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

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

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

В условиях длительных межпланетных экспедиций, когда невозможна доставка одежды и белья с Земли, а масса и объем запасов становятся слишком большими, целесообразно многократно использовать текстильные материалы, периодически подвергая их гигиенической обработке. На современном этапе развития пилотируемой космонавтики большое внимание уделяется проектам освоения ближайших к Земле космических тел — Луны п Марса. Реализация таких проектов возможна лишь при использовании высокотехнологичных систем жизнеобеспечения, способных надежно работать в условиях отрыва от земных ресурсов в течение нескольких лет. В связи с этим появляется необходимость в разработке систем, как можно более замкнутых и универсальных. Особое место среди систем жизнеобеспечения занимает система водообеспечения, так как именно за счет организации круговорота воды может быть получено наибольшее снижение стартового веса космических кораблей. В качестве влагосодержащих отходов на борту пилотируемого космического аппарата можно выделить конденсат атмосферной влаги, мочу, санитарно-гигиеническую воду (СГВ), конденсат электрохимических генераторов и продукт разложения перекиси водорода [33]. Максимальный вклад в объем влагосодержащих отходов дает СГВ. При содержании воды до 99%, в СГВ загрязнения имеют различную природу: это и макрочастицы (волосы, нитки, частицы эпидермиса и пр.), и органические молекулы (белки, жиры, ПАВ), и неорганические соединения (в основном, соли), а также бактерии. Для того, чтобы система регенерации воды (СРВ) обладала низкой эквивалентной массой, она должна базироваться на основе высокопроизводительных и малоэнергоемких процессов регенерации воды с высокими ресурсными характеристиками. К ним относятся, в первую очередь, баромембранные процессы: микрофильтрация, ультрафильтрация, нанофильтрация и обратный осмос.

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

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

В качестве основных принципов построения модели системы регенерации в данной работе были приняты следующие: система регенерации должна быть максимально надежной и рассчитанной на весь срок полета (например, до Марса и обратно);

— качество получаемой воды должно соответствовать требованиям, предъявляемым к воде для санитарно-гигиенических целей по ГОСТ Р 50 804−95.

Среда обитания космонавта в пилотируемом космическом аппарате. Общие медико-технические требования." ;

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

— уровень энергопотребления должен быть минимизирован.

Цель работы: разработка технологической схемы регенерации санитарно-гигиенической воды применительно к длительным космическим полетам.

Для достижения этой цели в диссертации решались следующие задачи.

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

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

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

Научная новизна.

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

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

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

Практическая значимость.

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

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

В работе защищаются:

— схема регенерации санитарно-гигиенической воды на основе баромембранных методов — ультрафильтрации и обратного осмоса, позволяющая получать очищенную воду стабильного качества в течение длительного времени, соответствующая ГОСТ Р 50 804−95, без замены комплектующих;

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

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

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

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ, а — высота канала концентрата и пермеатадля рулонного мембранного элемента эффективное значение этой величины а/2, м о.

С — концентрация, мг/лкг/ м О — коэффициент диффузии, м7с О — поток, м3/с.

2 3 2 g — удельный поток воды через мембрану, л/мчдм /мс Ьтолщина слоя мембраны, м поток вещества, кг/мс к — постоянная Больцмана, Дж/К ш— пористость N0 — количество вещества, г Рдавление, Па Ре — критерий Пекле.

Я — степень извлечения чистой воды из исходной или универсальная газовая постоянная, Дж-К/моль 8 — площадь поверхности мембраны, м2 Т — температура, К ъ, ъ — валентность ионов.

8 — толщина слоя концентрационной поляризации, м е — диэлектрическая проницаемость.

Ф—потенциал взаимодействия иона с поверхностью пор, единицы кТ у — равновесный коэффициент распределения вещества ср — селективность.

1-динамическая вязкость воды, Па-с 7с — осмотическое давление, Па о р — плотность раствора, кг/м т — время, с у — скорость потока через мембрану, м/с.

4 — отношение концентрации раствора, поступающего на слив к средней концентрации раствора в объеме концентрата — коэффициент концентрационной поляризации.

ПЕРЕЧЕНЬ ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ.

АПАВ — анионогенное поверхностно-активное вещество.

ВПК — биологическое потребление кислорода.

КАВ — конденсат атмосферной влаги.

КИ — коллодиный индекс.

КЛА — космический летательный аппарат.

КП — концентрационная поляризация.

МФ — микрофильтрация.

НПАВ — неионогенное поверхностно-активное вещество.

НФ — нанофильтрация.

ПАВ — поверхностно-активное вещество.

СГВ — санитарно-гигиеническая вода.

СМС — синтетическое моющее средство.

СРВ — система регенерации воды.

СРВ-К — система регенерации конденсата атмосферной влаги.

СРВ-СГ — система регенерации санитарно-гигиенической воды.

УФ — ультрафильтрация хпк — химическое поглощение кислорода.

ВЫВОДЫ.

1. Впервые предложена схема регенерации СГВ на основе двух последовательных баромембранных процессов: предварительная обработка — ультрафильтрация на полых волокнах, основная — обратный осмос на рулонных мембранных элементах с частичным использованием концентрата для обратной промывки полых волокон. Такой узел регенерации имеет большую универсальность и селективность по загрязняющим компонентам, при степени извлечения не менее 80%.

2. Получена теоретическая зависимость выравнивания концентраций по обе стороны мембраны во время простоя аппарата из предположения о диффузии растворенного вещества через мембрану. Совпадение характера теоретических и экспериментальных диффузионных кривых, а также теоретических и экспериментальных значений потенциалов взаимодействия поверхности пор активного слоя композитных мембран с растворенным веществом подтверждает правильность полученных решений.

3. В развитие теории обратноосмотического разделения растворов и в соответствии с предложенной схемой разработана математическая модель работы узла регенерации воды из СГВ, позволяющая рассчитывать поведение баромембранной системы оборотного водоснабжения с подпиткой водой при ее длительной эксплуатации. С помощью полученных экспериментальных данных и представленной модели возможно рассчитывать основные характеристики системы регенерации: необходимый объем и качество воды запасов, производительность и сменность мембранных элементов и т. п., в зависимости, например, от требований к СГВ.

4. Разработана методика снятия диффузионной кривой и ее обработки с целью нахождения потенциала взаимодействия мембраны с растворенным веществом. Из экспериментальных диффузионных кривых по хлориду натрия для трех различных мембран вычислены соответствующие потенциалы и значения максимальной селективности. Полученные результаты разделяющей способности с точностью до 2% совпали с паспортными данными и экспериментальными рабочими характеристиками исследованных мембран.

5. Были проведены пять циклов стирки нательного белья, полученного в гермокамерном эксперименте с участием человека, и регенерации полученной воды. Анализ полученных данных показал высокую работоспособность предложенной схемы узла регенерации без заметного снижения производительности и селективности, а также соответствие качества регенерированной воды требованиям ГОСТ Р 50 804−95 «Среда обитания космонавта в пилотируемом космическом аппарате. Общие медико-технические требования.» по измеренным показателям.