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 morskich

wód 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 instalacji

do 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 oraz

urządzenie 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 uwodnione

tlenki 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

trichtoroizocyjanuroweg

o

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. 3T09D025

26

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. 3T08D044

26

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 porowatych
do separacji zanieczyszczeń olejowych w instalacjach
obróbki 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 m

3

. 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 20

o

C

[g/l]

0,825 0,840

1

Brak danych

2

Lepkość kinematyczna w
temperaturze 40

o

C [mm

2

/s]

2,45 – 2,80

1

41,4 – 50,6

2

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 dm

3

badanego oleju, a następnie dopełniano zbiornik wodą do pojemności 80 dm

3

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 skimmer’em”

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

[dm

3

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

[cm

3

]

Czas trwania

procesu filtracji

[s]

Temperatura

retentatu

[

0

C]

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
[dm

3

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

[cm

3

l

Czas trwania

procesu filtracji

[s ]

Temperatura

retentatu

[°C]

100

50

19,9

150

54

19,9

200

58

19,9

250

65

19,9

300

70

19,9

350

75

19,9

400

81

19,9

450

87

19,9

500

93

19,9

550

98

19,9

600

104

19,9

650

108

19,9

700

116

19,9

750

123

19,9

800

129

19,9

850

139

20,1

900

147

20,2

950

158

20,3

1000

173

20,3

1200

341

22,0

1500

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

[dm

3

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

[cm

3

]

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 m

3

.

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 m

3

(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

skimmer’a” 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 m

3

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

dm

3

/h x m

2

(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 dm

3

/h x m

2

wielkość

powierzchni filtracyjnej koniecznej [S] do zainstalowania wyniesie:

S x UFC t = [0,9 – 0,8] x objętość wanny (1m

3

)

T czas filtracji (4 h)
S = 4,25 m

2

Uwzględniając możliwość pracy przy zwiększonych temperaturach powierzchnie filtra

można zmniejszyć do około 2 m

2

32

Sugerowane parametry techniczne instalacji mikrofiltracyjnej:

Powierzchnia

filtra

2

m

2

Ciśnienie systemowe

4 bary

Ilość wkładów ceramicznych

33

PM2

21

–

22

m

3

/h, 2 bary

PM1

0,2

–

0,3

m

3

/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 dm

3

, 5 000 dm

3

i 3 000 dm

3

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/dm

3

, można stwierdzić, że kąpiel w wannie o pojemności 3 m

3

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 m

3

]

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 m

3

- Tabela 8.1.:

Tabela 8.1. Bilans chemikaliów, ścieków i odpadów przed i po zastosowaniu ultrafiltracji

Lp. Oceniany parametr Jednostka

Przed

przebudową

Po

zastosowaniu

ultrafiltracji

Różnica

Koszty

| DM/rok

1

Chemikalia

dm

3

/rok

42 670

2463

-40 207 -38 975

2

Ścieki

m

3

/rok

3 070

980

-2 090

-12 540

3

Odwodniony osad

t/rok

5,1

0,2

-4.9

-7 626

4

Koncentrat olejowy

m

3

/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 m

3

.

Stwierdzono, że przy prowadzeniu procesu bez mikrofiltracji, roczna ilość ścieków, które
stanowi zużyta kąpiel myjąca, wynosi 50 m

3

, podczas gdy po zastosowaniu mikro filtracji

odpadem jest tylko odfiltrowany koncentrat olejowy o objętości 1,2 m

3

.

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 -S M 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 dm

3

/h

;

- średnica dn - 15 mm,

- przyłącza - mufy PCV do klejenia.

NACZYNIE PRZEPONOWE DO PŁUKANIA ZWROTNEGO

- pojemność całkowita zbiornika - 5 dm

3

,

- pojemność gumowej przepony w stanie bezciśnieniowym - 2.5 dm

3

;

- materiał przepony - guma typ SBR,
- max. temperatura pracy - l00

0

C,

- 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 m

3

/h

;

- średnica nominalna - 25 mm,
- stała impulsowa - 25 dm

3

/imp,

- znak typu - 83.03/22.16,
- klasa obciążeń - B.
- pozycja pracy - pozioma,
- ciśnienie robocze - 16 bar,
- temperatura max, - 110

o

C

CZUJNIK TEMPERATURY

- typ - PT 500,
- zakres pomiarowy - 0 – 150

o

C,

- zakres różnicy temperatur - 3 – 150

o

C.

- rezystor termometryczny - 500Ω klasa B,
- dopuszczalne ciśnienie - 16 bar,

-

przewód przyłączeniowy - kabel silnikowy 2x 0.25 mm

2

, 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 ZrO

2

grubość -11 µm) -0,5899xl0-V/m

2

s

▪

membrana Z (warstwa mikrofiltracyjna A1

2

O

3

grubość – 20 µm) - 0,8848x10V/m

2

s

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

m

3

. 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: 1m

3

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 m

2

,

−

Na podstawie posiadanych danych doświadczalnych (własnych i literaturowych)

wielkość UCF przyjęto na poziomie 100 l/m

2

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 = n

2

2

d

π

= 7 *

4

)

8

,

2

(

14

,

3

2

mm

≅

43 mm

2

n – ilość kanałów
d

–

średnia hydrauliczna pojedynczego kanału.

−

Prędkość przepływu nadawy przez pojedynczą membranę [ Q

*

] :

Q

*

= 4,5 m/s x 43 mm

2

= 0,7 m

3

/h

−

Wydajność pompy:

Q = Q

*

x m

m – ilość membran

Q = 0,7 m

3

/h x 4

≡

2.8 m

3

/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 1m

3

kąpieli zabrudzonej wyniesie dla temperatury pokojowej :

T

Śr

=

η

*

*

9

,

0

*

S

UFC

Vp

gdzie

:

UFC - uśredniony współczynnik filtracji,
S - powierzchnia membrany,

η

- współczynnik wypływu czasowego (wypływ “Back Flush”)

46

T

Śr

=

95

,

0

*

25

,

0

*

*

100

9

,

0

*

1000

2

2

3

3

m

m

h

dm

dm

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 T

Śr

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