Электронная библиотека диссертаций и авторефератов России
dslib.net
Библиотека диссертаций
Навигация
Каталог диссертаций России
Англоязычные диссертации
Диссертации бесплатно
Предстоящие защиты
Рецензии на автореферат
Отчисления авторам
Мой кабинет
Заказы: забрать, оплатить
Мой личный счет
Мой профиль
Мой авторский профиль
Подписки на рассылки



расширенный поиск

Регенерация санитарно-гигиенической воды на основе баромембранных методов для условий длительных космических экспедиций Стариков Сергей Евгеньевич

Регенерация санитарно-гигиенической воды на основе баромембранных методов для условий длительных космических экспедиций
<
Регенерация санитарно-гигиенической воды на основе баромембранных методов для условий длительных космических экспедиций Регенерация санитарно-гигиенической воды на основе баромембранных методов для условий длительных космических экспедиций Регенерация санитарно-гигиенической воды на основе баромембранных методов для условий длительных космических экспедиций Регенерация санитарно-гигиенической воды на основе баромембранных методов для условий длительных космических экспедиций Регенерация санитарно-гигиенической воды на основе баромембранных методов для условий длительных космических экспедиций Регенерация санитарно-гигиенической воды на основе баромембранных методов для условий длительных космических экспедиций Регенерация санитарно-гигиенической воды на основе баромембранных методов для условий длительных космических экспедиций Регенерация санитарно-гигиенической воды на основе баромембранных методов для условий длительных космических экспедиций Регенерация санитарно-гигиенической воды на основе баромембранных методов для условий длительных космических экспедиций Регенерация санитарно-гигиенической воды на основе баромембранных методов для условий длительных космических экспедиций Регенерация санитарно-гигиенической воды на основе баромембранных методов для условий длительных космических экспедиций Регенерация санитарно-гигиенической воды на основе баромембранных методов для условий длительных космических экспедиций
>

Диссертация - 480 руб., доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Стариков Сергей Евгеньевич. Регенерация санитарно-гигиенической воды на основе баромембранных методов для условий длительных космических экспедиций : диссертация ... кандидата технических наук : 05.26.02 / Стариков Сергей Евгеньевич; [Место защиты: Ин-т мед.-биол. проблем].- Москва, 2009.- 142 с.: ил. РГБ ОД, 61 09-5/1353

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Состояние вопроса 11

1.1. Источники регенерируемой воды на борту пилотируемых космических аппаратов 12

1.2. О санитарной обработке текстильных материалов на борту ПКА 14

1.2.1. Состав текстильных материалов на борту ПКА, подлежащих санитарной обработке 15

1.2.2. О санитарно-гигиенической воде, предназначенной для обработки текстильных материалов 19

1.2.3. Состав санитарно-гигиенической воды, полученной от обработки текстильных материалов 20

1.2.3.1. Качественный состав моющих средств 21

1.2.3.2. Состав пота человека 26

1.3. Методы регенерации санитарно-гигиенической воды 27

1.4. Баромембранные процессы 29

1.4.1. Мембраны 29

1.4.2. Общие положения переноса через мембрану 32

1.5. Ультрафильтрация 39

1.5.1. Особенности процесса 40

1.5.2. Основные определения 44

1.5.3. Обратная промывка мембран 46

1.5.4. Забивание мембран 47

1.5.5. Фронтальный и тангенциальный режимы фильтрации 48

1.6. Обратный осмос 50

1.7. Выводы из обзора литературы 62

Глава 2. Лабораторное оборудование, исследованные мембраны и жидкости. методики исследований 64

2.1. Описание экспериментальных установок 64

2.1.1. Плоскорамная электрохимическая ячейка 64

2.1.2. Установка для изучения процесса обратного осмоса 65

2.1.3. Макет системы регенерации СГВ 68

2.2. Методика исследований 71

2.2.1. Исследуемые жидкости и способы их приготовления 71

2.2.2. Исследуемые мембраны 74

2.3. Методика исследования диффузионного процесса во время простоя оборудования 76

2.4. Методика исследования процесса обратного осмоса на ячейке с плоским каналом 78

2.5. Методика исследования процесса ультрафильтрации 78

2.6. Методика измерения коллоидного индекса 79

2.7. Методика исследования процесса обратного осмоса на ячейке с рулонным элементом 81

2.8. Погрешности измерений и оценка точности расчетов 81

Глава 3. Математическое моделирование работы системы регенерации воды 82

3.1. Используемая система регенерации воды 83

3.2. Рабочий цикл системы 84

3.2.1. Используемые приближения 84

3.2.1.1. Учет эффектов, связанных с неламинарностью потока 84

3.2.1.2. Эволюция концентрационной поляризации в нестационарных режимах 86

3.2.1.3. Описание нестационарных процессов в терминах средних концентраций 88

3.2.2. Изменение концентраций в режиме работы 92

3.2.2.1. Объем концентрата 92

3.2.2.2. Объем пермеата 93

3.2.2.3. Буферная емкость 94

3.3. Простой системы 95

Глава 4. Результаты экспериментов и их обсуждение 102

4.1. Нахождение потенциала взаимодействия мембраны и растворенного вещества 102

4.2. Сравнение параметров работы мембран на ячейке с плоским каналом 104

4.3. Зависимость производительности мембран от времени работы и температуры 104

4.4. Многократная регенерация СГВ, полученной в ходе гермокамерного эксперимента с участием человека, на макете баромембранной СРВ 106

4.5. Программа для моделирования 112

Глава 5. Оценка массоэнергетических характеристик системы регенерации санитарно-гигиенической воды, основанной на баромембранных методах 118

Выводы 124

Список использованной литературы 126

Приложение 133

Введение к работе

Развитие космонавтики приближает время осуществления длительных полетов человека к другим планетам и создания инопланетных поселений. Одно из абсолютно необходимых для этого условий - научное и практическое решение проблемы жизнеобеспечения человека, длительно оторванного от привычных условий земной биосферы [46].

Классическое положение естествознания о единстве организма и среды лежит в основе всех творческих поисков создания систем жизнеобеспечения человека, как для длительных полетов на космических кораблях, так и для обитания на Луне и планетах. При этом с ростом автономности и длительности полета возрастают требования к физио лого-гигиеническому комфорту космонавтов [50].

В условиях длительных межпланетных экспедиций, когда невозможна доставка одежды и белья с Земли, а масса и объем запасов становятся слишком большими, целесообразно многократно использовать текстильные материалы, периодически подвергая их гигиенической обработке. На современном этапе развития пилотируемой космонавтики большое внимание уделяется проектам освоения ближайших к Земле космических тел — Луны и Марса. Реализация таких проектов возможна лишь при использовании высокотехнологичных систем жизнеобеспечения, способных надежно работать в условиях отрыва от земных ресурсов в течение нескольких лет. В связи с этим появляется необходимость в разработке систем, как можно более замкнутых и универсальных. Особое место среди систем жизнеобеспечения занимает система водообеспечения, так как именно за счет организации круговорота воды может быть получено наибольшее снижение стартового веса космических кораблей. В качестве влагосодержащих отходов на борту пилотируемого космического аппарата можно выделить конденсат атмосферной влаги, мочу, санитарно-гигиеническую воду (СГВ), конденсат электрохимических

генераторов и продукт разложения перекиси водорода [33]. Максимальный вклад в объем влагосодержащих отходов дает СГВ. При содержании воды до 99%, в СГВ загрязнения имеют различную природу: это и макрочастицы (волосы, нитки, частицы эпидермиса и пр.), и органические молекулы (белки, жиры, ПАВ), и неорганические соединения (в основном, соли), а также бактерии. Для того, чтобы система регенерации воды (СРВ) обладала низкой эквивалентной массой, она должна базироваться на основе высокопроизводительных и малоэнергоемких процессов регенерации воды с высокими ресурсными характеристиками. К ним относятся, в первую очередь, баромембранные процессы: микрофильтрация, ультрафильтрация, нанофильтрация и обратный осмос.

Так в работе [92] предполагалось, что физико-химическая подсистема регенерации воды может быть построена с использованием одних только мембранных процессов. А в работах [44, 82] рассматривалось применение обратного осмоса для регенерации СГВ душевых процедур.

В последнее время в промышленности наблюдается интенсивное использование ультрафильтрации на полых волокнах как для предварительной обработки исходной воды, так и для финишной очистки стоков перед их сбросом или повторным использованием. Также неуклонно расширяется область применения обратного осмоса [51]. В первую очередь это связано с разработкой композитных мембран, направленной на повышение селективности по таким, например, компонентам как хлористый натрий и мочевина. Одновременно с этим постоянно снижается рабочее давление и увеличивается производительность мембранных элементов.

В качестве основных принципов построения модели системы регенерации в данной работе были приняты следующие:

система регенерации должна быть максимально надежной и рассчитанной на весь срок полета (например, до Марса и обратно);

- качество получаемой воды должно соответствовать требованиям, предъявляемым к воде для санитарно-гигиенических целей по ГОСТ Р 50804-95

7 "Среда обитания космонавта в пилотируемом космическом аппарате. Общие

медико-технические требования.";

степень извлечения чистой воды из исходной должна быть максимально возможной для данных условий;

уровень энергопотребления должен быть минимизирован.

Цель работы: разработка технологической схемы регенерации санитарно-гигиенической воды применительно к длительным космическим полетам. Для достижения этой цели в диссертации решались следующие задачи.

  1. Разработка математической модели работы системы регенерации воды на основе процесса обратного осмоса.

  2. Исследование возможности ультрафильтрации как предварительной подготовки санитарно-гигиенической воды.

  3. Экспериментальная проверка адекватности представленной модели при работе на модельных растворах и реальной санитарно-гигиенической воде из гермокамерного эксперимента для обработки текстильных материалов.

Научная новизна.

Впервые предложена схема узла регенерации санитарно-гигиенической воды на основе комплекса баромембранных методов: предварительная обработка - ультрафильтрация на полых волокнах, основная - обратный осмос на рулонном мембранном элементе.

Для данной схемы разработана математическая модель функционирования узла регенерации с учетом длительной работы и факторов изменения качества очищенной воды при простоях оборудования.

Из предположения о диффузии растворенного вещества через поры получена зависимость выравнивания концентраций по обе стороны обратноосмотической мембраны от времени простоя аппарата.

8 Практическая значимость

Разработана методика получения кривых диффузии растворенного вещества через композитную многослойную мембрану. Полученные из экспериментальных диффузионных кривых величины потенциалов взаимодействия поверхности пор с растворенным веществом позволяют рассчитать селективность обратноосмотических мембран в рабочем режиме.

Разработанная программа позволяет прогнозировать поведение системы водообеспечения при длительной эксплуатации мембранной установки. Это может найти применение как при проектировании систем регенерации воды для ПКА, так и для промышленных систем оборотного водоснабжения.

В работе защищаются:

схема регенерации санитарно-гигиенической воды на основе баромембранных методов — ультрафильтрации и обратного осмоса, позволяющая получать очищенную воду стабильного качества в течение длительного времени, соответствующая ГОСТ Р 50804-95, без замены комплектующих;

физико-математическая модель изменения концентрации по обе стороны обратно осмотической мембраны от времени простоя аппарата;

модель работы баромембранного узла регенерации санитарно-гигиенической воды, позволяющая рассчитать его для условий длительной эксплуатации;

- методика снятия кривых диффузии растворенного вещества через
многослойную мембрану, расчета потенциала взаимодействия и селективности
обратноосмотических мембран.

О санитарной обработке текстильных материалов на борту ПКА

При увеличении численности экипажа и значительной продолжительности полета объем и вес сменной одежды могут достичь величин, обременительных для транспортных кораблей [33]. Причем в условиях длительных космических экспедиций (например, на Марс) стирка одежды становится необходимостью [62, 85]. В этих условиях представляется возможной стирка использованных гигиенических салфеток и полотенец, что также позволит значительно снизить массу запасов. В настоящее время в условиях космического полета не осуществляется стирка одежды и белья. Новая одежда и белье поступают на орбитальные станции с Земли, а затем, после кратковременного использования, удаляются в сборник отходов, где происходит их накопление в значительных по массе и объему количествах. В условиях длительных межпланетных полетов в случае невозможности пополнения запасов, необходима гигиеническая обработка текстильных материалов (одежды, белья). Процедуры по обработке текстильных материалов (стирка, сушка и т.д.) позволят улучшить санитарно-гигиеническое обеспечение экипажей и существенно снизить грузопоток, увеличить запасы воды на станции [85]. Также остается открытым вопрос о сушке выстиранного белья и регенерации выделяющейся при этом влаги.

По видимому, она должна регенерироваться в системе СРВ-К, так как не будет содержать механических примесей, а концентрация растворенных веществ будет мала. Комплект полетной одежды космонавта на борту станции состоит из белья, полетных костюмов, комбенизонов, обуви и спальных принадлежностей. Имеется белье повседневное в различной цветовой гамме (типа «Камелия-А» или «Камелия-Б»), спортивное («Камелия-С») и нательное хлопко-льняное. Повседневное белье предназначено для ежедневной носки в течение семи дней, спортивное - для занятий на физических тренажерах со сменой каждые три дня. Нательное хлопко-льняное белье со сроком носки 7-8 дней используется при надевании полетного снаряжения. Белье «Камелия-А» состоит из фуфайки с длинными рукавами, длинных кальсон и носков. В «Камелии-Б» - укороченные кальсоны и получулки. Масса комплекта белья «Камелия-А» или «Камелия-Б» составляет 0,475 кг. Спортивное белье состоит из фуфайки с короткими рукавами, трусов и носков. Масса комплекта белья «Камелия-С» - 0,35 кг. Нательное хлопко-льняное белье состоит из фуфайки с длинными рукавами, кальсон и носков. Масса одного комплекта — 0,8 кг. Полетный костюм ПК-14 предназначен для повседневной носки при температуре не ниже -18 С в течение 60 - 90 суток.

Он состоит из куртки, брюк и джемпера (масса 1,25 кг). На заключительной стадии эксплуатации станции «Мир» использовали разработанный по просьбе космонавтов облегченный гарнитур (масса 0,55 кг) из рубашки с короткими рукавами и шорт [34]. _ Итак, за 7 дней один член экипажа расходует около 2 кг повседневного, нательного и спортивного белья. То есть, для экипажа из шести человек при полете сроком два года получим около 1250 кг белья без учета полетных костюмов, вкладышей спальных мешков и средств личной гигиены. Состав и количество средств личной гигиены и санитарно-бытовых средств в длительной космической экспедиции можно примерно рассчитать из данных по станции «Мир».

Исследуемые жидкости и способы их приготовления

Исследование диффузионных процессов на электрохимической ячейке и характеристик мембран на плоскорамной ячейке проводили на растворе хлористого натрия с содержанием растворенного вещества 1500 мг/л.

Исследование процесса обратного осмоса на ячейке с плоским каналом проводили на модельных растворах хлористого натрия и катамина АБ.

Исследование процесса ультрафильтрации проводили на реальной СГВ с моющим средством катамин АБ.

Исследование процесса обратного осмоса на ячейке с рулонным элементом проводили на растворе хлористого натрия и осветленной на УФ-мембранах реальной СГВ с моющим средством катамин АБ.

Для составления модельных растворов использовали обратноосмотический пермеат с электропроводимостью не выше 4-10" См/см, полученный методом обработки водопроводной воды на обратноосмотической установке с мембранами Desal AG.

В опытах применяли химически чистый хлористый натрий. Коэффициенты диффузии в воде брали из [35], а концентрации замеряли титрометрическим способом по известным методикам [47].

Катамин АБ брали в виде водного раствора, который по паспортным данным имел следующие характеристики: где D - коэффициент диффузии, см7с; jue — коэффициент динамической вязкости воды, сПз; VAf - мольный объем диффундирующего вещества, подсчитанный по долям Ле Ба, см3/моль.

При расчетах мольного объема доли Ле Ба с учетом влияния ассоциации брали из [7]. В результате расчета значение мольного объема составило 475,7 см3/моль, а коэффициент диффузии 0,35-10"5 см2/с. Расчет провели для температуры 20 С. Вязкость модельных растворов отличалась от вязкости обратноосмотического пермеата несущественно.

Реальную СГВ получали в результате обработки нательного белья испытателей, участвовавших в гермокамерном эксперименте, проводившемся на базе барокомлекса ИМБП в барокамере ГБК-250. До начала основного эксперимента 4 члена экипажа выполняли тесты с физической нагрузкой в нормальных условиях при температуре 22-24 С и при дыхании воздухом. Мощность нагрузки достигала субмаксимального уровня (75-85% от максимального потребления кислорода), продолжительность - 15±3 минут. Выполняемая работа сопровождалась умеренным потоотделением.

Во время пребывания в гермообъекте — барокамере ГБК-250, оснащенной системой жизнеобеспечения для длительного пребывания в ней людей, первые 6 суток обследуемые находились в кислородно-азотно-аргоновой атмосфере, содержание аргона в которой составило 53-57% и азота 32-34%, при небольшом общем повышении давления (148-150 кПа) с нормальным парциальным давлением кислорода и при повышенной температуре до 25-27 С. Таким образом, тестирование физической работоспособности с выполнением субмаксимальных нагрузок проводили в среде с большей плотностью, что способствовало усилению потоотделения.

Последующие 3 суток обследуемые также находились в измененной гипербарической газовой среде, но со сниженным до умеренной гипоксии (14,9±0,6 кПа) уровнем кислорода, другие параметры среды сохранялись в тех же диапазонах. Выполнение физических нагрузок, идентичных фону и условиям первых 6 суток пребывания в гермообъекте, сопровождались субъективными ощущениями выполнения работы большей тяжести и значительным потоотделением.

До и во время пребывания в барокамере выполнение тестов с физическими нагрузками заканчивалось для каждого из испытателей помывкой и сменой нательного белья (всего пять раз), передаваемого для стирки. После стирки, ультрафиолетового облучения и согласования с ответственным врачом эксперимента белье возвращалось испытателям. Ни у одного из обследуемых каких-либо реакций на нательное белье, обработанное нами, выявлено не было.

В связи с тем, что до сих пор нет общепринятой методики обработки белья в условиях космических летательных аппаратов, загрязненное белье проходило гигиеническую обработку по следующей методике, разработанной с учетом рекомендаций по стирке белья ведущих мировых производителей моющих средств: 0,3 кг сухого белья замачивалось и подвергалось механическому воздействию в 3 л воды с 0,06% концентрацией катамина АБ; затем следовали два ополаскивания в трех (первое) и четырех (второе) литрах воды. Таким образом, от каждых 0,3 кг сухого белья получали 10 л рабочего раствора. Для обработки белья использовали обратноосмотический пермеат с электропроводимостью не выше 4-Ю"6 См/см.

Эволюция концентрационной поляризации в нестационарных режимах

Одним из ключевых вопросов, возникающих при расчете рабочего цикла системы фильтрации, является выбор модели, описывающей основные физические процессы в объеме концентрата. В случае используемой системы регенерации воды эта модель должна позволять качественный анализ нестационарных процессов в модуле фильтрации, а также учитывать концентрационную поляризацию (КП) вблизи мембраны для различных режимов ее работы. В литературе эта задача, как правило, решается с помощью приближения плоского канала либо приближений, предполагающих перемешивание раствора в объеме концентрата. Очевидное отличие таких приближений состоит в появлении значительного градиента концентрации фильтруемого раствора вдоль плоскости мембраны для плоского канала. Тем не менее, в рамках приведенной ниже модели, оперирующей средними по объему концентрациями, неоднородность раствора вдоль плоскости мембраны учитывается феноменологически, посредством введения дополнительного коэффициента . Для приближения плоского канала следует, вообще говоря, отдельно рассматривать режимы ламинарного и турбулентного течения. Какой из режимов реализуется в конкретной системе фильтрации можно определить вычислив число Рейнольдса Re=avp/ju, где а - толщина плоского канала, v — средняя скорость течения жидкости в нем, р - плотность жидкости, // - ее вязкость. Для идеального плоского канала образование турбулентностей будет наблюдаться при Re 1300 [36]. При меньших значениях числа Рейнольдса течение будет ламинарным, и концентрационная поляризация будет проявляться по всей толщине канала.

При турбулентном течении, а также в системах фильтрации с перемешиванием, КП будет формироваться только в тонком приповерхностном слое, возникающем за счет конечной вязкости жидкости. Толщину этого слоя можно оценить с помощью, так называемого, локального числа Рейнольдса Reioc=dvp/jn [60]. При развитой турбулентности в основном объеме (Re 105) течение в слое толщиной 5 вблизи стенки будет ламинарным, если Reioc 5xl0 [60]. Таким образом, количественный учет КП в используемой системе фильтрации возможен за счет введения феноменологического параметра 8, характеризующего толщину слоя в котором распределение загрязнения в растворе определяется не перемешиванием, а диффузией. Рассмотрим процесс фильтрации раствора плоской мембраной с селективностью ф (в данном случае для упрощения под селективностью подразумевается не феноменологическая селективность, измеряемая в эксперименте, а величина, определяющая реальное соотношение концентраций на границах мембраны). Предположим, что течение жидкости ламинарное в области 0 х 5, где х - координата вдоль потока, 8- толщина области перед мембраной в которой можно пренебречь перемешиванием (см. рис. 3.2). Так как при t— оо предполагается существование стационарного состояния с конечной величиной концентрации для каждого х, необходимо исключить из разложения (3.4) значения а 0.

Характеристический полином для уравнения (3.5) имеет вид: Граничное условие (3.3) определяет связь между константами А" и А2а. Коэффициенты в разложении (3.4), а также возможные дополнительные ограничения на допустимые значения а определяются начальными условиями и граничным условием вблизи области с перемешиванием. При t— оо остается единственная компонента в разложении (3.4), соответствующая а=0, то есть что соответствует выражениям, полученным для стационарных режимов. Из структуры (3.4, 3.9) следует, что времена «затухания» компонент BaXa(x)Ta(t), определяющие скорость с которой (3.4) сходится к (3.12), порядка а"1. Кроме того, характер (ЗЛО) и (3.11) указывает, на то что при скачке концентрации на входе, имеющем характерный размер S=vAt, основной вклад в разложение (3.4) будут давать компоненты, для которых Для количественного описания стационарного режима фильтрации, учитывающего КП для ламинарного потока, удобно воспользоваться основными результатами работы [54], в которой была развита теория обратноосмотического разделения растворов мембранами, состоящих из двух отличающихся по селективной способности слоев. Качественная схема такой мембраны приведена на рис. 3.3. Мембрана состоит из тонкопористого делящего слоя и широкопористой основы, обеспечивающей ее механическую прочность.

Многократная регенерация СГВ, полученной в ходе гермокамерного эксперимента с участием человека, на макете баромембранной СРВ

В связи с большой нагрузкой по взвешенным веществам, для ультрафильтрационного модуля был предварительно подобран комбинированный режим работы, при котором тангенциальный режим работы модуля сочетался с частыми обратными промывками обратноосмотическим концентратом (обратная промывка в течение не менее 60 секунд каждые 30 минут работы). Это позволило сохранять работоспособность модуля в течение всего эксперимента без применения химической мойки. Весь объем 107 обратноосмотического концентрата, прежде чем попасть в сборник концентрата, использовался для обратной промывки ультрафильтрационного элемента. Этот объем составлял менее 10% от объема СГВ. Первая порция ультрафильтрационного фильтрата (около 100 мл) также поступала в сборник концентрата ввиду большой концентрации солей. Таким образом, несмотря на чистоту фильтрата (КИ менялся от 1,2 до 1,3), оптимизация предварительной очистки требует отдельного исследования. Из рис. 4.4 видно характерное снижение производительности ультрафильтрационного модуля. Средняя производительность фильтроцикла заметно падает в первое время работы модуля, затем, снизившись примерно вдвое относительно исходной, практически не меняется. Некоторые отклонения результатов от условной кривой связаны в основном с разницей в количестве взвешенных веществ в воде, полученной после обработки белья на разных этапах эксперимента.

Санитарно-гигиеническая вода, подававшаяся на вход в установку, представляла из себя мутную непрозрачную жидкость с характерным запахом. После прохождения ультрафильтрационного модуля СГВ становилась прозрачной, снижалась окисляемость, однако солесодержание практически не менялось. Всего за время эксперимента было очищено 100 литров СГВ (по 20 литров за цикл). Для первой стирки, а также для восполнения потерь использовался обратноосмотический пермеат водопроводной воды, полученный на той же установке, которая использовалась для эксперимента. Общая степень извлечения чистой воды из исходной составила 80%. Более подробно физико-химические показатели представлены в таблицах 4.5-4.9. Во втором и последующих циклах катамин АБ добавляли с учетом уже имеющейся в исходной воде концентрации. Из удельной электропроводимости вычисляли общее солесодержание как концентрацию хлористого натрия в воде. Концентрации отдельных компонентов в пермеате для каждого цикла эксперимента показаны на рис. 4.5. На рис. 4.5 видно, что после первых двух циклов концентрация растворенных веществ в пермеате стабилизируется и не имеет тенденции к росту. Это происходит в связи с понижением концентрации в исходной воде за счет добавления в нее недостающих 20% объема из запасного резервуара. Таким образом, экспериментально показано, что изменение качества пермеата происходит в основном за счет диффузии растворенных веществ из концентрата в пермеат во время длительных простоев оборудования.

Вклад диффузионного загрязнения в общее содержание растворенных веществ в пермеате тем больше, чем больше отношение физических размеров мембранного элемента (а, следовательно, и объемов пермеатной и концентратной камер) к объему перерабатываемой за один цикл воды. Более подробно этот процесс рассмотрен в главе 3. Следует отметить, что компьютерная программа, описание которой дано в разделе 4.5, позволяет с большой точностью рассчитать влияние диффузии во время простоя системы на качество пермеата. Для моделирования работы системы регенерации воды на языке C++ была написана программа (см. приложение), вид диалогового окна которой приведен на рис. 4.6. Расчет изменения концентраций для режима фильтрации осуществляется в программе на основе соотношений (3.15, 3.25, 3.29-3.32). Для моделирования простоя используются соотношения (3.38), (3.41-3.44). Переход между режимами осуществляется посредством модификации соответствующих граничных условий для средних концентраций. Деградация мембраны учитывается в виде изменения селективности и производительности при каждом запуске системы. Физический смысл и единицы измерения входных параметров моделирования систематизированы в таб. 4.10. Установить значения этих параметров можно, заполнив соответствующие ячейки в диалоговом окне программы. Расчет одного рабочего цикла и одного «простоя» осуществляется при нажатии кнопки «Один рабочий цикл + простой». При этом результаты расчета выводятся в поле, расположенное внизу окна программы, в виде таблицы. Первая колонка таблицы внизу диалогового окна показывает время, выраженное в часах и отсчитываемое от момента начала первого рабочего цикла. Далее идут колонки с концентрациями загрязнения в исходном растворе (рабочий объем), концентрате, пермеате и воде в буферной емкости, соответственно. Каждая строка таблицы соответствует фиксированному моменту времени. При последующих нажатиях «Один рабочий цикл + простой» происходит расчет дальнейших простоев и рабочих циклов системы с модифицированными граничными условиями. Время простоя можно изменять, заполняя ячейку, расположенную над кнопкой «Один рабочий цикл + простой».

Похожие диссертации на Регенерация санитарно-гигиенической воды на основе баромембранных методов для условий длительных космических экспедиций