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:   |
|

Совершенствование технологии обесфторивания подземных вод хозяйственно-питьевого назначения

На правах рукописи

Приймак

Лилия Владимировна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ

ОБЕСФТОРИВАНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД

ХОЗЯЙСТВЕННО-ПИТЬЕВОГО НАЗНАЧЕНИЯ

05.23.04 – водоснабжение, канализация, строительные системы

охраны водных ресурсов

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Иркутск 2012

Работа выполнена на кафедре «Инженерные системы зданий и сооружений» ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет»

Научный руководитель: доктор технических наук

Матюшенко Анатолий Иванович

Официальные оппоненты: Чикин Андрей Юрьевич, доктор технических наук; ФГБОУ ВПО Восточно-Cибирская государственная академия образования – профессор кафедры Технологий, предпринимательства и методик их преподавания;

Войтов Евгений Леонидович, кандидат технических наук; ГОУ ВПО Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет (Сибстрин) – доцент кафедры Водоснабжения и водоотведения

Ведущая организация: ОАО «Сибирский научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации» (г. Красноярск)

Защита диссертации стоится 23 мая 2012 г. в 14-00 часов на заседании диссертационного совета ДМ.212.073.06 при Иркутском государственном техническом университете по адресу: 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83, в конференц-зале ИрГТУ, корпус «К».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Иркутского государственного университета.

Автореферат разослан 23 апреля 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета _____________ Малевская Марина Борисовна

Общая характеристика работы

Актуальность работы обусловлена необходимостью разработки и внедрения в практику эффективной технологии обесфторивания подземных вод при высоком содержании фтора с экологически безопасной утилизацией фторсодержащего осадка, что является одной из важнейших задач обеспечения населения питьевой водой нормативного качества.

В Красноярском крае и других регионах России, несмотря на наличие большого количества поверхностных источников, некоторые населенные пункты вынуждены использовать подземные воды, качество которых по основным нормируемым показателям соответствует санитарным требованиям за исключением повышенной концентрации фтора. По данным медицинских исследований ВОЗ употребление населением воды с концентрацией фтора более 1,5 мг/л вызывает флюороз зубов, который проявляется в потемнении и разрушении эмали, а также флюороз костей и ряд хронических заболеваний, связанных с нарушениями обмена веществ, сердечно-сосудистой, пищеварительной и нервной систем. Поэтому необходимым условием использования такой воды является ее обесфторивание с поддержанием оптимальных остаточных концентраций фтора на уровне ПДК (0,7-1,2 мг/л).

Поскольку в регионе имеются подземные источники с высоким содержанием фтора в воде, возникла практическая необходимость в проведении исследований по интенсификации методов обесфторивания воды для выбора не только технически осуществимого, но и экономически эффективного метода обесфторивания подземных вод с высокой концентрацией фтора.

Большинство технологий не получили в нашей стране широкого практического распространения из-за отсутствия качественных материалов, значительных расходов реагентов, сложности эксплуатации и многостадийности процессов. Существующие методы обесфторивания не достаточно эффективны и не обеспечивают требуемого качества воды питьевого назначения. Предлагаемые методы, а также рекомендации технической и нормативной литературы разработаны в основном для обесфторивания природных вод с содержанием фтора не превышающем 5 мг/л. Также отсутствуют данные по обработке и утилизации фторсодержащих отходов.

Таким образом, совершенствование технологии обесфторивания воды на базе новых научных знаний является актуальной задачей. Результаты работы обсуждаются на примере подземных источников Красноярского края.

Работа выполнена в рамках федеральной целевой программы «Чистая вода» и открытого плана НИР ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет» «Разработка энергоэффективных и экобезопасных технологий» в 20052008 гг. Тема диссертации соответствует перечню «Критические технологии РФ» по направлению «Системы жизнеобеспечения и защиты человека».

Объект исследования – природная вода из подземных источников с высоким содержанием фтора.

Предмет исследования – характеристики технологических процессов обесфторивания подземных вод.

Цель диссертационной работы – совершенствование технологии обесфторивания подземных вод при высоком содержании фтора с экологически безопасной утилизацией фторсодержащего осадка.

Для достижения цели сформулированы и решены следующие задачи:

– анализ существующих методов обесфторивания воды применительно к подземным водам с высокой концентрацией фтора и обоснование направлений исследований;

– выявить влияние основных технологических характеристик и параметров процесса реагентного обесфторивания воды на эффективность удаления фтора;

– исследовать способы обработки фторсодержащего гидроксидного осадка, позволяющие уменьшить его объём и выделить фтор в виде малорастворимого вещества;

– разработать технологическую схему обесфторивания воды при высокой концентрации фтора (более 5 мг/дм3) с утилизацией фторсодержащего осадка, дать эколого-экономическую оценку предлагаемых технических решений.

Научная новизна работы

  1. Впервые определены оптимальные соотношения доз алюмосодержащего реагента (моль Al/мольF), при которых происходит наиболее полная сорбция алюмофторидных комплексов гидроксидом алюминия за счёт изменения межмолекулярной связи и более полного распределения алюмофторидных комплексов на поверхности гидроксидного осадка.
  2. Впервые установлен фазовый состав вторичного осадка (модифицированного криолита), полученного в процессе щелочной обработки фторсодержащего гидроксидного осадка.
  3. Впервые предложены критерии подобия процесса электрохимического обесфторивания воды и установлены эмпирические зависимости данных критериев с технологическими параметрами для определения конструктивных параметров электрокоагуляторов.

Основные положения, выносимые на защиту.

  1. Результаты изучения сорбции алюмофторидных комплексов (АФК) гидроксидом алюминия для обоснования снижения разовой дозы алюмосодержащего реагента и дробности его подачи.
  2. Результаты исследования способа обработки фторсодержащего гидроксидного осадка, позволяющего получить экологически безопасный продукт с криолитной основой и алюмосодержащий реагент для повторного использования.
  3. Методика расчета электрокоагулятора, позволяющая на стадии проектирования установить его конструктивные параметры в зависимости от исходного состава воды и оптимальных технологических режимов работы.
  4. Комплексная технологическая схема реагентного обесфторивания воды с дробным дозированием реагента, позволяющая снизить его расход на 40-50 % и обеспечить нормативное качество воды.

Достоверность полученных результатов основана на применении общенаучных методов исследования, знании фундаментальных законов, корректном использовании методик проведения экспериментов; подтверждается анализами качества природных и обрабатываемых вод по стандартным методикам в соответствии с РД 52.24.360-2008, ГОСТ 4386-89, 18165-89, 4389-72, 4245-72, 52407-2005 и базируется на применении современных приборов и оборудования (жидкостном хроматографе LC-20 Prominence (Shimadzu), атомно-эмиссионном спекрометре Thermo Scientific iCAP- 6500 DUO, ИК-Фурье спектометре Nicole 6700, многофункциональном рентгеновском дифрактометре Bruker D8 Advance, приборе для синхронного термического анализа Netzsch STA 449), обеспечивающих требуемую точность и надежность результатов измерения; а также на анализе сравнения результатов экспериментальных исследований с данными других авторов.

Практическая значимость и использование результатов работы:

  1. Научно обосновано и подтверждено экспериментально повышение эффективности реагентного обесфторивания подземной воды методом дробного дозирования реагента при снижении удельного расхода алюминия.
  2. Предложен способ обработки фторсодержащего гидроксидного осадка, позволяющий выделить и утилизировать фтор в виде продукта с криолитной основой, а также получить алюмосодержащий реагент для повторного использования.
  3. Разработана и реализована методика расчета электрокоагулятора для обесфторивания подземной воды, позволяющая на стадии проектирования учесть зависимость конструктивных параметров от внешних факторов, химического состава воды и выбрать оптимальные технологические режимы работы на стадии проектирования.

4. Разработана экономически эффективная и экологически безопасная технология обесфторивания подземных вод при концентрации фтора более 5 мг/л с утилизацией фторсодержащего осадка.

Предложенные технологические решения нашли применение в проекте строительства станции водоподготовки существующих подземных водозаборов хозяйственно-питьевого назначения г. Ачинска, Красноярского края и приняты к использованию в научной и практической деятельности ООО «Красноярский водоканалпроект» при проектировании водозаборов подземных вод.

Результаты исследований использованы в программе курса «Водоподготовка», «Процессы и устройства» для студентов специальности «Водоснабжение и водоотведение» Инженерно-строительного института ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет».

Личный вклад автора. Автору принадлежат постановка и реализация задач исследований; совместно с научным руководителем обоснование и формулировка основных положений научной новизны и практической значимости; внедрение результатов совместно со специалистами ООО «Красноярский водоканалпроект», Водоканала г. Ачинска, ООО «ЭКОПРОЕКТ» и коллектива кафедры «Инженерные системы, зданий и сооружений» СФУ, которым автор выражает глубокую благодарность за помощь в работе.

Апробация работы. Основные положения работы, результаты теоретических, вычислительных и экспериментальных исследований докладывались и обсуждались на V Всероссийской НПК «Красноярск. Энергоэффективность: достижения и перспективы» (Красноярск, 2004); IX Всероссийской НПК «Социальные проблемы инженерной экологии, природопользования и ресурсосбережения» (Красноярск, 2005); XXIII Региональной НТК «Проблемы архитектуры и строительства» (Красноярск, 2005); Всероссийской НПК и выставке «Проблемы и перспективы энергообеспечения города» (Красноярск, 2005); Всероссийской НПК с международным участием «Социально-экологические проблемы природопользования в Центральной Сибири» (Красноярск, 2006); Всероссийской НПК «Проблемы строительства, экологии и энергосбережения в условиях Западной Сибири» (Тюмень, 2006); Всероссийской НПК студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и наука. Третье тысячелетие» (Красноярск, 2007); 61, 65-67 Всероссийских НТК НГАСУ (Сибстрин) «Актуальные проблемы строительной отрасли» (Новосибирск 2004, 2009-2011).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 научных работ, из них: 4 статьи в рецензируемых научных журналах из перечня ВАК РФ, 9 – в сборниках научных трудов и материалах Всероссийских научно-технических конференций.

Структура и объем работы. Материалы диссертации изложены на 135 страницах основного текста, включающих 25 рисунков и 42 таблицы. Работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов и рекомендаций, списка использованных источников из 120 наименований и приложений.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы, определяющая цель и задачи исследований, сформулирована научная новизна и практическая значимость, а также основные положения диссертации, выносимые на защиту.

В первом разделе даны характеристики природно-климатических условий и состава фторсодержащих вод из подземных источников на территории Красноярского края, приводятся описание и анализ существующих методов обесфторивания подземной воды.

Анализ традиционных технологий обесфторивания воды в работах И. Э. Апельцина, Н. А. Бычина, Г. Д. Габовича, Е. Ф. Золотовой, В. А. Клячко, А. П. Левченко, Ю. Ю. Лурье, Г. И. Николадзе, Б. Н. Фрога и др. выявил следующее:

– применение традиционных схем обесфторивания воды ограничено для подземной воды с исходной концентрацией фтора более 5 мг/л вследствие не достаточной эффективности удаления фтора;

– отсутствуют практические рекомендации по выбору схемы обесфторивания для конкретного состава воды;

– использование фторселективных материалов не получило широкого распространения вследствие низких технических и эксплуатационных характеристик;

– отсутствуют данные по обработке и утилизации промывных вод, элюатов, выделенного фторсодержащего осадка.

На основании проведенного обзора и анализа литературных данных определены основные направления исследований по интенсификации процессов и разработке экономически эффективной технологии обесфторивания воды подземных источников, результаты которых изложены в последующих разделах.

Анализ литературных источников, нормативных и справочных документов позволил сделать вывод, что при высоких концентрациях фтора в воде более эффективным и доступным способом обесфторивания является реагентная обработка. Другие способы обесфторивания при исходных высоких концентрациях фтора в воде требуют значительных затрат на реализацию технологии.

Во втором разделе изложены экспериментальные исследования и основные предложения по совершенствованию и разработке комплексной реагентной технологии обесфторивания подземных вод с содержанием фтора более 5 мг/л.

Традиционная схема реагентного обесфторивания воды предполагает обработку сульфатом алюминия с подщелачиванием известью, при этом механизм извлечения фтора заключается в образовании алюмофторидных комплексов и сорбции их на поверхности Al(OH)3. По литературным данным для извлечения фтора до требуемых норм требуются 8-12 моль Al/моль F. Но исследования показали, что реагентная обработка воды с концентрацией фтора более 5 мг/л по традиционной схеме приводит к несоответствию качества воды санитарным нормам по солесодержанию, жесткости, остаточному алюминия.

Для обоснования возможности снижения дозы реагентов и уточнения механизма извлечения фтора проведены исследования эффективности использования ионов алюминия по соотношению количества ионов алюминия, участвующих в извлечении фтора (связанных в осадке) и количества ионов алюминия вводимых с реагентом (табл. 1). Исследования на модельной воде проводились при различных: исходном содержании фтора в воде (5-9 мг/дм3), видах и дозах алюмосодержащего реагента.

Таблица 1 – Определение эффективности использования ионов алюминия в процессе реагентной обработки.

Количество вводимого реагента, моль Al/моль F* Содержание в обработанной воде** после отделения осадка, мг/дм3 Соотношение Al : F в осадке моль Al/моль F Коэффициент использования ионов алюминия
фтора алюминия
2 4,12 0,14 1,95 0,98
4 3,11 0,18 3,86 0,97
6 2,41 0,29 5,61 0,94
8 1,87 0,54 7,23 0,90
10 1,46 1,06 8,62 0,86
12 1,18 1,84 9,88 0,82

* 1 моль Al – 27 г-экв; 1 моль F – 19 г-экв

** усреднённые значения из серии опытов

При проведении серии экспериментов на модельной воде было установлено, что более полный расход ионов алюминия с коэффициентом использования ~ 1 наблюдается при меньшем количестве алюмосодержащего реагента (2-4 моль Al/моль F). Тогда как при рекомендуемых дозах реагента 8-12 моль Al/моль F, коэффициент использования ионов алюминия снижается и в обработанной воде наблюдается избыток солей и остаточного алюминия.

Механизм извлечения фтора в процессе комплексообразования и сорбции подтверждён серией опытов по оценке степени устойчивости межмолекулярной связи АФК с гидроксидным осадком при различном соотношении доз алюмосодержащего реагента (2-12 моль Al/моль F). Эксперимент проводился по методике отмывки осадка (рис. 1).

  Кривые десорбции-2

Рисунок 1 – Кривые десорбции алюмофторидного комплекса, осажденного

на гидроксиде алюминия, при различных дозах алюмосодержащего реагента (Al:F),

с учётом исходной концентрации фтора

Анализ результатов эксперимента, представленных на рисунке 1, свидетельствует о том, что при значительном избытке алюмосодержащего реагента (8-12 моль Al/моль F) образуется сорбционный комплекс, структура которого характеризуется нестабильным состоянием, обусловленным низким поверхностным натяжением внутри структурных компонентов. Это объясняется быстрым распределением АФК по поверхности частиц гидроксидного осадка с образованием мономолекулярного диффузного слоя, что приводит к снижению сорбционной способности сорбента и прочности связи между АФК и гидроксидным осадком.

При меньших дозах алюмосодержащего реагента сорбционный комплекс более устойчив с насыщенным, концентрированным мономолекулярным слоем. На поверхности гидроксида алюминия происходит более равномерное распределение АФК, приводящее к уменьшению свободной поверхностной энергии и концентрированию алюмофторидных комплексов в процессе адсорбции. Адсорбционные процессы происходят с меньшим межфазным натяжением и межмолекулярными взаимодействиями, что приводит к проникновению сорбируемых комплексов и образованию димерного диффузного слоя.

Природа и полнота насыщения связей Al – F, Al – O, а также наличие ОН-ионов в образованных сорбционных комплексах подтверждается данными ИК-спектрометрии (рис. 2), полученными в области 400-4000 см-1 в таблетках KBr на ИК-Фурье спектометре Nicole 6700.



Pages:   |
|
 





 
© 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.