bbk 000000

УДК

Первов А. Г.

Международные форумы 2010 г. в области очистки воды с применением мембранных технологий

Аннотация

Конференции по мембранным технологиям стали проводиться довольно часто. Анализ тематики и итогов проведенных конференций дает возможность проследить динамику развития различных направлений в данной области и оценить их перспективы.

Скачать статью в журнальной верстке (PDF)

Конференции по мембранным технологиям стали проводиться довольно часто. Анализ тематики и итогов проведенных конференций дает возможность проследить динамику развития различных направлений в данной области и оценить их перспективы.

В России важным событием для специалистов по водоочистным (в том числе мембранным) технологиям стала конференция IWA, проходившая в рамках конгресса «ЭКВАТЭК» в 2010 г. Любая конференция, посвященная очистке воды, не обходится без докладов по мембранным технологиям: мембранным биореакторам, обратному осмосу и ультрафильтрации. В настоящее время в мире (и в отечественной практике) порядка 90% всех проектов в области очистки воды осуществляется с применением мембранных технологий, которые стремительно развиваются и совершенствуются, помогая решать многие экологические и технические задачи.

С 27 по 30 июня 2010 г. в Трондхейме (Норвегия) проводилась научно-практическая конференция Европейской ассоциации опреснения (EDS) «Мембраны в подготовке питьевой и технической воды». Это был крупнейший форум в Европе как по числу рассматриваемых проблем, так и по количеству участников. Конференция была одновременно и научной, и практической. Большая часть времени всех заседаний была посвящена анализу работы существующих станций очистки сточных вод, в основном мембранных биореакторов и систем ультрафильтрации. Это довольно новые направления в очистке воды, которые за последние годы переживают бурный рост промышленного внедрения. Поэтому вопросам эксплуатации, замены мембран, сравнения эффективности различных мембранных аппаратов был посвящен целый ряд сессий. Обсуждались также вопросы загрязнения мембран, утилизации рассолов (концентратов) обратноосмотических опреснительных установок, оптимизации работы мембранных биореакторов за счет минимизации осадкообразования.

В настоящее время намечаются новые тенденции в развитии мембранных технологий. Предметом фундаментальных исследований становится разработка мембран нового поколения из неорганических материалов, например из керамики, с приданием им заданных свойств и характеристик химическим путем. Работы по модификации поверхности полимерных мембран также очень перспективны, поскольку полимерные мембраны отличаются высокой эффективностью при очистке воды. Однако в процессе эксплуатации мембранных установок важны стабильность, устойчивость материалов к гидролизу, воздействию окислителей, высоких и низких значений рН при химических регенерациях. Неорганические мембраны выдерживают химические и значительные температурные нагрузки.

Кроме того, разнообразие состава природных и сточных вод требует для их очистки применения мембран различных типов. Полимерные мембраны достаточно дороги, при их производстве используются сложные технологические процессы. Современные подходы к созданию новых мембран заключаются в придании им заданных свойств на месте производства, в зависимости от поставленной задачи, путем несложной химической обработки «матрицы» – микрофильтрационной полимерной или керамической мембраны. Модификация поверхности используется и для улучшения селективных свойств полимерных мембран (при удалении из воды ионов фтора, аммония и др.).

Знаменательным событием в становлении современной мембранной науки явилась Третья Оксфордская конференция по исследованиям в области мембран и очистки воды, состоявшаяся 21 сентября 2010 г. в колледже «Леди Маргарет Холл». Практически все заседания конференции были посвящены исследованиям в области загрязнения мембран. Мембранная наука существует много лет, но еще никогда на конференциях эта тема не обсуждалась в числе первостепенных.

В 1990–1995 годах основными нерешенными вопросами мембранной технологии являлись свойства мембран, высокие цены на мембранные материалы, пути снижения энергозатрат и т. д. Проблема загрязнения мембран стояла на одном из последних мест. В настоящее время ситуация изменилась. Развитие мембранной науки обусловлено огромными масштабами промышленного внедрения мембранных систем водоочистки. Если раньше целью предприятий, специализирующихся в этой сфере, было произвести мембраны и построить установки, продемонстрировав их преимущества перед традиционными системами водоочистки, то сейчас уже важно обеспечить надежность и экономичность их работы. И в первую очередь исключить или ослабить вредное влияние осадков взвешенных, органических и биологических веществ, которые снижают производительность мембран, увеличивают сопротивление потоку, что влечет за собой рост потребления электроэнергии и капитальных затрат.

Появление большого количества публикаций по моделированию осадкообразования связано с совершенствованием технологий очистки сточных вод с помощью мембранных биореакторов. С одной стороны, при работе таких установок с низкими рабочими давлениями, высокими концентрациями загрязнений и активного ила осадкообразование на мембранах решающим образом влияет на рабочие параметры установок. С другой стороны, промышленное внедрение биореакторов предполагает необходимость проведения широкого круга исследований технологий очистки с целью повышения их экономичности и эффективности.

Многочисленные доклады, посвященные новым исследованиям и разработкам мембранных водоочистных технологий, показали, что постановка экспериментов, методики их проведения, направления исследований – уже во многом пройденный этап для отечественной науки. Еще 20–30 лет назад специалисты НИИ ВОДГЕО были на правильном пути в выборе главных ключевых направлений в исследованиях. Научная школа по проблемам загрязнения мембран (как и исследования в области предотвращения накипеобразования) формировалась в НИИ ВОДГЕО в 1960–1970-е годы. В методах постановки экспериментов и обработки результатов исследований в этой области у отечественных и зарубежных ученых есть много общего. Однако отечественной науке, к сожалению, присущи следующие недостатки: оторванность от зарубежных научных исследований; неэффективная структура работы научных подразделений; отсутствие финансирования. В нашей стране выбор научных направлений и тематики диссертационных исследований основан пока на интуиции научного руководителя.

Доклад одного из выдающихся ученых, профессора П. К. Бхаттачария (ученика основоположников современной мембранной науки С. Лоэба и С. Сурираджана) был посвящен новым возможностям при синтезе мембран – селективному сорбционному извлечению из воды ионов тяжелых и драгоценных металлов (палладия, никеля, золота). Это отличный пример развития нанотехнологий: наночастицы (размером 30 нм), сорбирующие ионы металла, формируются в порах мембран при их модификации. Таким образом, при объеме мембранного аппарата 10 л в процессе работы в нем накапливается до 1 кг золота или другого ценного металла.

Интерес у присутствующих вызвали доклады специалистов из Нидерландов по «направленному», или прямому осмосу. Такая технология уже вышла на уровень промышленного внедрения. Сущность технологии очистки заключается в способности осмотических мембран «высасывать» чистую воду из раствора при условии нахождения с противоположной стороны мембран водного раствора с более высоким солесодержанием, например морской воды. При очистке осмотическим методом из природной или сточной воды можно получить 99% и более чистой воды. Например, при очистке бытовых сточных вод с помощью прямого осмоса получают чистую воду и осадок, направляемый на сбраживание (а также на получение биогаза). Такой подход считается серьезной альтернативой биологическим методам очистки воды. Прямой осмос – актуальное направление исследований, поэтому на конференции ему была посвящена целая сессия, на которой рассматривались результаты изучения характеристик мембран и параметров процесса.

Большой интерес представляет применение процессов нанофильтрации в схемах очистки морской воды и концентрирования рассолов с целью сокращения энергозатрат.

Другим крупнейшим по масштабу событием в области развития отечественной и зарубежной мембранной науки явилась XI Всероссийская научная конференция «Мембраны–2010», организованная Российской академией наук и Институтом нефтехимического синтеза им. А. В. Топчиева. Хотя конференция была посвящена мембранам, применяемым в разных областях – не только для очистки воды, но и для газоразделения, очистки различных химических растворов и т. д., тематика 3/4 работ отражала проблемы очистки воды как области наиболее вероятного промышленного внедрения мембранных технологий.

К сожалению, в нашей стране специалисты, занимающиеся мембранами, часто не компетентны в области очистки воды и не способны правильно оценить область и перспективы применения мембран. Поэтому изучение ряда докладов вызывает недоумение – зачем проводятся исследования и какую прикладную цель они преследуют. Следует заметить, что и в США многие современные разработки в области мембран также вызывают недоумение у специалистов. В настоящее время наиболее «модное» направление по модификации поверхностных свойств мембран пока не имеет практического применения. Даже если мембраны (неорганические) получили новые свойства и продемонстрировали определенный эффект очистки, говорить о промышленном применении этих разработок пока рано. В настоящее время не исследован и не оценен опыт их эксплуатации, не выявлена стабильность их свойств и т. д.

Для сравнения, на конференции в Оксфорде хотя и рассматривались крупные теоретические работы, в каждом докладе просматривались четкие цели и направления, а также практический смысл разработок. Следует всегда отдавать отчет в том, что мембранная наука имеет прикладное значение. Углубляясь в механизм мембранного транспорта и методы получения мембран, следует представлять себе их стоимость, эффективность и экономическую целесообразность использования.

В некоторых случаях при рассмотрении
представленных докладов прослеживается тенденция «социального заказа»: сначала создаются мембраны, а потом ученые начинают придумывать новые области их применения. Так произошло, например, с трековыми мембранами – целые сессии конференции посвящены их модификации и поиску новых областей применения (как видно, на это находится финансирование).

Автор настоящей публикации пытается дать оценку не мембранной науке вообще, а перспективам использования мембран в водоснабжении и канализации. Важно помнить, что мы уже переживали моменты, когда институты и научные школы разваливались от невостребованности. Выбор приоритетных перспективных направлений исследований – проблема, о которой не следует забывать никогда. Также важно уметь разработать критерии оценки перспективности исследований и выделения грантов для их финансирования.

При подведении итогов конференции председатель оргкомитета, член-корреспондент РАН Алексей Ярославцев отметил разнообразие тематики представленных докладов. Это вселяет уверенность в том, что отечественная мембранная наука уверенно двигается вперед. Российские ученые, как было отмечено, занимают лидирующие позиции по целому ряду направлений в мировой науке. Особенно внушает оптимизм то, что на конференции присутствовало много молодых специалистов. Обсуждая организационные вопросы будущих конференций, все участники признали, что самым важным и плодотворным является возможность проведения дискуссий.

Своеобразным итогом изучения развития мембранных технологий в 2010 г. стало посещение автором Научно-исследовательского института опреснения воды в Индии в г. Бхадагаре. Институт был основан Д. Неру и сегодня является одним из ведущих мировых центров исследований в области обратного осмоса, ультрафильтрации, электродеионизации. Уровень оснащения института и широта направлений исследований поражают воображение. Оказывается, в условиях капитализма можно не просто поддерживать уровень научных исследований, сохранять крупные научные центры и материально поддерживать научные кадры (к чему стремятся в нашей стране), но и обеспечить возможность устойчивого развития науки и ее «подпитывания» благодаря быстрому внедрению разработок в практику водоочистки.

Потрясает оснащение химической лаборатории центра, а также наличие в лабораториях опытно-промышленных технологических линий производства обратноосмотических и ультрафильтрационных мембран и аппаратов на их основе. Хотя государственный научный центр – некоммерческое предприятие, его лаборатории тесно сотрудничают с фирмами, разрабатывают для них новые мембранные материалы и аппараты, проводят исследования по изучению работы мембран в различных водных средах. Это позволяет центру быстро и эффективно использовать в практике водоочистки свои разработки: полимеры, мембраны, аппараты, установки, технологии.

Анализируя современное состояние мембранной и водоочистной науки, можно сделать вывод, что на заре разработки мембранных технологий у нас в стране (в частности, в НИИ ВОДГЕО) в 1960-1970-х годах большой ошибкой было отказаться от исследований в получении и изготовлении полимерных мембран. А ведь с этого всегда и везде начиналась наука мембран. Первая обратноосмотическая мембрана была получена в НИИ ВОДГЕО Ф. Н. Карелиным. Однако в то время созданный МНТК «Мембраны» разделил специалистов на три группы разработчиков – самих мембран, аппаратов и технологических схем. Но современный уровень зарубежных достижений показал, что для успешного развития мембранной науки необходимо объединение всех составляющих мембранной технологии под крышей одного центра или лаборатории. Технологи должны представлять себе работу мембран при взаимодействии с водой (процессы гидролиза, осадкообразования и т. д.) и задавать требуемые свойства мембран. Практически в каждом современном научном центре, занимающемся очисткой воды, аспирант синтезирует или модифицирует свою новую мембрану с оптимальными свойствами (для очистки от фтора, мышьяка, стронция, железа и т. д.), а затем уже разрабатывает технологии по их применению и аппаратурному оформлению.

На примере лаборатории обратного осмоса Индийского института солей и морской химии (Сentral Salt and Marine Chemical Research Institute) можно продемонстрировать модель создания инновационного центра разработки современных технологий водоочистки. Здесь в одном месте сосредоточены все процессы – синтез мембран, разработка и изготовление мембранных аппаратов на их основе, создание мембранных установок и технологических схем. Примеры новых разработок этого института показывают, как при такой организации научного процесса можно быстро решать сложные технологические задачи. Например, решается вопрос влияния окислителей на работу мембран. При этом одновременно исследуются несколько типов мембран и их поведение в различных растворах, а также изменение структуры пористого селективного слоя (сканирующим электронным микроскопом) и химического состава полимерной структуры мембран, извлеченных из промышленных установок после длительной эксплуатации.

К сожалению, в отечественной практике создать такую модель не получилось ни в одном из научных институтов. Однако в будущем при создании инновационных центров разработки новых водоочистных технологий следует принимать именно этот единственно правильный принцип сосредоточения всех составляющих мембранных технологий в одном месте.