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:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 | 6 |

Закономерности формирования и использования искусственных фирново-ледяных массивов

-- [ Страница 4 ] --

Для ледяного зерна радиусом 1 мм и таянии 30% фирна относительная минерализация фирна будет в 1,6 раза больше, чем для фирна из ледяных зерен радиусом 0,75 мм. Повышение относительной минерализации фирна показывает ухудшение условий опреснения. Интенсивность таяния влияет на скорость фильтрации, коэффициент солеотдачи и время взаимодействия фильтрата с рассолом. Расчеты показали, что с ростом интенсивности таяния эффективность опреснения ухудшается. С другой стороны, при увеличении интенсивности таяния увеличивается влажность фирна, что также ухудшает условия опреснения.

Расчеты по формуле (3) и численной модели совпадают при интенсивности таяния 25 мм/сут, высоте образца фирна 0,2 м и радиусе ледяных зерен 0,75 мм. Это значение соответствует среднему размеру капель искусственного дождя. При снижении интенсивности таяния от 25 до 5 мм/сут относительная минерализация фирна уменьшается в 1,5 раза (при таянии 30% фирна) и эффективность опреснения увеличивается.

 Зависимость относительной минерализации sr искусственного фирна от его-14

Рис. 7. Зависимость относительной минерализации sr искусственного фирна от его относительной массы mr для ледяных зерен радиусом 0,75 мм при влажности: 1, 4 – 30 %; 2, 5 – 20 %; 3, 6 – 10%; 1, 2, 3 –расчеты по формуле (3); 4, 5, 6 –расчеты по численной модели

При увеличении толщины фирна расчеты по модели дают значительный рост эффективности опреснения. Так, при росте толщины фирна от 0,2 до 1,0 м (f =0,25; Rл = 0,75 мм) относительная минерализация фирна уменьшается в 3 раза. Такая высокая эффективность опреснения не соответствует данным экспериментов, которые хорошо описываются формулой (3). Одной из причин расхождения модельных расчетов с данными экспериментов может быть формирование каналов стока, по которым происходит фильтрация части талой воды. Известно, что в период активного таяния возможны формирование каналов фильтрации в снежном покрове и спуск по ним талой воды [Dynamics…, 1980]. Поэтому с ростом объема таяния все меньшая часть талой воды участвует в солеобмене. Для оценки такого эффекта введен коэффициент снижения доли талой воды участвующей в солеобмене. При 49% талого стока, участвующего в солеобмене, результаты расчетов по численной модели и по формуле (3) совпадают. Разработанная модель расчета процесса массообмена при таянии минерализованного искусственного фирна позволяет исследовать влияние различных параметров фирново-ледяного массива и условий таяния на выход пресной водой на начальном этапе таяния.

Важным аспектом применения ИФЛМ является прогноз интенсивности и продолжительности их таяния, необходимый для оценки объема водоудерживающих сооружений и динамики выхода пресной воды. Интенсивность и продолжительность таяния массива искусственного фирна и его опреснение зависят как от метеорологических условий, так и от параметров массива. Минерализация ИФЛМ на порядок меньше, чем исходной воды и в процессе таяния постоянно уменьшается. Поэтому влиянием минерализации на процесс таяния можно пренебречь. Тепло расходуется в основном на таяние ледяной составляющей – кристаллов льда. При расчете интенсивности таяния искусственного фирна для учета линейных размеров ИФЛМ составляющие теплового потока разбиты на две части: зависящие от температуры воздуха и, следовательно, от линейных размеров ИФЛМ и на тепловой поток за счет солнечной радиации.

Применение ИФЛМ для целей опреснения требует оценки месячной интенсивности таяния. Это позволит прогнозировать необходимый объем водопринимающих сооружений. В мае интенсивность таяния составит 1,6 м искусственного фирна на 65-й широте на Европейской части территории России и на 62-й широте в Западной Сибири. В июне интенсивность таяния на 60-й широте на ЕТР и Западной Сибири составляет порядка 8 м фирна, а на 67-й широте в 2 раза ниже – 4 м фирна. В июле на широте 60–67 град интенсивность таяния достигает 10 м фирна. В августе интенсивность таяния на этих широтах составляет порядка 6 м фирна, а в сентябре в Западной Сибири 1,5 м фирна. В октябре на этих широтах уже возможно намораживание искусственного фирна.

Для сохранения большей части ИФЛМ в течение периода с положительными температурами воздуха возможно применение теплоизолятора. В районах Западной Сибири на 65-й широте таяние за период с положительными температурами воздуха составит порядка 22 м искусственного фирна плотностью 500 кг/м3. Для сохранения массива искусственного фирна толщиной 10 м потребуется намораживание ИФЛМ толщиной 15 м и слой изоляции из суглинка плотностью 1400 кг/м3, влажностью 15% и толщиной 8 см, который уменьшит интенсивность таяния в 5 раз. При изоляции из песка потребуется толщина слоя в несколько раз больше.

Глава 5. Экспериментальные исследования опреснения искусственных фирново-ледяных массивов, опыт и перспективы его использования для защиты водных ресурсов от загрязнения

В полевых условиях не всегда возможно исследовать динамику выхода из ИФЛМ различных микроэлементов, влияние параметров процесса таяния на опреснение. Поэтому в лабораторных условиях искусственный фирн, образованный путем естественной фирнизации осколков ледяных оболочек капель, заменялся мелко дробленым льдом. Хотя условия получения такого льда отличаются от искусственного фирна по скорости льдообразования, крупности ледяных кристаллов, но закономерности фильтрации талой воды, которая перемещается по поверхности ледяных зерен, процесс солеобмена талой воды с пленкой «рассола» сохраняются. При этом определенный интерес представляет задача возможности очистки и значительного опреснения загрязненных минерализованных вод в бытовых условиях, что особенно актуально для регионов с неблагополучным состоянием окружающей среды и низким качеством природных вод.

Для изучения динамики опреснения пористого льда и оценки выхода пресной воды была проведена серия лабораторных экспериментальных исследований. Лед получали замораживанием соленой воды (растворов NaCl) слоями толщиной до 3 мм с последующим его дроблением и размещением в полиэтиленовые цилиндрические емкости. Последние изолировали с боковых сторон и снизу для снижения интенсивности таяния. Намораживание льда проводилось в морозильной камере при –17°С. Слой толщиной 3 мм формировался за 1,5 ч. При этом скорость намораживания составляла 2 мм/ч. Отметим, что при температуре воздуха –17°С в капельном факеле образуется 23% льда. Для капель диаметром 1,5 мм при такой доле льда толщина ледяной оболочки составляет 0,064 мм. При времени падения капли порядка 3 с скорость кристаллизации составляет 76 мм/ч. При такой скорости происходит дендритный рост кристаллов и отторжение солей от фронта кристаллизации в жидкое ядро незначительно. Поэтому практически весь рассол должен захватываться растущим льдом [Алексеев, Сморыгин, 1985].

Результаты экспериментальных исследований показали высокую эффективность применения пористого льда для опреснения минерализованных вод. Дробление тонких слоев намороженного льда и формирование пористого льда позволяют ускорить сток «рассола». В экспериментах с водопроводной водой с минерализацией 0,24 г/л последние порции талого стока имели минерализацию менее 0,001 г/л. Эксперименты с растворенной органикой и микроэлементами (хром и медь) показали такую же динамику их удаления из образцов, как и для ионов солей. При этом результаты экспериментов хорошо описывается зависимостью (3). Однако при росте интенсивности таяния эффективность опреснения может снижаться в несколько раз.

Для проверки эффективности применения метода зимнего дождевания для формирования ИФЛМ и их применения в целях опреснения, были проведены полевые экспериментальные исследования. Районы проведения этих работ отмечены на карте (рис. 8). Время проведения полевых работ приходилось на весенний период года (Шпицберген, Полярный Урал, Поволжье), осенний (Якутия) и зимний (Подмосковье). Районы проведения работ простираются по территории России как с запада на восток – от Москвы до Якутии, так и с севера на юг – от Полярного Урала до Саратовской области. Во время полевых работ применялись как морские, речные и озерные воды, так и техногенные сточные воды.

Рис. 8. Районы проведения полевых работ (отмечены звездочкой)

Полевые полупроизводственные эксперименты по опреснению ИФЛМ были проведены со сбросными водами Балаковской АЭС весной 1991 г. Их цель – разработка технологии применения метода факельного намораживания для опреснения и очистки загрязненных минерализованных вод, исследование динамики деминерализации намороженного искусственного фирна и выхода ионов различных солей.

Для намораживания использовался один из бассейнов-накопителей сточных вод. При температуре воздуха около –4°С формировалась толща влажного искусственного фирна плотностью 400–600 кг/м3, состоящая из обломков ледяных оболочек капель и их конгломератов с небольшим содержанием «рассола» в виде пленочной влаги. Результаты измерений химического состава исходной воды и образцов искусственного фирна [Востокова и др., 1993] со средней минерализацией представлены в табл. 2.

Таблица 2

Химический состав замораживаемой воды и образцов искусственного фирна

Пробы Содержание ионов, мг/л
HCO3– Cl– SO42– Ca2+ Mg2+ Na+ K+ Сумма ионов
Вода 114,0 397,6 3379,0 204,0 47,4 1580,0 26,9 5749,2
Лед 21,2 34,3 255,6 20,3 5,4 121,4 2,7 460,9

Из приведенных данных видно, что суммарная минерализация искусственного фирна, намороженного факельным методом, при указанных выше условиях в среднем на порядок меньше, чем исходной воды. Примерно в такой же пропорции уменьшилось и содержание анализируемых ионов. Исключение – гидрокарбонатный ион, относительная концентрация которого в искусственном фирне приблизительно в 5 раз ниже, чем в исходной воде.

Результаты измерений концентрации ионов солей в порциях талой водой представлены в табл. 3. На основе приведенных значений доли стока и его минерализации рассчитано содержание ионов солей в искусственном фирне при таянии. Минерализацию искусственного фирна при таянии определяли раздельным суммированием водной и солевой составляющих стока, начиная от последней порции талой воды. Зависимость относительной массы суммы ионов и относительной минерализации искусственного фирна от его относительной массы при таянии представлена на рис. 9. Экспериментальные значения, задаваемые трендом, и результаты расчетов по формуле (3) при влажности fл = 0,12 показывают хорошее соответствие.

Таблица 3

Концентрация ионов солей в талой воде

№ порции талого стока Сток, % pH Концентрация ионов солей, мг/л
HCO3– Cl– SO42– Ca2+ Mg2+ Na+ K+ Сумма ионов
1 8,1 6,75 56,1 234,3 1790,4 131,2 35,0 826,0 14,8 3087,8
2 15,4 41,2 100,0 733,2 21,2 14,0 381,3 7,8 1298,7
3 24,5 6,60 24,9 44,0 309,6 29,0 7,9 143,7 3,5 562,6
4 38,7 6,70 17,1 19,9 139,2 15,6 2,3 63,9 1,9 259,9
5 49,9 6,60 13,4 2,9 28,9 3,4 0,9 12,9 1,2 63,6
6 60,1 6,80 13,2 1,4 8,2 5,4 0,9 4,1 0,4 33,6
7 91,7 6,78 13,2 0,4 1,4 3,2 0,7 1,4 0,0 20,3

При таянии порядка 50% искусственного фирна концентрация иона HCO3 приблизительно в 10 раз ниже, чем у исходной воды (табл. 4). Тогда как концентрация остальных ионов в 60–1300 раз ниже, чем у исходной воды. Минимальная влажность искусственного фирна после его формирования составила f = 7 %. Отметим, что аналогичные значения влажности пористого льда были подтверждены независимыми исследованиями.

 Зависимость относительной минерализации искусственного фирна sr,-16

Рис. 9. Зависимость относительной минерализации искусственного фирна sr, намороженного из сбросных вод АЭС с минерализацией 5,75 г/л, от его относительной массы mr: маркер – экспериментальные значения; сплошная кривая – расчеты по формуле (3) при влажности f = 0,12; пунктир – тренд экспериментальных значений при mr > 0,6

Обработка данных экспериментальных исследований показала, что влажность искусственного фирна в начальный период таяния составляет величину f =1 / (1+d), где d – показатель степени тренда опреснения. Таким образом, d=(1–f) / f, что соответствует показателю степени теоретической зависимости (3). Расчеты показали, что к началу таяния влажность пористого льда, намороженного из раствора NaCl с минерализацией 30 г/л, морской воды и искусственного фирна из сточных вод АЭС составляла 26, 25 и 13% соответственно.

Таблица 4

Уменьшение концентрации ионов солей в искусственном фирне при таянии относительно их концентрации в намораживаемой воде

Доля фирна HCO3– Cl– SO42– Ca2+ Mg2+ Na+ K+ Сумма ионов
0,755 8 86 103 35 48 103 43 79
0,501 9 733 1302 61 75 900 308 284


Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 | 6 |
 





 
© 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.