Контроль соотношения одновалентных и двухвалентных ионов при подготовке питьевой воды методом нанофильтрации

Введение. Описаны основные проблемы, связанные с применением мембранного метода обратного осмоса для подготовки высококачественной питьевой воды из подземных водоисточников, содержащих ряд растворенных загрязнений, опасных для здоровья. Цель исследования — разработка технологии, позволяющей не только удалить из воды загрязнения, но и обеспечить ионный состав очищенной воды, соответствующий гигиеническим требованиям.

Материалы и методы. Проведены серии экспериментальных исследований по обработке подземной воды с высоким содержанием лития и по обоснованию эффективности разработанного метода ионного разделения.

Результаты. Получены экспериментальные зависимости эффективности удаления из воды растворенных загрязнений с применением мембран различных марок от кратности концентрирования исходной воды в мембранной установке. Экспериментально получено подтверждение возможности контроля соотношения одновалентных и двухвалентных ионов в пермеате, что позволяет в 4–5 раз повысить концентрации ионов жесткости и величину общего солесодержания очищенной воды при неизменно низком содержании лития.

Выводы. Использование метода обратного осмоса для очистки подземных вод от одновалентных ионов (лития, аммония, бора) приводит, помимо удаления загрязнений, к снижению общего солесодержания очищенной воды, что требует дополнительных затрат на ее кондиционирование. Предложен новый метод, основанный на применении низкоселективных нанофильтрационных мембран в две ступени, позволяющий разделять одновалентные ионы от двухвалентных и увеличивать величину общего солесодержания очищенной воды при неизменной концентрации в ней одновалентных ионов лития и аммония. Применение разработанного метода позволяет сократить эксплуатационные затраты мембранной установки подготовки питьевой воды благодаря снижению затрат на замену мембран, реагенты для предотвращения образования на мембранах отложений карбоната кальция и сокращения расхода концентрата, сбрасываемого в канализацию.

1. Suratt W.B., Andrews D.R., Pujals V.J., Richards S.A. Design considerations for major membrane treatment facility for groundwater // Desalination. 2000. Vol. 131. Issue 1–3. Pp. 37–46. DOI: 10.1016/S0011-9164(00)90004-3

2. Spitsov D., Aung H.Z., Pervov A. The selection of efficient antiscalant for RO facility, control of its quality and evaluation of the economical efficiency of its application // Membranes. 2023. Vol. 13. Issue 1. P. 85. DOI: 10.3390/membranes13010085

3. Watson B.M., Hornburg C.D. Low-energy membrane nanofiltration for removal of color, organics and hardness from drinking water supplies // Desalination. 1989. Vol. 72. Issue 1–2. Pp. 11–22. DOI: 10.1016/0011-9164(89)80024-4

4. Lopes C.N., Petrus J.C.C., Riella H.G. Color and COD retention by nanofiltration membranes // Desalination. 2005. Vol. 172. Issue 1. Pp. 77–83. DOI: 10.1016/j.desal.2004.07.030

5. Al-Qadami E., Ahsan A., Mustafa Z., Abdurrasheed S., Yusof K.W., Shah S.M.H. Nanofiltration membrane technology and its applications in surface water treatment : a review // Journal of Desalination and Water Purification. 2020. Vol. 18. Pp. 3–9.

6. Tian J., Zhao X., Gao S., Wanng X., Zhang R. Progress in research and application of Nanofiltration (NF) technology for brackish water treatment // Membranes. 2021. Vol. 11. Issue 9. P. 662. DOI: 10.3390/membranes11090662

7. Guo H., Li X., Yang W., Yao Z., Mei Y., Peng L.F. et al. Nanofiltration for drinking water treatment: A review // Frontiers of Chemical Science and Engineering. 2021. Vol. 16. Issue 5. Pp. 681–698. DOI: 10.1007/s11705-021-2103-5

8. Li S., Wang X., Guo Y., Hu J., Lin S., Tu Y. et al. Recent advances on cellulose-based nanofiltration membranes and their applications in drinking water purification : a review // Journal of Cleaner Production. 2022. Vol. 333. P. 130171. DOI: 10.1016/j.jclepro.2021.130171

9. Jamaly S., Darwish N.N., Ahmed I., Hasan S.W. A short review on reverse osmosis pretreatment technologies // Desalination. 2014. Vol. 354. Pp. 30–38. DOI: 10.1016/j.desal.2014.09.017

10. Goh P.S., Lau W.J., Othman M.H.D., Ismail A.F. Membrane fouling in desalination and its mitigation strategies // Desalination.2018. Vol. 425. Pp. 130–155. DOI: 10.1016/j.desal.2017.10.018

11. Jiang S., Li Y., Ladewig B.P. A review of reverse osmosis membrane fouling and control strategies // Science of The Total Environment. 2017. Vol. 595. Pp. 567–583. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2017.03.235

12. Xu W., Liu D., He L., Zhao Z. A comprehensive membrane process for preparing lithium carbonate from high Mg/Li brine // Membranes. 2020. Vol. 10. Issue 12. P. 371. DOI: 10.3390/membranes10120371

13. Li X., Mo Y., Qing W., Shao S., Tang C.Y., Li J. Membrane-based technologies for lithium recovery from water lithium resources : a review // Journal of Membrane Science. 2019. Vol. 591. P. 117317. DOI: 10.1016/j.memsci.2019.117317

14. Mohammad A.W., Hilal N., Al-Zoubi H., Darwish N.A. Prediction of permeate fluxes and rejections of highly concentrated salts in nanofiltration membranes // Journal of Membrane Science. 2007. Vol. 289. Issue 1–2. Pp. 40–50. DOI: 10/1016/j.memsci.2006.11.035

15. Первов А.Г. Удаление карбоната кальция из концентратов установок обратного осмоса, содержащих ингибирующие вещества // Мембраны и мембранные технологии. 2017. Т. 7. № 3. С. 192–205. DOI: 10.1134/S2218117217030063. EDN YTFQTL.

16. Hedayatipour M., Jaafarzadeh N., Ahmadmoazzam M. Removal optimization of heavy metals from effluent of sludge dewatering process in oil and gas well drilling by nanofiltration // Journal of Environmental Management. 2017. Vol. 203. Pp. 151–156. DOI: 10.1016/j.jenvman.2017.07.070

17. Ahmed S.F., Mehejabin F., Momtahin A., Tasannum N., Faria N.T., Mofijur M. Strategies to improve membrane performance in wastewater treatment // Chemosphere. 2022. Vol. 306. P. 135527. DOI: 10.1016/j.chemosphere.2022.135527

18. Voutchkov N. Overview of seawater concentrate disposal alternatives // Desalination. 2011. Vol. 273. Issue 1. Pp. 205–219. DOI: 10.1016/j.desal.2010.10.018

19. Al-Ghamdi A.A. Recycling of Reverse Osmosis (RO) Reject streams in brackish water desalination plants using fixed bed column softener // Energy Procedia. 2017. Vol. 107. Pp. 205–211. DOI: 10.1016/j.egypro.2016.12.174

20. Najid N., Fellaou S., Kouzbour S., Gourich B., Ruiz-García A. Energy and environmental issues of seawater reverse osmosis desalination considering boron rejection : a comprehensive review and a case study of exergy analysis // Process Safety and Environmental Protection. 2021. Vol. 156. Pp. 373–390. DOI: 10.1016/j.psep.2021.10.014

21. Koyuncu I., Yalcin F., Ozturk I. Color removal of high strength paper and fermentation industry effluents with membrane technology // Water Science and Technology. 1999. Vol. 40. Issue 11–12. Pp. 241–248. DOI: 10.2166/wst.1999.0718

22. Collivignarelli M.C., Abbà A., Miino M.C., Damiani S. Treatments for color removal from wastewater: State of the art // Journal of Environmental Management. 2019. Vol. 236. Pp. 727–745. DOI: 10.1016/j.jenvman.2018.11.094

23. Zheng Y., Yu S., Shuai S., Zhou Q., Cheng Q., Liu M. et al. Color removal and COD reduction of biologically treated textile effluent through submerged filtration using hollow fiber nanofiltration membrane // Desalination. 2013. Vol. 314. Pp. 89–95. DOI: 10.1016/j.desal.2013.01.004

24. Jafarinejad S., Esfahani M.R. A review on the nanofiltration process for treating wastewaters from the petroleum industry // Separations. 2021. Vol. 8. Issue 11. P. 206. DOI: 10.3390/separations8110206

25. Turek M., Mitko K., Piotrowski K., Dydo P., Laskowska E., Jakóbik-Kolon A. Prospects for high water recovery membrane desalination // Desalination. 2017. Vol. 401. Pp. 180–189. DOI: 10.1016/ j.desal.2016.07.047

26. Bunani S., Yörükoğlu E., Sert G., Yüksel Ü., Yüksel M., Kabay N. Application of nanofiltration for reuse of municipal wastewater and quality analysis of product water // Desalination. 2013. Vol. 315. Pp. 33–36. DOI: 10.1016/j.desal.2012.11.015

27. Pervov A.G., Shirkova T.N., Tikhonov V.A. Design of reverse osmosis and nanofiltration membrane facilities to treat landfill leachates and increase recoveries // Membranes and Membrane Technologies. 2020. Vol. 2. Pp. 296–309.