авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 |

Доочистка водопроводной воды активированным углем, модифицированным фуллеренами

-- [ Страница 1 ] --



На правах рукописи




ГРУН Надежда Аркадьевна





ДООЧИСТКА ВОДОПРОВОДНОЙ ВОДЫ

АКТИВИРОВАННЫМ УГЛЕМ,

МОДИФИЦИРОВАННЫМ ФУЛЛЕРЕНАМИ





Специальность 05.23.04 Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов







АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени

кандидата технических наук

Санкт-Петербург

2013

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет» на кафедре водопользования и экологии

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Ким Аркадий Николаевич

Официальные оппоненты: Фесенко Лев Николаевич,

доктор технических наук, профессор,

ФГБОУ ВПО «Южно-Российский государственный политехнический университет (Новочеркасский политехнический институт) имени М. И. Платова»,

профессор кафедры «Водное хозяйство, инженерные сети и защита окружающей среды»;

Акимов Леонид Иванович,

кандидат технических наук, доцент,

ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет»,

доцент кафедры химии

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)»


Защита диссертации состоится «14» октября 2013 г. в 1600 часов на заседании диссертационного совета Д 212.223.06 при ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 190005, г. Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д. 4, зал заседаний диссертационного совета (аудитория 219).

Телефакс: (812) 316-58-72

Email: rector@spbgasu.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет».

Автореферат разослан «13» сентября 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

кандидат технических наук,

доцент Пухкал Виктор Алексеевич

  1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ


Актуальность исследований. Централизованная обработка воды в г. Санкт-Петербурге позволяет обеспечить на выходе технологического цикла качество воды, соответствующее принятым санитарным нормам. Однако наличие в водопроводной воде соединений железа, железобактерий и других загрязнений, формирующихся вследствие транспортировки по трубам, находящимся в неудовлетворительном техническом состоянии, высокий остаточный уровень вредных веществ, а также опасность занесения в воду патогенной микрофлоры являются причинами несоответствия качества водопроводной воды требованиям нормативных документов. Вследствие того, что конечный потребитель не всегда получает воду питьевого качества, целесообразна так называемая дообработка (доочистка) водопроводной воды. Как правило, функцию дообработки водопроводной воды выполняют фильтры с сорбционной загрузкой, при этом наиболее эффективным являются активированные угли. Одним из направлений повышения сорбционной активности углеродных адсорбентов является введение в их состав модифицирующих добавок, характеризующихся специфическим электронным строением, что приводит к изменению электронного строения сорбентов и повышению их сорбционной активности. Известно, что введение фуллеренов в сорбенты приводит к значительному повышению их эффективности при поглощении растворенных в воде соединений. Помимо сорбционных свойств фуллерены обладают бактерицидными свойствами. Технология введения фуллеренов в активированные угли, разработанная в СПбГТИ (Техническом университете), позволила получить новый сорбент – модифицированный активированный уголь (АУМ). Однако до настоящего момента не изучена возможность и эффективность практического применения АУМ для доочистки водопроводной воды, что делает данную работу актуальной.

Теоретическими основами работы стали исследования российских ученых, посвященных проблеме применения фуллеренов для модифицирования сорбентов: В.В. Самонина, М.Л. Подвязникова, В.Ю. Никоновой, Е.А. Спиридоновой, Е.М. Слуцкер, Л.Н. Сидорова, А.А. Фомкина, В.И. Березкина, И.В. Викторовского и др.

Проведенный обзор существующих областей применения АУМ отражает недостаточную изученность эффективности использования АУМ в доочистке водопроводной воды. В качестве рабочей гипотезы выдвигается получение эффекта в результате применения АУМ в доочистке водопроводной воды по сравнению с исходным активированным углем.

Цель и задачи исследования.

Цель исследования - определение эффективности применения АУМ в доочистке водопроводной воды.

Объектом исследования является процесс сорбционной доочистки водопроводной воды.

Предметом исследования является доочистка исходной водопроводной воды модифицированным фуллеренами активированным углем.

Задачи исследования:

  1. Разработать технологию исследования АУМ, применяемого для доочистки водопроводной воды.
  2. Определить марку наиболее эффективного в доочистке водопроводной воды модифицированного активированного угля.
  3. Сравнить эффективность использования АУМ и АУ для доочистки водопроводной воды.
  4. Разработать методику регенерации АУМ, позволяющую максимально использовать сорбционную емкость АУМ при доочистке воды.
  5. Изучить бактерицидные свойства АУМ при доочистке водопроводной воды.
  6. Получить аналитические зависимости технологических параметров доочистки водопроводной воды на фильтрах с АУМ
  7. Разработать технологическую схему доочистки водопроводной воды на фильтрах с АУМ и дать экономическую оценку применения АУМ для доочистки водопроводной воды.

Методологической основой диссертационного исследования послужили статистический анализ и обобщение известных научных и технических результатов в области глубокой очистки и доочистки воды для питьевого водоснабжения; современные научно-исследовательские работы по модификации сорбентов фуллеренами; лабораторные исследования с использованием физико-химических методов анализа; обработка экспериментальных данных математическими методами с использованием ПЭВМ; методы математического моделирования.

Научная новизна исследований заключается в следующем:

  1. Впервые проведены цикличные исследования модифицированных сорбентов различных марок при доочистке водопроводной воды; определена эффективность их работы; получены данные, позволяющие определить зависимости технологических параметров фильтрационной доочистки водопроводной воды АУМ.
  2. Разработана оригинальная методика регенерации АУМ с применением окислителя, позволяющая максимально использовать сорбционную емкость АУМ.
  3. Установлены бактериологические показатели (общее микробное число; общие колиформные бактерии; термотолерантные колиформные бактерии; споры сульфитредуцирующих клостридий; колифаги) качества воды, обработанной АУМ.
  4. Предложена технологическая схема доочистки с применением АУМ, подтверждена экономическая целесообразность применения АУМ.

Практическая ценность и реализация результатов исследований. Установлены параметры фильтрационной доочистки водопроводной воды на АУМ. Разработана методика регенерации АУМ с применением гипохлорита натрия. Представлены расчетные зависимости, позволяющие определить эффективность очистки воды на АУМ по окисляемости в зависимости от скорости фильтрования и высоты фильтрующей загрузки, а также продолжительность фильтроцикла в зависимости от скорости фильтрования и времени контакта обрабатываемой воды с АУМ. Разработана принципиальная технологическая схема доочистки водопроводной воды с помощью АУМ в качестве фильтрационной загрузки. Обоснована экономическая целесообразность применения АУМ в доочистке воды.

Инновационная НИР по теме «Кондиционирование питьевой воды с применением модифицированного активированного угля» проведена в 2009-2011 гг. за счет средств гранта № ИН8-08 (сч.540) СПбГАСУ. Научные исследования по теме «Поиск перспективных методов обработки воды» проведены по договору №03Ф-09-1/10 от 14.12.2010 г. с ЗАО «Аквапатент». НИР по теме «Регенерация активированного угля, модифицированного фуллеренами, применяемого для кондиционирования водопроводной воды» проведены в 2010 г. по договору с Комитетом по науке и высшей школе г.Санкт-Петербурга.

Подана заявка на патент №2012113161/05(019859) от 05.04.2012 года.

Разработанная технология доочистки воды с применением АУМ внедрена ООО «ТЕХНО-ЭКО», г.Санкт-Петербург, научно-инженерным центром «ПОТЕНЦИАЛ-2», г.Санкт-Петербург.

Результаты диссертационной работы использованы кафедрой «Химической технологии материалов и изделий сорбционной техники» Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета) в учебном процессе.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована применением классических положений теоретического анализа и моделирования исследуемых процессов; подтверждена экспериментальными исследованиями по стандартным методикам с использованием сертифицированного лабораторного оборудования и приборов, обеспечивающих требуемую точность и надежность результатов измерений; обеспечена использованием математических методов обработки экспериментальных данных с применением табличного процессора Microsoft Excel-2010.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на: конференции профессоров, преподавателей, научных работников, инженеров и аспирантов СПбГАСУ (Санкт-Петербург, 2010 г.); 63 международной научно-технической конференции молодых ученых и студентов СПбГАСУ (Санкт-Петербург, 2010 г.); 64 Международной научно-технической конференции молодых ученых и студентов СПбГАСУ, посвященной 300-летию со дня рождения М.В.Ломоносова (Санкт-Петербург, 2011 г.); международной научно-практической конференции ФГБОУ ВПО ПГУПС (Санкт-Петербург, 2013 г.).

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 9 печатных работах, в том числе 2 работы опубликованы в изданиях, входящих в перечень ведущих рецензируемых научных журналов, утвержденный ВАК РФ.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами по каждой из них, общих выводов. Диссертация содержит 122 страницы машинописного текста, 10 таблиц, 29 рисунков, 9 формул, 19 приложений и список использованной литературы из 130 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.

Во введении сформулирована проблема и обоснована актуальность проводимых исследований, сформулированы цель и задачи, научная и практическая значимости.

В первой главе представлен анализ существующих методов доочистки воды, обзор основ теории сорбционных процессов. Представлены данные о фуллеренах и фуллеренсодержащих сорбентах, а также схема модифицирования активированных углей фуллеренами.

Во второй главе представлены результаты поисковых исследований доочистки водопроводной воды АУМ; схема лабораторной фильтрационной установки. Показана недостаточная по сравнению с березовыми углями эффективность модифицирования кокосовых углей фуллеренами.

В третьей главе представлены результаты продолжительного фильтроцикла по обработке воды исходным и модифицированным фуллеренами березовым углем; результаты регенерации АУМ; а также исследований бактерицидного эффекта АУМ.

Четвертая глава работы посвящена анализу полученных экспериментальных данных, оценке эффективности применения АУМ в доочистке водопроводной воды.


II. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ДИССЕРТАЦИИ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ


  1. Впервые проведены цикличные исследования модифицированных сорбентов различных марок при доочистке водопроводной воды; определена эффективность их работы; получены данные, позволяющие определить зависимости технологических параметров фильтрационной доочистки водопроводной воды АУМ.

Наиболее эффективными для удаления из воды молекулярно–растворимых веществ являются адсорбционные методы. С момента открытия фуллеренов в конце XX века в сорбционной технике созданы новые, фуллеренсодержащие материалы. Фуллерены являются молекулярными соединениями, принадлежащими к классу аллотропных форм углерода. Они представляют собой замкнутые сферы (С60) или сфероиды (С70, С84). В вершине каждого пяти- и шестичленника находятся атомы углерода. Из ряда фуллеренов наибольший интерес представляют молекулы С60, имеющие наибольшую симметрию, и потому наибольшую стабильность. Одним из способов повышения сорбционной емкости материалов является введение в их состав фуллеренов.

Для определения марки наиболее эффективного в доочистке водопроводной воды АУМ совместно с коллективом СПбГТИ(ТУ) проводилось модифицирование опытных образцов активированных углей. При выборе активированного угля для проведения исследований учитывались требования, предъявляемые к углям, применяемым в доочистке питьевой воды. В водоподготовке широко применяются березовый активированный дробленый уголь марки БАУ-А и кокосовый уголь. Для производства березового активированного угля применяется местное сырье.

Уголь марки БАУ-А и кокосовый уголь были выбраны для модифицирования фуллеренами и сравнительных исследований исходных и модифицированных углей одного типа и из одной партии. Производителем и поставщиком угля БАУ-А являлся ООО «Сорбент», г.Пермь, со следующими характеристиками: удельная поверхность SУД=800 м2/г, объем микропор VМИ=0,22 см3/г, объем мезопор VМЕ=0,14 см3/г, предельный объем сорбционного пространства WS=0,36 см3/г.

Для модифицирования активированных углей был применен экстракт фуллеренов С, представляющий собой смесь фуллеренов С60 (89 % масс.), С70 (10 % масс.) и высших фуллеренов (1 % масс.), удельная поверхность которого составляет 3 м2/г. В работе использовались фуллерены производства ОАО «ИЛИП» (г.Санкт-Петербург). Введение фуллеренов в состав исходных активированных углей проводили с использованием водного раствора фуллеренов заданной концентрации, стабилизированного краун-эфиром. Количество вводимого краун-эфира составляло 2 г на 1 кг активированного угля. Удаление стабилизатора из исходного активированного угля осуществлялось в воздушной среде при температуре 170 0С (температура кипения краун-эфира 135 0С) в течение 1 ч.

Для проведения исследований использовалась лабораторная фильтрационная установка, созданная в лаборатории очистки воды кафедры водоснабжения СПбГАСУ. Схема установки приведена на рис. 1.

Обязательным условием исследований было обеспечение одинаковых режимов фильтрации в колонках, аналогичных друг другу как по площади, так и по высоте фильтрующего слоя. В процессе фильтрования воды периодически производились одновременные отборы проб объемом 300 мл. В качестве контролируемых показателей исходной и очищенной воды были приняты наиболее характерные и оперативно определяемые показатели: рН, железо общее (Fe, мг/л), окисляемость перманганатная (Ок, мг/л) и цветность водопроводной воды (Ц, град).

На лабораторной фильтрационной установке было проведено два фильтроцикла по сравнению доочистки водопроводной воды на колонках с исходным кокосовым углем (АУкокос) и кокосовым углем, модифицированным фуллеренами (АУМкокос), дискретно по 4 часа в день, при этом общая продолжительность каждого фильтроцикла составляла 16 - 20 часов. Конец фильтроцикла определялся ухудшением качества очищенной воды, в частности, когда прекращалось обесцвечивание воды. После каждого фильтроцикла проводилась обратная промывка колонок с углями. Эффективность очистки определялась по формуле: Эоч=(Сисх–Соч)/Сисх100, %; где: Эоч – эффективность очистки нормируемого вещества; Cисх – концентрация вещества перед подачей на фильтрующую колонку; Соч – концентрация вещества после обработки на фильтрующей колонке.

Рис. 1 Схема фильтрационной установки: 1 - фильтрационная колонка 43 мм, h=600 мм с АУМ; 2 - фильтрационная колонка 43, мм h=600 мм с АУисх; 3 - переливная труба; 4 - штатив; 5 - загрузка активного угля h=320 мм; 6 - поддерживающий слой из кварцевого песка h=50 мм; 7 - подача воды при промывке; 8 - отбор проб

Приоритетными в работе были исследованиями очистки водопроводной воды модифицированным древесным активированным углем из местного сырья. Проводились исследования березового активированного угля марки БАУ-А (поставщик ООО “Сорбент”). На стадии поисковых исследований для оперативного получения опытных данных эффективности применения модифицированного фуллеренами березового активированного угля (АУМбер) предусматривалось фильтрование на колонках со скоростью – 2,5 м/ч и 1,5 м/ч. Было проведено 3 фильтроцикла, общая продолжительность каждого фильтроцикла составляла 20–22 часа. Усредненные результаты проведенных фильтроциклов представлены в таблице 1.

Результаты исследования доочистки водопроводной воды показали, что, как правило, качество исходной водопроводной воды не соответствует требованиям СаНПиН 2.1.4.1074-01. Питьевая вода. При этом следует отметить, что рассматриваемые показатели качества водопроводной воды в европейских странах значительно жестче российских. По этой причине необходима доочистка водопроводной воды перед непосредственной подачей к потребителю. Было установлено, что фильтрация исходной воды на активированных кокосовых и березовых углях, в т.ч. модифицированных фуллеренами, позволяет получать воду питьевого качества. При этом результаты исследования доочистки водопроводной воды на АУМкокос и АУкокосисх показали недостаточную по сравнению с березовыми углями эффективность модифицирования кокосовых углей фуллеренами. Причина этого заключается в наличии в структуре кокосовых углей большого количества микропор, забиваемых при модифицировании молекулами фуллеренов. В целом, при проведении коротких фильтроциклов по доочистке водопроводной воды на АУМбер и АУбер, АУМбер эффективнее в доочистке в среднем на 12-15%. Также исследования доочистки на исходных и модифицированных коксовых и березовых активированных углях показали неэффективность обычной обратной промывки активированных углей.

Таблица 1. Сводные показатели качества воды, обработанной кокосовым и березовым исходным и модифицированным активным углем



Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.