Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,441

ТЕХНОЛОГИЯ ОЧИСТКИ ПОДЗЕМНЫХ ВОД ОТ КОЛЛОИДНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ЖЕЛЕЗА ПУТЕМ ВРЕМЕННОГО ПОНИЖЕНИЯ РН

Мачехина К.И. 1 Шиян Л.Н. 1 Коробочкин В.В. 1 Сваровский А.Я. 2
1 ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет»
2 Северский технологический институт
Рассчитан коэффициент массопередачи в газовой фазе для абсорбции диоксида углерода раствором, содержащим коллоидные соединения железа, значение которого составило 6,25∙10–6 кг/м2с, что свидетельствует о небольшом количестве диоксида углерода, необходимом для деструкции коллоидных соединений железа. Установленное время консолидированного осаждения гидроксида железа (III) с размером частиц 3000 нм, равное 2 часам, обусловлено эффективным разделением жидкой и твёрдой фазы на фильтре. Для повышения эффективности очистки подземных вод, содержащих примеси в коллоидном состоянии, разработана аппаратурно-технологическая схема обработки воды. Схема включает стадию абсорбции диоксида углерода, деструкцию коллоидных соединений с образованием осадка, стадию десорбции диоксида углерода и позволяет получить питьевую воду с концентрацией примесей, таких как железо, кремний и органические вещества, ниже ПДК.
подземные воды
коллоидные соединения железа
технология очистки
1. Кулаков В.В., Сошников Е.В., Чайковский Г.П. Обезжелезивание и деманганация подземных вод: учебное пособие. – Хабаровск: ДВГУПС, 1998.
2. Николадзе Г.И. Технология очистки природныхвод. – М.: Высшая школа, 1987. – 480 с.
3. Мулдер М. Введение в мембранную технологию. – М.: Мир, 1999. – 514 с
4. Коллоидные системы подземных вод Западно-Сибирского региона / Л.В. Сериков, Л.Н. Шиян, Е.А. Тропина, Н.В. Видяйкина, Ф.Х. Фриммел, Г. Метревели // Известия Томского политехнического университета. – 2006. – Т. 309, № 6. – С. 27–31.
5. Мачехина К.И., Шиян Л.Н., Тропина Е.А. Устойчивость коллоидов железа в природных водах // Журнал прикладной химии. – 2012 – T. 85, №7. – С. 1182–1185.
6. Удаление коллоидов железа из подземных вод с использованием диоксида углерода / К.И. Мачехина, Л.Н. Шиян, В.В. Коробочкин, А.П. Смирнов, Д.А. Войно // Известия Томского политехнического университета. – 2012 – T. 321, №3. – С. 50–53.

Для обезжелезивания подземных вод существуют различные технологии, такие как аэрирование, озонирование, обработка импульсным электрическим разрядом, использование специальных фильтрующих загрузок. Обзор традиционных методов водоподготовки показал, что они не всегда эффективны для регионов, гидрогеологические условия которых способствуют образованию коллоидных соединений железа. Реагентные и электрохимические методы более эффективны для улучшения качества вод, содержащих коллоидные соединения железа в концентрациях, превышающих ПДК, но сложны в реализации, особенно в сельской местности. Использование реагентных методов [1, 2] осложнено многими причинами, но основная из них – участие в каждом конкретном случае специальных реагентов, их регенерация или утилизация и умение работать с ними. Описана возможность удаления примесей в коллоидном состоянии с использованием мембранных технологий [3]. Однако применение мембранных технологий, кроме основных недостатков (высокая стоимость, быстрое зарастание и засорение мембран), требует информации о физико-химических свойствах коллоидных растворов и квалификации персонала, способного эксплуатировать мембранные устройства. Для повышения эффективности очистки подземных вод, содержащих примеси в коллоидном состоянии, необходим поиск способов снижения устойчивости коллоидных растворов, которые можно реализовать в технологиях водоподготовки.

Целью данной работы является разработка технологии очистки подземных вод от коллоидных соединений железа.

Материалы и методы эксперимента

Объектами исследований в данной работе являлись как природные коллоидные растворы железа, так и модельные растворы, приготовленные в лабораторных условиях. Для синтеза коллоидных растворов, содержащих ионы железа (III), кремния и органические вещества гумусового происхождения в мольном соотношении 1:7:2, использовали методику, описанную в работе [4]. Содержание железа и кремния в растворе определяли на плазменном оптическом эмиссионном спектрометре ICP-OES фирмы Varian. Диапазон определения концентраций составляет от десятых долей до десятков процентов. Контроль рН раствора осуществляли с помощью многофункционального аппарата WTW Miltiline P4.

Результаты исследования и их обсуждение

Ранее в работе [5] было установлено, что на устойчивость коллоидных соединений железа влияет изменение рН раствора, и при значениях рН менее 6 коллоидная система разрушается с образованием осадка в виде Fe(OH)3. Результаты термодинамических расчетов подтвердили, что теоретически диоксид углерода может использоваться для деструкции коллоидных соединений железа [6]. Для практической реализации полученных теоретических расчетов была создана лабораторная установка, позволяющая обрабатывать коллоидные растворы диоксидом углерода до стадии их деструкции. Схема лабораторной установки приведена на рис. 1.

pic_120.tif

Рис. 1. Схема лабораторной установки для удаления коллоидных соединений железа из раствора: 1 ‒ баллон с диоксидом углерода; 2 – манометр; 3 – реактор смешения диоксида углерода с обрабатываемым раствором; 4 ‒ циркуляционный насос; 5 – отстойник; 6 – фильтр; 7 – вакуумный насос, 8 – водяная ловушка

Установка состоит из реактора 3, в котором происходит процесс абсорбции диоксида углерода, поступающего из баллона 1, раствором, содержащим коллоидные соединения железа. В этом же реакторе происходит снижение рН и разрушение железосодержащих коллоидов. Обработанный раствор поступает в отстойник 5, где происходит удаление диоксида углерода, укрупнение и агрегирование Fe(OH)3 с последующим осаждением на фильтре 6. В лабораторной установке использовали бумажные фильтры «синяя лента» с размером пор 3000…5000 нм.

На первой стадии очистки происходит абсорбция диоксида углерода раствором, содержащим коллоидные соединения железа. При этом исходное давление (Р1), контролируемое с помощью манометра (2), при абсорбции диоксида углерода снижается до давления Р2. Разность давлений Р1 и Р2 (∆Р) соответствует изменению парциального давления поглощаемого газа. При абсорбции диоксида углерода происходит снижение рН в реакторе 3. Значение рН, равное 4,5, обусловленное протеканием химических реакций взаимодействия угольной кислоты с коллоидными соединениями железа, достигается при давлении 3 атм., это обусловлено протеканием совместной физической и химической абсорбции диоксида углерода.При этом основанная часть потребляемого диоксида углерода расходуется на процесс физической абсорбции. В реальных подземных водах, кроме физической абсорбции и химического взаимодействия СО2 с коллоидными соединениями железа, дополнительный расход диоксида углерода обусловлен содержанием солей жесткости. После взаимодействия угольной кислоты с коллоидным раствором происходит деструкция коллоидных соединений железа с образованием частиц, средний условный диаметр которых не превышает 200 нм. Это подтверждается неизменностью концентрации соединений железа в растворе после фильтрования через фильтр с размером пор 200 нм.

На третьей стадии процесса деструкции коллоидных соединений железа происходит десорбция диоксида углерода, что сопровождается увеличением рН раствора (рис. 2) и изменение концентрации коллоидных соединений железа (рис. 3).

Из графиков (рис. 2 и 3) видно, что восстановление рН происходит очень быстро при аэрировании и разрежении. Это связано с высокой эффективностью удаления диоксида углерода из раствора, что достигается созданием существенной разности парциальных давлений диоксида углерода в растворе и над раствором путем понижения давления в реакторе 3 при работе вакуумного насоса 7. В то же время при аэрировании и разрежении эффективность осаждения коллоидных соединений железа крайне низкая, так как восстановление рН происходит быстро и этого времени недостаточно для дестабилизации гуминовых веществ в кислой среде. Тем не менее в технологиях водоподготовки, позволяющих увеличивать время отстаивания, наиболее целесообразным является самопроизвольное осаждение гидроксида железа (III). При этом восстановление рН до значения ПДК происходит в течение 4 часов. Для более эффективного удаления газа можно использовать аэрирование и разрежение после стадии удаления железа. Полученные экспериментальные данные легли в основу расчета аппаратов абсорбера и отстойника.

pic_121.tif

Рис. 2. Зависимость изменения рН от времени отстаивания при разных способах удаления диоксида углерода из раствора

pic_122.tif

Рис. 3. Зависимость изменения концентрации коллоидных соединений железа от способа удаления диоксида углерода из раствора

Средний расход воды в коттеджном поселке обычно составляет несколько м3/сут из расчета на семью составом 4–5 человек. Поэтому расчеты проводились на единицу производительности, которая составляет 1 м3/ч. Исходными данными для расчета абсорбера являются: расход обрабатываемой воды, содержащей коллоидные соединения железа – 1 м3/ч (0,28 кг/с), требуемая степень насыщения диоксидом углерода – 90%, температура обрабатываемой воды – 10 °С, давление, при котором осуществляется процесс, – 0,2 МПа. Исходя из реакций [6], в которых участвует диоксид углерода, для обработки воды, содержащей 5,6 мг/л коллоидного железа, необходимо добавить 44,6 мг/л диоксида углерода. Для более полного протекания реакций растворения диоксида углерода в воде и обеспечения бесперебойной работы абсорбера необходимо газ вводить с избытком 10–15%.

Для расчета коэффициента массопередачи − Ky использовали уравнение аддитивности фазовых диффузионных сопротивлений:

Ку = 1/(1/βy + m/βx), (1)

где βy и βx – коэффициенты массоотдачи соответственно в газовой и жидкой фазах, кг/(м2∙с); m – коэффициент распределения, 1 кг обрабатываемого раствора/1 кг газа.

В уравнении (1) важное значение имеет коэффициент распределения (m). Его физический смысл состоит в том, сколько диоксида углерода необходимо для обработки 1 кг раствора, чтобы осуществить процесс деструкции коллоидных соединений железа. Коэффициент распределения был найден на основании экспериментальных результатов по формуле (2):

m = L/G, (2)

где L – расход обрабатываемого раствора, м3/ч; G – расход газа, м3/ч.

В результате проведенных расчетов коэффициент распределения составил 16,2∙103 кг/кг, а коэффициент массопередачи составил 6,3∙10–6 кг/м2с.

Согласно экспериментальным данным, полученным при обработке подземной воды и модельного раствора, при расчете отстойника принимали во внимание время осаждения самых мелких частиц, средний условный размер которых составляет 200 нм.

Для расчета аппарата отстойника важным фактором является скорость осаждения, вычисляемая по формуле Стокса:

Eqn92.wmf (3)

где ρт, – плотность частицы, кг/м3; ρс – плотность среды, кг/м3; d – диаметр частиц, нм; µc– вязкость среды, Па·с.

По результатам расчета скорость осаждения частиц размером 200 нм составила 4·10–8 м/с, а время осаждения частиц примерно 9 месяцев. Такое время осаждения экономически нецелесообразно для осуществления технологического процесса. Тем не менее экспериментально установлено, что после 2 часов коллоидные соединения железа коагулируют и достигают размера 3000 нм и более, и скорость осаждения для частиц такого размера увеличивается на 2−3 порядка, а время осаждения сокращается до нескольких часов.

Таким образом, для интенсификации процесса осаждения необходимо увеличить размер частиц. В условиях работающей установки невозможно увеличить время роста агрегатов коллоидов, но вместе с тем можно использовать метод консолидированного (совместного) осаждения частиц. В этом случае частицы соосаждаются вместе, с укрупнением агрегатов, и общее время осаждения соответствует времени осаждения крупных частиц.

Для организации консолидированного осаждения подача очищаемой воды в отстойник осуществляется путем движения через вертикальную трубу, расположенную в центре аппарата, сверху вниз. Далее раствор перемещается снизу вверх по аппарату и непрерывно отводится из отстойника через штуцер и подается на фильтр.

Кроме того, в отстойнике предусмотрен патрубок для связи с атмосферой, за счет этого происходит самопроизвольное удаление диоксида углерода при десорбции и восстановление рН до нормативных значений.

Производительность отстойника по осветленной воде определяется по уравнению:

Q = F∙wос, (4)

где F − площадь отстойника, м2; wос − скорость осаждения частиц, м/с.

На основании расчета основных аппаратов (абсорбера и отстойника) была предложена аппаратурно-технологическая схема, которая представлена на рис. 4.

В абсорбере 2 происходит процесс насыщения коллоидного раствора железа диоксидом углерода. Обрабатываемая вода проходит через абсорбер сверху вниз через слой насадок и насыщается диоксидом углерода, поступающим из баллона 4 и проходящим через абсорбер снизу вверх. Происходит снижение рН обрабатываемого раствора, что вызывает деструкцию коллоидных соединений железа. Далее подкисленный раствор поступает в отстойник 3, где происходит укрупнение частиц железа и самопроизвольное восстановление рН. Для фильтрования воды применяется напорный фильтр 5 марки «ФПН» с фильтрующей загрузкой, в качестве которой используется дробленый керамзит. Промывка фильтра проводится обратным током чистой воды с помощью насоса 7.

Выводы

1. Рассчитанный коэффициент массопередачи в газовой фазе, для абсорбции диоксида углерода раствором, содержащим коллоидные соединения железа, значение которого составило 6,25∙10–6 кг/м2с, свидетельствует о небольшом количестве диоксида углерода, необходимом для деструкции коллоидных соединений железа.

pic_123.tif

Рис. 4. Аппаратурно-технологическая схема установки для удаления коллоидных соединений железа:1 − воздуходувка; 2 – абсорбер; 3 – отстойник; 4 – баллон с диоксидом углерода; 5 − фильтр; 6 − насос

2. Установленное время консолидированного осаждения гидроксида железа (III) с размерами частиц 3000 нм, равное 2 часам, обусловлено эффективным разделением жидкой и твёрдой фазы на фильтре.

3. Разработанная аппаратурно-технологическая схема обработки воды, включающая стадию абсорбции диоксида углерода, деструкцию коллоидных соединений с образованием осадка и стадию десорбции диоксида углерода, позволяет получить питьевую воду с концентрацией примесей ниже ПДК.

Работа выполнена в рамках государственного задания «Наука» по теме 3.2702.2011.

Рецензенты:

Асламова В.С., д.т.н., профессор кафедры безопасности жизнедеятельности и экологии, ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный университет путей сообщения», г. Иркутск;

Корчевин Н.А., д.х.н., профессор, зав. кафедрой «Химия», ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный университет путей сообщения», г. Иркутск.

Работа поступила в редакцию 01.07.2013.

Библиографическая ссылка

Мачехина К.И., Шиян Л.Н., Коробочкин В.В., Сваровский А.Я. ТЕХНОЛОГИЯ ОЧИСТКИ ПОДЗЕМНЫХ ВОД ОТ КОЛЛОИДНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ЖЕЛЕЗА ПУТЕМ ВРЕМЕННОГО ПОНИЖЕНИЯ РН // Фундаментальные исследования. – 2013. – № 8-3. – С. 671-675;
URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=31979 (дата обращения: 31.10.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074