ПРОЦЕСС ОЧИСТКИ ПРИРОДНЫХ ВОД ОТ ГУМИНОВЫХ ВЕЩЕСТВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНОГО РЕАКТОРА
|
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГУМИНОВЫХ ВЕЩЕСТВ
И МЕТОДЫ ИХ УДАЛЕНИЯ ИЗ ПРИРОДНЫХ ВОД 10
1.1. Физико-химические свойства гуминовых веществ 10
1.2. Способы удаления гуминовых веществ из воды 13
1.3. Использование электроразрядных методов в технологиях очистки воды
от гуминовых веществ 20
1.4. Постановка цели и задач исследования 32
ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 34
2.1. Методики приготовления модельных растворов 34
2.1.1. Методика приготовления модельного раствора гуминовых веществ 34
2.1.2. Приготовление модельных растворов органических веществ:
метиленового голубого, фурацилина и эозина 35
2.2. Методика электроразрядной обработки воды и растворов 36
2.3 Приборы и методы, используемые при выполнении исследований 37
2.4. Определение показателей качества воды 41
2.4.1. Определение железа, связанного с гуминовыми веществами 43
2.5. Расчет погрешности эксперимента 43
ГЛАВА 3. ДЕЙСТВИЕ ИСКРОВЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ РАЗРЯДОВ В СЛОЕ
ГРАНУЛ ЖЕЛЕЗА НА МОДЕЛЬНЫЕ РАСТВОРЫ И НА ПРИРОДНЫЕ
ВОДЫ, СОДЕРЖАЩИЕ ГУМИНОВЫЕ ВЕЩЕСТВА 44
3.1. Содержание гуминовых веществ в подземных водах Западной Сибири 44
3.2. Воздействие искровых электрических разрядов в слое гранул железа
на растворы 51
3.2.1. Обработка дистиллированной воды 51
3.2.2. Обработка растворов метиленового голубого, фурацилина и эозина 57
3.2.3. Обработка растворов гумата натрия 65
3.2.4. Обработка подземных вод северных регионов Западной Сибири 72
3.3. Стадии процесса удаления гуминовых веществ из природных вод при
действии искрового электрического разряда в слое гранул железа 80
Выводы по главе 3 82
ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА АППАРАТУРНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ
ОЧИСТКИ ПРИРОДНЫХ ВОД ОТ ГУМИНОВЫХ ВЕЩЕСТВ
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНОГО РЕАКТОРА 84
4.1. Методика расчета реактора 84
4.1.1. Расчет электрических и энергетических характеристик процесса 85
4.1.2. Расчет массы металлической загрузки реактора 91
4.1.3. Расчёт газовыделения 92
4.1.4. Расчет гидродинамических характеристик и конструктивный расчет
аппарата 93
4.2 Расчет отстойника 100
4.3. Выбор фильтра 103
4.4. Описание аппаратурно-технологической схемы для удаления гуминовых веществ из природных вод 106
Выводы по главе 4 108
ВЫВОДЫ 110
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 112
ПРИЛОЖЕНИЯ. Акты об использовании результатов 125
ГЛАВА 1. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГУМИНОВЫХ ВЕЩЕСТВ
И МЕТОДЫ ИХ УДАЛЕНИЯ ИЗ ПРИРОДНЫХ ВОД 10
1.1. Физико-химические свойства гуминовых веществ 10
1.2. Способы удаления гуминовых веществ из воды 13
1.3. Использование электроразрядных методов в технологиях очистки воды
от гуминовых веществ 20
1.4. Постановка цели и задач исследования 32
ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 34
2.1. Методики приготовления модельных растворов 34
2.1.1. Методика приготовления модельного раствора гуминовых веществ 34
2.1.2. Приготовление модельных растворов органических веществ:
метиленового голубого, фурацилина и эозина 35
2.2. Методика электроразрядной обработки воды и растворов 36
2.3 Приборы и методы, используемые при выполнении исследований 37
2.4. Определение показателей качества воды 41
2.4.1. Определение железа, связанного с гуминовыми веществами 43
2.5. Расчет погрешности эксперимента 43
ГЛАВА 3. ДЕЙСТВИЕ ИСКРОВЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ РАЗРЯДОВ В СЛОЕ
ГРАНУЛ ЖЕЛЕЗА НА МОДЕЛЬНЫЕ РАСТВОРЫ И НА ПРИРОДНЫЕ
ВОДЫ, СОДЕРЖАЩИЕ ГУМИНОВЫЕ ВЕЩЕСТВА 44
3.1. Содержание гуминовых веществ в подземных водах Западной Сибири 44
3.2. Воздействие искровых электрических разрядов в слое гранул железа
на растворы 51
3.2.1. Обработка дистиллированной воды 51
3.2.2. Обработка растворов метиленового голубого, фурацилина и эозина 57
3.2.3. Обработка растворов гумата натрия 65
3.2.4. Обработка подземных вод северных регионов Западной Сибири 72
3.3. Стадии процесса удаления гуминовых веществ из природных вод при
действии искрового электрического разряда в слое гранул железа 80
Выводы по главе 3 82
ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА АППАРАТУРНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ
ОЧИСТКИ ПРИРОДНЫХ ВОД ОТ ГУМИНОВЫХ ВЕЩЕСТВ
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНОГО РЕАКТОРА 84
4.1. Методика расчета реактора 84
4.1.1. Расчет электрических и энергетических характеристик процесса 85
4.1.2. Расчет массы металлической загрузки реактора 91
4.1.3. Расчёт газовыделения 92
4.1.4. Расчет гидродинамических характеристик и конструктивный расчет
аппарата 93
4.2 Расчет отстойника 100
4.3. Выбор фильтра 103
4.4. Описание аппаратурно-технологической схемы для удаления гуминовых веществ из природных вод 106
Выводы по главе 4 108
ВЫВОДЫ 110
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 112
ПРИЛОЖЕНИЯ. Акты об использовании результатов 125
Актуальность темы исследования. Для обеспечения населения качественной питьевой водой требуется разработка новых, оригинальных водных технологий, способных эффективно получать воду, соответствующую СанПиН 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества». По данным Федеральной службы государственной статистики Роспотребнадзора за 2010 г. к централизованному водоснабжению не имеют доступа каждый десятый городской житель (11 %) и половина (53 %) жителей сельских населенных пунктов [1]. Например, в Западной Сибири, активно развивающейся в промышленном отношении благодаря газо- и нефтедобывающей отрасли, создаются вахтовые поселки, не имеющие централизованного водоснабжения.
Основным источником питьевого водоснабжения на территории Западной Сибири являются подземные воды. Поверхностные воды Западной Сибири, в достаточном количестве имеющиеся на территории, в связи с заболоченностью невозможно использовать для питьевых целей. Содержание гуминовых веществ, придающих воде повышенную цветность, делает воду непригодной не только для питьевых целей, но и для хозяйственного применения.
Использование подземных вод для питьевого водоснабжения ограничено повышенным содержанием железа, что характерно для Западно-Сибирского региона. Подземные воды, наряду с высокой концентрацией железа, содержат органические вещества гумусового происхождения. Одновременное присутствие указанных примесей приводит к образованию коллоидной системы, обладающей устойчивостью к физико-химическим воздействиям, реализуемым в настоящее время в водоподготовке [1, 2]. При очистке вод такого состава эффективность водоочистных установок снижается, что приводит к снижению качества питьевой воды.
В настоящее время существуют различные технологии, такие как аэрация [3], озонирование [4], обработка импульсным электрическим разрядом [5], использование специальных фильтрующих загрузок [6] для очистки подземных вод, содержащих железо и растворенные гуминовые вещества. Но эти методы малоэффективны для вод, содержащих примеси гуминовых веществ и железа. Использование ультра- и нанофильтрационных мембран является эффективным для вод такого состава, но приводит к увеличению стоимости технологии водоподготовки. Для повышения эффективности очистки подземных вод Западно¬Сибирского региона, содержащих примеси железа и гуминовых веществ, необходим поиск новых способов, которые можно реализовать в технологиях водоподготовки.
Работа выполнена в рамках госзадания «Наука» (ГЗ 3.3734.2011 от 01.01.1012 г.), проект «Разработка научных основ физико-химических процессов водоочистки, протекающих на границе раздела фаз».
Степень разработанности темы исследования. Анализ литературных источников показал, что систематического изучения процессов безреагентного удаления растворенных гуминовых веществ из природных вод не проводилось. Принятые технологии очистки воды с использованием озонирования, мембранного разделения, сорбции, электрокоагуляции, ультрафильтрации и др. малоэффективны для удаления гуминовых веществ из воды вследствие образования с другими примесями коллоидных систем, обладающих повышенной устойчивостью к физико-химическим воздействиям. Закономерности окисления, деструкции и осаждения гуминовых веществ при очистке высокоцветных вод в полной мере не изучены.
Цель работы - разработка технологической схемы очистки природных вод от гуминовых веществ с использованием искровых электрических разрядов.
Для достижения поставленной цели решали следующие задачи:
1. Определение условий формирования устойчивых искровых электрических разрядов в слое гранул железа в воде при подведении импульсного напряжения.
2. Исследование физико-химических процессов, протекающих в воде и растворах при воздействии искровых разрядов с использованием модельных веществ (гумат натрия, метиленовый голубой, фурацилин, эозин) и природных вод.
3. Определение условий удаления растворенных гуминовых веществ и железа при их совместном присутствии до уровня ПДК из модельных растворов и природных вод.
4. Расчет электрических, энергетических и гидродинамических параметров процесса очистки воды от гуминовых веществ под действием искровых разрядов в слое гранул железа.
5. Разработка реактора и аппаратурно-технологической схемы очистки природных вод от растворённых гуминовых веществ с использованием искровых электрических разрядов.
Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:
1. Установлены две основные стадии процесса удаления растворенных гуминовых веществ из природных вод при обработке воды искровыми электрическими разрядами в слое гранул (3-5 мм) Fe: при воздействии разряда (т1=10-20 с) происходит окислительная деструкция 30-40 % мас. органических примесей от содержащегося в воде количества; после прекращения действия разряда в присутствии продуктов электроэрозии железа происходит совместная коагуляция и осаждение гуминовых веществ и оксогидроксидов железа (т2®1 ч). Остаточное содержание гуминовых веществ и железа в воде не превышает ПДК (5 и 0,3 мг/л, соответственно).
2. Установлено массовое соотношение между содержанием растворенных гуминовых веществ в природных водах (рН=6-8) и содержанием общего железа, равное 1:5, при котором происходит формирование и коагуляция коллоидных частиц за счет взаимодействия продуктов гидролиза ионов железа с гуминовыми веществами. Причина образования и коагуляции дисперсной фазы заключается в различном зарядовом состоянии коллоидных частиц (дзета-потенциалы ^(Fe(OH)3)= +8 мВ, ^(ГВ)= -70 мВ).
3. Определена зависимость скорости электроэрозии железа в свободнонасыпном слое гранул в воде под действием искровых разрядов, равномерно распределенных между гранулами по объему металлической загрузки, от времени обработки (усреднённые параметры электроэрозионного процесса: Е=50 В/см, 7=180 А, f=700 с-1, тимп=20 мкс), предложено эмпирическое уравнение скорости процесса. В результате электроэрозии образуется дисперсная система, содержащая частицы дисперсной фазы размерами 0,13-2,7 мкм, состоящие на ~85 мас.% из металлического Fe, остальное - железо в окисленной форме.
Теоретическая значимость работы. В результате выполнения работы получены новые данные о взаимном влиянии примесей гуминовых веществ и железа в природных водах. Расширены представления о закономерностях формирования коллоидных систем в природных водах, позволяющие прогнозировать их устойчивость, обосновать условия роста и коагуляции частиц дисперсной фазы, что имеет существенное значение при разработке технологий очистки высокоцветных вод.
Практическая значимость работы:
1. Проведен расчет параметров (энергетических, гидродинамических, массообменных) работы проточного электроразрядного реактора со слоем гранул Fe для электроискровой обработки воды, разработана аппаратурно-технологическая схема для очистки природных вод от гуминовых веществ.
2. Результаты работы использованы при техническом перевооружении станции водоподготовки воды «Аэрозон-5» на производственной площадке компрессорной станции «Вертикос» Александровского ЛПУМГ, ООО «Газпром трансгаз Томск» (акт № 0121/1010-ф от 01.02.2016).
3. Результаты работы внедрены в учебный процесс Томского политехнического университета: чтение курса лекций по дисциплине «Современные методы подготовки воды для промышленного и бытового использования» для магистров и бакалавров; учебно-методическое пособие: Шиян Л.Н., Тропина Е.А., Мачехина К.И., Войно Д.А. Коллоидно-химические свойства природных вод и особенности водоподготовки: учебное пособие. - Томск: Изд-во ТПУ, 2013. - 132 с.
Методология и методы исследования. Методология диссертационного исследования заключалась в выборе способа обработки природных вод электрическими разрядами, обеспечивающего деструкцию и окисление гуминовых веществ; определении условий наиболее полного совместного осаждения гуминовых веществ и соединений железа до уровня ПДК. Исследования проведены с использованием современных физических и физико-химических методов на базе аккредитованной лаборатории: рентгенофазовый и рентгеноструктурный анализ, электронная микроскопия, спектрофотометрия, атомная эмиссионная спектрометрия, ИК-спектроскопия, анализ углерода, анализ состава воды в соответствии с действующими СанПиН и ГОСТ.
Положения, выносимые на защиту:
1. Положение о закономерностях изменения состава природной воды и водных растворов модельных органических веществ (гумата натрия, метиленового голубого, фурацилина, эозина) при воздействии электроискровых разрядов в слое гранул железа.
2. Положение о стадиях процесса удаления гуминовых веществ из природных вод при электроразрядной обработке, включающих окислительную деструкцию, сорбцию, совместную коагуляцию и осаждение гуминовых веществ и продуктов электроэрозии железа.
3. Положение о критическом соотношении концентраций гуминовых веществ и общего железа в растворах, равном 1:5, при котором происходит формирование и коагуляция коллоидных частиц.
Достоверность полученных результатов определяется применением современного поверенного оборудования и аттестованных методик, использованием независимых методов исследования, использованием стандартных образцов, проведением параллельных измерений, статистической обработкой экспериментальных данных, сравнением полученных результатов с литературными данными.
Апробация результатов работы. Основные результаты по теме диссертационной работы доложены и обсуждены на VII Международном форуме по стратегическим технологиям «The 7th International Forum on Strategic Technology (IFOST 2012)» (г. Томск), VII Международной научно-практической конференции «Теоретические и прикладные аспекты современной науки - 2015» (г. Белгород), III Международной конференции «Radiation and Applications in Various Fields of Research - 2015» (г. Будва, Черногория).
Личный вклад автора заключается в самостоятельном анализе литературных источников по теме диссертации, постановке цели и задач исследования, участии в проведении экспериментов и обработке полученных данных, формулировании положений и выводов диссертационной работы совместно с научным руководителем, участии в написании научных публикаций, выступлении с устными докладами на конференциях.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ, из них 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, 6 тезисов докладов в материалах конференций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка цитированной литературы, включающего 140 источников, приложений. Работа изложена на 126 страницах машинописного текста, содержит 25 таблиц и 48 рисунков.
Автор выражает благодарность к.т.н., зав. лабораторией №12 ИФВТ ТПУ Яворовскому Н.А.; д.т.н., профессору Коробочкину В.В.; к.ф.-м.н., доценту Шиян Л.Н.; к.х.н., доценту Юрмазовой Т.А.; к.х.н. Лобановой Г.Л. за интерес к исследованию, ценные дискуссии и рекомендации.
Основным источником питьевого водоснабжения на территории Западной Сибири являются подземные воды. Поверхностные воды Западной Сибири, в достаточном количестве имеющиеся на территории, в связи с заболоченностью невозможно использовать для питьевых целей. Содержание гуминовых веществ, придающих воде повышенную цветность, делает воду непригодной не только для питьевых целей, но и для хозяйственного применения.
Использование подземных вод для питьевого водоснабжения ограничено повышенным содержанием железа, что характерно для Западно-Сибирского региона. Подземные воды, наряду с высокой концентрацией железа, содержат органические вещества гумусового происхождения. Одновременное присутствие указанных примесей приводит к образованию коллоидной системы, обладающей устойчивостью к физико-химическим воздействиям, реализуемым в настоящее время в водоподготовке [1, 2]. При очистке вод такого состава эффективность водоочистных установок снижается, что приводит к снижению качества питьевой воды.
В настоящее время существуют различные технологии, такие как аэрация [3], озонирование [4], обработка импульсным электрическим разрядом [5], использование специальных фильтрующих загрузок [6] для очистки подземных вод, содержащих железо и растворенные гуминовые вещества. Но эти методы малоэффективны для вод, содержащих примеси гуминовых веществ и железа. Использование ультра- и нанофильтрационных мембран является эффективным для вод такого состава, но приводит к увеличению стоимости технологии водоподготовки. Для повышения эффективности очистки подземных вод Западно¬Сибирского региона, содержащих примеси железа и гуминовых веществ, необходим поиск новых способов, которые можно реализовать в технологиях водоподготовки.
Работа выполнена в рамках госзадания «Наука» (ГЗ 3.3734.2011 от 01.01.1012 г.), проект «Разработка научных основ физико-химических процессов водоочистки, протекающих на границе раздела фаз».
Степень разработанности темы исследования. Анализ литературных источников показал, что систематического изучения процессов безреагентного удаления растворенных гуминовых веществ из природных вод не проводилось. Принятые технологии очистки воды с использованием озонирования, мембранного разделения, сорбции, электрокоагуляции, ультрафильтрации и др. малоэффективны для удаления гуминовых веществ из воды вследствие образования с другими примесями коллоидных систем, обладающих повышенной устойчивостью к физико-химическим воздействиям. Закономерности окисления, деструкции и осаждения гуминовых веществ при очистке высокоцветных вод в полной мере не изучены.
Цель работы - разработка технологической схемы очистки природных вод от гуминовых веществ с использованием искровых электрических разрядов.
Для достижения поставленной цели решали следующие задачи:
1. Определение условий формирования устойчивых искровых электрических разрядов в слое гранул железа в воде при подведении импульсного напряжения.
2. Исследование физико-химических процессов, протекающих в воде и растворах при воздействии искровых разрядов с использованием модельных веществ (гумат натрия, метиленовый голубой, фурацилин, эозин) и природных вод.
3. Определение условий удаления растворенных гуминовых веществ и железа при их совместном присутствии до уровня ПДК из модельных растворов и природных вод.
4. Расчет электрических, энергетических и гидродинамических параметров процесса очистки воды от гуминовых веществ под действием искровых разрядов в слое гранул железа.
5. Разработка реактора и аппаратурно-технологической схемы очистки природных вод от растворённых гуминовых веществ с использованием искровых электрических разрядов.
Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:
1. Установлены две основные стадии процесса удаления растворенных гуминовых веществ из природных вод при обработке воды искровыми электрическими разрядами в слое гранул (3-5 мм) Fe: при воздействии разряда (т1=10-20 с) происходит окислительная деструкция 30-40 % мас. органических примесей от содержащегося в воде количества; после прекращения действия разряда в присутствии продуктов электроэрозии железа происходит совместная коагуляция и осаждение гуминовых веществ и оксогидроксидов железа (т2®1 ч). Остаточное содержание гуминовых веществ и железа в воде не превышает ПДК (5 и 0,3 мг/л, соответственно).
2. Установлено массовое соотношение между содержанием растворенных гуминовых веществ в природных водах (рН=6-8) и содержанием общего железа, равное 1:5, при котором происходит формирование и коагуляция коллоидных частиц за счет взаимодействия продуктов гидролиза ионов железа с гуминовыми веществами. Причина образования и коагуляции дисперсной фазы заключается в различном зарядовом состоянии коллоидных частиц (дзета-потенциалы ^(Fe(OH)3)= +8 мВ, ^(ГВ)= -70 мВ).
3. Определена зависимость скорости электроэрозии железа в свободнонасыпном слое гранул в воде под действием искровых разрядов, равномерно распределенных между гранулами по объему металлической загрузки, от времени обработки (усреднённые параметры электроэрозионного процесса: Е=50 В/см, 7=180 А, f=700 с-1, тимп=20 мкс), предложено эмпирическое уравнение скорости процесса. В результате электроэрозии образуется дисперсная система, содержащая частицы дисперсной фазы размерами 0,13-2,7 мкм, состоящие на ~85 мас.% из металлического Fe, остальное - железо в окисленной форме.
Теоретическая значимость работы. В результате выполнения работы получены новые данные о взаимном влиянии примесей гуминовых веществ и железа в природных водах. Расширены представления о закономерностях формирования коллоидных систем в природных водах, позволяющие прогнозировать их устойчивость, обосновать условия роста и коагуляции частиц дисперсной фазы, что имеет существенное значение при разработке технологий очистки высокоцветных вод.
Практическая значимость работы:
1. Проведен расчет параметров (энергетических, гидродинамических, массообменных) работы проточного электроразрядного реактора со слоем гранул Fe для электроискровой обработки воды, разработана аппаратурно-технологическая схема для очистки природных вод от гуминовых веществ.
2. Результаты работы использованы при техническом перевооружении станции водоподготовки воды «Аэрозон-5» на производственной площадке компрессорной станции «Вертикос» Александровского ЛПУМГ, ООО «Газпром трансгаз Томск» (акт № 0121/1010-ф от 01.02.2016).
3. Результаты работы внедрены в учебный процесс Томского политехнического университета: чтение курса лекций по дисциплине «Современные методы подготовки воды для промышленного и бытового использования» для магистров и бакалавров; учебно-методическое пособие: Шиян Л.Н., Тропина Е.А., Мачехина К.И., Войно Д.А. Коллоидно-химические свойства природных вод и особенности водоподготовки: учебное пособие. - Томск: Изд-во ТПУ, 2013. - 132 с.
Методология и методы исследования. Методология диссертационного исследования заключалась в выборе способа обработки природных вод электрическими разрядами, обеспечивающего деструкцию и окисление гуминовых веществ; определении условий наиболее полного совместного осаждения гуминовых веществ и соединений железа до уровня ПДК. Исследования проведены с использованием современных физических и физико-химических методов на базе аккредитованной лаборатории: рентгенофазовый и рентгеноструктурный анализ, электронная микроскопия, спектрофотометрия, атомная эмиссионная спектрометрия, ИК-спектроскопия, анализ углерода, анализ состава воды в соответствии с действующими СанПиН и ГОСТ.
Положения, выносимые на защиту:
1. Положение о закономерностях изменения состава природной воды и водных растворов модельных органических веществ (гумата натрия, метиленового голубого, фурацилина, эозина) при воздействии электроискровых разрядов в слое гранул железа.
2. Положение о стадиях процесса удаления гуминовых веществ из природных вод при электроразрядной обработке, включающих окислительную деструкцию, сорбцию, совместную коагуляцию и осаждение гуминовых веществ и продуктов электроэрозии железа.
3. Положение о критическом соотношении концентраций гуминовых веществ и общего железа в растворах, равном 1:5, при котором происходит формирование и коагуляция коллоидных частиц.
Достоверность полученных результатов определяется применением современного поверенного оборудования и аттестованных методик, использованием независимых методов исследования, использованием стандартных образцов, проведением параллельных измерений, статистической обработкой экспериментальных данных, сравнением полученных результатов с литературными данными.
Апробация результатов работы. Основные результаты по теме диссертационной работы доложены и обсуждены на VII Международном форуме по стратегическим технологиям «The 7th International Forum on Strategic Technology (IFOST 2012)» (г. Томск), VII Международной научно-практической конференции «Теоретические и прикладные аспекты современной науки - 2015» (г. Белгород), III Международной конференции «Radiation and Applications in Various Fields of Research - 2015» (г. Будва, Черногория).
Личный вклад автора заключается в самостоятельном анализе литературных источников по теме диссертации, постановке цели и задач исследования, участии в проведении экспериментов и обработке полученных данных, формулировании положений и выводов диссертационной работы совместно с научным руководителем, участии в написании научных публикаций, выступлении с устными докладами на конференциях.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ, из них 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, 6 тезисов докладов в материалах конференций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка цитированной литературы, включающего 140 источников, приложений. Работа изложена на 126 страницах машинописного текста, содержит 25 таблиц и 48 рисунков.
Автор выражает благодарность к.т.н., зав. лабораторией №12 ИФВТ ТПУ Яворовскому Н.А.; д.т.н., профессору Коробочкину В.В.; к.ф.-м.н., доценту Шиян Л.Н.; к.х.н., доценту Юрмазовой Т.А.; к.х.н. Лобановой Г.Л. за интерес к исследованию, ценные дискуссии и рекомендации.
1. По совокупности показателей качества природные подземные воды, используемые для хозяйственно-питьевого водоснабжения в населенных пунктах Западно-Сибирского региона (Томская и Тюменская области, Ханты-Мансийский автономный округ), являются высокоцветными с большим содержанием гуминовых веществ и железа, многократно превышающим ПДК: цветность - в 3¬6 раз, перманганатная окисляемость - в 1,5-2 раза, общее железо - в 7-40 раз. Установлено, что гуминовые вещества в таких водах связывают в устойчивые соединения 15-40 % мас. железа от его общего содержания в воде и обусловливают низкую эффективность технологий очистки.
2. Действие искровых электрических разрядов в слое гранул Fe (d®3-5 мм)
в воде приводит к диспергированию железа с образованием частиц Fe микронных размеров (1-2,7 мкм), субмикронной фракции (0,13-1 мкм, состоит из металлических частиц и оксогидроксидов Fe) и растворимых ионных форм. Предложено эмпирическое уравнение, описывающее динамику накопления общего железа в воде (сумма субмикронной фракции частиц дисперсной фазы и растворимых ионных форм) за счет эрозии от продолжительности электроискровой обработки при усреднённых параметрах устойчивого электроэрозионного процесса при подведении импульсного напряжения: иср=500 В, /с|1 180 А, /=700 с-1, тимп=20 мкс, расстояние между питающими электродами 10 см, толщина слоя гранул 3 см.
3. Снижение содержания гуминовых веществ в природной воде под действием искровых электрических разрядов в слое гранул Fe происходит в две стадии: 1) действие разряда (т1=10-20 с) приводит к окислительной деструкции 30- ДО % мас. органических примесей от содержащегося в воде количества, при этом содержание общего железа в воде за счет эрозии возрастает до 40 мг/л; 2) после прекращения действия разряда в течение т2®1 ч происходит взаимодействие гуминовых веществ с продуктами эрозии железа, сопровождающееся образованием коллоидов, их коагуляцией и осаждением. При этом содержание гуминовых веществ и железа в воде снижается, соответственно, до 1,0 мгО/л и 14,0 мг/л (без фильтрования).
4. Лимитирующей стадией процесса очистки воды от гуминовых веществ в результате электроискровой обработки в слое гранул Fe является комплекс диффузионно-контролируемых процессов, включающих образование коллоидных частиц оксогидроксидов железа, сорбцию и совместную коагуляцию с макромолекулами гуминовых веществ, рост частиц дисперсной фазы и их осаждение. За время протекания этого процесса (~1 ч) частицы дисперсной фазы увеличиваются в размерах от 0,13 до 3 мкм, средняя скорость осаждения в неперемешиваемом растворе составляет 2,5 мм/мин. Причина образования и коагуляции дисперсной фазы заключается в различном зарядовом состоянии коллоидных частиц (дзета-потенциалы ^(Fe(OH)3)= +8 мВ, <^(ГВ)= -70 мВ).
5. Наиболее полное удаление гуминовых веществ из воды достигается при соотношении их содержания к содержанию общего железа, равном 1:5: для природных вод со средним содержанием гуминовых веществ 8,0-8,5 мг/л оптимальное содержание общего железа составляет 40-45 мг/л. Такое количество железа переходит в воду за счет электроэрозии при электроискровой обработке в слое гранул Fe (т® 10 с при принятых параметрах электроэрозионного процесса) и включает 15 % мас. растворимых ионных форм, 85 % мас. - доля неосаждающихся нерастворимых нанодисперсных форм, включающих металлическое железо.
6. Аппаратурно-технологическая схема очистки природных высокоцветных вод от гуминовых веществ с использованием электроискровой обработки в слое железных гранул включает проточный электроразрядный реактор, отстойник с тонкослойными модулями, скорые фильтры и резервуар чистой воды. Снижение концентрации гуминовых веществ по предлагаемой технологии достигает 85 %, минимальная концентрация гуминовых веществ в очищенной воде составляет 1,0 мг/л (ПДК 5 мг/л), содержание общего железа в очищенной воде снижается до 0,2 мг/л (ПДК 0,3 мг/л). Разработка может быть использована для очистки подземных и поверхностных вод регионов Сибири и Дальнего Востока для населенных пунктов, не имеющих централизованного водоснабжения, а также для вахтовых поселков нефте- и газодобывающей отрасли.
2. Действие искровых электрических разрядов в слое гранул Fe (d®3-5 мм)
в воде приводит к диспергированию железа с образованием частиц Fe микронных размеров (1-2,7 мкм), субмикронной фракции (0,13-1 мкм, состоит из металлических частиц и оксогидроксидов Fe) и растворимых ионных форм. Предложено эмпирическое уравнение, описывающее динамику накопления общего железа в воде (сумма субмикронной фракции частиц дисперсной фазы и растворимых ионных форм) за счет эрозии от продолжительности электроискровой обработки при усреднённых параметрах устойчивого электроэрозионного процесса при подведении импульсного напряжения: иср=500 В, /с|1 180 А, /=700 с-1, тимп=20 мкс, расстояние между питающими электродами 10 см, толщина слоя гранул 3 см.
3. Снижение содержания гуминовых веществ в природной воде под действием искровых электрических разрядов в слое гранул Fe происходит в две стадии: 1) действие разряда (т1=10-20 с) приводит к окислительной деструкции 30- ДО % мас. органических примесей от содержащегося в воде количества, при этом содержание общего железа в воде за счет эрозии возрастает до 40 мг/л; 2) после прекращения действия разряда в течение т2®1 ч происходит взаимодействие гуминовых веществ с продуктами эрозии железа, сопровождающееся образованием коллоидов, их коагуляцией и осаждением. При этом содержание гуминовых веществ и железа в воде снижается, соответственно, до 1,0 мгО/л и 14,0 мг/л (без фильтрования).
4. Лимитирующей стадией процесса очистки воды от гуминовых веществ в результате электроискровой обработки в слое гранул Fe является комплекс диффузионно-контролируемых процессов, включающих образование коллоидных частиц оксогидроксидов железа, сорбцию и совместную коагуляцию с макромолекулами гуминовых веществ, рост частиц дисперсной фазы и их осаждение. За время протекания этого процесса (~1 ч) частицы дисперсной фазы увеличиваются в размерах от 0,13 до 3 мкм, средняя скорость осаждения в неперемешиваемом растворе составляет 2,5 мм/мин. Причина образования и коагуляции дисперсной фазы заключается в различном зарядовом состоянии коллоидных частиц (дзета-потенциалы ^(Fe(OH)3)= +8 мВ, <^(ГВ)= -70 мВ).
5. Наиболее полное удаление гуминовых веществ из воды достигается при соотношении их содержания к содержанию общего железа, равном 1:5: для природных вод со средним содержанием гуминовых веществ 8,0-8,5 мг/л оптимальное содержание общего железа составляет 40-45 мг/л. Такое количество железа переходит в воду за счет электроэрозии при электроискровой обработке в слое гранул Fe (т® 10 с при принятых параметрах электроэрозионного процесса) и включает 15 % мас. растворимых ионных форм, 85 % мас. - доля неосаждающихся нерастворимых нанодисперсных форм, включающих металлическое железо.
6. Аппаратурно-технологическая схема очистки природных высокоцветных вод от гуминовых веществ с использованием электроискровой обработки в слое железных гранул включает проточный электроразрядный реактор, отстойник с тонкослойными модулями, скорые фильтры и резервуар чистой воды. Снижение концентрации гуминовых веществ по предлагаемой технологии достигает 85 %, минимальная концентрация гуминовых веществ в очищенной воде составляет 1,0 мг/л (ПДК 5 мг/л), содержание общего железа в очищенной воде снижается до 0,2 мг/л (ПДК 0,3 мг/л). Разработка может быть использована для очистки подземных и поверхностных вод регионов Сибири и Дальнего Востока для населенных пунктов, не имеющих централизованного водоснабжения, а также для вахтовых поселков нефте- и газодобывающей отрасли.



