Акцесорність впливу сульфатів та хлоридів на процеси очистки шахтних вод електрохімічним методом

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Національний університет водного господарства та природокористування, м. Рівне

Акцесорність впливу сульфатів та хлоридів на процеси очистки шахтних вод електрохімічним методом

Саблій Л.А., к.т.н., Россінський В.М., аспірант

Анотація

Експериментально встановлено, що сульфати та хлориди інтенсифікують процеси очистки шахтних вод від йонів металів електрохімічним методом за рахунок порівняно більших значень щільності струму і наведено реалізацію цих закономірностей в інженерних розрахунках.

Annotatіon

Chlorides and sulfates intensify processes of mine water treatment from ion of metals is experimentally defined. Realizations in calculations of these laws are presented.

Забруднюючими елементами, які превалюють, в концентраційному відношенні, в шахтних водах України є сульфати та хлориди. Розхил значень концентрацій хлоридів та сульфатів в шахтних водах приймає широкі межі. Так для одного і того ж регіону вуглевидобутку, наприклад, Львівсько-Волинського басейну в шахтних водах шахти Візейська концентрація хлоридів та сульфатів відповідно становить 2600 та 506 мг/дм3 , а для шахти Великомостівська концентрація хлоридів та сульфатів відповідно 250 та 142 мг/дм3. Підтримання необхідних чисельних величин напруги координації йонів металів в нерозчинні координаційні з'єднання у воді, у випадку реалізації попередньої очистки шахтних вод електрохімічним методом, набуватиме різного характеру. В першу чергу, це пов'язано з різним аніонним складом шахтної води, що і відображається на ефективності очистки від катіонів металів.

Метою даної роботи є аналіз акцесорності впливу хлоридів та сульфатів на процеси очистки шахтних вод електрохімічним методом.

Високий гідро-геохімічний фон сульфатів в шахтних водах згідно [2, ст. 144] пояснюється виключно фізико-хімічними стадіями перетворень гірських порід. Сульфовміщуючі мінерали гірських порід що сполучені з вугільними пластами представлені в основному піритом або марказитом (FeS). В зоні підвищеного гіпергенезу при взаємодії з водою є можливим два напрямки окислення сульфовміщуючих порід [2, 3, 4]:

хімічна:

(1)

біохімічна:

(2)

Для проходження процесу по стадії (2) і забезпечення умов функціонування тонових бактерій необхідно, щоб рН середовища було значно менше 3. Так, як активна реакція середовища (рН) шахтних вод вугільно-видобувних підприємств є нейтральною, то об'єктивно окислення сульфовміщуючих порід повинно проходити згідно першого напрямку. Але окислення Сульфуру в підземних умовах відбувається при температурах від 7 до 45°С. Враховуючи, що середня температура шахтних вод вугільно-видобувних підприємств західної України становить 12--19 °С, то на початкових етапах формування хімічного складу шахтних вод, спостерігається окислення порід в зоні підвищеного гіпергенезу. При цьому пірит в присутності Thiobacillius thiooxidans активно рекоординує в сульфо-з'єднання Феруму. Концентрація розчиненого Феруму збільшується. Зростає при цьому і аніонний склад шахтних вод.

Рис.1 Концентрація сульфатів в шахтних водах України*-згідно [5]

Рис.2 Концентрація хлоридів в шахтних водах України*- згідно [5]

Згідно [6] електропровідність природних вод, в тому числі і шахтних, залежить від йонного складу та концентрації. Так електропровідність для шахтних вод описується лінійним законом від концентрації. Розглядаючи питання математичного моделювання очистки шахтних вод в установці електрохімічного реактора з нерозчинними точковими біполярними струмопровідними фазами авторами було запропоновано вираз для опису повноти процесу очищення:

(3)

де -коефіцієнт, який враховую активну площу електродів, м-2; - електрохімічний еквівалент і-го елемента, г/А·сек; - щільність струму, А/м2; - коефіцієнт, зміни сили струму.

Перед оцінкою моделі передувало визначення коефіцієнта експериментальним шляхом. При цьому досліджувався вплив концентрацій хлоридів та сульфатів на значення коефіцієнта . Вихідною умовою для визначення коефіцієнта експериментальним шляхом та побудови рис.3 та рис.4 є:

(4)

Рис.3 Залежність коефіцієнта від концентрації сульфатів у воді

Рис.4 Залежність коефіцієнта від концентрації хлоридів у воді

Аналізуючи криві на рис.3 та рис.4 можна зробити висновок, що хлориди та сульфати мають однаковий характер впливу на значення питомої електропровідності шахтної води і тому для загальної оцінки коефіцієнта в шахтних водах, в випадку різних концентрацій сульфатів та хлоридів, необхідно застосовувати правило адитивності концентрацій аніонів.

Для чисельного моделювання очищення шахтних вод складена Sim-модель в Simulink® пакету Matlab® компанії Mathworks Inc.

Рис. 5 Sim-модель очищення шахтних вод електрохімічним методом

Рис. 6 Зниження концентрації йонів Феруму

1.=1; 2. =0,75; 3. =0,5; 4. =0,25.

Рис. 7 Зниження концентрації йонів Магнію

1. = 1; 2. = 0,75; 3. = 0,5; 4. = 0,25.

Реалізація чисельного моделювання очистки шахтних вод електрохімічним методом, яка наведена на рис. 6, рис. 7 відображає лише частковий випадок, згідно якого, весь струм йде на забезпечення процесів перетворення йонів металів в нерозчинні координаційні сполуки у воді, без врахування коефіцієнта . В загальному ж випадку функція струму в елементарному об'ємі реакційного середовища установки очистки шахтних вод електрохімічним методом є складною і характер повноти очищення води не буде прямолінійним, що і передбачено коефіцієнтом в залежності (3). Цей коефіцієнт є виключно експериментальним та відображає втрати струму на побічні процеси. Більша концентрація сульфатів та хлоридів призводить, при підтриманні необхідних напруг для переведення йонів металів в нерозчинні у воді сполуки, до збільшення щільності струму в елементарному об'ємі електрохімічного реактора, тим самим інтенсифікуючи процеси очистки води за рахунок збільшення електрики біля активних центрів координації (катіонів металів, які здатні утворювати нерозчинні у воді сполуки). При цьому висока концентрація сульфатів та хлоридів вказує на перспективність очистки шахтних вод електрохімічним методом і тим самим пояснює прогресивність такого напрямку.

Отже, наявність в шахтних водах сульфатів та хлоридів, з високим концентраційним фоном, при підтриманні необхідних чисельних величин напруги для переведення йонів металів в нерозчинні у воді сполуки, призводить до інтенсифікації процесів при очищенні води електрохімічним методом, тим самим до збільшення ефективності очистки, за рахунок більших значень щільності струму в елементарному об'ємі електрохімічного реактора, на що вказує коефіцієнт . При цьому експериментальним шляхом підтверджено, що сульфати та хлориди підпорядковуються однаковому характеру впливу на зміну щільності струму, тому для оцінки коефіцієнта необхідно застосовувати правило адитивності концентрацій.

шахтний електрохімічний очистка метал

Література

1. Regional Cooperation for Water Quality Improvement in Southwestern Pennsylvania // The National Academies Press, Washington, D.C., 2005, 290 pp.

2. Surface Coal Mining Effects on Ground Water Recharge // Committee on Ground Water Recharge in Surface-Mined Areas, Water Science and Technology Board, National Research Council. National Academy Press, Washington, D.C., 1990, 170p.

3. James I. Sams, Kevin M. Beer Effects of Coal-Mine Drainage on Stream Water Quality in the Allegheny and Monongahela River Basins--Sulfate Transport and Trends // Water-Resources Investigations Report 99-4208, NATIONAL WATER-QUALITY ASSESSMENT PROGRAM, Lemoyne, Pennsylvania, 2000 pp.3--4.

4. F. Bilek Entwicklung und anlagentechnische Umsetzung einer neuen Prozesskette zur in-situ-Sulfatdekontamination und Alkalinisierung schwefelsaurer Grubenwдsser Wissenschaftliche Mitteilungen, INSTITUT FЬR GEOLOGIE, 28/2005, pp.21-29

5. Проскурня Ю.А., Тарасова Е.А. Химический состав шахтных вод Донецко-Макеевского района Донбасса и новые методы прогнозирования // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: «Гірничо-геологічна». Випуск 112. Том 1. - Донецьк, ДонНТУ, 2007 г.

6. Яковлев С.В., Краснобородько И.Г., Рогов В.М. Технология электрохимической очистки воды.- Л.: Стройиздат, Ленингр. Отд-ние, 1987. 312с.

7.Rossinskiy W.M., Sabliy L.A. Mathematical model for mine drain water electrochemical purification parameter calculation// Scientific and practical Conference “Water & Environment” V International Water Forum “AQUA UKRAINE -2007”. Books of Abstracts, Kiev, 2007.- pp.277-280.

8. Мирзаев Г.Г., Иванов Б.А., Щербаков Н.М. Экология горного производства. - М.: Недра, 1991, 320 с.

9. Саблій Л.А., Россінський В.М. Спосіб та установка для очищення шахтних вод вугільно-видобувних підприємств електрохімічним методом // Збірка доповідей Міжнародного конгресу ЕТЕВК-2007, Ялта, 2007.- с.289-292.

Размещено на Allbest.ru