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

• Автор: Стариков, Сергей Евгеньевич
• Шифр специальности: 05.26.02
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 142 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

ПЕРЕЧЕНЬ ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

1.1. Источники регенерируемой воды на борту пилотируемых космических аппаратов.

1.2. О санитарной обработке текстильных материалов на борту ПКА

1.2.1. Состав текстильных материалов на борту ПСА, подлежащих санитарной обработке

1.2.2. О санитарногигиенической воде, предназначенной для обработки текстильных материалов
1.2.3. Состав санитарногигиенической воды, полученной от обработки текстильных материалов

1.2.3.1. Качественный состав моющих средств.

1.2.3.2. Состав пота человека.
1.3. Методы регенерации санитарногигиенической воды
1.4. Баромембранные процессы
1.4.1. Мембраны.
1.4.2. Общие положения переноса через мембрану
1.5. Ультрафильтрацпя.
1.5.1. Особенности процесса.
1.5.2. Основные определения.
1.5.3. Обратная промывка мембран
1.5.4. Забивание мембран
1.5.5. Фронтальный и тангенциальный режимы фильтрации.
1.6. Обратный осмос.
1.7. Выводы из обзора литературы
Глава 2. ЛАБОРАТОРНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ, ИССЛЕДОВАННЫЕ МЕМБРАНЫ И ЖИДКОСТИ. МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЙ.
2.1. Описание экспериментальных установок
2.1.1. Плоскорамная электрохимическая ячейка.
2.1.2. Установка для изучения процесса обратного осмоса
2.1.3. Макет системы регенерации СГВ.
2.2. Методика исследований.
2.2.1. Исследуемые жидкости и способы их приготовления.
2.2.2. Исследуемые мембраны
2.3. Методика исследования диффузионного процесса во время простоя оборудования.
2.4. Методика исследования процесса обратного осмоса на ячейке с плоским каналом
2.5. Методика исследования процесса ультрафильтрации.
2.6. Методика измерения коллоидного индекса
2.7. Методика исследования процесса обратного осмоса на ячейке с рулонным элементом
2.8. Погрешности измерений и оценка точности расчетов
Глава 3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ СИСТЕМЫ РЕГЕНЕРАЦИИ ВОДЫ.
3.1. Используемая система регенерации воды.
3.2. Рабочий цикл системы
3.2.1. Используемые приближения
3.2.1.1. Учет эффектов, связанных с неламинарностыо потока.
3.2.1.2. Эволюция концентрационной поляризации в нестационарных режимах
3.2.1.3. Описание нестационарных процессов в терминах средних
концентраций.
3.2.2. Изменение концентраций в режиме работы
3.2.2.1. Объем концентрата.
3.2.2.2. Объем пермеата
3.2.2.3. Буферная емкость
3.3. Простой системы.
Глава 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
4.1. Нахождение потенциала взаимодействия мембраны и растворенного вещества
4.2. Сравнение параметров работы мембран на ячейке с плоским каналом
4.3. Зависимость производительности мембран от времени работы и температуры.
4.4. Многократная регенерация СГВ, полученной в ходе гермокамерного эксперимента с участием человека, на макете баромембранной
4.5. Программа для моделирования
Глава 5. ОЦЕНКА МАССОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СИСТЕМЫ РЕГЕНЕРАЦИИ САНИТАРНОГИГИЕНИЧЕСКОЙ ВОДЫ,
ОСНОВАННОЙ НА БАРОМЕМБРАННЫХ МЕТОДАХ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ


Экспериментальная проверка адекватности представленной модели при работе на модельных растворах и реальной санитарно-гигиенической воде из гермокамерного эксперимента для обработки текстильных материалов. Научная новизна. Для данной схемы разработана математическая модель функционирования узла регенерации с учетом длительной работы и факторов изменения качества очищенной воды при простоях оборудования. Из предположения о диффузии растворенного вещества через поры получена зависимость выравнивания концентрат ш по обе стороны обратноосмотической мембраны от времени простоя аппарата. Разработана методика получения кривых диффузии растворенного вещества через композитную многослойную мембрану. Полученные из экспериментальных диффузионных кривых величины потенциалов взаимодействия поверхности пор с растворенным веществом позволяют рассчитать селективность обратноосмотических мембран в рабочем режиме. Разработанная программа позволяет прогнозировать поведение системы водообеспечения при длительной эксплуатации мембранной установки. Это может найти применение как при проектировании систем регенерации воды для ПКА, так и для промышленных систем оборотного водоснабжения. Глава 1. В ранее проведенных работах [, , ] проводились исследования некоторых баромембраниых процессов применительно к созданию системы регенерации санитарно-гигиенической воды. В работе Полякова [] работала установка для регенерации СГВ для душевых процедур. Основным узлом была обратноосмотическая ячейка. Для предварительной обработки исходной воды использовали штатный фильтр из хлоринвискозы или металлокерамику, заполненную силикагелем. В первом случае наблюдалось более чем трехкратное снижение производительности после фильтрации л СГВ. Во втором производительность фильтра снизилась в 4 раза после фильтрации 0 л СГВ. Дело в том, что микрофильтрация не обеспечивала стерильности и в 4 раза снижала концентрацию дезинфектанта - катамина АБ. О микробиологическом разложении мочевины свидетельствует также рост концентрации азота аммиака и величины pH в осветленной воде. В работе Шумилиной [] предварительная очистка воды перед нанофил ьтрационным модулем была недостаточно эффективной. В эксперименте собранная СГВ отстаивалась в течение 2 суток, а затем фильтровалась через 2 слоя фильтровальной бумаги. Там же делается вывод о необходимости использования низконапорного обратного осмоса, вследствие низкой селективности нанофильтрационной мембраны по отношению к ионным примесям. Очевидно, для предварительной обработки воды предпочтительной является ультрафильтрация, которая обеспечит не только стерильность, но и несравненно более высокое качество фильтрации СГВ. Как следствие этого, должен вырасти ресурс работы обратноосмотической мембраны, а результаты работы на модельных растворах можно адекватно использовать для расчета реальных установок. Также регенерация воды по схеме ультрафильтрация + обратный осмос должна значительно увеличить универсальность системы по отношению к различным загрязнениям и моющим составам при росте селективности и, соответственно, эффективности. В условиях длительных космических экспедиций необходима регенерация влагосодержащих продуктов, так как система водообеспечения, основанная на запасах воды, не удовлетворяет всем массовым требованиям, предъявляемым к системе водообеспечения в таком полете. В качестве исходных продуков регенерации воды на борту следует выделить следующие: конденсат атмосферной влаги (КАВ), моча, санитарно-гигиеническая вода (СГВ), конденсат электрохимических генераторов (ЭХГ), продукт разложения перекиси водорода. Эти жидкости образуются на борту в достаточно больших количествах, чтобы удовлетворить не только физиологические и но и санитарно-гигиенические потребности человека []. Рассмотрим эти жидкости более подробно. Конденсат атмосферной влаги образуется в системе терморегуляции (кондиционирования) воздушной среды космического объекта из водяных паров, выделяемых человеком с потом и легкими. В состав конденсата входят летучие органические и неорганические соединения.