Разработки ФГУП «ГНЦ РФ - ФЭИ» в области очистки воды

докладчик: начальник лаборатории фильтрации жидкостей и газовЯгодкин Иван Васильевич

Федеральное агентство по атомной энергииГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ – ФИЗИКО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им. А.И. Лейпунского

Круглый стол «Чистая вода: опыт реализации инновационных проектов в рамках федеральных

целевых программ Минобрнауки России» 21 октября 2010 г.

Международный форум «Чистая вода-2010»г. Москва, 20-24 октября 2010 г.

Очистка жидкости в бытовых

отопительных системах

Утилизация моющих

растворов

Очистка сред в экстремальных

условиях

Направления работ

Очистка технических масел

Очистка гальванических растворов

Очистка жидких металлов

Другие применения

Опреснение морской воды

Технические жидкости

Пищевые жидкости

Производство питьевой воды

Переработка промотходов (ЖРО и др.)

Основные направления работ лаборатории по очистке жидких сред

Схема технологии формирования наноструктурного покрытия

По

ри

стая

по

дл

ож

ка

Наноструктурное покрытие

ПлазмаКатод

Пористая подложка из полиэтилена

70 мм

h =

250

мм

Мембрана

Структура поверхности наноструктурной мембраны

30 nm

Схема удержания частиц на поверхности наноструктурной мембраны

Заг

ря

знен

на

я

во

да

Кр

упн

оп

ор

ист

ая

по

дл

ож

ка

Нан

ост

рук

тур

ная

мем

бр

ана

(ди

амет

р «

во

ло

ска»

~ 1

0-20

нм

, в

ысо

та «

во

ло

ска

» ~

10-

13 м

км)

Структура поверхности

и среза мембраны

10 мкм

Плазмохимическая технология позволяет выращивать требуемые наноструктурные мембраны из наноразмерных «волосковых» элементов с заданными свойствами и развитыми наноразмерными щелевыми фильтрующими порами между ними. Это новый класс фильтрующих материалов, обладающий рядом технико-экономических преимуществ.

30 nm

Структура поверхности

мембраны

ПоказательЭффективность

очистки, %

Частицы диаметром 0.1 – 0.25 мкм

99 - 100

Общее железо 92 – 95

Медь 99 – 100

Алюминий 99 – 100

ПоказательЭффективность

очистки, %

Цинк 88 – 95

Свинец 90 – 77

Бактерии E-coli 99 - 100

Прозрачность Двойной дистиллят

Свойства наноструктурной мембраныМембрана Пористый полиэтилен

Слой осадков

Исходная вода

Очищенная прозрачная

вода

Взвеси Бактерии E.Coli (кишечная палочка) характерный размер – 1 - 2 мкм

без взвесей, E.coli

Наноструктурная мембрана обеспечивает:- практически полную очистку от взвесей, включая взвеси соединений железа (ржавчина), с максимальной прозрачностью воды после мембраны; - полную очистку от большинства бактерий, включая бактерии E.Coli (кишечная палочка). Таким образом является практически стерилизующей мембраной.

Трековая (0,4 мкм)

Владипор (0,45 мкм)

Наноструктурная (0,1 – 0,3 мкм)

ПРЕИМУЩЕСТВА ФИЛЬТРУЮЩЕГО ЭЛЕМЕНТА С НАНОСТРУКТУРНЫМИ МЕМБРАНАМИ

ПРЕИМУЩЕСТВА:

• Рекордно низкое гидродинамическое сопротивление и высокая производительность• Высокая механическая прочность • Низкая адгезионная способность поверхности к очищаемым осадкам• Возможность многократной регенерации без разборки• Полное удаление нерастворенных примесей более 0,2 мкм и бактерий• Высокий ресурс работы• Возможность использования тонкодисперсных сорбентов.

Пер

епад

да

влен

ия,

МП

а

Скорость фильтрации, м3/ч*м2

Нерастворенные примеси, бактерии

ЦИКЛ «ФИЛЬТРАЦИЯ – РЕГЕНЕРАЦИЯ» СРАВНЕНИЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

ОЧИСТКА ОТ ПРИМЕСЕЙ

Фильтрующие элементы с наноструктурными мембранами

Наноструктурный материал

Однослойный однокомпонентный

Ti Zr Al TiN TiO2 AlN

Ni Sn Bi BiO2 SnN и др.

Однослойный многокомпонентный

Ti, Zr NiN, AlN TiO2, SnO2, AlO2

Zr, Al TiO2, BiO2 NiN, AlN, SnN

Al, Ni BiN, NiN и др.

Многослойный

Ti + Al TiN, AlN + Ni Cu, Ti + Zr

Cu + TiO2 , AlO2 Ti + Zr + NiN, AlN

TiN + Zr,Al + Cu,Ti Ti + NiN + TiO2

BiN, NiN + TiO2 и др.

Толщина подложки 1–30 мм

Толщина мембраны 5-15 мкм

Применение

Переработка жидких радиоактивных отходов

Очистка воды первого контура на АЭС

Очистка спецпрачечных и трапных вод

Получение питьевой воды повышенного качества

Высокотемпературная фильтрация паро-газовой смеси

Глубокая очистка технической воды

Очистка агрессивных жидкостей

Опреснение морской воды

Очистка теплоносителей в бытовых системах

Утилизация моющих растворов

Очистка гальванических растворов

Сбор ценных взвесей из суспензии

Очистка масел и топлив

Очистка жидких сред при высоких давлениях

и др.

Подложка

Керамика

Металлы и сплавы

Полимеры

Макетные образцы коррозионностойких фильтрующих элементов с плазмохимическими наноструктурными мембранами

Фильтрующий элемент: • пористая подложка (1) – керамика (волостонит); • наноструктурная мембрана (2) - Zr,Ti + AlN. Свойства:• максимальная температура эксплуатации - до 1000 °С;• максимальное давление - до 30 МПа;• скорость фильтрации - не менее 100 л/час;• тонкость очистки – не более 0,15 мкм.Недостатки: хрупкость подложки, малый опыт использования керамики в условиях АЭС; высокая стоимость.

1

1 2

Фильтрующий элемент: • пористая подложка (1) – нержавеющая сталь; • наноструктурная мембрана (2) - Zr,Ti + TiN. Свойства:• максимальная температура эксплуатации - до 350 °С;• максимальное давление - до 16 МПа;• скорость фильтрации - не менее 150 л/час;• тонкость очистки – не более 0,3 мкм. 2

10 мкм

10 мкм

Подложка

Мембрана

Подложка

Мембрана

Актуальность разработки оборудования для очистки индустриальных масел

• В энергетике в настоящее время методы очистки основаны на фильтрации среды и задержании загрязнений в объеме фильтроэлементов (фирмы HYDAC, PALL, PARKER, EPPENSTEINER - одноразовое использование, нерегенерируемые фильтроэлементы).

• Стоимость одноразовой очистки турбинных масел на энергоустановках России составляет примерно до 7.7 млрд. руб., с учетом энергетической мощности ТЭС и АЭС России в 175 МВт (эл.).

• В авиационно-космической технике. Третья часть всех аварий и катастроф самолетов обусловлены загрязнениями в топливе («Фильтры и системы фильтрации для мобильных машин» Г.С. Бродский, Москва, 2004).

Модуль электрофизической

очистки (первая ступень)

Модуль сорбционной очистки (вторая ступень)

Модуль мембранной очистки (финишная

очистка)

Блок-схема комплексной системы очистки энергетических, трансформаторных, транспортных масел и топлива

Очищаемая среда

Энергетическое масло Трансформаторное масло

Транспортное масло

Дизельное топливо

очистка с 17 класса до 6 класса по ГОСТ 17216.

Очистка с 8 – 6 класса до 4 – 00 класса по ГОСТ 17216.

Снижение кислотного числа и влагосодержания

Технология изготовления пористых подложек

Для изготовления пористой подложки используется порошок

сверхвысокомолекулярного полиэтилена.

Р

Т, t

Р

Исходный порошок

полиэтилена

Загрузка пресс-формы

Спекание

Выталкивание пористой подложки

Т, t

Т, t

План размещения оборудования для мелкосерийного производства фильтрующих элементов с наноструктурными мембранами

Инженерная комната

Загрузка форм порошком

полиэтилена

Присоединение адаптеров

Подготовка форм

Раздевалка

Чистка формСпекание пористых

подложек

Выталкивание пористых подложек

Нанесение наноструктурны

х мембран

Обрезка подложек

в размер

Контроль качества фильтрующих

элементов

Цех серийного производства мембранных фильтрующих элементов

Мощность производства при двухсменной работе 100 000 шт./год.Площадь производства более 200 м2.10 октября 2009 г. закончены ремонтно-строительные работы, на них затрачено 5,1 млн. руб., из них: средства МНТЦ – 1,9 млн. руб.; собственные средства ФЭИ – 3,2 млн. руб..Закуплено и подготовлено к монтажу и пуско-наладке более 30 единиц стандартного оборудования на сумму 9,8 млн. руб., из них: средства МНТЦ – 4,5 млн. руб.; привлеченные средства – 5,3 млн. руб.В настоящее время идет работа по подготовке документации к сдаче производства (технологический процесс, система контроля качества фильтрующих элементов, пооперационный контроль и др.).

Участок спекания катриджей Участок плазмохимического напыления

Партия фильтрующих элементов

Фильтрующие элементы с наноструктурными мембранами на пористой полимерной подложке

Поставочные партии фильтрующих элементов более 1500 шт. (филиал «Текстильщики» ФГУП «Красная звезда», ЖКХ г. Калуга и др.) для использования в системе очистки жидких радиоактивных отходов и получения питьевой воды.

Проведены переговоры с ЗАО «Системы спасения» о создании мобильной сорбционно-мембранной установки переработки дезактивирующих растворов (по заказу МЧС).

Начата работа по созданию системы очистки высокоагрессивных пульп от мелкодисперсных сорбентов (от 50 нм до 10 мкм.) для ЗАО «ТехМаш».

Потенциальные заказы на поставку фильтрующих элементов – более 50 тыс.шт./год

Самоочищающиеся фильтры с фильтрующими элементами с наноструктурными мембранами

Тонкость фильтрации

Толщина мембраны

Допустимый перепад давления

Эффективность очистки от взвесей

Производительность

Материал картриджа

Материал мембраны

Материал корпуса фильтра

Очистка поверхности мембраны от взвесей

0.1 – 0.3 мкм

7 – 12 мкм

0.2 – 0.4 МПа

100 %

700 л/ч

пористый полиэтилен

Ti, TiN, AlN и др.

нержавеющая сталь

обратным гидроимпульсом

0.1 – 0.3 мкм

7 – 12 мкм

0.2 – 0.4 МПа

100 %

100 л/ч

пористый полиэтилен

Ti, TiN, AlN и др.

нержавеющая сталь

обратным гидроимпульсом

СФИНКС–01 СФИНКС–07

Разработана конструкция и заключен договор на поставку (декабрь 2009 г.) фильтроэлементов (300 шт.) и системы очистки питьевой воды производительностью до 5 м3/ч для вводимого в эксплуатацию элитного строительного объекта социального назначения по заказу ЗАО «Экострой» (г.Калуга).

Внешний вид системы очистки питьевой воды (D = 580 мм, L = 900 мм, количество фильтрующих элементов с наноструктурными мембранами – 30 шт.)

Мембранные самоочищающиеся фильтры

Схема сорбционно-мембранной технологии переработки жидких радиоактивных отходов

ЖРО с активностью АН

Загрузка модифицированного трепела

Статическая сорбция

ЖРО + трепел

Осветлениаяжидкость

Осадок

Финишная динамическая

сорбция

Микро-, ультра-, нанофильтрация

Цементи-рованиеЦементный

камень

Радио-нуклид

Начальнаяактивность

АН, Бк/л

Конечная активность

АК , Бк/л

137Cs 3,1 104 < 1

90Sr 8,3 104 < 5

Результаты очистки ЖРО

Коэффициент кратности уменьшения объема ЖРО

К = VЖРО/VЦК до 60

Коагуляция + отстой

VЖРО – объем ЖРО

VЦК – объем цементного камня

Очищенная водно-солевой растворс активностью – АК

Опытно-демонстрационная установка по переработке

реальных жидких радиоактивных отходов

Проектная производительность по среднеактивным, среднесолевым ЖРО ~ 100 л/ч

Радиоактивность 137Cs = 3,1 104 Бк/л 90Sr = 8,3 104 Бк/л 60Со = 1,0 ∙ 103 Бк/л Солесодержание < 25 г/л

Исходные данные ЖРО:

Конечные растворы:

Радиоактивность 137Cs < 1 Бк/л (ПДК = 11 Бк/л) 90Sr < 5 Бк/л (ПДК = 5 Бк/л) 60Со = 24 Бк/л (ПДК = 41 Бк/л)Солесодержание < 25 г/л

ПРИМЕНЕНИЕ без дополнительной модификации: Очистка природной воды из любых водоисточников после модификации: Фармацевтическая промышленность Пищевая промышленность Предприятия ТЭК для подготовки технической воды Металлургические предприятия для очистки оборотной воды

Базовый вариант комплекса оборудования для получения питьевой воды высокого качества

Чистая вода

Ca++, Mg++

Вода на очисткуМодуль

предварительной очистки

Грубодисперсные взвеси

Модуль окисления кислородом

Fe++→ Fe+++

Модуль умягчения воды и

поглощения вредных растворенных

примесей

Природный сорбент(трепел и др.)

Модуль с плазмохимическими наноструктурными

мембранами

Микро- и нановзвеси

Модуль ультрафиолетового

обеззараживания

Керамический кислородный насос

О2 + N2 N2

O2

Резюме

Разработана технология нового класса фильтрующих материалов на основе плазмохимической технологии формирования наноструктурной мембраны.

Разработаны конструкции фильтров различной производительности для доочистки воды до достижения параметров высокого качества.

Подготовлено производство фильтрующих элементов с наноструктурными мембранами.

Разработана концепция создания комплекса оборудования для получения питьевой воды высокого качества.

Целесообразно рассмотреть открытие финансирования в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы» по реализации разработанной концепции создания комплекса оборудования для получения питьевой воды высокого качества.

Благодарю за внимание

Модуль предварительной очистки

очищенный поток

отстойник

Неочищенный поток

(0,85 -0,9)G0

(0,1 -0,15)G0

НОВИЗНАВпервые предлагается технология очистки, основанная на управлении дисперсной средой за счет разделения очищаемого потока на две составляющие с организацией тангенциального гидромеханического сноса частиц с фильтрующей поверхности.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ использования данной технологии обусловлена фактом непрерывной самоочистки фильтрующей поверхности от механических примесей, что гарантирует следующие

ПРЕИМУЩЕСТВА ПО СРАВНЕНИЮ С АНАЛОГАМИ • увеличивает ресурс фильтра в 1,5÷2 раза• улучшает технико-экономические характеристики, включая гидравлическое сопротивление (на 15÷25% ниже)• ведет к уменьшению массогабаритных характеристик • обеспечивает более низкую эксплуатационную стоимость (на 20%).

ПРИНЦИП РАБОТЫсочетание гидромеханического струйно-пленочного отделения взвесей и тангенциальной фильтрации на сетчатых элементах

Модуль окисления кислородом

ПРИЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА

I. Твердоэлектролитный кислородный насос выделяет кислород из воздуха

II. Диспергатор: получение пузырьков кислорода в с размерами < 100 мкм в воде.

НОВИЗНАВпервые используется комплекс: высокоэффективный дисковый диспергатор газа в сочетании с твердоэлектролитным кислородным насосом на основе наноструктурированной ионопроводящей керамики, обеспечивающий возможность оперативного регулирования (в том числе и автоматического) скорости обезжелезнивания и деманганации воды.

ПРЕИМУЩЕСТВА• быстрое и глубокое окисление Fe++ в Fe+++ за счет использования чистого кислорода, выделяемого селективно из воздуха, отсутствия азота в газовой фазе и блокировки им поверхности окисления• ускорение на порядок процесса окисления за счет развития поверхности контакта газ – жидкость при микродиспергации• возможность автоматического регулирования подачи кислорода за счет электрохимического принципа работы кислородного насоса• надежность работы, энергоэкономичность, малая металлоемкость• отсутствие необходимости деаэрации отсутствие сменных газовых баллонов

Модуль окисления кислородом

Высокоэффективный дисковый диспергатор

Обеспечивает возможность формирования двухкомпонентных потоков «жидкость – газ» с мелкодисперсной газовой фазой

(<100 мкм) при газосодержании до 3 %об.

- Природные сорбенты биологически инертны, распространены, имеют низкую стоимость.- Использованный сорбент не требует регенерации. - В силу высоких сорбционных характеристик, одновременно с умягчением воды, способны эффективно удалять нитраты, железо, свинец, фториды, нефтепродукты, фенол и др. примеси.- Имеется возможность вторичного использования в качестве строительного материала, удобрений и т.д. или вывоза на полигоны.

ПРЕИМУЩЕСТВА:

Сорбционный модуль. Вариант для питьевой воды

Модуль ультрафиолетовой обработки

ПРЕИМУЩЕСТВА:

• Идеальные условия работы модуля ультрафиолетовой очистки обеспечиваются предшествующим модулем мембранной очистки

• Отсутствие взвесей и прозрачность воды позволяет достигать максимально возможной эффективности УФ-стерилизации и ресурса работы ламп.

• Использование новейших разработок в области взаимодействия ультразвукового и ультрафиолетового воздействия на воду

Внутренний и наружный корпус установки

Ультрафиолетовые лампы

Ультразвуковыепреобразователи

Модуль электрофизической очистки на Смоленской АЭС

Выполнен монтаж электрофизического модуля на байпасной линии Центрального маслохозяйства (бак №8) СмАЭС.Проведены пуско-наладочные испытания, подтверждена работоспособность модуля.

Керамические пористые подложки

Преимущества керамических пористых подложек перед полимерными:

• высокая механическая, химическая, микробиологическая и радиационная стойкость в широком диапазоне температур (вплоть до 1500 °С);• возможность получения керамических пористых подложек с заданным распределением пор по размерам в широком диапазоне;• возможность использования в широком диапазоне дисперсности загрязнений;• возможность регенерации от органических и биологических загрязнений путем высокотемпературной обработки (выжигания);• большой срок службы.

Внешний вид керамических пористых подложек производства ОНПП

«Технология».

Наиболее перспективными материалами для изготовления керамических пористых подложек являются оксид алюминия и волластонит. Преимуществом оксида алюминия и волластонита является низкая цена сырьевых материалов, техническая простота и малая энергоемкость технологий изготовления.

Промышленная база ОНПП «Технология» позволяет производить керамические пористые подложки типовых применяемых форм и размеров в опытно-промышленном масштабе.

Керамические пористые подложки могут быть использованы как самостоятельные изделия так и для нанесения наноструктурных мембран.