Знефторювання підземних вод на фільтрах з модифікованим завантаженням

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ БУДІВНИЦТВА ТА АРХІТЕКТУРИ

АВТОРЕФЕРАТ дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

ЗНЕФТОРЮВАННЯ ПІДЗЕМНИХ ВОД НА ФІЛЬТРАХ З МОДИФІКОВАНИМ ЗАВАНТАЖЕННЯМ

Спеціальність 05.23.04 - Водопостачання, каналізація

МАТВІЄНКО ОЛЬГА МИКОЛАЇВНА

Київ - 2006



Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Київському національному університеті будівництва і архітектури Міністерства освіти та науки України.

Науковий керівник: ТЕРНОВЦЕВ ВІТАЛІЙ ОМЕЛЯНОВИЧ

доктор технічних наук, професор кафедри водопостачання Київського національного університету будівництва і архітектури.

Офіційні опоненти: ЄМЕЛЬЯНОВ БОРИС МИХАЙЛОВИЧ

доктор технічних наук, професор, завідувач кафедри хімії Київського національного університету будівництва і архітектури;

СТОРЧАК ВАЛЕНТИНА АНДРІЇВНА

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник, доцент Державного інституту управління та економіки водних ресурсів Держводгоспу України.

Провідна установа: Український науково-дослідний інститут гідротехніки і меліорації Української Академії аграрних наук (м. Київ).

Захист дисертації відбудеться 22.03.2006р. о 13⁰⁰ год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.056.07 при Київському національному університеті будівництва і архітектури за адресою: 03680, м. Київ, Повітрофлотський просп., 31. ауд. 319.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Київського національного університету будівництва і архітектури за адресою: 03680, м. Київ, Повітрофлотський просп., 31.

Відгуки на автореферат просимо надсилати у двох примірниках за підписом, завіреним печаткою, на адресу: 03680, м. Київ, Повітрофлотський просп., 31. КНУБА. Вчена рада.

Автореферат розісланий 20.02. 2006р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради, к.т.н., професор Василенко О. А.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Одним з пріоритетних напрямків покращення забезпеченості населення доброякісною питною водою є збільшення використання підземних вод, які надійно захищені від потрапляння забруднень з поверхні землі. Однак підземні води кількох регіонів України характеризуються підвищеною концентрацією фтору. Потрапляючи в організм людини з питною водою, фториди негативно впливають на обмін речовин, метаболізм і дихання.

В багатьох країнах світу, в тому числі і в Україні нормативні документи регламентують вміст фтору у питній воді в межах 0,7...1,5мг/дм³. Очистка води, здійснена існуючими методами видалення фтору, в більшості випадків не задовольняє вимогам Державних санітарних правил і норм „Вода питна. Гігієнічні вимоги до якості води централізованого господарсько-питного водопостачання”. Особливістю цих методів є те, що кожен має обмежену область використання, а також як певні переваги, так і недоліки, пов'язані зі складністю експлуатації або з недостатнім ступенем очистки. Суттєвим недоліком цих методів є вторинне забруднення води шкідливими речовинами внаслідок використання різноманітних реагентів, зокрема, сполуками алюмінію та фосфору, сульфатами.

Найбільш перспективним методом знефторювання підземних вод є фільтрування з використанням модифікованих завантажень. Однак відсутність теоретичного обґрунтування та методики інженерного розрахунку технологічних параметрів споруд не дозволяє широко використовувати такий метод в технології очистки води від фтору. Таким чином, проблема розробки технології знефторювання підземних вод, яка дозволила б інтенсифікувати процес видалення фторидів з води та виключити забруднення фільтрату шкідливими сполуками, створення та широкого використання знефторюючих установок, які б забезпечили високий ступінь очистки води, були б надійними в експлуатації, простими в обслуговуванні та мали б мінімальні експлуатаційні витрати, є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Робота виконувалася в рамках державної програми “Про концепцію розвитку водного господарства України” і тісно пов'язана з планами держбюджетної тематики Київського національного університету будівництва і архітектури на замовлення Міністерства освіти і науки України (№ держреєстрації 0196U016057).

Мета і задачі досліджень.

Метою дисертаційної роботи є наукове обґрунтування та розробка методів і споруд для інтенсифікації процесу видалення з підземних вод іонів фтору.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:

– провести аналіз існуючих методів видалення фтору з підземних вод та визначити фактори, що впливають на ефективність знефторювання;

– розглянути фізико-хімічні основи процесу знефторювання води на фільтрах з модифікованим завантаженням;

– запропонувати математичну модель процесу знефторювання підземних вод фільтруванням крізь модифіковані завантаження;

– науково обґрунтувати та удосконалити технологію знефторювання підземних вод на фільтрах з запропонованим модифікованим завантаженням;

– визначити вплив параметрів вихідної води на якість фільтрату та типу модифікованого завантаження на його сорбційні властивості по відношенню до фтору;

– на основі наукового аналізу теоретичних та експериментальних досліджень розробити рекомендації для інженерного розрахунку модифікованого завантаження для знефторювання підземних вод.

Об'єкт досліджень - підземні води з підвищеним вмістом фтору.

Предмет досліджень - процес знефторювання води, сорбційні процеси та комплексоутворювання при вилученні з води іонів фтору, процеси регенерації фільтруючого завантаження.

Методи досліджень - науковий аналіз та експериментальні дослідження проведені на лабораторних установках з використанням модельних та реальних фторидних вод із застосуванням хімічних методів аналізу; для оцінки експериментальних результатів були використані математичні методи обробки отриманих даних.

Наукова новизна одержаних результатів:

– розроблено, досліджено і науково обґрунтовано метод інтенсифікації очистки підземних вод від іонів фтору на фільтрах з модифікованим завантаженням;

– одержано нові обґрунтовані результати по знефторюванню підземних вод фільтруванням через природний цеоліт - клиноптилоліт, модифікований основними солями алюмінію, та визначено основні технологічні параметри, за яких процес видалення фторидів проходить найефективніше;

– запропоновано математичну модель процесу очистки підземної води від іонів фтору і отримані співвідношення для визначення тривалості фільтроциклу, концентрації фторидів на виході з фільтру і параметрів кінетики масообміну.

Практичне значення одержаних результатів.

Розроблено нове фільтруюче завантаження, яке дозволяє підвищити ефективність очистки води від фтору та виключити надходження у фільтрат шкідливих сполук. Використання такого фільтруючого завантаження суттєво збільшує тривалість фільтроциклу.

Запропоновано рекомендації для інженерного розрахунку основних технологічних параметрів процесу знефторювання підземних вод. Отримані закономірності адсорбційних процесів дозволяють використати їх для розрахунку і проектування нових та вдосконалення існуючих установок знефторювання підземних вод фільтруванням крізь природний цеоліт, модифікований основними солями алюмінію. Запропоновані рекомендації дають змогу без проведення додаткових експериментів визначити необхідні технологічні і конструктивні характеристики надійної роботи установок.

Результати дисертаційної роботи впроваджені у Миргородському виробничому управлінні водопровідно-каналізаційного господарства Полтавського обласного державного підприємства “Полтававодоканал”, що дозволило суттєво збільшити економічний і екологічний ефекти. Використання запропонованого фільтруючого завантаження дозволило знизити концентрацію фтору до 1мг/дм³, всі інші контрольовані показники якості води відповідали нормам на питну воду.

Особистий внесок здобувача.

Наукові результати, які викладені в дисертації, отримані особисто здобувачем на основі виконаного аналізу існуючих методів знефторювання підземних вод і проведених наукових та експериментальних досліджень. Автору належить розробка методики проведення та організація експерименту і обробка отриманих результатів. Запропонована математична модель процесу знефторювання підземних вод на фільтрах з модифікованим завантаженням. Виконана математична обробка отриманих результатів, отримано залежності для визначення основних параметрів проведення процесу знефторювання на модифікованих завантаженнях. Удосконалено технологію видалення фторидів з води фільтруванням. інженерний споруда фільтрат

Апробація роботи

Основні результати та положення дисертації доповідалися на 61 - 66-й науково-практичних конференціях Київського національного університету будівництва і архітектури „Наукові дослідження і розробки інтенсифікації роботи систем водопостачання та водовідведення” (м. Київ 2000 - 2005рр.), на 58 - 59-й науково-практичних конференціях Харківського державного університету будівництва і архітектури (м. Харків 2003 - 2004рр.).

Публікації.

За матеріалами дисертації опубліковано 8 друкованих робіт у різних виданнях України, в тому числі 4 у фахових виданнях, регламентованих ВАК, 1 патент України.

Структура і обсяг роботи.

Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, загальних висновків, списку використаної літератури з 138 найменувань і 2 додатків. Робота викладена на 142 сторінках, містить 29 рисунків, 5 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі наводиться стисла характеристика дисертаційної роботи, розкрита актуальність проблеми знефторювання підземних вод фільтруванням крізь модифіковані завантаження, сформульована мета і визначені задачі досліджень, наведені положення наукової новизни та практичної цінності роботи.

У першому розділі дано оцінку кількісного і якісного стану підземних вод, які містять фториди, розглянуто причини їх появи у воді, а також вплив на людину. Здійснено аналітичний огляд літературних джерел та наукових робіт, в яких йдеться про існуючі методи знефторювання підземних вод.

Аналіз робіт Кравченко В.А., Золотової Є.Ф., Асс Г.Ю., Лазарева В.В., Олійника О.Я., Сліпченка В.А., Ємельянова Б.М., Ніколадзе Г.І., Терновцева В.О., Тарасевича Ю.І., Соломенцевої И.М., Руденко Г.Г., Поладян В.Е. та інших дозволив виявити основні тенденції в очищенні підземних вод від фтору, визначити найбільш прогресивні, виявити актуальність і необхідність удосконалення даних методів.

Технологічні рішення, які використовуються в теперішній час, вимагають значної кількості реагентів або енергоносіїв, а також не дозволяють суттєво інтенсифікувати процес знефторювання та уникнути вторинного забруднення очищеної води насамперед іонами алюмінію. Найбільш сучасним та економічно вигідним методом знефторювання підземних вод є фільтрування крізь модифіковані завантаження. Цей метод дозволяє суттєво зменшити витрату реагентів на регенерацію, уникнути потрапляння в очищену воду іонів шкідливих сполук, значно підвищити ефект знефторювання. Проте наукове обґрунтування особливостей процесу знефторювання фільтруванням крізь модифіковані завантаження, математичні співвідношення і методика розрахунку складових технологічного процесу практично відсутні.

На основі аналізу літературних джерел сформульовані задачі і напрямки досліджень, а також намічені шляхи вирішення проблеми.

У другому розділі наведено фізико-хімічні основи процесу вилучення фтору з підземної води методом фільтрування через модифіковані завантаження. Запропонований метод оснований на сорбційних властивостях по відношенню до фтору природного цеоліту, модифікованого солями алюмінію. Клиноптилоліт в природній формі практично не видаляє фтор з води. При контакті алюмінійвмісного реагенту з клиноптилолітом, який є природним катіонообмінником, в останньому заміщуються обмінні катіони Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺ на катіони алюмінію з модифікаційного розчину. Реобмін катіонів алюмінію з клиноптилоліту починається при наступному фільтруванні води крізь модифікований матеріал. Фтор з алюмінієм утворює комплексні сполуки різного складу, встановлено існування комплексних іонів від AlF²⁺ до AlF₆^3-, а також основних фторидів алюмінію із загальною формулою Al_2+x(OH)₆F_3x, де х змінюється від 0,4 до 14. Доречно припустити, що саме процеси комплексоутворювання є визначальними в процесі знефторювання підземних вод фільтруванням крізь модифіковані завантаження. Враховуючи наявність на поверхні зерен модифікованого завантаження продуктів гідролізу солей алюмінію, видалення фтору може відбуватися і за рахунок іонного обміну. При підвищеному рН вірогідність такого процесу зростає.

Отже, видалення фтору відбувається за рахунок сорбції і утворення алюмофторидних комплексів, які адсорбуються клиноптилолітом:

Al³⁺ + F- AlF^2+; 2Al(OH)₃ + AlF₃²⁺ 3Al(OH)₂F. (1)

Дуже перспективним для видалення фтору є використання основних солей алюмінію - гідрооксихлориду Al₂(OH)₅Cl та гідрооксисульфату Al(OH)SO₄, оскільки ці сполуки є комплексними і мають в своєму складі гідроксидну групу, що безперечно сприяє утворенню алюмінієвих комплексів із фтором. Виконано обґрунтування вибору запропонованого завантаження.

Основним параметром, який характеризує ефективність затримання іонів фтору модифікованим завантаженням, є константа стійкості даної комплексної сполуки. Для багатьох алюмінієвих і фторидних комплексів константи стійкості визначені. Доведено, що на процес утворення алюмофторидних комплексів суттєво впливає концентрація гідроксид-іонів ОН-. Константа рівноваги такої системи дорівнює:

= k_c[OН-], (2)

kc - константа стійкості відповідної сполуки.

Це рівняння свідчить про вирішальне значення показника рН в знефторюванні води на алюмомодифікованих завантаженнях.

Отже, за відомими константами стійкості утворюваних сполук можна розрахувати вихід алюмофторидних комплексів, однак на практиці виявляється досить складно визначити концентрації кожної окремої сполуки, які складають комплекс, що робить неможливим використання такого розрахунку в інженерній практиці. Тому постає необхідність математичного моделювання процесу знефторювання на алюмомодифікованих завантаженнях.

Обґрунтування математичної моделі видалення фтору з води фільтруванням крізь модифіковані завантаження проводимо з використанням моделювання відомих процесів масопереносу і масообміну завислих речовин і хімічних сполук в пористих середовищах, враховуючи, що:

- у воді, яка надходить на фільтр з модифікованим завантаженням, забруднення (фториди) знаходяться в іонній формі. Модифіковане завантаження видаляє з води лише іон фтору. Впливом інших іонів на процес вилучення іонів фтору можна знехтувати, при цьому склад зерен модифікованого завантаження майже не змінюється;

- завантаження в процесі очистки майже не забруднюється завислими і колоїдними домішками, а в процесі регенерації відбувається повне її відновлення;

- зміна обмінної ємності завантаження пропорційна кількості затриманого фтору і не залежить від інших іонів, що знаходяться у воді;

- ефективність очистки води від фтору фільтруванням крізь модифіковані завантаження залежить від рН, температури і іонного складу води. Вплив цих факторів враховується за допомогою констант швидкості процесу в запропонованих моделях.

Розглядається шар сорбенту від х₁ до х₂ на протязі проміжку часу від t₁ до t₂. На підставі вищезазначеного і додатково проведеного аналізу динаміки вилучення іонів фтору із води при фільтруванні через модифіковане завантаження процес може бути описаний наступними рівняннями, записаними відносно концентрації фтору у розчині С₂ і концентрації фтору в твердій нерухомій фазі С₁ (поглинутого на зернах завантаження).

Рівняння балансу речовини:

, (3)

де С₁ (x, t) і С₂ (x, t) - масові концентрації (кількості) іонів фтору в твердій (в одиниці об'єму пористого середовища) і в рідинній (в одиниці об'єму рідини) фазах в момент часу t і в перерізі x;

n - пористість завантаження;

V - швидкість фільтрації.

Рівняння (3) показує, що перенос речовини відбувається в напрямку х за рахунок конвективного переносу. Але відомо, що при складанні математичної моделі загального матеріального балансу речовини при фільтрації поряд з конвективним переносом речовини середньою швидкістю V потрібно враховувати і дифузійний перенос з коефіцієнтом дифузії D. Виконаний аналіз показав, що в інженерних розрахунках при коефіцієнті гідродинамічної дисперсії л < 0,1, що в більшості випадків має місце на практиці, дифузійним переносом можна знехтувати.

Рівняння кінетики масообміну:

, (4)

де С₃ - масова концентрація фтору, яка знаходиться в рівновазі з поглинутою кількістю фтору;

- кінетичний коефіцієнт.

Рівняння (4) описує кінетику іонного обміну без врахування додаткових взаємодій в рідинній і твердій фазах. В цьому випадку для визначення коефіцієнту існує рівняння:

, с^-1, (5)

де d - діаметр зерен іонообмінного завантаження, м;

б - коефіцієнт, що характеризує обмінні іони.

У випадку обміну фторидів на сульфати і гідроксид-іони б становить 0,43.

На підставі експериментальних даних можна зробити висновок про те, що в області малих концентрацій, що і має місце в даному випадку, ізотерма сорбції фтору модифікованим природним цеолітом відповідає ізотермі Генрі, яка описується рівнянням:



. (6)

де - коефіцієнт Генрі.

Безрозмірний коефіцієнт Генрі залежить від типу модифікованого завантаження, початкової концентрації фтору та рН середовища, визначається експериментально і характеризує сорбент. Фізичний зміст базується на тому, що кількість поглинутого сорбентом фториду пропорційна рівноваговій концентрації згідно рівняння (6).

Розв'язок системи рівнянь (3), (4) і (6) для нестаціонарного режиму при n = const і постійних коефіцієнтах і при початкових та граничних умовах С₂(х, 0) = С₂⁰, С₂ (0, t) = С₀₂ і С₁ (х, 0) = С₁⁰ одержано О.Я. Олійником і Ю.І. Калугіним. Як показав попередній аналіз, член впливає на результати розрахунків тільки на початковій стадії процесу тривалістю t (t₀ = ), після чого t t₀, тобто в практичних розрахунках можемо розглядати стаціонарний режим (), що і було зроблено в дисертаційній роботі.

Проведений нами аналіз цих загальних рішень показав, що у випадку , , для практичного користування пропонується залежність:

. (7)

де I₀(z) - модифікована функція Беселя першого роду нульового порядку від уявного аргументу z; z = ;



Враховуючи, що у випадку z << 1, функція I₀ (z) 1, можемо записати:

. (8)

Виходячи з рівняння (8) можна визначити, якою буде концентрація фторидів на виході з фільтру в залежності від часу.

Експериментально підтверджено, що на кінетику знефторювання на модифікованих завантаженнях не впливає значення початкової концентрації фторидів, тобто процес поглинання фтору проходить і при великих, і при малих концентраціях фтору однаково (рис.1).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.1. Зміна концентрації фторидів на виході з фільтру на протязі фільтроциклу при рН = 6,7 та V = 5м/год для різних початкових концентрацій фтору (експериментальні дані); дані, отримані аналітично при початковій концентрації фтору 2,75 мг/дм³

Зазначене вище наочно демонструє універсальність та зручність даних рівнянь насамперед для інженерного розрахунку процесу знефторювання в різних умовах проведення процесу, тобто математична модель враховує висоту шару фільтруючого завантаження, площу фільтра, швидкість фільтрування, початкову концентрацію фтору, рН середовища та тип модифікованого завантаження. Врешті відзначимо, що запропонована математична модель дозволяє розв'язати досить складну технологічну задачу по знефторюванню підземної води на фільтрах з модифікованим завантаженням.

В третьому розділі наведено методики проведення досліджень, методики визначення концентрації фторидів, алюмінію, сульфатів та хлоридів у воді.

Для вибору потрібного плану досліду використовувався метод Бокса-Уілсона, при якому всі фактори на протязі кожного досліду підтримувалися постійними, а якість вихідної води контролювалася.

Вибрано найдостовірніші та найбільш придатні для застосування методики визначення фторидів, алюмінію, сульфатів та хлоридів. Зокрема, для визначення концентрації фтору прийнято потенціометричний метод, для визначення концентрації алюмінію вибрано фотоколориметричний метод, концентрації сульфатів та хлоридів визначали реагентними методами. Створена експериментальна установка для вивчення процесу знефторювання підземної води фільтруванням через модифікований природний цеоліт і підібрані вимірювальні прилади та обладнання.

Приведено методику обробки експериментальних даних, розрахунки проводились методом найменших квадратів, що дозволило визначити діапазон зміни рН вихідного розчину для забезпечення найефективнішого знефторювання підземної води фільтруванням через природний цеоліт, модифікований сполуками алюмінію (рН = 6...8,5). Обробка отриманих результатів проводилась за методом найменших квадратів.

В четвертому розділі наведені результати експериментальних досліджень роботи фільтрів з модифікованим завантаженням. Виконано дослідження фільтрів із завантаженнями, модифікованими різними сполуками з метою визначення найефективнішого завантаження для знефторювання підземної води. В результаті виконаного аналізу роботи існуючих установок знефторювання підземних вод встановлено, що ці технології і установки або не забезпечують достатній ефект знефторювання, або спричиняють вторинне забруднення фільтрату. Тому було передбачено інженерні рішення, що дозволяють знефторювати підземну воду з високим ефектом очистки і з виключенням попадання у фільтрат шкідливих сполук.

Зокрема, нами запропоновано спосіб отримання модифікованого фільтруючого завантаження, що дозволяє отримати такий сорбент, який призведе до спрощення технологічного процесу шляхом зменшення реагентного господарства і проведення всіх стадій процесу (регенерація, відмивка, фільтрування) в замкненому колі. При цьому досягається підвищення ефективності знефторювання, збільшення тривалості фільтроциклу та зменшення надходження в оброблювану воду іонів алюмінію.

Експериментальне порівняння різних реагентів-модифікаторів природного цеоліту показало, що найкраще процес знефторювання проходить при використанні гідрооксисолей алюмінію, ці сполуки забезпечують більшу тривалість фільтроциклу (рис.2). Крім того, ці сполуки характеризуються незначним надходженням у фільтрат іонів алюмінію порівняно з сульфатом та хлоридом алюмінію (рис.3).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.2. Залежність концентрації алюмінію на виході з фільтру від об'єму профільтрованої води при V = 5м/год, початковій концентрації алюмінію 0,01мг/дм³, рН = 6,7 для різних типів модифікованих завантажень.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.3. Залежність залишкової концентрації фтору від швидкості фільтрування при початковій концентрації фторидів С₀₂ = 2,5мг/дм³, рН=6,7 для двох типів модифікованих завантажень

Досліджувався вплив швидкості фільтрування на ефект знефторювання, в результаті чого визначено, що швидкість фільтрування прямо впливає на ефект знефторювання; високий ефект досягається при швидкості 2,5 - 5м/год (рис.4).

Досліджено вплив рН середовища на процес знефторювання води, що показало суттєве значення цього показника в процесі очистки води від фтору запропонованим методом; найкраще знефторювання проходить при діапазоні зміни рН = 6,0...8,5 (рис.5).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.4. Залежність залишкової концентрації фтору від зміни рН при С₀₂=2,5мг/дм³, V = 5м/год для двох типів модифікованого завантаження.

Експериментально підтверджено, що динаміка процесу видалення з води фтору однакова для різних концентрацій фторидів, навіть при високих концентраціях (10мг/дм³) фтору у воді при фільтруванні крізь модифікований природний цеоліт при рН = 6,0...8,5 ефект очистки достатньо високий (рис.6).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.5. Вплив початкової концентрації фтору С₀₂ на ефект знефторювання при V = 5м/год та різних значеннях рН для завантаження, модифікованого гідрооксихлоридом алюмінію.

Отримані експериментальні дані забезпечили можливість дослідження і визначення основних розрахункових параметрів і коефіцієнтів, що суттєво полегшило інженерний розрахунок установки знефторювання підземних вод фільтруванням крізь модифіковані завантаження.

В п'ятому розділі на основі реалізації запропонованої математичної моделі розроблені рекомендації для проведення інженерного розрахунку основних параметрів та технологічних характеристик фільтру для знефторювання підземної води. Подані рекомендації були розроблені для прийнятої в технології водоочистки схеми фільтрування з постійною швидкістю на протязі всього фільтроциклу.

Виходячи з рівняння (8) можна визначити, якою буде концентрація іонів фтору в розчині в будь-який проміжок часу в межах фільтроциклу для будь-якої витрати. Однак слід відзначити, що час t, який входить до рівняння, буде залежати в першу чергу від розмірів фільтру, отже є сенс перейти до використання відносних параметрів, що дасть можливість застосовувати це рівняння в будь-яких умовах:

, , (9)



t_фц - тривалість фільтроциклу, с; W - об'єм профільтрованої води, м³; W_зав - об'єм фільтру, м³; l - висота фільтру, м.

Відповідно і коефіцієнт слід представити у безрозмірному вигляді. Враховуючи, що процес поглинання фтору поверхнею зерен модифікованого завантаження пов'язаний, в першу чергу, з процесами комплексоутворення, а не лише з іонообмінною сорбцією, нами запропоновано використовувати емпіричний коефіцієнт R, що враховує особливості взаємодії іонів фтору з поверхнею зерен модифікованого завантаження:

. (10)

Коефіцієнт R не залежить від початкової концентрації фтору і експоненціально змінюється в часі. Це пов'язано з тим, що процес утворення алюмофторидних комплексів проходить в кілька стадій, які характеризуються різними фізико-хімічними механізмами затримання фторидів. Експериментально визначено коефіцієнт реакції R для різних рН і на підставі цього визначено безрозмірний коефіцієнт (рис.7). Коефіцієнт відображає кінетику процесу, залежить від рН знефторюваної води і змінюється на протязі фільтроциклу.

Таким чином, для інженерного розрахунку фільтрів для знефторювання підземних вод фільтруванням крізь модифіковані завантаження нами запропоновано використовувати залежність (11):

(11)

Апробація запропонованої методики розрахунку проведена шляхом співставлення результатів розрахунку з численними дослідними даними, отриманими для різних параметрів проведення процесу.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.6. Залежність коефіцієнту від часу для швидкості фільтрування 5м/год при різних рН.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.7. Алгоритм (схема) інженерного розрахунку знефторювання підземних вод фільтруванням крізь модифіковані завантаження

Поданий в дисертаційній роботі порівняльний аналіз свідчить про те, що запропонована методика розрахунку дозволяє більш надійно і достовірно обґрунтувати конструктивно-технологічні параметри фільтрів для видалення фторидів з питної води. В розділі приведено техніко-економічний розрахунок знефторювання природної води на очисних фільтрах з модифікованим завантаженням. Для оцінки економічної ефективності запропонованого рішення проведено порівняння техніко-економічних показників розробленої технології з існуючою технологією знефторювання з використанням активованого окису алюмінію.

Зниження вартості одного кубічного метра води при використанні знефторювання через модифікований гідрооксихлоридом алюмінію природний цеоліт порівняно з методом використання фільтрування через активований окис алюмінію складає 49,85%.



ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. На підставі аналізу літературних даних щодо сучасних методів знефторювання підземних вод встановлено, що існуючі технології або недостатньо ефективні, або досить складні, і тому найнадійнішим методом з економічної і екологічної точок зору є фільтрування через природний цеоліт, модифікований основними солями алюмінію.

2. Вивчено механізм і особливості процесу знефторювання на модифікованих завантаженнях і на цій підставі запропонована математична модель очистки води від фтору, в результаті реалізації якої отримані основні залежності для визначення розподілу концентрації фтору у фільтраті в залежності від часу. Досліджено характер залежності процесу від рН, а також вплив початкової концентрації фтору на знефторювання.

3. Приведені фізико-хімічні основи процесів, які відбуваються внаслідок контакту модифікаційного розчину, закріпленого на поверхні зерен завантаження з іонами фтору, що містяться в оброблюваній воді, і проаналізовано вплив різних факторів на перебіг цих процесів.

4. Використання теорії планування експерименту дозволило з'ясувати, які фактори впливають на знефторювання підземної води і визначити необхідну кількість спостережень, застосувати найзручніші і найточніші методики визначення у воді концентрації фтору, алюмінію, сульфатів, хлоридів та рН.

5. Експериментальні дослідження процесу знефторювання води фільтруванням через природний цеоліт, оброблений різними сполуками алюмінію, дозволили в якості фільтруючого завантаження обрати природний цеоліт - клиноптилоліт, модифікований основним хлоридом алюмінію. Використання такого поєднання забезпечує високий ефект знефторювання і не призводить до погіршення іонного складу обробленої води.

6. Експериментально визначено вплив рН середовища на процес очистки води від фтору та з'ясовано, що за діапазону зміни рН = 6,0…8,5 ефект знефторювання найвищий (85…98%) та підтверджено, що зі збільшенням швидкості фільтрування зменшується ефект знефторювання; достатньо високу продуктивну спроможність і високий ефект очистки забезпечує швидкість в межах V = 2,5 - 5м/год.

7. Розв'язана складна задача, яка дозволила отримати сорбент, що зумовлює спрощення процесу знефторювання шляхом зменшення реагентного господарства і проведення всіх стадій процесу (регенерація, відмивка, фільтрування) в замкненому колі, досягнуто суттєвого підвищення ефективності знефторювання, збільшення тривалості фільтроциклу та зменшення надходження в оброблювану воду іонів алюмінію.

8. На підставі виконаних теоретичних і експериментальних досліджень розроблені рекомендації для інженерного розрахунку основних технологічних параметрів, які дозволяють більш надійно обґрунтувати технологічні і конструктивні параметри очисних фільтрів з модифікованим завантаженням.

9. Розроблена технологічна схема очистки підземних вод від фтору. Впровадження схеми в проект проведено у Миргородському виробничому управлінні водопровідно-каналізаційного господарства “Полтававодоканал”. Техніко-економічний розрахунок проекту станції знефторювання потужністю до 3200 м³/добу з напірними фільтрами, призначеної для очистки підземних вод, при порівнянні використання в якості завантаження активованого окису алюмінію і клиноптилоліту, модифікованого гідрооксихлоридом алюмінію, показав зниження вартості обробки 1м³ вод на 49,85%.



СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Матвієнко О.М. Очистка природних вод від фтору з використанням фільтрування крізь модифіковані природні цеоліти// Науковий вісник будівництва. Випуск 18. - Х.: ХДТУБА ХОТВ АБУ. - 2002. - С.290 - 293.

2. Матвієнко О.М., Терновцев В.О. Вплив модифікованого природного цеоліту на іонний склад знефторюваної природної води// Проблеми водопостачання, водовідведення та гідравліки. - Науково-технічний збірник. Вип.1.- К.: КНУБА.- 2003.- С.30-35.

3. Матвієнко О. М. Теоретичне обґрунтування процесу знефторення підземних вод фільтруванням крізь модифіковані завантаження// Науковий вісник будівництва. Випуск 21.- Х.: ХДТУБА ХОТВ АБУ.-2003.- С.127-129.

4. Терновцев В.О., Матвієнко О.М. Математичне моделювання процесу видалення іонів фтору з підземної води фільтруванням крізь модифіковані завантаження// Вісник УДУВГіП. Збірник наукових праць. Випуск 6 (19). - Рівне. - 2003. - С.181 - 187.

5. Матвієнко О.М. Деманганація підземних вод// Наукові дослідження і розробки для інтенсифікації роботи систем водопостачання і водовідведення. Тези доповідей 61-ї науково-практичної конференції 24 - 27 квітня 2000року. - К.: КНУБА. - 2000. - С.18 - 19.

6. Матвієнко О.М., Терновцев В.О. Знефторювання підземної води/ Тези доповідей 62-ї науково-практичної конференції 17 - 19 квітня 2001року. - К.: КНУБА. - 2001.

7. Матвієнко О.М. Розробка рекомендацій для інженерного розрахунку основних параметрів і технологічних характеристик фільтрів для знефторювання питної води./ Тези доповідей 65-ї науково-практичної конференції 20 - 22 квітня 2004року. - К.: КНУБА. - 2004.

8. Патент. А.с. № 58588А. Україна. Спосіб отримання сорбенту для очистки природних вод від фтору/ О.М. Матвієнко, В.О. Терновцев (Україна). - 4с.; Опубл. 15.08.2003, Бюл. №8.

АНОТАЦІЯ

Матвієнко О.М. Знефторювання підземних вод на фільтрах з модифікованим завантаженням. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.04 - Водопостачання, каналізація. Київський національний університет будівництва і архітектури. Київ, 2006.

Дисертація присвячена дослідженню заходів, що підвищують ефективність знефторювання підземних вод. Встановлено, що існуючі методи знефторювання вимагають великих затрат на реагенти та енергопостачання. Запропоновано нове завантаження для видалення фторидів з підземних вод, в якому відбуваються процеси іонообмінної сорбції та комплексоутворення. Метод заснований на здатності природного цеоліту (клиноптилоліту) до катіонного обміну, за рахунок чого відбувається міцне закріплення модифікаційного алюмінійвмісного реагенту на поверхні зерен завантаження, який забезпечує очистку води від фтору. Досліджено механізм цього процесу. Теоретично обґрунтована і практично підтверджена ефективність застосування методу знефторювання фільтруванням крізь модифіковане завантаження. Отримані кінетичний коефіцієнт та коефіцієнт Генрі. Розроблена методика розрахунку основних технологічних параметрів і характеристик процесу знефторювання на модифікованих завантаженнях. Запропонована технологічна схема видалення фторидів на модифікованих завантаженнях. Виконано техніко-економічні розрахунки запропонованої технологічної схеми. Результати роботи використані у Миргородському виробничому управлінні водопровідно-каналізаційного господарства “Полтававодоканал”.

Ключові слова: знефторювання, фільтрування, рН середовища, природний цеоліт, комплексоутворення.



АННОТАЦИЯ

Матвиенко О.Н. Обесфторивание подземных вод на фильтрах с модифицированными загрузками. - Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.23.04 - Водоснабжение, канализация. Киевский национальный университет строительства и архитектуры. Киев, 2006.

Диссертация состоит из вступления, пяти разделов, основных выводов, списка использованных литературных источников из 132 наименований, 2 приложений, 29 рисунков и 5 таблиц.

Диссертация посвящена проблеме очистки подземных вод от фтора.

В работе выполнен аналитический обзор существующих методов обесфторивания подземных вод. Отмечено, что в настоящее время известные методы либо малоэффективны, либо приводят к вторичному загрязнению обесфторенной воды соединениями алюминия, фосфора, сульфатами и т.д.

С целью повышения эффективности очистки подземных вод от фторидов предложен способ получения фильтрующей загрузки, модифицированной соединениями алюминия. Предлагаемый метод основан на способности природного цеолита к катионному обмену, что даёт возможность прочно закрепить модифицирующий раствор на поверхности зёрен загрузки.

В работе исследован механизм процесса обесфторивания при использовании различных модификаторов природного цеолита, установлены технологические параметры процесса. В результате проведения экспериментальных исследований и на основании анализа полученных результатов быль выбран наиболее эффективный состав загрузки фильтра.

Определены зависимости эффекта очистки от различных параметров. Исследования показали, что предлагаемый метод высокоэффективный. Приведены результаты экспериментальной проверки эффективности метода при различных концентрациях фтора. Эффект очистки составляет 85 - 98% при начальной концентрации фтора до 10 мг/дм³.

В результате изучения механизма и особенностей процесса сорбции и комплексообразования, разработана математическая модель обесфторивания подземных вод фильтрованием через модифицированный природный цеолит. Реализация модели позволила количественно определить влияние различных факторов на эффективность процесса очистки.

Проведенные исследования показали, что существенное влияние на эффективность обесфторивания подземных вод при использовании фильтрования через модифицированные загрузки имеет рН. Экспериментально подтверждено, что наиболее эффективно процесс обесфторивания проходит при рН = 6,0 - 8,5. Также исследовано влияние скорости фильтрования и исходной концентрации фтора на эффект очистки. Эти показатели прямо влияют на процесс обесфторивания: с увеличением скорости фильтрования или исходной концентрации фторидов увеличивается концентрация фтора на выходе из фильтра. Кроме того, использование гидрооксисолей алюминия для модифицирования природного цеолита при обесфторивании подземных вод позволяет избежать вторичного загрязнения фильтрата ионами алюминия.

Выполнен технико-экономический расчёт предложенной технологической схемы очистки подземных вод от фтора, который показывает экономический эффект от внедрения предложенного способа на 49,85%.

Сведения, приведенные в диссертационной работе, отражены в печатных работах автора.

Ключевые слова: обесфторивание, фильтрование, рН среды, природный цеолит, комплексообразование.



RESUME

Matviyenko O.M. Defluoridation of ground waters on the filters with the modified loadings. - Manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of candidate of engineering science on a specialty 05.23.04 - Water supply, sewerage. The Kyiv national university of construction and architecture. Kyiv, 2006.

The dissertation is devoted to a problem of defluoridation of ground water.

On the basis of detailed research of chemical structure and physical-chemical properties of ground water with great content of fluoride the technology of their treatment is developed.

It is marked, that known methods are ineffective and demand significant expenses for reagents and for the power supply.

With the purpose of increase of efficiency of defluoridation of ground water with filtration through the natural zeolite which modified by the hydrooxysulphate of aluminum. The suggested method is based on cation-exchange properties of natural zeolite consequently compounds of aluminum are strong attaching on the surface of grains of loading.

In work the mechanism of process of defluoridation of ground water on various loadings is investigated, technological parameters of process are established. The effect of clearing achieves 85 - 98 % in case the pH = 6,0...8,5.

Results of work are used by development of a standard project at the Mirgorod administration of water supply and sewerage "Poltavavodokanal".

Key words: defluoridation, filtration, pH of water sphere, natural zeolite, complex formation.

Размещено на Allbest.ru

...