65377

Очищення продувних вод оборотних систем водопостачання гальванічних виробництв від іонів важких металів

Автореферат

Экология и защита окружающей среды

Разом із промисловими стічними водами у водойми надходить така велика кількість іонів важких металів (ІВМ), що вони стають суттєвою перешкодою в життєдіяльності гідробіонтів. Основними технологічними процесами, в яких задіяні ІВМ, є процеси нанесення гальванопокриття.

Украинкский

2014-07-29

433 KB

0 чел.


EMBED Excel.Sheet.8

Одеська  державна  академія  будівництва  та  архітектури

Регуш  Андрій  Ярославович

УДК 628.349.08

очищення  продувних  вод  оборотних  систем

водопостачання  гальванічних  виробництв

від  іонів  важких  металів 

Спеціальність 05.23.04 – Водопостачання, каналізація.

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Одеса – 2010


Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Львівському державному університеті безпеки життєдіяльності Міністерства України з питань надзвичайних ситуацій та у справах захисту населення від наслідків Чорнобильської катастрофи.

Науковий керівник: Рогов  Володимир  Михайлович 

професор, доктор технічних наук, професор кафедри менеджменту Європейського університету.

Офіційні опоненти: Грабовський  Петро  Олександрович  

професор, доктор технічних наук, професор  кафедри водопостачання Одеської державної академії  будівництва та архітектури;

Филипчук  Віктор  Леонідович

професор, доктор технічних наук, завідувач кафедри  охорони праці і безпеки життєдіяльності Національного університету водного господарства та природокористування .

Захист дисертації відбудеться 02.12.2010 р. о 13 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д41.085.03 в Одеській державній академії  будівництва та архітектури за адресою: 065029, м. Одеса, вул. Дідріхсона, 4.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Одеської державної академії  будівництва та архітектури за адресою: 03680, м. Одеса, вул. Дідріхсона, 4.

Відгуки на автореферат просимо надсилати у двох примірниках за підписом, завіреним печаткою, на адресу: 03680, м. Одеса, вул. Дідріхсона, 4. ОДАБА. Вчена рада.

Автореферат розісланий  01.11. 2010р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради Д41.085.03, к.т.н., доцент                                  В.М. Пивонос


ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Разом із промисловими стічними водами у водойми  надходить така велика кількість іонів важких металів (ІВМ), що вони стають суттєвою перешкодою в життєдіяльності гідробіонтів. Основними технологічними процесами, в яких задіяні ІВМ, є процеси нанесення гальванопокриття. На сьогоднішній день такі виробництва в Україні зосереджені на понад 4000 підприємствах машинобудування, приладобудування, металообробки, металургії та інших галузей промисловості.  

Невід’ємною частиною процесів нанесення гальванопокриття є утворення багатокомпонентних металовмісних стічних вод. Одним зі шляхів, який забезпечує раціональне використання води у  гальванічному виробництві (ГВ), є впровадження оборотних систем водного господарства. Проте така система вимагає підживлення свіжою водою з одночасним скиданням частини витрати очищених стічних вод − так званих продувних вод, якість яких залежить від ефективності роботи очисних споруд.

У сучасному ГВ вода, яка повертається в технологічний процес, не вимагає високих показників очищення за ІВМ. Крім цього, на працюючих підприємствах  більшість очисних споруд морально та фізично застаріли, вони не відповідають сучасним вимогам щодо ефективності очищення не тільки перед їх скиданням у природні водойми, але й у системи  комунального водовідведення.

При будівництві та реконструкції оборотних систем водопостачання ГВ доцільно впроваджувати такі технології очищення продувних вод, які гарантували б локалізацію-утримування ІВМ на нерозчинному у воді матеріалі з  їх заміною на не токсичні іони. Такою технологією є адсорбційна з використанням недорогого доступного адсорбенту, який не потребував би регенерації. Однак відсутність теоретичного обґрунтування та методики інженерного розрахунку технологічних параметрів очисних споруд не дозволяє широко застосовувати такий метод в технології очищення продувних вод від ІВМ. Таким чином, актуальною є проблема розробки такої технології, яка б врахувала багатокомпонентність продувних вод, створення та широке використання простих та надійних установок, які б забезпечили високий ступінь очищення води, були б надійними в експлуатації, простими в обслуговуванні та мали б мінімальні експлуатаційні витрати.

Звязок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Основні положення дисертаційної роботи виконувались відповідно до науково-технічнох програм Міністерства освіти і науки України "Екологічно чиста енергетика та ресурсозберігаючі технології" (№ держреєстрації 0194U029586) та "Компактні, економічні у будівництві блочні конструкції систем замкненого водопостачання машинобудівних підприємств" (№ держреєстрації 0106U000167).

Мета і задачі досліджень. 

Метою дисертаційної роботи є теоретичне обґрунтування та  розробка технології очищення продувних вод оборотної системи водопостачання ГВ від ІВМ перед їх скиданням у комунальну водовідвідну мережу або в природну водойму.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:

  •  провести аналіз існуючих технологій очищення стічних вод гальванічних виробництв (СВГВ) від ІВМ та обрати найбільш доцільний метод очищення продувних вод оборотної системи водопостачання перед скиданням їх у комунальну водовідвідну мережу або в природну водойму, визначити чинники, що впливають на ефективність очищення;
  •  обґрунтувати вибір найбільш екологічного та економічного адсорбенту і встановити його поглинальну здатність за ІВМ у статичних та динамічних умовах;
  •  дослідити гідравлічні характеристики обраного адсорбенту;
  •  встановити основні закономірності  процесу поглинання ІВМ із продувних вод на обраному адсорбенті;
  •  на основі наукового аналізу теоретичних та експериментальних досліджень розробити технологічні схеми і конструкції установок для очищення продувних вод оборотної системи водопостачання ГВ від ІВМ перед їх скиданням у комунальну водовідвідну мережу або в природну водойму.

Об’єкт досліджень – очищення стічних вод гальванічних виробництв від іонів важких металів.

Предмет досліджень – параметри процесу очищення продувних вод оборотних систем водопостачання гальванічних виробництв на установках з клиноптилолітовим завантаженням.

Методи досліджень – при виконанні теоретичних і експериментальних досліджень застосовували комплекс основних положень теорії адсорбції, а також гідравліки, математичного аналізу та моделювання. Концентрації домішок  визначали фотометричними, титриметричними та потенціометричними методами. Характер  поверхні зерна адсорбенту досліджували електронно-мікроскопічним методом.

Роботу створених адсорбційних апаратів досліджували у лабораторних умовах з використанням математичних методів планування багатофакторного експерименту, варіаційного і дисперсійного аналізів. Обробку результатів експериментальних досліджень проводили основними методами математичної статистики із використанням комп’ютерної техніки.

Наукова новизна одержаних результатів:

  •  науково обґрунтовано та розроблено технологію очищення продувних вод оборотних систем водопостачання ГВ від ІВМ на установках з клиноптилолітовим завантаженням;
  •  вивчено рівновагу в системах клиноптилоліт – водні розчини індивідуальньних ІВМ, клиноптилоліт – водний розчин суміші ІВМ,  клиноптилоліт – розчин імітату продувних вод оборотних систем водопостачання ГВ; встановлено іонообмінний механізм поглинання ІВМ з водних розчинів природним клиноптилолітом;
  •  визначено такі гідравлічні характеристики природного клиноптилоліту Сокирницького родовища (Україна), як коефіцієнт форми зерна, коефіцієнт фільтрації та коефіцієнт розширення завантаження при промивці, доведено неправильність та тріщинуватість форми поверхні зерен клиноптилоліту; запропоновано рівняння для визначення втрат напору при фільтрації у клиноптилолітовому завантаженні та інтенсивності його промивки;
  •  запропоновано рівняння для опису процесу адсорбції в статичних та динамічних умовах, які  адекватно описують експериментальні дані та дозволяють визначити дозу клиноптилолітового борошна для апаратів з мішалками і час захисної дії адсорбера типу швидкого фільтра при очищенні продувних вод оборотних систем водопостачання ГВ.

Практичне значення одержаних результатів.

Створено технологічні схеми очищення продувних вод оборотних систем водопостачання ГВ на установках з клиноптилолітовим завантаженням перед їх скиданням у комунальну водовідвідну мережу або в природну водойму.  

Запропоновано методики визначення дози клиноптилолітового борошна для очищення продувних вод в апаратах з мішалками. Запропоновано методику визначення часу захисної дії адсорберів із щільним шаром клиноптилоліту, отримано залежності для визначення втрат напору у адсорбері із щільним шаром клиноптилолітового завантаження та параметрів його промивки. Запропоновані рекомендації дають змогу без проведення додаткових експериментів визначити необхідні технологічні та конструкційні характеристики надійної роботи установок.

Розроблено технічну документацію: "Паспорт Р−070.00.10 ПС "Фільтр доочищення" та отримано деклараційні патенти України: UA  № 34482 С02F1/42  "Установка для доочищення стічних вод від іонів важких металів" та UA  № 34483 С02F1/42 "Спосіб доочищення стічних вод від залишкових концентрацій іонів важких металів". Матеріали дисертаційної роботи передано на Державне підприємство "Львівський науково-дослідний радіотехнічний інститут" та впроваджено в навчальний процес на кафедрі гідравліки та сантехніки Національного університету "Львівська політехніка", а також на кафедрі  екологічної безпеки Державного університету безпеки життєдіяльності.

Особистий внесок здобувача.

Автором проведено аналіз літератури, підбір та апробацію методик досліджень та  аналізу; досліджено процес поглинання ІВМ на природному та термічно модифікованому клиноптилоліті в статичних та динамічних умовах; досліджено гідравлічні характеристики природного клиноптилоліту; проведено математичну обробку експериментальних даних; запропоновано технічні рішення щодо оформлення технологій очищення продувних вод. 

Апробація роботи. 

Основні результати та положення дисертації доповідалися на VI, VІІІ, IX  Міжнародних наукових конференціях "Актуальні проблеми будівництва та інженерії довкілля, Львів-Кошице-Жешув" (Львів, 2001р, 2003р; Жешув, 2004р.); Міжнародній науково-технічній конференції “Актуальні проблеми водного господарства та природокористування” (Рівне, 2002р.); 10th Scientific Conference “State of Art, Trends of Development and Challenges in Civil Engineering: Rzeszów-Lviv-Kośice” (Kośice, 2005.); VI Міжнародній науково-технічній конференції АСПГ “Промислова гідравліка і пневматика” (Львів, 2005р.); Міжвузівському науковому семінарі “Проблеми технологічного та кадрового забезпечення в техногенно-екологічній сфері” (Львів, 2006р.);  Міжнародній конференції “Сучасні  проблеми біології, екології та хімії” (Запоріжжя, 2007р.); IV міжнародній науково-практичній конференції «Чрезвычайные ситуации: предупреждение и ликвидация»  (Минск, 2007р.); Міжнародній науково-практичній конференції “Техногенна безпека. Теорія, практика, інновації” (Львів, 2008р.); науковому семінарі “Вплив людської діяльності на сучасний стан довкілля” (Львів, 2008р.).

Публікації. 

За матеріалами дисертації опубліковано 21 друковану роботу у різних виданнях України, в тому числі 10 у фахових виданнях, регламентованих ВАК, отримано 2 патенти України.

Структура і обсяг роботи.

Дисертація складається з вступу, п’яти розділів, загальних висновків, списку використаної літератури з 168 найменувань і 6 додатків. Роботу викладено на 187 сторінках, вона містить 38 рисунків, 67 таблиць.

 

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі наводиться стисла характеристика дисертаційної роботи, розкрита актуальність проблеми очищення продувних вод оборотних систем водопостачання гальванічних виробництв від ІВМ,  сформульована мета і визначені задачі досліджень, наведені положення наукової новизни та практичної цінності роботи.

У першому розділі дисертації проаналізовано особливості оборотних систем водопостачання ГВ, вимоги до якості продувних вод щодо вмісту ІВМ в при їх скиданні у комунальну систему водовідведення або у водойму, розглянуто технологічні схеми очищення СВГВ, проведено аналіз існуючих методів очищення та доочищення від ІВМ, обґрунтовано метод очищення продувних вод оборотних систем водопостачання ГВ від ІВМ.

 На основі літературного огляду встановлено, що  у ГВ малої та середньої продуктивності найбільшого поширення набула централізована оборотна система водопостачання. СВГВ таких систем містять розчини солей таких металів як цинк, мідь, нікель, хром, залізо (покриття якими здійснюється практично в кожному цеху). Продувка такої системи дозволяє підтримати рівень концентрації солей в межах допустимих значень. Величина продувки може становити 5 − 30% від витати оборотної води.

Враховуючи негативний вплив ІВМ на мікрофлору споруд біологічного очищення  стічних  вод, встановлено жорсткі вимоги до якості очищених СВГВ за вмістом ІВМ перед скиданням у мережу комунального водовідведення. Ці норми є досить різноманітними і можуть значно розрізнятись залежно від регіону. Показано, що для ГВ малої та середньої продуктивності найчастіше використовуються реагентні схеми обробки СВГВ із наступним доочищенням. Розглянута також технологія "Еліон". Наведені технології дають змогу повертати у виробництво воду з концентраціями ІВМ на рівні 0,1 –1,0 мг/л, що цілком достатньо для операцій промивки. Проте, при скиданні продувних вод необхідне їх додаткове очищення.   

Для вибору та обґрунтування технології очищення продувних вод проаналізовано методи очищення та доочищення СВГВ від ІВМ. Вагомий внесок в розвиток теоретичних засад очищення виробничих стічних вод від ІВМ зробили    М.М. Гіроль,   С.С. Душкін,  С.М. Епоян,    А.К. Запольский, Л.А. Кульский,    А.М. Когановський, М.С. Мальований, А.І. Мацнев, В.В. Образцов,                    Г.С. Пантелят, В.М. Рогов, М.М. Сенявін,  В.Л. Филипчук, С.В. Яковлев та ін. Відмічено, що при проектуванні та реконструкції діючих очисних споруд найбільш доцільним є впровадження адсорбційної технології очищення продувних вод від ІВМ.  Екологічність адсорбційної технології забезпечується стабільністю вилучення ІВМ при неочікуваних залпових скидах СВГВ та концентруванням ІВМ в об’ємі адсорбенту.

Показано, що умовам України, як адсорбент, найкраще відповідає Закарпатський клиноптилоліт родовища Сокирниця. Розглянуто  особливості іонообмінної поведінки даного природного клиноптилоліту.

Проте на сьогодні відсутні дослідні дані та теоретичні залежності, які б дозволяли запроектувати адсорбційну технологію очищення продувних вод оборотних систем водопостачання ГВ від ІВМ.  

На основі аналізу літературних джерел сформульовано задачі і напрямки досліджень, а також намічено шляхи розв’язання проблеми.

Другий розділ  призначений визначенню основних передумов створення адсорбційної технології очищення продувних вод від ІВМ, плануванню експериментальних досліджень та методики їх проведення.

Для вивчення можливості застосування адсорбційних технологій для очищення продувних вод оборотних систем водопостачання ГВ від ІВМ обрано клиноптилоліт державного підприємства “Сокирницький цеолітовий завод” МНС України, який розташовано у Закарпатській області за адресою: Хустський район, с. Боронява, вул. Гагаріна, 45.  

У розділі розглянуто теоретичні основи адсорбційних процесів у статичних та динамічних умовах. Показано, що основні відомості про ефективність проведення адсорбційного процесу беруться з ізотерм адсорбції. Враховуючи багатокомпонентність продувних вод (наявність широкого спектру ІВМ, залишків СПАР, блискоутворювачів, нафтопродуктів, підвищеного солевмісту) та складність існуючих математичних моделей, запропоновано проводити вивчення процесів адсорбції ІВМ природним клиноптилолітом на основі експериментальних досліджень. Встановлено, що в статичних умовах основним чинником, який впливає на ефективність адсорбції, є рН середовища,  а в динамічних умовах − ще й висота завантаження H та швидкість фільтрування Vф.  Це зумовлює використання для визначення вигляду функції Т=f(H, pH, Vф) (де Т − час захисної дії завантаження) методу повнофакторного експерименту. Спираючись на планування експерименту, підібрано доцільні для дослідження склад модельних розчинів, значення рН, швидкості фільтрування та висоти клиноптилолітового завантаження.

Гідродинаміку потоку рідини через шар клиноптилолітового завантаження адсорберів запропоновано досліджувати на основі теорії       Д.М. Мінца та      С.О. Шуберта. При цьому експериментально визначається коефіцієнт фільтрації води у клиноптилолітовому завантаженні  та залежність ефекту розширення завантаження від інтенсивності його промивки.

В розділі описано методику проведення експериментів, створення дослідних установок. Кількісний аналіз вмісту ІВМ проводили стандартизованими методами. Підібрано реагенти для моделювання розчинів та умови їх створення. Описано методики визначення основних характеристик експериментів.

 В третьому розділі наведено результати лабораторних досліджень процесів адсорбції ІВМ в статичних і динамічних умовах та фільтрування крізь шар клиноптилолітового завантаження.   

Отримані ізотерми адсорбції іонів Zn(II), Ni(II), Cu(II), Feзаг, Cr(III) та Cr(IV) з достатньою точністю апроксимуються рівнями Фрейндліха (табл. 1).

Таблиця 1

Рівняння ізотерм адсорбції ІВМ на природному клиноптилоліті

з/п

ІВМ

Діапазон рівноважних концентрацій

Ср , мг/л

Діапазон рівноважних активних реакцій рНр

Рівняння

ізотерми

a = f(Cp), мг/г

Коефіцієнт

кореляції

r

фор-мули

1

2

3

4

5

6

7

1

Сr(III)

0,008 – 6,06

7,60 – 6,80

a = 2,646Cp0,305

0,926

1

2

Fe(заг)

0,25 – 5,54

7,00 – 5,05

a = 0,564Cp0,606

0,990

2

3

Ni(II)

0 – 4,75

6,40 – 6,30

a = 0,523Cp0,488

0,997

3

4

Cu(II)

0,2 – 6,25

6,30 – 5,70

a = 0,503Cp0,748

0,997

4

5

Zn(II)

0,23 – 4,21

6,75 – 6,40

a = 0,381Cp0,857

0,991

5

6

Cr(VI)

0,11 – 4,88

5,25 – 5,15

a = 0,027Cp0,915

0,980

6

Зауважимо, що поглинання іонів Cr(VI) природним клиноптилолітом за даних умов практично не відбувається. Аналіз даних табл. 1 дозволяє зробити висновок, що питома адсорбція a ІВМ на природному клиноптилоліті зростає зі зменшенням їх атомної маси і їх радіусів.

Дослідження вибіркової адсорбції ІВМ з їх суміші при вихідному значенні рНвих 4,55 на природному клиноптилоліті показують, що іони Fe(заг), Ni(II), Cu(II) та Cr(III) адсорбуються з суміші менше, ніж кожен з них окремо. Питома адсорбція іонів Zn(II) із даної суміші зростає втричі порівняно з адсорбцією з розчину індивідуального іону.

Результати експериментальних досліджень адсорбції ІВМ з модельних розчинів на природному клиноптилоліті за рНвих  4,45 представлено в табл. 2. У нейтральному та слабколужному середовищі адсорбція іонів Cr(III), Cu(II) не відбувається. Адсорбція іонів Feзаг із нейтрального середовища характеризується малими значеннями питомої адсорбції, а в слабколужному середовищі адсорбція не відбувається зовсім.  Адсорбція іонів Zn(II) в нейтральному середовищі відбувається ефективніше, ніж в слабкокислому.

Таблиця  2

Адсорбція ІВМ на природному клиноптилоліті з модельного розчину за Нвих 4,45  

ІВМ

Відсоток зменшення концентрації

іону α, %

Експериментальне значення питомої адсорбції ас з суміші

ІВМ , мг/г

Питома адсорбція а за формулами табл. 1, мг/г

Відсоток використання адсорбційної місткості γ, %

1

2

3

4

5

Ni(II)

69,23

0,075

0,238

31,51

Cu(II)

88,51

0,128

0,09

142,22

Feзаг

99,83

0,19

0,013

1461,54

Zn(II)

25,33

0,03

0,236

12,71

Cr(VI)

93,73

0,013

Cr(III)

95,96

0,083

0,814

10,2

У розділі показано, що на природному клиноптилоліті з попередньо очищених виробничих стічних за статичних умов ІВМ сорбуються в формі  Cr3+, Ni2+, Cu2+, Fe2+, Fe3+, Zn2+. Частка цих іонів є максимальною у слабкокислому середовищі. У цьому випадку акваіони Меn+  можуть ефективно обмінюватись з рухливими катіонами клиноптилоліту. Зі збільшенням рН частка іонних гідроксокомплексів збільшується. Іони металів у формі Ме(ОН)(n-1)+ мають значно більший радіус гідратованого іону і, як наслідок, недостатньо ефективно проникають у пори клиноптилоліту. У нейтральному та слабколужному середовищі, з появою гідроксильних форм, адсорбція іонів Feзаг різко зменшується, а адсорбція Cr(III) та Cu(ІІ) відсутня. Адсорбція іонів Ni(ІІ) зменшується на 20% у нейтральному середовищі, але  на стільки ж зростає у слабколужному середовищі. Адсорбція іонів Zn(ІІ) з появою гідроксильних форм збільшується до 65 % і стає максимальною у нейтральному середовищі. Із появою 60% гідроксиду адсорбція Zn(ІІ) на стільки ж зменшується, тоді як адсорбція акваіонів Zn2+ із суміші ІВМ становить 90%. Отже, наявність фонового вмісту солей та органічних домішок перешкоджає адсорбції іонів Zn2+.

Експериментально доведено, що після термічного оброблення природного клиноптилоліту протягом 5 годин за температури +450оС, його іонообмінні властивості зникають.

Дослідження адсорбції в динамічних умовах показало, що катіони Cr3+, Ni2+, Cu2+, Fe2+, Fe3+, Zn2+  адсорбуються природним клиноптилолітом за катіонообмінним механізмом.  

Результати дослідження поглинання ІВМ із модельного розчину в лужному середовищі, в динамічних умовах, при початковій швидкості фільтрування   Vф =7,5 м/год показали, що за цих умов процес вилучення ІВМ є не ефективним. У початковий момент часу модельний розчин містив пластівці гідроксидів. При подачі модельного розчину на іонообмінну колонку спостерігалась видима кольматація верхнього шару завантаження з наступним зменшенням швидкості фільтрування.  Більш ефективним видаленням ІВМ є процес адсорбції з слабкокислого та нейтрального середовища (рис. 1).  

Рис.1. Залежність часу захисної дії Т клиноптилолітового  завантаження від його висоти Н при різних значеннях швидкості  фільтрування Vф  та активної реакції середовища рН

Аналіз залежностей показує, що в слабкокислому середовищі процеси адсорбції описується класичними рівняннями динаміки М.О. Шилова. В даному випадку, першими в фільтраті у понаднормових  концентраціях з’являються іони Zn2+. У нейтральному середовищі лінійна залежність спостерігається, причому тангенс кута нахилу прямих до осі Н є меншим. Очевидно, фізична суть коефіцієнтів у рівняннях динаміки буде іншою. В цьому випадку першими в “проскок” потрапляють гідратовані форми іонів Ni(ІІ),Cu (ІІ) та Fe(заг).

За результатами експериментальних даних визначено динамічні активності природного клиноптилоліту за сумою ІВМ.

Гідравлічними дослідженнями отримано залежність швидкості фільтрування VФ від гідравлічного похилу і0. Математичною обробкою експериментальних даних отримано значення коефіцієнта  КФ = 16,292 м/год = =0,0045 м/с. Відповідно, рівняння Дарсі для фракції клиноптилоліту 1,0 – 1,25 мм набуває вигляду:

                                                Vф = 16,295·і0,      м/год,                                       (7)

Експериментальні дослідження з визначення залежності розширення завантаження клиноптилоліту фракції 1 – 1,25 мм від інтенсивності промивки   проводили в напрямку як збільшення відносного розширення, так і в напрямку його зменшення. Математичною обробкою експериментальних даних отримано рівняння:  

                                            e = 0,0323·q – 0,3,                                                 (8)

де q береться в л/(с·м2).

Початок псевдозрідження зерен клиноптилоліту фракції 1,0....1,25 мм починається при величині q = 9,3 л/с·м2, що відповідає середній швидкості висхідного потоку v = 0,01  м/с.

Мікрофотографування поверхні зерен клиноптилоліту (рис.2 ) показує, що вони мають помітно  виражену шороховатість,  тріщинуватість та нерівномірність.

Рис. 2. Фотографії поверхні зерна

клиноптилоліту. Збільшення в 10000 раз.

У четвертому розділі наведено розрахункові залежності процесів видалення ІВМ в установках з клиноптилолітовим завантаженням.

Кількість клиноптилолітового борошна (питому масу, дозу) m, яка необхідна для очищення одиниці об’єму  продувних вод оборотних систем водопостачання ГВ від ІВМ до заданих концентрацій С* (у цьому випадку С* дорівнюють гранично-допустимим до скидання  в водойму або в мережу комунального водовідведення Сгр), визначають з ізотерм адсорбції. Час контакту  слід приймати не менше 1,5 год – середній час обробки стічних вод у реальних апаратах. Оскільки з модельного розчину продувних вод в слабкокислому середовищі найменшу питому адсорбцію мають іони Zn(II), то адсорбційний апарат з мішалкою слід розраховувати саме на виконання умови вилучення цього іону, при вихідній його  концентрації відповідно Свих(Zn(ІІ))=0,8 мг/л. Для водойм рибогосподарської категорії водокористування Сгр(Zn(ІІ))=0,06 мг/л. З формули 5 табл. 1 при цій рівноважній концентрації питома адсорбція клиноптилоліту рівна aZn(II) = 0,034 мг/г. Беручи до уваги  те, що при адсорбції з модельного розчину відсоток використання адсорбційної ємності клиноптилоліту за іоном  Zn(II) становить 12,71% (табл. 2) (питома адсорбція іонів Zn(II) є у 7,8 разів меншою, ніж при адсорбції з індивідуального розчину), значення питомої адсорбції слід приймати aZn(II) =0,034/7,8=0,0044 мг/г при рН=4,45. При розрахунку дози клиноптилолітового борошна при одноразовому уведенні клиноптилоліту в кількості m кг на 1 м3 стічних вод, вихідним рівнянням є рівняння балансу маси речовини, з якого отримуємо:

          m= QПВвих(Zn(ІІ)  Сгр(Zn(ІІ)) /aZn(II) ,    кг/м3                                            (9)

де QПВ  витрата продувних вод, які надходять на очищення в апарат з мішалкою.

Таким  чином, доза клиноптилолітового борошна, необхідна  для очищення 1м3 продувних вод перед їх скидом у водойму рибогосподарської категорії водокористування, становить 168,1 кг/м3. При скиданні очищених продувних вод у мережу комунального водовідведення Сгр(Zn(ІІ)) залежить від вимог місцевих підприємств водоканалу. Наприклад, для Харкова Сгр(Zn(ІІ)) = 0,07 мг/л. З формули 5 таблиці 1 при цих рівноважних концентрацій питома адсорбція клиноптилоліту відповідно рівна aZn(II) =0,039/7,8 =0,005 мг/г. Тоді доза клиноптилолітового борошна, необхідна  для очищення 1м3 продувних вод перед їх скидом у мережу комунального водовідведення м. Харкова, за формулою 9, становить 146,0 кг/м3.

В результаті проведення експериментальних досліджень динаміки сорбції отримано формулу для визначення часу захисної дії адсорбера T, (год):

       ,                (10)

де  Hвисота завантаження, м;  VФ – швидкість фільтрування, м/год;  рН– активна реакція.

Залежність (10) застосовується у наступних межах: висота завантаження H=0,78÷1,24 м, швидкість фільтрування VФ =2,5÷7,5 м/год, активна реакція  рН 4÷7. Адекватність моделі (10) перевірено за F-критерієм, а її апробацію виконано на прикладі очищених СВГВ Львівського науково-дослідного радіотехнічного інституту.  Різниця результатів даних, отриманих при пропусканні очищених СВГВ через іонообмінну колонку та обчислених за формулою (10), не перевищує 10%.

За відомого значення коефіцієнта фільтрації КФ в клиноптилолітовому завантаженні, обчислений коефіцієнт форми зерна клиноптилоліту становить     αФ =2,59 (при  насипній густині клиноптилоліту ρн =0,860 г/см3  і  пористості завантаження ε0 =0,51). Це дає можливість визначити залежність  гідравлічного похилу і0 від швидкості фільтрації VФ  для найпоширеніших в адсорбційних технологіях еквівалентних діаметрів зерен завантаження.

Гідравлічні розрахунки опору клиноптилолітового завантаження доводять наявність значної шорсткості та тріщинуватості.  При цьому обчислено  загальний коефіцієнт гідравлічного опору зернистого шару λ, який враховує не тільки вплив опору тертя, але й додаткових місцевих опорів, які виникають при русі рідини по викривленим каналам у шарі завантаження та обтіканні нею окремих елементів зерен, в залежності від числа Рейнольдса Reз для зернистого шару. Представлена залежність з достатньою точністю  описується рівнянням:

                                                         .                                                           (11)

Залежність (11) відрізняється від  поширеного у інженерній практиці аналогічного узагальненого  рівняння, яке було отримане з рівняння Ергана при значенні константи Козені-Кармана К=4,17. Обчислена в нашому випадку константа Козені-Кармана становить К=5,4, що дає можливість віднести клиноптилоліт до ІІ та ІІІ групи зерен нерегулярної форми за класифікацією    М.Е. Аерова та О.М. Тодеса (при значенні К=5).

При відомих значеннях ефекту розширення завантаження e та відповідній йому   інтенсивності промивки q  визначено величину A для ефектів розширення  e = 0,25...0,45 (табл. 3).

Таблиця 3

Залежність величини А від ефекту розширення  е  

та інтенсивності промивки q клиноптилолітового завантаження

Ефект розширення е

Інтенсивність промивки q, л/(с·м2)

Значення A

0,25

17,03

0,84

0,3

18,58

0,82

0,35

20,12

0,82

0,4

21,67

0,81

0,45

23,22

0,8

Дані таблиці 3 свідчать про те, що в інтервалі ефектів розширення клиноптилолітового завантаження 0,25....0,45 розрахункові значення величини A  з достатньою точністю апроксимуються значенням  А=0,82. Це дає можливість розрахувати інтенсивності промивки клиноптилолітового завантаження адсорберів типу швидкого фільтра для найпоширеніших у практиці водоочищення фракційних складів завантаження. Порівнюючи їх значення та дані для завантаження швидких фільтрів кварцевим піском, можна зробити висновок, що інтенсивність промивки клиноптилолітового завантаження  в середньому на 10% більша, ніж для кварцевого піску. Це пояснюється значною гідрофільністю зерен клиноптилоліту, що призводить до зменшення коефіцієнта опору псевдозрідженої частинки завантаження висхідному потоку.

В п’ятому розділі на основі отриманих залежностей  розроблено рекомендації для проведення інженерного розрахунку основних параметрів та технологічних характеристик технології очищення продувних вод оборотних систем водопостачання ГВ із застосуванням клиноптилоліту Сокирницького родовища. Ці технології рекомендуються до застосування після основного очищення  стічних вод гальванічних виробництв реагентним методом та після очищення на компактних блочно-модульних установок типу “Еліон”. Технологію очищення розроблено для максимальних  та усереднених значень наведених концентрацій (табл. 4).

Таблиця 4

Якість води після основного очищення та рекомендована для очищення продувних вод на установках з клиноптилолітовим завантаженням

Показник

Якість води після реагентного методу очищення

Якість води після "Еліонів"

Якість води, яка рекомендована для очищення на установках з клиноптилолітовим завантаженням

1

2

3

4

Cr(VI), мг/л

0,05-0,1

0,1

Cr(III), мг/л

0,05-0,1

0,1-0,3

0,3

Fe,  мг/л

0,1-0,5

0,3-1,0

1,0

Ni, мг/л

0,05-1,0

0,3-0,5

0,8

Cu, мг/л

0,1-1,0

0,3-0,8

0,8

Zn, мг/л

0,05-1,5

0,5-0,8

0,8

Інженерне оформлення процесу адсорбційного очищення продувних вод оборотних систем водопостачання має низку особливостей, які полягають у малотонажності систем обробки, їх багатокомпонентності та необхідності максимальної економічності процесу. В розділі показані переваги адсорбційного очищення продувних вод на гранульованому клиноптилоліті в апаратах з щільним шаром та    в апаратах із перемішуванням мішалкою (для дрібнодисперсного клиноптилоліту). В розділі наведено  принципи та розрахункові залежності  реалізації процесу адсорбційного очищення продувних вод від ІВМ та його гідравлічні аспекти.  

На основі  проведених теоретичних та експериментальних досліджень розроблено технологічні схеми очищення продувних вод після  фізико-хімічного очищення СВГВ в централізованих оборотних системах водопостачання ГВ із застосуванням реагентного методу, напірної флотації, фільтрування і адсорбційним  очищенням продувних вод; реагентної нейтралізації СВГВ в із подальшим фільтруванням і адсорбційним  очищенням продувних вод; технологія очищення продувних вод на базі реактора із мішалкою. В розділі приведено методики розрахунку технологічного обладнання для очищення продувних вод оборотних систем водопостачання ГВ від ІВМ, а також галузі використання відпрацьованого клиноптилоліту.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. Визначальним чинником екологічної небезпеки ГВ є багатоопераційність технологічних процесів з утворенням рідких відходів, які містять іони таких важких металів як цинк, мідь, нікель, хром, залізо. При проектуванні ГВ необхідність очищення продувних вод оборотних систем водопостачання при їх скиданні у мережу комунального водовідведення або у водойму на сучасному етапі не враховуються.

2. Проведено аналіз методів очищення СВГВ з погляду доцільності їх застосування для очищення продувних вод оборотних систем водопостачання ГВ від ІВМ.  Визначено їх основні недоліки. Найбільш поширеним методом очищення малих та середніх об’ємів СВГВ є реагентний або електрокоагуляційний метод з наступним фільтруванням.

3. Після обробки СВГВ на очисних спорудах концентрація кожного ІВМ не перевищує 1 мг/л, а рН середовища знаходиться в межах 6,5 − 9,0. ІВМ знаходяться у стічних водах в іонній формі у вигляді:  Меn+; Me(OH)(n-1)+; Me(OH)n, причому до 60% ІВМ перебувають у формі Me(OH)(n-1)+.

4. Для очищення продувних вод від ІВМ перед їх скиданням у комунальну водовідвідну мережу або в природну водойму доцільно застосовувати адсорбційний метод. Як адсорбент запропонований Закарпатський клиноптилоліт.

5. Процес очищення продувних вод від ІВМ, для невеликих об’ємів СВГВ та за умови обмеження виробничих площ при реконструкції систем виробничого водовідведення, доцільно проводити в адсорбційних апаратах із щільним шаром адсорбенту (безнапірні фільтри) або  в апаратах з механічним перемішуванням дрібнодисперсного адсорбенту з стічними водами (апарати з мішалками).

6. Виконано лабораторні дослідження очищення продувних вод адсорбційним методом. Враховуючи багатокомпонентність СВГВ, встановлено питомі адсорбції ІВМ з розчинів їх сумішей і модельних розчинів при різних значеннях рН. Показано, що при проведенні процесу очищення продувних вод в динамічних умовах основними факторами, які впливають на час захисної дії клиноптилолітового завантаження є його висота, швидкість фільтрування та рН стоків. Гідродинаміку потоку рідини крізь шар клиноптилолітового завантаження адсоберів типу швидких фільтрів  досліджено за методикою Д.М. Мінца та      С.О. Шуберта.

7. Ізотерми адсорбції іонів Zn(II), Ni(II), Cu(II), Feзаг та Cr(III) на клиноптилолітовому борошні в діапазоні рівноважних концентрацій 0 – 7 мг/л описано рівняннями Фрейндліха. Найбільш ефективною є адсорбція в слабкокислому середовищі при рН 4,5. В нейтральному та слабколужному середовищі адсорбція ІВМ з модельних розчинів не відбувається. Виключенням є іоніи Zn(II), адсорбція яких максимальна в нейтральному середовищі при рН 6,2.

8. Встановлено іонообмінний механізм адсорбції ІВМ з модельних розчинів природним клиноптилолітом. Особливості адсорбції ІВМ пояснено на основі теорії гідролізу катіонів металів. Показано, що у статичних умовах ІВМ адсорбуються у формі  Cr3+, Ni2+, Cu2+, Fe2+, Fe3+, Zn2+, частка яких є максимальною у слабкокислому середовищі.  

9. Експериментально доведено, що після термічного оброблення природного клиноптилоліту за температури + 450 оС протягом 5 год, його іонообмінні властивості зникають.

10. Час захисної дії клиноптилолітового завантаження визначено залежно від висоти завантаження, активної реакції середовища та швидкості фільтрування. В слабкокислому середовищі динаміка адсорбції описується рівнянням             М.О. Шилова. Лінійна залежність часу захисної дії від висоти завантаження зберігається і в нейтральному середовищі.  В лужному середовищі відбувається інтенсивна кольматація верхнього шару завантаження із зниженням швидкості фільтрування від 7,5 м/год до 2,5 м/год.

11. Експериментально визначено чисельне значення коефіцієнта фільтрації води в клиноптилолітовому завантаженні фракції 1 − 1,25 мм Кф = 0,0045 м/год, а також встановлено середню швидкість висхідного потоку води, при якій відбувається псевдозрідження зерен клиноптилоліту v = 0,01 м/с. На основі експериментальних досліджень визначено коефіцієнт форми зерна Закарпатського клиноптилоліту ф = 2,59.

12. Встановлено дозу клиноптилолітового борошна, необхідну для очищення продувних вод оборотних систем водопостачання ГВ перед їх скиданням у водойму рибогосподарської категорії водокористування, та запропоновано методику для визначення дози клиноптилолітового борошна необхідної для їх очищення перед їх скиданням у систему комунального водовідведення.

13. Запропоновано рівняння залежності часу захисної дії клиноптилолітового завантаження адсорберів типу швидкого фільтра від висоти завантаження, швидкості фільтрування та активної реакції.

14. Запропоновано рівняння для визначення втрат напору в фільтрувальному шарі клиноптилоліту в адсорбері та рівняння для визначення інтенсивності промивки клиноптилолітового завантаження.

15.  Розроблено рекомендації з проектування і розрахунку екологічно безпечних технологій очищення продувних вод оборотних систем водопостачання ГВ на базі адсорбера типу швидкого  фільтра з клиноптилолітовим завантаженням та на базі реактора з мішалкою. Запропоновано технологічні схеми та методики розрахунку основного технологічного обладнання для очищення продувних вод від ІВМ.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Регуш А.Я. До моделювання якісного і кількісного складу стічних вод гальванічних виробництв / Регуш А.Я., Тихонова І.А. //  Вісн. ДУЛП  "Теплоенергетика. Інженерія довкілля. Автоматизація." − Львів, вид-во ДУЛП. 1999.–№ 378.–С. 36–39. (Здобувачем встановлено вплив різних чинників на умови видалення ІВМ, запроновано підхід до моделювання складу СВГВ).

2. Регуш А.Я. Адсорбція іонів важких металів на штучних та природних сорбентах / Рогов В.М., Регуш А.Я. //  Вісн. НУЛП" "Теплоенергетика. Інженерія довкілля. Автоматизація". Львів, вид-во НУЛП . – 2001. - № 432 – С. 68-71. (Здобувачем виконано лабораторні дослідження, математична обробка та порівняння  експериментальних даних).  

3. Регуш А.Я. Використання активованого вугілля та природного цеоліту в процесах очищення води від іонів важких металів / Рогов В.М., Регуш А.Я. // Вісник УДУВГП. − Зб. наук. праць. − Випуск 5(18). Ч. 4. −Рівне:2002.  – С. 166−172. (Здобувачем виконано лабораторні дослідження та математична обробка експериментальних даних).  

4. Регуш А.Я. Теоретичні основи реконструкції очисних споруд та прогнозування режимів їх функціонування /Сівак В.М., Регуш А.Я. // Вісн. НУЛП "Теплоенергетика. Інженерія довкілля. Автоматизація" Львів, вид-во НУЛП . – 2004. - № 506 – С. 149-154. (Здобувачем запропоновано алгоритм розрахунку та прогнозування роботи установки доочищення СВГВ).  

5. Регуш А.Я. Гідравлічні параметри клиноптилолітового завантаження адсорберів / Регуш А.Я., Желяк В.І.,  Сівак В.М. // Вісн. НУЛП "Теорія і практика будівництва" Львів, вид-во НУЛП. – 2004. - № 520 – С. 164-169. (Здобувачем розроблено методику проведення лабораторних досліджень, проведено їх виконання та математичну обробку).  

6. Регуш А.Я. Вилучення  іонів важких металів  клиноптилолітом у динамічних умовах / Рогов В.М., Регуш А.Я., Тихонова І.А.,  Сівак В.М. // Вісн. НУЛП "Теорія і практика будівництва" Львів, вид-во НУЛП . – 2005. - № 545 – С. 143-146. (Здобувачем виконано лабораторні дослідження та математична обробка експериментальних даних).  

7. Регуш А.Я. Визначення втрат напору в  клиноптилолітовому завантаженні адсорберів / Рогов В.М., Регуш А.Я., Тихонова І.А.,  Сівак В.М., Павлюк Ю.Е. // Всеукраїнський науково-технічний журнал “Промислова гідравліка і пневматика” -2006.– №2(12)– С.61-64. (Здобувачем виконано розрахунок втрат напору у клиноптилолітовому завантажені різного фракційного складу).  

8. Регуш А.Я. Інтенсивності промивки клиноптилолітоого завантаження адсорберів типу швидкого фільтра / Регуш А.Я. // Вісн. НУЛП "Хімія, технологія речовин та їх застосування" Львів, вид-во НУЛП . – 2007. - № 590 – С. 274-278.  

9. Регуш А.Я. Доочищення гальваностоків із застосуванням клиноптилоліту Сокирницького родовища / Рогов В.М., Регуш А.Я., Желяк В.І., Кусковець С.Л.  // Зб. наук. праць ЛДУ БЖД "Пожежна безпека " Львів, вид-во ЛДУ БЖД, УкрНДІПБ МНС України – 2007. - № 10 – С. 157-161. (Здобувачем виконано розробку технологій доочищення СВГВ).

10.  Патент UA  № 34482 С02F1/42. Устанока для доочищення стічних вод від іонів важких металів. / Рогов В.М.,  Регуш А.Я., СибірнийА.В. Юрим М.Ф. (Україна). − 4с.; Опубл. 11.08.2008, бюл. №15.

11. Патент UA  № 34483 С02F1/42. Спосіб доочищення стічних вод від залишкових концентрацій іонів важких металів. / Рогов В.М.,  Регуш А.Я., СибірнийА.В. Юрим М.Ф. (Україна). − 4с.; Опубл. 11.08.2008, бюл. №15.

12. Регуш А.Я. Особливості  адсорбції  іонів  важких  металів з  стічних  вод природним  клиноптилолітом / Рогов В.М., Регуш А.Я., Тихонова І.А. // Вісн. НУЛП "Теорія і практика будівництва" Львів, вид-во НУЛП. – 2009. - № 655 – С. 242-249. (Здобувачем встановлено залежність адсорбційної здатності ІВМ від їх іонної форми).

13. Регуш А.Я. Адсорбційне доочищення стічних вод гальванічних виробництв від іонів важких металів / Регуш А.Я. // Матеріали VI Міжнар. наук. конф. "Актуальні проблеми будівництва та інженерії довкілля, Львів-Кошице-Жешув", Львів, 2001р., вид-во ДУЛП – С. 132-137.

14. Регуш А.Я. Доочищення стічних вод гальванічних виробництв природним клиноптилолітом / Рогов В.М., Регуш А.Я., Сівак В.М. //  Матеріали VІІІ Міжнар. наук. конф. "Актуальні проблеми будівництва та інженерії довкілля, Львів-Кошице-Жешув", Львів, 2003р., вид-во НУЛП – С. 183-186. (Здобувачем виконано розробку технологій доочищення СВГВ).

15. Регуш А.Я. Теоретичні основи реконструкції очисних споруд та прогнозування режимів їх функціонування / Сівак В.М., Регуш А.Я. //  Тези доп. IV Міжнар. наук.-практ. конф. “Проблеми економії енергії”. – Львів, 2003 р., вид-во НУЛП – С. 263−264. (Здобувачем запропоновано алгоритм розрахунку та прогнозування роботи установки доочищення СВГВ).

16. Регуш А.Я.  Використання природного клиноптилоліту в процесах доочищення стічних вод гальванічних виробництв / Рогов В.М., Регуш А.Я., Сівак В.М., Желяк В.І.// Матеріали IX Міжнар. наук. конф. "Актуальні проблеми будівництва та інженерії довкілля, Жешув-Львів-Кошице", Жешув, 2004р., вид-во “Політехніка Жешувська" – С. 349−355. (Здобувачем виконано лабораторні дослідження та математична обробка експериментальних даних).  

17. Регуш А.Я. Adsorption of heavy metals ions on the natural clinoptilolies in dynamic condition / Рогов В.М., Регуш А.Я., Тихонова І.А., Сівак В.М., Желяк В.І.// State of Art, Trends of Development and Challenges in Civil Engineering: 10th Scientific Conference Rzeszów-Lviv-Kośice. – Kośice, Slovakia. September 11-13, 2005. – Book of abstracts. Publisher: Technical University of Kośice. – P.70. (Здобувачем виконано лабораторні дослідження та математична обробка експериментальних даних).  

18. Регуш А.Я. Ресурсозберігаюча технологія доочищення стічних вод гальванічних виробництв / Рогов В.М., Регуш А.Я., Желяк В.І., Галатин І.З.// Проблеми технологічного та кадрового забезпечення в техногенно-екологічній сфері:   Матеріали міжвуз. наук. семінару. – Львів, вид-во ЛДУБЖД, 2006. – С. 43 – 50. (Здобувачем виконано розробку технологій доочищення СВГВ).

19. Регуш А.Я.  Адсорбційна технологія  доочищення  стічних вод  гальванічних виробництв / Рогов В.М., Регуш А.Я., Желяк В.І.// Збірка матеріалів Міжнар. конф. “Сучасні  проблеми біології, екології та хімії”, присвяченої 20 річчю біологічного факультету  ЗНУ, Ч 2, – 2007р. – Запоріжжя. –  С. 485 – 487. (Здобувачем виконано розробку технологій доочищення СВГВ).

20. Регуш А.Я. Технология защиты водного бассейна от ионов тяжелых металлов с применением Закарпатского клиноптилолита / Рогов В.М., Регуш А.Я., Желяк В.І.//  Чрезвычайные ситуации: предупреждение и ликвидация: Сб. тезисов докладов IV Междунар. научно-практич. конф. В 3 т.3 –  2007– Минск –  С.154 – 157. (Здобувачем виконано розробку технологій доочищення СВГВ).

21. Регуш А.Я. Забезпечення надійності роботи споруд очищення гальваностоків в сучасних умовах господарювання / Регуш А.Я. // Техногенна безпека. Теорія, практика, іновації. Зб. тез міжнар. наук.-практ. конф. – Львів: ЛДУ БЖД, 2008 – С. 63 – 66.

 

АНОТАЦІЯ

Регуш А.Я.  Очищення  продувних  вод  оборотних  систем водопостачання  гальванічних  виробництв від  іонів  важких  металів. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.04 – Водопостачання, каналізація. Одеська  державна  академія  будівництва  та  архітектури. Одеса, 2010.

Дисертація присвячена вирішенню актуальної задачі очищення продувних вод оборотних систем водопостачання гальванічних виробництв від іонів важких металів з доведенням якості очищених продувних вод до рівня вимог скиду у міську каналізацію та водні об’єкти.

У дисертаційній роботі на основі теоретичних та експериментальних досліджень розроблено методику розрахунку адсорбційних установок, в яких в якості завантаження використовується Закарпатський клиноптилоліт родовища Сокирниця. Розроблений метод розрахунку враховує багатокомпонентність продувних вод, їх активну реакцію. Встановлено іонообмінний механізм адсорбції ІВМ з модельних розчинів природним клиноптилолітом. Особливості адсорбції ІВМ пояснено на основі теорії гідролізу катіонів металів.

У дисертації запропоновані залежності для визначення часу захисної дії адсорбера типу швидкого фільтра, втрат напору в шарі завантаження та інтенсивності її промивки. Також запропонована методика для визначення дози клиноптилоліту для апаратів з мішалками. Розроблені технологічні схеми очищення продувних вод на базі адсорбера із щільним шаром клиноптилоліта та  на базі реактора із мішалкою.

Ключові слова: продувні води, іони важких металів, природний клиноптилоліт, адсорбційна технологія.

АННОТАЦИЯ

Регуш А.Я.  Очистка продувочных вод оборотных систем водоснабжения гальванических производств от ионов тяжелых металлов. − Рукопись.

 Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.23.04 – Водоснабжение, канализация. Одесская государственная академия строительства и архитектуры.   Одесса, 2010.

Диссертация посвящена решению актуальной задачи очистки продувочных вод оборотных систем водоснабжения гальванических производств от ионов тяжелых металлов с доведением качества очищенных продувочных вод до уровня требований сброса в городскую канализацию и водные объекты.   

Анализируя особенности оборотных систем водоснабжения гальванических производств, было установлено, что при их проектировании и эксплуатации не учитывается необходимость очищения продувочных вод до уровня необходимых требований  при их сбросе. Характерной особенностью продувочных вод при централизированной схеме очистке сточных вод есть присутствие в их составе широкого спектра ионов тяжелых металлов, удаление которых являет сложную научно-техническую задачу. На основании анализа существующих методов очистки и доочистки сточных вод гальванических производств установлено, что наиболее экологическим методом удаления ионов тяжелых металлов из слабоконцентрированных растворов, особенно при их малых объемах, имеет адсорбционный метод. Условиям Украины, как адсорбент, наилучше отвечает Закарпатский клиноптилолит месторождения Сокирница. Для определения параметров установок с клиноптилолитовой загрузкой для очистки продувочных вод на сегодня не существует каких-либо четких указаний.

В результате анализа зависимостей для определения технологических параметров установок с клиноптилолитовой загрузкой установлено, что они зависят от рН среды, а в динамических условиях − и от высоты загрузки и скорости фильтрования. Экспериментальными исследованиями доказано, что адсорбция ионов тяжелых металлов природным клиноптилолитом осуществляется по ионообменному механизму и есть наиболее эффективной при рН слабокислой среды. Такую особенность адсорбции ионов тяжелых металлов  объяснено на основе теории гидролиза катионов металлов. Экспериментально установлено, что изотермы адсорбции ионов Zn(II), Ni(II), Cu(II), Feзаг та Cr(III) в диапазоне равновесных концентраций 0−7 мг/л за классификацией Смита отнесены к изотермам 1 L типа и описаны уравнениями Фрейндлиха. После термической обработки клиноптилолита на протяжении 5 часов при температуре + 450 0С его ионообменные свойства исчезают.   Адсорбция ионов Cr(VІ) природным клиноптилолитом не осуществляется. Исследованиями  избирательности адсорбции показано взаимовлияние ионов тяжелых металлов, а также установлено, что наиболее эффективно происходит их удаление в слабо кислой среде. Установлено, что в слабокислой среде динамика адсорбции ионов тяжелых металлов из модельных растворов продувочных вод описывается уравнением Н.А. Шилова. Линейная зависимость времени защитного действия от высоты загрузки сохраняется и в нейтральной среде.  Гидравлическими исследованиями установлено значение коэффициента фильтрации воды в клиноптилолитовой загрузке и функциональная зависимость ее относительного расширения от интенсивности промывки. Электронно-микроскопическим методом подтверждено относительно высокую шероховатость и трещиноватость поверхности зерен клиноптилолита.    

Расчетным методом установлена доза клиноптилолитовой муки, которая необходима для очистки продувочных вод оборотных систем водоснабжения гальванических производств перед их сбросом в сеть коммунальной канализации и в водоем. Математической обработкой результатов полнофакторного эксперимента по изучении динамики адсорбции ионов тяжелых металлов с модельного раствора продувочных вод  природным клиноптилолитом предложено уравнение зависимости времени защитного действия от высоты загрузки, скорости фильтрования  и активной реакции. Полученная модель апробирована на примере очищенных сточных вод гальванического производства Львовского научно-исследовательского радиотехнического института и получила приемлемый результат. Расчетным методом установлено значение коефициента формы зерна для Закарпатского клиноптилолита, константу Козени-Кармана и значение технологических коэффициентов для расчета потерь напора в загрузке и интенсивностей ее промывки.  

 На основании проведенных экспериментов предложены методика для определения дозы клиноптилолита в аппаратах с мешалками, зависимости для определения времени защитного действия адсорбера типа скорого фильтра, потерь напора в слое загрузки и интенсивности ее промывки. Также разработаны технологические схемы очистки продувочных вод после физико-химической очистки сточных вод в централизованных оборотных системах водоснабжения с применением реагентного метода, напорной флотации, фильтрованием и адсорбционной очисткой продувочных вод; реагентной нейтрализации сточных вод с последующим фильтрованием и адсорбционной очисткой продувочных вод; технология очистки продувочных вод на базе реактора с мешалкой.

Ключевые слова: продувочные воды, ионы тяжелых металлов, природный клиноптилолит, адсорбционная технология.

ABSTRACT

Regush A.Ya. Purification of purging waters of the recyclable water supply systems of galvanic shops from ions of heavy metals. – Manuscript.

The thesis applying for a candidate of engineering degree in the specialty 05.23.04 – Water supply, sewerage. Odessa State Academy of  Building  and Architecture. - Odessa, 2010.

The present thesis deals with the solving of actual problem of purification of purging waters of the recyclable water supply systems of galvanic shops from ions of heavy metals, leading the purified purging waters’ quality to the requirements level as to the discharging into a municipal sewerage and water objects.

On the basis of theoretical and experimental researches in the present thesis is developed the method of calculation of adsorption units in which the Transkarpathian clinoptilolite of Sokyrnytsya deposit is used. The developed calculation method considers the purging waters’ multi-component and active reaction. The ion-exchanging adsorption mechanism of ions of heavy metals (IHM) is set from natural clinoptilolite model solutions. The adsorption features of IHM are explained on the basis of theory of hydrolysis of metals cations.

The thesis suggests relations for determining the time of protective action of a high rate tricking filter absorber, the head losses in the load layer and intensity of its washing. Also is offered the method for determining the dose of clinoptilolite for agitator machines. The technological schemes of purging waters purification on the basis of the absorber of dense layer of clinoptilolite and the agitator reactor are developed.

Key words: purging waters, ions of heavy metals, natural clinoptilolite, adsorption technology.

Підписано до друку___________________2010 р. Формат 60х90 1/16

                                  Друк ризограф. Ум. друк. арк. 0,9.

Наклад 100 прим. Замовл. № _________

Надруковано ______________________________________


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

20855. ТВОРЧИЙ ПРОЕКТ З ТРУДОВОГО НАВЧАННЯ ДЛЯ УЧНІВ 7-8 КЛАСІВ ЗАГАЛЬНООСВІТНІХ НАВЧАЛЬНИХ ЗАКЛАДІВ 6.87 MB
  Організаційнопідготовчий етап охоплює такі стадії виконання проекту: формулювання завдання пошук проблеми усвідомлення проблемної сфери; дизайнаналіз аналіз аналогів вироблення ідей та варіантів; аналіз виробу формування основних параметрів і граничних вимог вибір оптимального варіанту та обґрунтування проекту прогнозування результатів. Конструкторський етап – розробка початкових ідей генерування ідей складання їх замальовок рисунків ескізів; оцінка ідей для вибору найбільш досконалої оцінка ідей за розробленими критеріями...
20857. З'єднання, одержувані для формування рамок із брусків із прямокутним підрізуванням 197.5 KB
  Дизайнаналіз: виконання аналізу аналогів у письмовій та графічній формі зразок графічної форми дивись у додатку 1; вироблення ідей та варіантів; проведення дизайнаналізу; взаємозв’язок між призначенням виробу і матеріалом з якого він виготовлений; аналіз форми виробу; зв’язок між формою і функціональним призначенням виробу; способи ручної та механічної обробки матеріалів; кінцева обробка та оздоблення виробів. Аналіз виробу: формування основних параметрів і граничних вимог; вибір оптимального варіанту та обґрунтування проекту;...
20858. Штангенциркуль 218 KB
  Штангенциркуль складається із стальної лінійки штанги 5 з міліметровими поділками відносно якої переміщується рамка 4 з ноніусом і двох пар губок ніжок – нерухомих 1 та рухомих 2. Різновиди штангенциркулів Цифровий штангенциркуль Отримання результатів вимірювання штангенциркулем.
20859. Макроэкономическое равновесие на товарном рынке. Кейнсианский подход 153 KB
  Методологические основы кейнсианского подхода. Компоненты совокупного спроса в кейнсианской модели. Кейнсианская функция потребления и сбережения. Теория инвестиционных решений. Равновесный уровень дохода. Модель «утечка-инъекции».
20860. Проблемы преподавания планиметрии и стереометрии через элективные курсы в школе 278.53 KB
  Перехода к профильному обучению математике в общеобразовательной школе, предусматривающей также элективные курсы по геометрии, и не разработанностью теоретических основ их проектирования; осуществления преемственности базового, профильного и элективного курсов по геометрии и отсутствием требований к отбору содержания последних...
20861. Хіміко-термічна обробка металів та сплавів 108 KB
  Мета хіміко-термічної обробки - надати поверхневому шару стальних деталей підвищеної твердості, зносостійкості, жаростійкості, корозійної стійкості та ін. Для цього нагріті деталі поміщають у середовище, з якого в процесі дифузії у поверхневий шар переходять деякі елементи (вуглець, азот, алюміній, хром, кремній, бор та ін.)
20862. Толковый словарь психиатрических терминов 1.75 MB
  В словаре представлены толкования основных терминов и понятий, наиболее часто употребляемых в современной психиатрической литературе, а также в смежных науках и областях знаний (психотерапии, неврологии, психологии, философии, физиологии и др.). Приведено лаконичное, но достаточно полное смысловое значение каждого термина
20863. Дифференциальная диагностика и лечение некоронарогенных заболеваний миокарда 279.5 KB
  Миокардит представляет собой поражение сердечной мышцы преимущественно воспалительного характера, обусловленное опосредованным через иммунные механизмы воздействием инфекции, паразитарной или протозойной инвазии, химических и физических факторов, а также возникающее при аллергических и иммунных заболеваниях.