrano 11 projektów finansowanych przez
KBN. Pozostałe projekty z konkursów XXI do XXVII nie wiązały się tematycznie z
projektem wykonywanym w ramach umowy nr 41/Wa50/NE 0Z Tx/D. Również tematyka
wybranych osiemnastu projektów nie pokrywa się ściśle z tematyką w/w projektu, a jedynie
wiąże się z nim fragmentami zagadnień badawczych i materiałowych. Ściślejszy związek z
tematyką opracowywanego przez nas projektu wykazuje projekt 4 T08D O25 24 Nowa
generacja kompozytowych tworzyw porowatych do separacji zanieczyszczeń olejowych w
instalacjach obróbki powierzchni metali. Jednak zasadnicza różnica pomiędzy obu tymi
projektami polega na tym, że projekt ten zakłada stosowanie membran płytowych, a nie
rurowych, a więc zakłada również innego typu procesu filtracyjnego. Dotychczas przy
usuwaniu zanieczyszczeń olejowych preferowano filtrację krzyżową minimalizującą
niebezpieczeństwo blokowania porów kropelkami zemulgowanego oleju. Możliwość
separacji emulsji olejowej na nowym rodzaju filtru płaskiego wymaga jeszcze potwierdzenia .
3. Założenia procesu technologicznego
Jak wynika z przedstawionego powyżej celu i zakresu realizacji niniejszego tematu
przeprowadzone badania w końcowym rezultacie stanowią podstawę do przedstawienia oferty
technologicznej, pozwalającej na uniknięcie w/w trudności związanych z minimalizacją
niebezpiecznych odpadów przemysłowych, tworzących się w wyniku stosowania procesów
chemicznej obróbki powierzchni metali, skierowana głównie do małych i średnich
przedsiębiorstw wyposażonych w wanny procesowe o pojemności poniżej 1 m3. Oferta ta ma
dotyczyć zastosowania procesów mikro- i mikrofiltracyjnych do oczyszczania tych kąpieli,
które z kolei będą zawracane do ponownego użycia.
Istotną zaletą prezentowanego rozwiązania jest jego mobilność pozwalająca na
wykorzystanie go w kilku zakładach bez konieczności instalowania indywidualnej aparatury
oczyszczającej w każdym z nich osobno.
Korzyści, wynikające z prezentowanego rozwiązania będą następujące :
− ciągłe usuwanie zużytego oleju z kąpieli myjących przedłuży ich czas pracy.
Spowoduje to zmniejszenie ilości ścieków, zawierających oleje, ponieważ kąpiel nie
musi być tak często wymieniana (teoretycznie nie musi być wymieniana wcale),
− całkowite zawracanie filtratu wpłynie na znaczne zmniejszenie zużycia wody,
− zawracanie filtratu pozwoli na oszczędność preparatów do sporządzania kąpieli,
− oszczędność powierzchni i kosztów inwestycyjnych.
16
4. Ocena laboratoryjna handlowych membran ceramicznych
Prawdziwe zainteresowanie filtrami ceramicznymi bierze swój początek z końcowego
okresu II wojny światowej. Filtry te bowiem były stosowane do procesu koncentracji rudy
uranowej niezbędnej do produkcji bomby atomowej. Wkrótce po wykonaniu pierwszej
bomby przez ZSRR, USA uznały, ze technologia ta nie stanowi już tajemnicy i w związku z
powyższym filtry ceramiczne mogą zostać udostępnione na rynku cywilnym. W chwili
obecnej w sektorze filtrów ceramicznych dominują 3 firmy: SCHUMACHER GmbH, TAMI
INDUSTRIES I FAIREY INDUSTRIAL CERAMICS, Inc. Przynależność kapitałowa, na
dzień dzisiejszy, tych firm nie jest do końca znana, ze względu na trwające wciąż istotne
ruchy wiodących gigantów SIMENS oraz GE działających w obszarze energetyki. Te
koncerny (grupy kapitałowe) są w trakcie dokonywania podziału rynku uzdatniania wody
dla potrzeb energetyki i wykupują wszelkie pomniejsze firmy wysokiej technologii mogące
mieć istotny wpływ na jakość i atrakcyjność tego sektora rynkowego.
Prawdopodobnie istnieją jeszcze inni wytwórcy filtrów ceramicznych, ale nie znajdują
oni (jak na razie) większego odzwierciedlenia na rynku. Mimo, iż zastosowanie filtrów
ceramicznych nie ma już dzisiaj takiego znaczenia w atomistyce/zbrojeniach, jak dawniej
(udoskonalona technologia oparta o wykorzystanie wirówek gradientowych) to należy
przypuszczać, że takie potęgi gospodarcze jak Japonia, Indie, Chiny i Rosja musza
dysponować odpowiednim zapleczem technicznym i ich aktywność w zakresie filtrów
ceramicznych nie ustała.
Najmniejszą ofertą asortymentową dysponuje firma FAIREY INDUSTRIAL
CERAMICS, Inc. Jak wynika z posiadanych przez nas informacji, w zakresie filtracji
krzyżowej firma ta oferuje jedynie filtry do mikrofiltracji o nominalnej średnicy porów 0.2,
0.4, 0.8, 1.0 mikrometra. Są to membrany rurowe jedno lub wielo otworowe. Największe
zapotrzebowanie wykazują filtry typu Seven Stars. Są to membrany siedmiootworowe z
tym, ze w przekroju poprzecznym otwór ma kształt gwiazdy sześcioramiennej. Także w
zakresie różnorodności aplikacji oraz jakości wykonania membran należy bezwzględnie
oddać pierwszeństwo tej firmie. Końcówki membran są zeszklone, geometria zewnętrzna
charakteryzuje się dużą powtarzalnością i dokładnością wykonania. Ostatnio firma Fairey
Industrial Ceramics, Inc. wypuściła na rynek nowy typ filtra ceramicznego przeznaczonego
do procesów perwaporacyjnych. Wykonana w naszym laboratorium analiza wielkości i
rozkładów porów membran tej firmy wykazała, że te charakterystyki wykazują dużą
powtarzalność nieznaczna zmianę własności w trakcie eksploatacji. Także badania
17
eksploatacyjne (3 lata) wykazują, iż odporność na korozje (tzw. próchnica) jest wyjątkowo
wysoka dopuszczalny zakres zmian pH (2 14) nie wykazuje istotnego wpływu na
mechaniczną wytrzymałość membran.
Największą różnorodność membran ceramicznych przeznaczona do filtracji krzyżowej
oferuje firma TAMI Industries. Firma ta oferuje zarówno membrany do mikrofiltracji,
ultrafiltracji, jak i do nanofiltracji. Jakość tych filtrów jest dobra, aczkolwiek ich odporność
na korozje jest mniejsza w porównaniu z produktami FAIREY Idustrial Ceramics, Inc. Jest to
prawdopodobnie wynikiem różnicy w stosowanych surowcach wyjściowych. Powtarzalność
charakterystyki rozkładu porów czy też tzw. charakterystyki przesiewalności (retencja jako
funkcja Cf/Cin) nie jest tak dobra jak w przypadku produktów wyżej omawianej firmy.
Należy zaznaczyć, ze produkty firmy SCHUMACHER GmbH oraz firmy TAMI
Industries są porównywalne jeżeli chodzi o ich charakterystyki geometrii zewnętrznej,
powtarzalności rozkładu porów (defekty jednostkowe na powierzchniach nanoszonych na
podłoże), charakterystyki przesiewalności oraz odporności na korozję
5. Badanie laboratoryjne wydajności filtracyjnej wytypowanej membrany
Badania laboratoryjne zostały przeprowadzone wykorzystując do tego celu stację
mikrofiltracyjną DRUMTREATER (Rys. 5. 1 i 5.2.) oraz Oil skimmer (Rys. 5.5 i 5.6.)
Zasada działania instalacji wygląda następująco:
Zaolejona kąpiel myjąca, znajdująca się w zbiorniku, jest pobierana za pomocą pompy
wirowej i podawana dalej do filtra działającego na zasadzie filtracji krzyżowej. Filtr jest
wykonany w oparciu o membrany ceramiczne typu mikrofiltracyjnego (Seven Stars, FAIREY
Industrial Ceramics Limited, UK). Nominalna wielkość porów zainstalowanych w filtrze
membran ceramicznych wynosi 0,2 mikrometra, zaś wielkość największego pora nie
przekracza 0.65 mikrometra. Wewnątrz filtra następuje proces rozdziału faz: fala olejowa nie
przechodzi przez pory membrany zaś faza wodna jest odprowadzana na zewnątrz filtra
(filtrat). Zagęszczona kąpiel (zwiększona zawartość oleju) tzw. koncentrat/retentat jest
ponownie zawracany do zbiornika W ten sposób w zbiorniku ubywa cieczy dzięki czemu
koncentracja oleju wzrasta. Wzrostowi koncentracji oleju towarzyszy zjawisko koalescencji,
co manifestuje się odkładaniem warstwy oleju na powierzchni oczyszczanej cieczy.
18
Rys 5.1. Schemat obiegu cieczy w instalacji DRUMTREATER
Rys. 5.2. Widok instalacji mikrofiltracyjnej DRUMTREATER w naturze
19
Wraz ze wzrostem koncentracji oleju w zbiorniku ( zgodnie z ogólną teorią filtracji
krzyżowej) spada strumień filtracji oraz, na skutek tarcia cieczy o wewnętrzną powierzchnię
instalacji, rośnie jej temperatura. Jednocześnie na wewnętrznej powierzchni membrany
odkłada się cienka warstwa osadu zatrzymanego przez membranę zwana potocznie plackiem
filtracyjnym. Warstwa ta blokuje pory membrany utrudniając proces filtracji. W celu
zmniejszenia wpływu odkładania się placka filtracyjnego stosuje się procedurę back flush
lub back puls (Rys.5.3.) Mechanizm tej procedury polega na periodycznym wtłaczaniu
części odfiltrowanej cieczy z powrotem do filtra, co powoduje niszczenie placka
filtracyjnego, a co za tym idzie ponowne otwarcie porów membrany.
Rys. 5.3. Zasada działania funkcji back flush
Zgodnie z przekazanym założeniami, proces regeneracji kąpieli myjących ma polegać
na usuwaniu z nich oleju, który w czasie procesu zostaje zmyty z powierzchni części
poddawanej obróbce. Zanieczyszczona kąpiel staje się tym samym mniej skuteczna i w
istotny sposób wpływa na jakość pokrycia. Jest to klasyczny przykład rozdziały faz.
20
W celu określenia skuteczności filtrów ceramicznych w/w zastosowaniu
przeprowadzono badania laboratoryjne oparte o trzy typy olejów: Kalibrol Lux, Olej
maszynowy LHL-46 a także przepracowany olej samochodowy (tabela 5.1.)
Tabela 5.1.
Wybrane parametry techniczne testowanych olejów
Wymagania Kalibrol Lux LHL-46
Gęstośc w temperaturze 20oC [g/l]
0,825 0,8401 Brak danych 2
Lepkość kinematyczna w temperaturze 40oC [mm2/s]
2,45 2,80 1 41,4 50,62
1 Wymagania PN/C- 96181 2 dane Grupy LOTOS Oil
Ze względu na brak danych w tabeli nie przedstawiono parametrów dotyczących
przepracowanych olejów samochodowych.
Schemat układu badawczego przedstawia Rys 5.4. Do zbiornika centralnego (Rys 5.5.)
wlewano 1 dm3 badanego oleju, a następnie dopełniano zbiornik wodą do pojemności 80 dm3
stosując przy tym silny strumień w celu wytworzenia emulsji. Całość uzyskanej w ten sposób
mieszaniny była mieszana przy pomocy mieszadła. Pozyskana emulsja była pobierana przy
pomocy pompy i tłoczona do instalacji mikrofiltracyjnej poprzez zespół filtrów wstępnych.
Stacje mikrofiltracyjną opuszczały dwa strumienie: strumień filtratu i strumień koncentratu.
Strumień koncentratu był zawracany do zbiornika pomocniczego tworzącego ze zbiornikiem
centralnym zespół naczyń połączonych. W tej sytuacji w zbiorniku pomocniczym w sposób
ciągły narastała koncentracja oleju, który w rezultacie koalescencji łącząc się w większe
aglomeraty flotował na powierzchnie, skąd był zbierany i odprowadzany na zewnątrz za
pomocą oil skimmera. Instalacja mikrofiltracyjna była poddawana procedurze back wash
co 7 minut na okres 3 sekund.
Strumień filtratu (czysta kąpiel myjąca) była gromadzona w oddzielnym zbiorniku. Jak
wykazały badania zawartość oleju w filtracie wahała się w graniach od 4 8 ppm . Zawartość
oleju w filtracie była oznaczana za pomocą metody ekstraktu eterowego.
21
Rys. 5.4. Schemat układu badawczego
Zbiornik centralny zbiornik pomocniczy
Rys. 5.5.
Widok połączonych zbiorników
(centralnego i pomocniczego)
wraz z oil skimmerem
22
Rys. 5.6. Oil skimmer - na zdjęciu widać odprowadzany do zlewki ze zbiornika pomocniczego zebrany z powierzchni cieczy odzyskany olej
Uzyskane wyniki badań są przedstawione w tabelach tab. 5.3 5.8.
23
Tabela 5.3.
Wyniki doświadczeń związanych z mikrofiltracją emulsji oleju Kalibrol Lux z wodą
Czas trwania procesu filtracji
[s]
Temperatura filtratu [°C]
Prędkość filtracji [dm3 filtratu/ h]
600 20,6 32,7
900 21,0 32,7
1200 21,6 32,7
1500 21,8 32,7
1800 22,2 30,0
2100 23,8 27,7
2400 24,8 25,7
2700 25,1 25,7
3000 26,0 24,0
3300 26,8 23,2
3600 27,6 22,5
3900 28,2 21,1
4200 28,8 20,5
4500 29,2 20,5
4800 30,0 20,2
5100 30,6 20,0
5400 31,0 19,4
5700 31,8 18,4
6000 32,2 17,5
6300 32,6 17,5
6500 33,4 16,7
6800 34,2 16,7
7200 34,6 16,3
24
Tabela 5.4.
Wyniki doświadczeń związanych z usuwaniem oleju Kalibrol Lux z emulsji
Objętość odzyskanego oleju po filtracji
[cm3]
Czas trwania procesu filtracji
[s]
Temperatura retentatu
[0C] 100 109 19,1 150 155 19,1 200 309 19,1 250 244 19,1 300 281 19,1 350 330 19,2 400 369 19,2 450 415 19,2 500 454 19,2 550 501 19,2 600 544 19,2 650 585 19,2 700 600 19,2 750 649 19,2 800 684 20,1 850 747 20,2 900 865 20,3 950 1318 21,8
25
Tabela 5.5.
Wyniki doświadczeń związanych z mikrofiltracją emulsji z przepracowanym olejem
Czas trwania procesu filtracji
[s ]
Temperatura filtratu
[°C]
Prędkość filtracji [dm3 filtratu/ h ]
600 20,5 13,3
900 20,6 12,8
1200 22,7 12,4
1500 22,9 11,6
1800 24,0 11,2
2100 24,3 10,6
2400 25,2 9,2
2700 25,4 8,8
3000 25,4 8,0
3300 25,8 7,8
3600 25,9 5,9
3900 26,0 4,9
4200 26,0 3,8
4500 26,2 3,2
4800 26,5 2,7
5100 26,8 2,5
5400 27,1 2,4
5700 27,4 2,3
6000 27,6 2,2
6300 27,8 1,9
26
Tabela 5.6.
Wyniki doświadczeń związanych z usuwaniem przepracowanego oleju z emulsji
Objętość odzyskanego koncentratu emulsji
[cm3l
Czas trwania procesu filtracji
[s ]
Temperatura retentatu
[°C] 100 50 19,9 150 54 19,9200 58 19,9250 65 19,9300 70 19,9350 75 19,9400 81 19,9450 87 19,9500 93 19,9550 98 19,9600 104 19,9650 108 19,9700 116 19,9750 123 19,9800 129 19,9850 139 20,1900 147 20,2950 158 20,31000 173 20,31200 341 22,01500 951 23,1
27
Tabela 5.7.
Wyniki doświadczeń związanych z mikrofiltracją emulsji z olejem maszynowym LHL-46
Czas trwania procesu filtracji
[ s ]
Temperatura filtratu
[°C]
Prędkość filtracji [dm3 filtratu/ h ]
600 21,0 6,6
900 21,4 7,3
1200 22,2 8,6
1500 22,7 8,5
1800 23,0 8,4
2100 23,4 8,4
2400 23,8 8,7
2700 24,9 9,7
3000 26,2 10,3
3300 26,6 10,4
3600 27,1 10,7
3900 27,3 10,9
4200 27,6 11,2
4500 27,8 11,5
4800 28,6 12,4
5100 29,2 12,8
5400 29,8 13,3
5700 30,0 13,4
6000 30,8 13,6
6300 31,0 13,7
6500 31,4 13,8
6800 31,9 14,3
7200 32,2 15,0
28
Tabela 5.8.
Wyniki doświadczeń związanych z usuwaniem oleju maszynowego LHL-46 z emulsji
Objętość odzyskanego koncentratu emulsji
[cm3]
Czas trwania procesu filtracji
[s]
Temperatura retentatu
[°C] 100 28 18,4 150 36 18,4 200 43 18,4 250 51 18,4 300 61 18,4 350 69 18,5 400 80 18,5 450 90 18,5 500 106 18,6 550 149 18,7 600 170 18,8 650 203 19,0 700 222 19,2 750 237 19,3 800 298 19,4 850 378 19,6 900 433 19,9 950 600 20,3 1000 779 20,6 1050 899 21,2 1100 1069 22,0 1150 1482 23,2 1200 1712 23,8 1250 1948 24,4
29
6. Podsumowanie badań laboratoryjnych
Jak wykazują uzyskane wyniki, sposób odzysku oleju/usuwania oleju za pomocą
metody filtracji krzyżowej, w tym także na membranach ceramicznych jest skuteczny i
pewny . Jak wynika z przeprowadzonych badań oraz danych literaturowych skuteczność
usuwania oleju (zawartość oleju w filtracie) jest ograniczona do wartości około 5-40 ppm.
Oleje ciężkie separują się znakomicie lepiej, zaś oleje lekkie znacznie trudniej. Istotny wpływ
ma tu także temperatura wyższe temperatury powodują, iż zdolność zawieszonej kropli
oleju do zachowania kształtu pogarsza się, a co za tym idzie jej deformacja na skutek sił
hydromechanicznych jest znacznie łatwiejsza. Zdeformowana kropla oleju do postaci
nicieniowatej ma znacznie ułatwione przeniknie przez por membrany. Im większa zawartość
olejów lekkich tym niższa temperatura oczyszczanej cieczy jest wskazana a także zaleca się
stosowanie membran o mniejszych porach.
Jak wynika z przeprowadzonych badań, opisana wyżej metoda odolejania ścieków jest
technicznie skuteczna i stosowana miedzy innymi do regeneracji kąpieli myjących (zakłady
galwanizerskie kąpiele galwaniczne, zakłady przemysłu spożywczego - kwaśne i zasadowe
kąpiele myjące stosowane do mycia instalacji, zakłady mechaniczne - regeneracja cieczy
chłodzących)
7. Koncepcja aparaturowa
Poniżej przedstawiono wstępną propozycję zastosowania wytypowanych membran do
ruchomej stacji regenerującej kąpiele myjące dla zakładów chemicznej obróbki powierzchni
metali o pojemności wanny < 1 m3 .
Na podstawie przeprowadzonych analiz i badań jako najlepiej spełniające oczekiwania
związane z projektowaną aparaturą zostały wybrane membrany Seven Stars (Fairey Industrial
Ceramics Limited, Inc. UK). Membrany te wykazują najlepszą odporność na ekstremalne
wartości pH, nie ulegają przyspieszonej korozji a także ich geometria wydaje się być najlepiej
dobrana do tego typu procesów.
Do realizacji projektu proponujemy przyjąć schemat pokazany na Rys 7.1.
Zaolejona kąpiel myjąca jest przetłaczana do zbiornika centralnego z wanny w której
kąpiel jest zgromadzona. Pojemność zbiornika centralnego nie musi być równa 1 m3
(wielkość projektowana) ponieważ cały proces regeneracji może być prowadzony po 250
litrów w sposób ciągły (uzupełnianie zbiornika centralnego do jego górnego poziomu). Takie
30
podejście pozwoli na znaczne zmniejszeni gabarytów aparatury z możliwością umieszczenia
jej na przyczepce samochodowej a więc z łatwym dostępem do wanny. Objętość zbiornika
zbliżona do objętości zbiornika centralnego. Proponujemy także zastosowanie Oil
skimmera typu taśmowego to także pozwoli na znaczne zmniejszenie gabarytów
instalacji.
Rys. 7.1. Schemat ideowy instalacji mikrofiltracyjnej do odolejania kąpieli myjących
Opis schematu stacji mikrofiltracyjnej wg Rys. 7.1.
Zaolejona kąpiel jest pobierana za pomocą pompy podającej PM1 ze zbiornika
centralnego i poprzez zespół filtrów wstępnych (nie zaznaczonych na schemacie) jest
podawana na wejście pompy obiegowej PM2. Zadaniem pompy obiegowej jest zapewnienie
wymagalnej prędkości liniowej (prędkość ścinania przy ściance). Z PM2 odolejana kąpiel jest
podawana do filtra gdzie następuje rozdział. Oczyszczana kąpiel jest odprowadzana do
zbiornika buforowego (nie wchodzącego w skład aparatury). Zbiornik buforowy o objętości
powyżej 1,2 x 1 m3 powinien dostarczyć Zlecający usługę jest to uzasadnione tym, że po
opróżnieniu wanna powinna zostać wymyta przed jej ponownym zapełnieniem. Jest to
czynność, którą Zleceniodawca będzie wykonywał już po zakończeniu procesu odolejania.
Czas mycia wanny nie będzie tej sytuacji obciążał świadczącego usługę i da możliwość
lepszego wykorzystania aparatury.
31
Po opuszczeniu filtra koncentrat (retentat) jest dzielony na dwa strumienie jedna część
jest odprowadzana do zbiornika pomocniczego, zaś druga powraca na wejście do pompy
obiegowej. Pętla którą płynie strumień powracający na wejście do PM2 jest zwana pętla
obiegową. W stanie ustalonym koncentracja oleju w pętli obiegowej ustali się na poziomie.
Kkon = [Qin/Qkon] Kin
gdzie: Kkon - koncentracja oleju w koncentracie Kin koncentracja oleju w kąpieli (nadawie) Qin strumień pobieranej kąpieli zaolejonej (nadawa)
Qkon strumień koncentratu odprowadzany do zbiornika pomocniczego
Jak wynika z przeprowadzonych badań strumień filtratu (a więc prędkość oczyszczania
kąpieli) zależy od zawartości oleju w nadawie i od stopnia zagęszczenia [Qin/Qkon].
Dlatego tez trudno jest zaprojektować uniwersalna stacje mikrofltracyjną w sposób
uniwersalny spełniającej optymalne warunki regeneracji. Wychodząc z założenia, że proces
regeneracji jednego metra sześciennego nie powinien trwać dłużej niż jedna zmianę
(uwzględniając wszelkie czynności przygotowawcze) należy czas filtracji ograniczyć do
4 godzin.
W tej sytuacji, uwzględniając wpływ wzrostu temperatury na zmianę lepkości oraz
uzyskane wyniki (patrz wykresy 7,8,9) można przyjąć, iż współczynnik filtracji [UFC] dla
membran Seven Stars w zależności od rodzaju emulsji zawiera się w granicach od 44 -138
dm3/h x m2 (dla objętościowej koncentracji oleju w pętli obiegowej około 25000 ppm). Dla
koncentracji oleju w pętli obiegowej o połowę mniejszej wartość UFC wzrasta o około 35%
Przyjmując bezpiecznie wartość UFC na poziomie około 50 dm3/h x m2 wielkość
powierzchni filtracyjnej koniecznej [S] do zainstalowania wyniesie:
S x UFC t = [0,9 0,8] x objętość wanny (1m3)
T czas filtracji (4 h) S = 4,25 m2
Uwzględniając możliwość pracy przy zwiększonych temperaturach powierzchnie filtra
można zmniejszyć do około 2 m2
32
Sugerowane parametry techniczne instalacji mikrofiltracyjnej: Powierzchnia filtra 2 m2
Ciśnienie systemowe 4 bary Ilość wkładów ceramicznych 33 PM2 21 22 m3/h, 2 bary PM1 0,2 0,3 m3/h, 2 bary
Orientacyjny koszt instalacji mikrofiltracyjnej: Koszt wkładów ceramicznych 33 wkłady x 45GBP/szt. x 6,5 PLN/GBP = 9652,5 PLN +VAT Koszt całkowity instalacji Koszt filtrów x 4 = ok. 40,000 PLN +VAT Koszt Oil skimmera ok. 4000 PLN Koszt przyczepy samochodowej ok. 3000 PLN Pozostałe koszty (ok. 20 % rezerwy) ok. 9400 PLN
Razem koszty wykonania pierwszego egzemplarza powinny się zawierać w granicach około 56.400 PLN + VAT
8. Opracowanie wytycznych dla projektu aparatury przenośnej do regeneracji kąpieli myjących
Rozpatrując procesy chemicznej obróbki powierzchni bez regeneracji oczywiste jest, że w czasie trwania tych procesów następuje wzrost stężenia zanieczyszczeń w kąpieli. W momencie osiągnięcia takiego ich poziomu, że efektywność procesów chemicznej obróbki powierzchni spada, kąpiel kwalifikuje się do wymiany. Wymiana musi następować tym częściej, im mniejsza jest pojemność wanny.
Załóżmy, że do kąpieli myjących o objętości V = 10 000 dm3 , 5 000 dm3 i 3 000 dm3 w czasie 1 godziny wprowadza się Q = l 000 g zanieczyszczeń olejowych. Wówczas stosunek Q/V, dla założonych wartości, będzie wynosił odpowiednio 0,1; 0,2 i 0,3.
Na rys. 8.1 pokazano wzrost zawartości oleju w kąpieli w czasie trwania procesu odtłuszczania, przy uwzględnieniu powyższych danych.
33
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 `100 110 120 Czas odtłuszczania [h] Rys. 8.1. Wzrost stężenia olejów w kąpieli odtłuszczającej bez regeneracji.
Jeżeli założymy, że maksymalna ilość zanieczyszczeń olejowych nie może przekraczać 10 g/dm3, można stwierdzić, że kąpiel w wannie o pojemności 3 m3 musi być całkowicie wymieniona po ok. 35 godzinach pracy. Jest to ogromne obciążenie dla środowiska, także oznacz duże straty wody i chemikaliów.
W tej sytuacji rozwój procesów- mikro- i ultrafiltracji do regeneracji kąpieli do chemicznej obróbki powierzchni stanowi ogromną szansę zarówno ekologiczną, jak i technologiczną i ekonomiczną.
Reasumując, zastosowanie mikro- i ultrafiltracji do ciągłej regeneracji przemysłowych kąpieli do chemicznej obróbki powierzchni, zapewnia następujące korzyści:
Stężenie zanieczyszczeń olejowych w kąpieli przestaje wzrastać i osiąga stałą
wartość; stwarza to możliwość uzyskania lepszych efektów technologicznych procesu.
Wanna do prowadzenia procesu może być znacznie mniejsza, ponieważ stężenie olejów w kąpieli nie jest uzależnione od jej objętości.
Ciągłe usuwanie olejów przedłuża w sposób znaczący trwałość kąpieli. Powoduje to zmniejszenie ilości ścieków zawierających oleje, ponieważ kąpiel nie musi być tak często wymieniana teoretycznie nie musi być wymieniana wcale).
Całkowite zawracanie filtratu (permeatu) wpływa na znaczne zmniejszenie zużycia wody.
Zawracanie filtratu pozwala na oszczędność preparatów-- do sporządzenia kąpieli.
W zakresie ograniczenia chemikaliów, ścieków i odpadów, a także ekonomiki procesów regeneracji kąpieli do chemicznej obróbki powierzchni, przytoczone zostaną dane pochodzące z różnych firm.
Zawartość olejów [g/d m3]
34
I tak np., firma A. Karcher przekazuje następujące informacje [1] uzyskane w jednym z zakładów przemysłowych, stosując ultrafiltrację kąpieli myjąco-fosforanujących, z wanny o pojemności 4.8 m3 - Tabela 8.1.:
Tabela 8.1. Bilans chemikaliów, ścieków i odpadów przed i po zastosowaniu ultrafiltracji
Lp. Oceniany parametr Jednostka Przed
przebudowąPo
zastosowaniu ultrafiltracji
Różnica Koszty | DM/rok
1 Chemikalia dm3/rok 42 670 2463 -40 207 -38 975
2 Ścieki m3/rok 3 070 980 -2 090 -12 540
3 Odwodniony osad t/rok 5,1 0,2 -4.9 -7 626
4 Koncentrat olejowy m3/rok 0 9 +9 +3 330
Suma oszczędności 55 811
Bilans, dotyczący procesu odtłuszczania alkalicznego, przedstawiony jest w kolejnym artykule [2] rozpatrywana jest mikrofiltracja roztworu myjącego z wanny o pojemności 1 m3 . Stwierdzono, że przy prowadzeniu procesu bez mikrofiltracji, roczna ilość ścieków, które stanowi zużyta kąpiel myjąca, wynosi 50 m3, podczas gdy po zastosowaniu mikro filtracji odpadem jest tylko odfiltrowany koncentrat olejowy o objętości 1,2 m3 .
Na rys. 8.2. pokazano typową instalację do mikro- lub ultrafiltracji olejowo-wodnych emulsji, Ten rodzaj procesu i instalacji jest stosowany do oczyszczania i regeneracji zanieczyszczonych olejem kąpieli w zakładach obróbki chemicznej powierzchni metali [3].
Rys. 8.2. Zasada procesu i instalacji.
35
LEGENDA:
MT − zbiornik zanieczyszczonej kąpieli (emulsji wodno olejowej),
PT − zbiornik permeatu (przesączu), CT − cyrkulacyjna wanna procesowa, WT − zbiornik płuczący, ST − zbiornik sedymentacyjny, WC − zbiornik zanieczyszczonej cieczy
pofiltracyjnej (koncentratu), OPC − odpływ koncentratu, IPP − dopływ permeatu, OPP − odpływ permeatu,
Kolejne stadia procesu :
− przepompowanie zanieczyszczonej kąpieli (emulsji olejowej) przeznaczonej do
oczyszczenia zbiornika MT,
− przepompowanie zanieczyszczonej kąpieli ze zbiornika MT do zbiornika CT,
− mikrofiltracja - cyrkulacja (CT + MF) i wypływ permeatu do PT,
− dodatki preparatów chemicznych dla przygotowania nowej, odolejonej, kąpieli,
− periodycznie - przepompowywanie koncentratu ( zanieczyszczonej cieczy
pofiltracyjnej) do zbiornika koncentratu WC, płukanie membran
Koncepcja ta posłużyła m. in. do zaprojektowania aparatury do testowania modułów
do mikro- i ultrafiltracji w Pracowni Chemicznej Obróbki Powierzchni Instytutu Mechaniki
Precyzyjnej przedstawionego na rys. 8.3. [4]:
36
Rys. 8.3. Stanowisko do testowania modułów do ultra i mikro filtracji.
MODUŁY FILTRACYJNE Moduły stanowią elementy filtracyjne wraz z obudową. Obudowa wykonana jest z PCV lub CPVC systemu Genova. Dla uszczelnienia elementów filtracyjnych w obudowie zastosowano gumowe O-ringi. W urządzeniu testowym do badań ultra- i mikrofiltracji moduły są rozbieralne, co umożliwia wymianę badanych ceramicznych kształtek filtracyjnych.
POMPA CYRKULACYJNA
- typ -SM 4.02.1, - wydajność - 3.5- 4,5m/h, - moc silnika -1.1 kW, - pobór prądu - 7.8 A, - obroty - 1415 obr./min, - masa - 30 kg.
ROTAMETR - typ - SK-62, - zakres - 20 -200 dm3/h; - średnica dn - 15 mm, - przyłącza - mufy PCV do klejenia.
NACZYNIE PRZEPONOWE DO PŁUKANIA ZWROTNEGO - pojemność całkowita zbiornika - 5 dm3, - pojemność gumowej przepony w stanie bezciśnieniowym - 2.5 dm3
; - materiał przepony - guma typ SBR, - max. temperatura pracy - l000C, - max. ciśnienie pracy - 8 bar.
37
komora sprężonego powietrza
Rys.8.4. Naczynie przeponowe do płukania zwrotnego
PRZETWORNIK PRZEPŁYWU - typ MTWH, - producent - GWF Szwajcaria, - przepływ nominalny - 6 m3/h; - średnica nominalna - 25 mm, - stała impulsowa - 25 dm3/imp, - znak typu - 83.03/22.16, - klasa obciążeń - B. - pozycja pracy - pozioma, - ciśnienie robocze - 16 bar, - temperatura max, - 110o C
CZUJNIK TEMPERATURY - typ - PT 500, - zakres pomiarowy - 0 150o C, - zakres różnicy temperatur - 3 150o C. - rezystor termometryczny - 500Ω klasa B, - dopuszczalne ciśnienie - 16 bar, - przewód przyłączeniowy - kabel silnikowy 2x 0.25 mm2, długość - 2.5 m.
PRZETWORNIK ELEKTRONICZNY
Przetwornik elektroniczny jest zaadaptowanym przelicznikiem do ciepłomierza. Przeznaczony jest do pomiaru zużycia energii cieplnej o mocy od 100 W do 100 MW, w którym czynnikiem grzewczym jest woda. W skład ciepłomierza typu CQM wchodzą:
- mikroprocesorowy przelicznik wskazującej - rejestrujący typ - LPMW, - wodomierz (przetwornik przepływu) MTWM, - para czujników PT500.
W urządzeniu testowym przelicznik jest wykorzystywany głównie jako wskaźnik
przepływu emulsji cyrkulującej oraz wskaźnik temperatury. Ponadto, ma on możliwość pomiaru następujących danych, które mogą być przydatne w badaniach modułów filtracyjnych:
wylot filtratu
wlot filtratu
gumowa przepona
38
- para czujników PT500 - zużyta energia cieplna w GJ, - całkowita objętość w czasie pomiarów, - temperatura na wejściu i wyjściu z układu membran. - moc chwilowa. - przepływ chwilowy, - kod błędów, - dane dodatkowe w trybie serwisowym.
SKRZYNKA STEROWNICZA
Rys. 8.5. Schemat aparatury do prowadzenia procesu ultrafiltracji: 1 - zbiornik; 2 - wymiennik ciepła; 3 - pompa; 4 - przewód ssący; 5 -
przewód tłoczny; 6 - przewód bocznikujący; 7 - moduł ultrafiltracyjny; 8 - odprowadzenie permeatu; 9 - zawór
bezpieczeństwa; 10 - zawory;11 - manometry; 12 -termometr; 13 - telerotametr
W pracy K. Konieczny i M. Bodzek [5] proces ultrafiltracji prowadzono stosując
aparaturę wyposażoną w moduł membranowy z membranami w kształcie rury (rys. 8.6). W układzie badawczym zastosowano pompę z regulowaną wydajnością, zbiornik
wyposażono w chłodnicę spiralną połączoną z ultratermostatem dla utrzymania żądanej temperatury w układzie. Do zapewnienia wymaganego strumienia objętościowego nad powierzchnią membrany oraz ciśnienia służyły zawory odcinające i dławiący przepływ zawór redukcyjny. Układ wyposażono ponadto w manometry oraz telerotametr. Wypływający z modułu permeat zbierano w cylindrze miarowym.
Ultrafiltrację roztworów modelowych krzemionki koloidalnej oraz ścieków emulsyjnych prowadzono sposobem szarżowym z pełną recyrkulacją roztworu przy stałym w danej szarży stężeniu (rys. 8.6).
39
Rys. 8.6. Schemat szarżowego sposobu prowadzenia procesu ultrafiltracyjnego z pełną recyrkulacją.
Permeat zawracano do zbiornika, pobierając co 900 sekund próbki do analizy. Dla
danego rodzaju membrany określano najkorzystniejsze ciśnienie procesu w zakresie 0,05-
0,3 MPa oraz prędkość liniową cieczy w module w zakresie 1-4 m/s. Określano również
wpływ stężenia na efektywność procesu ultrafiltracji. Dobrą powtarzalność wyników
uzyskiwano wykonując każdą szarżę w stałych warunkach temperatury, pH, ciśnienia,
prędkości liniowej i stężenia.
Efektywność procesu określano przez pomiar objętościowego strumienia permeatu oraz analizę chemiczną badanej wody lub ścieków na zawartość krzemionki koloidalnej w przypadku wód oraz zawartości oleju i ChZT w przypadku ścieków emulsyjnych. Dla farb emulsyjnych analizy obejmowały przewodnictwo właściwe i suchą pozostałość.
W latach 2000-2004 A. Kołtuniewicz et al. opublikował szereg artykułów [6,7,8,9] dotyczących problemu usuwania oleju z emulsji wodno-olejowych przy pomocy filtracji na membranach polimerowych i ceramicznych. Proces filtracji badany był na aparaturze której schemat przedstawiono na rys. 8.7.
40
Rys. 8.7. Schemat aparatury badawczej: 1 - Filtracja końcowa (dead-end), 2 - Filtracja krzyżowa (cross-flow), 3 - zbiornik , 4 -płaszcz wodny, 5.- termostat, 6- pompa. 7 - przepływomierz, 8 - moduł Pleiade, 9 - BFM, 10 - zawór, 11 - komputer rejestrujący.
W pracach tych porównywano działanie membran polimerowych Milipore 0,45 µm oraz Gelman 0,1 µm, z membranami ceramicznymi Ceramesch 0,1 um. W badaniach stosowane były płytowe moduły Plejadę" i moduły rurowe Membralox". Jednym z głównych wniosków wynikających z tych badań było stwierdzenie, że membrany ceramiczne charakteryzują się lepszymi osiągami niż membrany polimerowe [6], Strumień permeatu dla membran ceramicznych był większy i bardziej stabilny Membrany ceramiczne były mniej podatne na blokowanie porów i bardziej wrażliwe na regulację przy pomocy odpowiedniej aparatury.
Przydatność membran ceramicznych w procesach oczyszczania i regeneracji zaolejonych kąpieli myjących w zakładach obróbki powierzchni metal potwierdziły również badania wykonane w Zespole Ceramiki Specjalnej na Wydziale Chemicznym P.W. [11]. Przeprowadzone badania filtracji na elementach jedno- i wielokanałowych pokrytych warstwami mikrofiltracyjnymi z tlenku cyrkonu bądź z tlenki glinu wykazały że membrany te o przeciętnej wielkości porów powierzchniowej warstwy mikrofiltracyjnej około 0,1 µm charakteryzują się wysokimi wydajnościami objętościowymi strumieni filtratu przy ciśnieniu rzędu 0,3 MPa (dane dla zabrudzonej kąpieli alkalicznej):
membrana Q (warstwa mikrofiltracyjna ZrO2 grubość -11 µm) -0,5899xl0-V/m2s
membrana Z (warstwa mikrofiltracyjna A12O3 grubość 20 µm) - 0,8848x10V/m2s
41
Filtrowano następujące media:
wodę destylowaną o określonej przewodności i temperaturze,
wodę wodociągową o określonej przewodności i temperaturze,
kąpiel alkaliczną czystą,
kąpiel alkaliczną zabrudzoną. W skład kąpieli alkalicznej wchodziły trzy podstawowe typy soli nieorganicznych, a
mianowicie: metakrzemian sodowy, węglan sodowy i fosforan trój sodowy - w proporcjach
wagowych: 1:1:1 - oraz niejonowy środek powierzchniowo czynny - Rokafenol N8P14.
Stężenie kąpieli wynosiło 31,0 g/l, w tym 30,0 g/l stanowiła część nieorganiczną i 1 g/l
środek powierzchniowo czynny. Kąpiele przygotowywano na wodzie wodociągowej.
Kąpiel alkaliczną zabrudzoną uzyskiwano dodając do kąpieli czystej standardowe
zanieczyszczenie (w ilości 5g/l) o następującym składzie: Ratak MF-75 - 60% wag.
(nie emulgujący olej do tłoczenia), Ratak MF-10 - 16%(olej emulgujący do tłoczenia),
Abticorit RP4107S - 20% wag. (olej antykorozyjny do konserwacji elementów ze stali
i żeliwa), olej maszynowy AN.15 - 2%. Zanieczyszczenia te były oznaczane analitycznie
jako ekstrakt eterowy.
Dla kąpieli alkalicznej czystej i zabrudzonej wykonano również przed filtracją i po filtracji, po 1 i 2 h oraz po płukaniu wstępnym następujące oznaczenia: odczynu pH, zasadowości, węglanów, fosforanów, krzemianów, SPC niejonowego, Ch.Z.T., ekstraktu eterowego i współczynników retencji.
Dla najistotniejszych składników cieczy myjących, tj.: dla Ch.Z.T. oraz ekstraktu eterowego współczynniki retencji wyniosły dla:
Ch.Z.T. od 0,66 do 0,9, a
ekstraktu eterowego od 0,91 do 0,97.
Wyżej omówione wyniki dotyczyły membran jednootworowych. Przeprowadzone badania właściwości filtracyjnych membran siedmio otworowych z warstwą mikrofiltracyjną na półtechnicznym stanowisku w Instytucie Mechaniki Precyzyjnej potwierdziły możliwość usuwania zanieczyszczeń olejowych w 95% przy stosunkowo niewielkim zatrzymaniu składników użytecznych (węglanów, krzemianów, fosforanów) - rzędu 5 - 15%.
Uzyskane wyniki były porównywalne z efektami otrzymanymi dla komercyjnych membran francuskich [10], dla których zatrzymanie zanieczyszczeń olejowych było rzędu 93-98%.
42
Przytoczone wyniki usuwania zanieczyszczeń olejowych z kąpieli wodnych
myjących powierzchnie metali pozwalają na przedstawienie następującej wstępnej koncepcji
doboru urządzeń i aparatury do regeneracji okresowej (nieciągłej) kąpieli myjących
powierzchnie metali:
Aparatura powinna być mobilna, to jest jej gabaryty i ogólna masa
powinny pozwalać na umieszczenie jej na samochodzie ciężarowym.
Aparatura powinna obejmować:
− moduł mikrofiltracyjny składający się z ceramicznych
mikrofiltracyjnych membran rurowych,
− pompy cyrkulacyjnej wykonanej z materiałów odpornych na korozję.
− 2 zbiorników umożliwiających przepompowanie oczyszczonej kąpieli (permeatu) i roztworu zatężonego (zawierającego zanieczyszczenia olejowe) z wanny. Przy założeniu, że aparatura jest przeznaczona do oczyszczania wanien pojemności poniżej 1 m3. masa takich zbiorników po napełnieniu nie powinna przekroczyć 1,2 t.
− aparatura powinna być wyposażona w panel sterujący umożliwiający kontrolę ciśnienia i szybkości przepływu podczas procesu filtracji/oczyszczania wanny.
− po zakończeniu filtracji opróżniona wanna jest myta a następnie napełniana oczyszczoną kąpielą która po uzupełnieniu składników nieorganicznych może wrócić do obiegu technologicznego.
9. Opracowanie koncepcji przenośnej aparatury do regeneracji kąpieli myjących - opracował dr hab.1nż. Wojciech Piątkiewicz
1. Parametry instalacji. Założenia: Objętość ścieku: 1m3
Rodzaj ścieku : kąpiel myjąca Cel: odolejanie i regeneracja kąpieli myjącej.
1.1 Wielkość instalacji.
− Wielkość instalacji jest kompromisem pomiędzy kosztami instalacyjnymi i
gabarytami z jednej strony a czasem oczyszczania ścieku. Biorąc pod uwagę
przewidywane zastosowanie oraz usługowy charakter instalacji proponuje się
43
zastosowanie kompaktu filtrującego zawierającego cztery membrany tj. o powierzchni
wymiany ≅ 0,25 m2 ,
− Na podstawie posiadanych danych doświadczalnych (własnych i literaturowych)
wielkość UCF przyjęto na poziomie 100 l/m2 x h ,
− Prędkość liniową nadawy w filtrze przyjęto na poziomie 4,5 m/s
1.2 Parametry pompy PM
− Przekrój hydrauliczny S pojedynczej membrany typu Seven Stars:
S = n2
2dπ = 7 *
4)8,2(14,3 2mm ≅ 43 mm2
n ilość kanałów d średnia hydrauliczna pojedynczego kanału.
− Prędkość przepływu nadawy przez pojedynczą membranę [ Q* ] :
Q* = 4,5 m/s x 43 mm2 = 0,7 m3/h
− Wydajność pompy:
Q = Q* x m m ilość membran
Q = 0,7 m3/h x 4 ≡ 2.8 m3/h
− Ciśnienie pracy 1,8 ÷ 2,5 bar Wybrano pompę samozasysająca w wykonaniu SS typu BG11 Katalog Lowara.
4
44
Rys. 9.1. Rys.9. 2. Rzut z przodu Rzut z boku
Szkic przenośnej instalacji do regeneracji kąpieli myjących rysunek bez skali
Oznaczenia:
1. Wózek 2. Pompa 3. Manometr 4. Filtr 5. Skrzynka sterownicza 6. Uchwyt wózka 7. Elastyczny zbrojony wąż z końcówką do odprowadzania koncentratu 8. Węże PE
! kompresor skrzynka sterownicza ! filtr skrzynka sterownicza ! odprowadzenie filtru
9. Nastawnik cyklu Back Flush 10. Kabel zasilający 11. Włącznik główny 12. Elastyczny, zbrojony wąż z końcówką do pobierania nadawy.
45
Orientacyjna wycena aparatury. Materiały : Pompa 3000 PLN + VAT Filtr 2100 PLN + VAT Wózek 800 PLN + VAT Manometr 250 PLN + VAT Normalia 250 PLN + VAT
Skrzynka sterownicza 3500 PLN + VAT Robocizna : Prace warsztatowe 2500 PLN + VAT Prace montażowe 1000 PLN + VAT RAZEM : Materiały ca 10000 PLN + VAT
Robocizna ca 3500 PLN + VAT ca 13500 PLN + VAT Sugerowana cena sprzedaży < 20000 PLN + VAT Obliczeniowa wydajność instalacji :
− Wydajność instalacji zależy od stopnia zabrudzenia kąpieli.
− Do obliczenia przyjęto, że stosunek objętości kąpieli odzyskanej. (czystej) do
początkowej (brudnej) wynosi 0,9 ÷ 0,95.
− Proces oczyszczania kąpieli jest oparty o układ batch.
− Prędkość filtracji będzie w trakcie procesu spadać w miarę ubywania kąpieli pierwotnej
(kąpieli brudnej).
Średni czas czyszczenia 1m3 kąpieli zabrudzonej wyniesie dla temperatury pokojowej :
TŚr = η**
9,0*SUFC
Vp
gdzie : UFC - uśredniony współczynnik filtracji, S - powierzchnia membrany, η - współczynnik wypływu czasowego (wypływ Back Flush)
46
TŚr = 95,0*25,0*
*100
9,0*10002
2
3
3
mmh
dmdm
T śr = 38 h.
Zwiększenie wydajności, a więc skrócenie czasu pracy wymaga zwiększenia kosztów
inwestycyjnych głównie po stronie membran.
Cena filtru = cena obudowy + cena membran
Cena filtru = cena obudowy standardowej * ( ∆ D)2 + n * cena pojedynczej membrany.
I tak skrócenie czasy TŚr o połowę podnosi koszty inwestycyjne o około 2,7 razy.
Adresy sugerowanych dostawców : 1. Polymem sp. z o.o. Filtr 00 644 -- Warszawa ul. Polna 48/27 2. LOVARA VOGEL Polska Pompa 40 652 -- Katowice ul. Worcella 16 Dostawcy alternatywni: 1. BIO DESIGN LIMITED Filtr PO BOX 301 Horsham West Sussex RH12 2YE UK 2. GRUNDFOS POMPY Sp. z o.o. Oddz. Warszawa ul. Puławska 387 02 801 Warszawa
10. Dyskusja wyników i wnioski
Wykorzystywanie membran mikrofiltracyjnych w układzie filtracji krzyżowej do
rozdziału fazy wodnej i olejowej ma swoją ugruntowaną tradycję [11,12,13].
47
Problem kontroli nad przedostawaniem się związków ropopochodnych do środowiska
naturalnego a w szczególności do wód powierzchniowych jest znany od dawna (wody
zenzowe, chłodziwa, kąpiele myjące, kąpiele galwaniczne, wody burzowe w dużych
aglomeracjach miejskich, ścieki bytowe, inne). Rozwój technik membranowych przeżywa
swój rozkwit, a rynek ten w skali globalnej wg danych z 1999 [14] był oceniany na kwotę
około 4 miliardów dolarów z tendencją wzrostową na poziomie około 8% w skali roku.
Około połowa tego rynku w latach 90-tych była związana z zastosowaniami
medycznymi (dializoterapia, oksygenacja krwi, plazmafereza). W ostatnich kilku latach
obserwuje się istotne zmniejszenie zapotrzebowania na membrany w sektorze medycznym
(dializoterapia) ze względu na permanentny wzrost wydatków na ten cel. Wzrost średniej
przeżywalności, a co za tym idzie, wzrost ogólnej ilości pacjentów powoduje ciągły lawinowo
narastający wzrost wydatków pokrywanych ze środków towarzystw ubezpieczeniowych.
Ostrzejsze przepisy kwalifikacyjne, wielokrotne stosowanie tego samego dializatora a także
pojawienie się technik zastępczych (dializa otrzewnowa, transplantacja) spowodowały
zauważalną redukcje zapotrzebowania na dializatory. Na przykładzie dializoterapii można
zaobserwować znaną zależność ekonomiczną jaka zachodzi pomiędzy wielkości rynku a cena
produktu. Ceny membran do dializoterapii osiągnęły niebywale niski poziom (około 4 USD
za metr kwadratowy powierzchni wymiany). Podobne zjawisko obserwujemy w sektorze
membran RO (demineralizacja i odsalanie wody) tutaj cena za 1 metr kwadratowy
membrany w gotowym produkcie u dystrybutora waha się w granicach około 10 USD. Ceny
membran specjalistycznych w obszarach rynkowych o niewielkim zapotrzebowaniu sięgają
obecnie kwot 500 EUR/metr kwadratowy. Podane wyżej ceny dotyczą wyłącznie membran
polimerowych. W przypadku membran ceramicznych ceny te wahają się w granicach około
800 1000 EUR/metr kwadratowy, a więc około 2-3 razy więcej od cen analogów
polimerowych. W porównaniu z membranami polimerowymi membrany ceramiczne oprócz
ewidentnej wady cenowej mają kilka poważnych zalet, a mianowicie:
# znacznie dłuższą żywotność
# dużą odporność na agresywne substancje chemiczne
# znacznie wyższą wytrzymałość mechaniczną
# znacznie wyższą wytrzymałość temperaturową
Podstawowe wady membran ceramicznych to:
# mniejszy wachlarz oferty (brak membran RO)
# wyższa cena w przeliczeniu na jeden metr kwadratowy powierzchni
wymiany
48
# kruchość
# duża objętość w przeliczeniu na jeden metr kwadratowy powierzchni
membrany
Jak wynika z przeprowadzonych badań, a także z doniesień literaturowych, membrany
mikrofiltracyjne nadają się doskonale do rozdziału wielu mieszanin dwufazowych, w tym
emulsji olejowo wodnych. Ważniejsze zastosowania to:
# Usuwanie wody z paliw ropopochodnych
# Odolejanie kąpieli myjących
# Odolejanie wody (wody popłuczne po myciu cystern)
# Odolejanie wód opadowych (stacje paliwowe, bazy paliwowe itp.)
# Obróbka wód zenzowych
# Odolejanie wód na myjniach (samochody, wagony kolejowe itp.)
# Uzdatnianie chłodziw w zakładach mechanicznych
Przeprowadzone badania własne oraz w innych ośrodkach badawczych wykazały , że
wykorzystanie membran do odolejania wody (lub roztworów wodnych) jest jedna z
najbardziej ekonomicznie skutecznych metod dostępnych w obecnym okresie.
Przeprowadzone badania na Wydziale Inżynierii Chemicznej i Procesowej Politechniki
Warszawskiej wykazały, ze za pomocą membran mikrofiltracyjnych o średniej wielkości
porów równej 0,2 mikrometra można pozyskać filtrat o zawartości ropopochodnych w
granicach 4-8 ppm dla olejów ciężkich (smary, ropa, mazut, oleje samochodowe) oraz w
granicach do 40 ppm w przypadków olejów lekkich. Podana skuteczność zatrzymywania
substancji ropopochodnych na membranach mikrofiltracyjnych jest możliwa w przypadku
gdy zawartość olejów w oczyszczanej cieczy nie przekracza 1-2%. Jeżeli stopień
zanieczyszczenia jest wyższy to należy stosować przed stopniem membranowych inne układy
wstępnie redukujące zawartość oleju w oczyszczanej cieczy (np. filtry koalescencyjne). Taki
stopień oczyszczenia jest w większości przypadków jest wystarczający. Jeżeli wymagania
techniczne bądź prawne wymagają dokładniejszego oczyszczenia to należy stosować kolejne
stopnie (ultrafiltracja, odwrócona osmoza). Nie należy stosować bezpośrednio, tj z
pominięciem membran o większej gradacji porów bardziej czułych metod (ultrafiltracja,
odwrócona osmoza) ponieważ będzie to prowadzić do dużych i kosztownych instalacji
(zarówno w sensie inwestycyjnym jak i eksploatacyjnym). Jak wykazały badania należy
49
przestrzegać następującej zasady im ciaśniejsza membrana tym mniejsza zawartość oleju
w oczyszczanej cieczy.
Kolejne ważne spostrzeżenie wynikające z przeprowadzonych badań to fakt, iż różne
oleje w różny sposób reagują na proces zagęszczania. Najszybciej udawało się oddzielać oleje
przepracowane tj., oleje których własności smarne znacznej większości zostały wyczerpane.
Oleje świeże (nie używane) w zauważalnie wolniej dawały się separować jednak
skuteczność separacji mierzona stosunkiem zawartości ropopochodnych w koncentracie do
zawartości ropopochodnych w filtracie (zarówno dla olejów świeżych, jak i olejów
przepracowanych) była bardzo wysoka i wynosiła w granicach 1000 10000.
W części ekonomicznej niniejszych rozważań należy zauważyć, że im większa
instalacja tym większe koszty inwestycyjne i eksploatacyjne, ale jednocześnie większa
wydajność. Małe instalacje to mniejsze koszty inwestycyjne, mniejsze koszty eksploatacyjne,
ale i mniejsza wydajność. Przed podjęciem decyzji co do wielkości zamawianej stacji
filtracyjnej należy przeprowadzić rachunek obliczając:
# Koszt inwestycji
# Czas zwrotu
# Koszty eksploatacyjne
− Koszty eksploatacji bieżącej
− Koszty elementów szybko zużywających się
− Koszty elementów wolno zużywalnych
− Koszty serwisu
− Koszty energii
− Koszty osobowe
Po stronie przychodów (korzyści) należy uwzględnić, miedzy innymi, takie składniki
jak:
# Redukcja kosztów związanych z opłatą za korzystanie ze środowiska
# Potencjalne kary i groźba zamknięcia zakładu
# Korzyści wynikające z poprawy jakości produkcji.
Należy przeprowadzić analizę także analizę porównawczą pomiędzy metodą
membranową, a innymi znanymi sposobami odolejania cieczy. Należy także pamiętać, ze
wzrost ceny instalacji membranowej nie idzie w parze z jej wielkością mierzoną powierzchnia
50
filtracyjną. Generalnie im większa stacja tym większa cena, z tym, że cena stacji rośnie
znacznie wolniej niż jej wydajność. Dla małych stacji membranowych koszt instalacji to
nawet ośmiokrotny koszt zainstalowanych membran. Dla stacji dużych współczynnik ten
(noszący orientacyjny charakter) spada nawet do 3.
11. Literatura
1. ABAG - Projektbereicht Verminderung von Restoffen aus Kombinierten Einfettung/Phosphattiierung durch Mikro-/Ultrafiltration", czerwiec 1995;
2. Schwweiring H,. Golich P., Kemp A,. Crossflow microfiltration for extending the service of aąueous alkal degreasing solutiom, Plant.a. Surf. Fin. Nr.4, 1993;
3. Błachowicz E., Olszewski. J, Raabe J., Zieleniak T. Ceramic membranes for filtration of alkaline solutions used as washing bath of metalic surfaces. CHISA 2002, Praha 25-29 August 2002;
4. Sprawozdanie z realizacji projektu badawczego KBN Nr 7 T08 011 17: Opracowanie podstawowej technologii wytwarzania ceramicznych elementów do mikro- i ultrafiltracji. Kierownik projektu: J. Raabe.
5. Konieczny K., Bodzek M., -Oczyszczanie ścieków emulsyjnych za pomocą mikrofiltracyjnych i ultrafiltracyjnych membran ceramicznych Archiwum Ochrony Środowiska, No. 1(1992);
6. Kołtuniewicz A.B., Field R, W,.Arnot T.C., Cross-flow and dead end micro-filtration oily water emulsion; Part I: Exprimental study and analysis of flux decline. Journal of Membrane Science 102 (1995) 193-207;
7. Kołtuniewicz A.B,. Fiełd R.W.,Process factors during oil-in-water emulsion with cross-flow microfiltration. Desalination 105 (1996) 79-89.
8. Arnot T.C., Field R.W., Kołtuniewicz A.B., Cross-flow and dead-end mikrotllration of oily-water emulsions. Part II, Mechanisms and modeling of flux decline. Journal of Membrane Science 189 (2000) 1-15;
9. Kołtuniewicz A.B., Witek A., Bezak A,. Efficeiency of membranę sorpcion integrated process. Journal of Membranę Science 230 (2994) 129-141;
10. Sprawozdanie z realizacji umowy z IMP opracowane przez J. Raabe. Zespół Ceramiki
Specjalnej, Wydział Chemiczny Politechniki Warszawskiej. Warszawa 1995;
11. R.Rautenbach, R.Albrecht, Membrane Processes, John Wiley & Sons1989
12. R.J Wakeman & E.S. Terleton, Filtration, Equipment Selection Modeling and Process
Simulation, Elsevier Advanced Technology,1999
51
13. Michał Bodzek, Jolanta Bohdziewicz, Krystyna Konieczny, Techniki membranowe w
ochronie środowiska, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej - 1997
14. An International News Letter Membrane Technology, Sep.1999, No.113