автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.05, диссертация на тему:Разработка способа деминерализации шахтных вод от ионодисперсных примесей на основе гальванокоагуляции для условий Донбасса

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ УКРАИНЫ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ГОРНАЯ АКАДЕМИЯ УКРАИНЫ

;-гп о л

1Г"! Л Л

' 1 и На правах рукописи

ЛИЗАН ИГОРЬ ЯРОСЛАВОВИЧ

РАЗРАБОТКА СПОСОБА ДЕМИНЕРАЛИЗАЦИИ ШАХТНЫХ ВОД ОТ ИОНОДИСПЕРСНЫХ ПРИМЕСЕЙ НА ОСНОВЕ ГАЛЬВАНОКОАГУЛЯЦИИ ДЛЯ УСЛОВИЙ ДОНБАССА

Специальность: 05.26.05-Инженерная экология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Днепропетровск-1997

Диссертация является р\тсописью.

Работа выполнена в Донецком ордена Трудового Красного Знамени государственном техническом университете

Научные руководители: профессор, кандидат технических наук

Матлак Евгений Семенович доцент, кандидат технических наук Носач Александр Константинович

Официальные оппоненты: профессорлокгор технических наук

Коробочка Александр Николаевич доцент,кандидат технических наук Егоров Павел Алексеевич

Ведущее предприятие: Украинский национальный центр технической

экологии Министерства экологической безопасности Украины, г. Донецк.

Защита состоится " " ^ '_1997 года в_часов на заседании специализированного совета Д 03.06.01 при Государственной горной академии Украины по адресу:320027, г.Днепропетровск, пр.К.Маркса,19.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеки Государственной горной Академии Украины

Автореферат разослан " О^1_ 1997 года.

Ученый секретарь _

специализированного совета^^^Г^-^

к.т.н., С.Н.С. ^'^г^>^2А.В.Зберовский

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ УКРАИНЫ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ГОРНАЯ АКАДЕМИЯ УКРАИНЫ

На правах рукописи

ЛИЗАН ИГОРЬ ЯРОСЛАВОВИЧ

РАЗРАБОТКА СПОСОБА ДЕМИНЕРАЛИЗАЦИИ ШАХТНЫХ ВОД ОТ ИОНОДИСПЕРСНЫХ ПРИМЕСЕЙ НА ОСНОВЕ ГАЛЬВАНОКОАГУЛЯЦИИ ДЛЯ УСЛОВИЙ ДОНБАССА

Специальность: 05.26.05-Инженерная экология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Днепропетровск-1997

Диссертация является рукописью.

Работа выполнена в Донецком ордена Трудового Красного Знамени государственном техническом университете

Научные руководители: профессор, кандидат технических наук

Матлак Евгений Семенович доцент, кандидат технических наук Носач Александр Константинович

Официальные оппоненты: профессорлоктор технических наук

Коробочка Александр Николаевич доцент.каядидат технических на\тс Егоров Павел Алексеевич

Ведущее предприятие: Украинский национальный центр технической

экологии Министерства экологической безопасности Украины, г. Донецк.

Зашита состоится "_"_ 1997 года в_часов на заседании специализированного совета Д 03.06.01 при Государственной горной академии Украины по адресу:320027. г.Днепропетровск, пр.К.Маркса,19.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеки Государственной горной Академии Украины

Автореферат разослан "_"_ 1997 года.

Ученый секретарь _

специализированного советз_^—'

к.т.н.. с.н.с. ^--^^^^.в.Зберовск!«!

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Активным источником загрязнения гидрографической сети региона являются сбрасываемые шахтные воды, годовой сток которых колеблется в пределах 750-800 млн. куб. м. Значительная литерализация (более 2,7 г/л), жесткость (более 10 мг-экв/л) и загрязненность (превышение ПДК по 60 элементам), и самое главное, отсутствие эффективных методов очистки, превращает их в основной фактор, дестабилизирующий экологическое равновесие поверхностных водных объектов Донбасса и выводит источники воды из системы активного водопользования, при этом обладая мощным промышленным потенциалом Донбасс испытывает острую нехватку-воды в объеме более 10 км3/год.

Интенсифицировать забор воды из существующих источников весьма проблематично. Следовательно, удовлетворение растущих потребностей в воде необходимо производить за счет экономного использования ее в производстве. Наиболее перспективным в этом направлении является использование вместо питьевой воды сточных промышленных вод для технологических нули и оборотного водоснабжения. Сточные шахтные воды могут стать ресурсом промышленного водоснабжения Донбасса, что позволит во-первых снизить техногенные нагрузки на гидрографическую сеть региона; во-вторых частично решить проблему дефицита воды, но для этого необходимо осу ществить деминерализацию шахтной воды до установленных норм и требований.

В этой связи актуальной научной задачей является теоретическое обоснование способов и средств деминерализации шахтных вод, создание технологии и оборудования очистки шахтных вод, позволяющих использовать их для технологических нужд и оборотного водоснабжения промышленных предприятий.

Исследования, составившие основное содержание диссертационной работы, выполнялись в рамках важнейших НИР ДонГТУ по теме Г 39-92 N шс.регестрации 0193.014014 УДК 628.543 и работ выполняемым НИЦ "Экоэ-нергетика" по программам Министерства угольной промышленности Украины (№ темы В 519503000М) № гос. регистрации 0196.60022.

Целью работы является разработка способа и средств деминерализации шахтных вод от ионодисперстных примесей на основе гальванокоагуляции, для снижения техногенной нагрузки на гидрографическую сеть региона.

Идея работы заключается в использовании механизмов активного растворения железного скрапа в процессе очистки сточных шахтных вод от катионов металлов, получении сложных комплексных соединений (ферритов) и их использовании для очистки воды от анионов путем осаждения и соосавдения последних на поверхности комплексов, что позволяет вести про-

цесс очистки используя только реагенты регуляторы среды и обеспечивать снижение энергозатрат на деминерализацию.

Методы исследований. В работе использованы теоретический и экспериментальный методы исследований, анализ и обобщение передовых достижений науки и техники по рассматриваемой проблеме. Для разработки физико-математической и технологической модели процесса гальванокоагуляции использовались методы статистической физики, математического моделирования переходных процессов и квангово-механических подходов к исследованию материалов в состоянии виброкипения, теория сплошных сред. Для получения и обработки экспериментальных данных применялись физико-химические, химические, аналитические и математические методы исследований, ренгеностругаурный анализ и ИК-спекгроскопия. Обработка полученных данных проводилась на ПЭВМ с применением методов математической статистики и теории вероятности.

Основные научные положения, выносимые на защиту

1. Химический состав шахтных и подземных вод для условий больших глубин (800-2000м) подобен, а закономерности изменения химсостава подземных вод аналогичны шахтным водам, что позволяет прогнозировать состав загрязнений и обеспечивать рациональный технологический регламент ведения процесса, при котором достигается максимальный (98,8%) эффект очистки.

2. Эффект дополнительного понижения концентрации ионов в процессе гальванокоагуляционной обработки шахтных вод достигается за счет адсорбции ионов на поверхности образованных комплексов, при этом процесс осаждения комплексов сопровождается механическим захватом примесей и их соосаждением.

3 .Кинетика очистки в процессе деминерализации методом гальванокоагуляции определяется величиной рН-среды и достигает максиума при следующих условиях: рН на входе первой стадии очистки 3,0, загрузка железо-кокс при весовом соотношении 4:1; рН на входе второй ступени 4,0-6,0, загрузка алюминий-кокс при весовом соотношении 4:1; интервале температур 20-40 С,что позволяет обеспечить снижение концентрации загрязнений в шахтных водах до нормативных параметров.

Научные результаты и их новизна.

1. Выявлена перспективность деминерализации шахтных вод на основе их элекгрообработки, в частности гальванокоагуляции, что существенно расширяет область знаний о методах очистки сточных вод.

2. Установлены основные закономерности изменения химического состава шахтных вод с учетом зональности их распределения по глубине и площади, что позволяет прогнозировать ожидаемый состав загрязнений и обес-

псчить рациональны!! технологический регламент процесса деминерализации шахтных вод.

3. Разработаны физические и математические модели кинетики процесса гальванокоагуляции на основании которых получены математические уравнения, позволяющие определить степень очистки в зависимости от режимных параметров процесса - состава ионов и их концентрации в растворе, времени обработки, рН-среды, температуры раствора, при этом впервые учтен фактор наличия двух параллельных процессов - понижение концентрации ионов за счет образования ферритов и адсорбции этих элементов из раствора на поверхность образованных гидроокислов.

4. Теоретически обосновано и разработано устройство очистки шахтных вод от ионодисперсных примесей, реализующее новый способ деминерализации на основе гальванокоагуляции, обеспечивающее получение воды пригодной для технологического использования.

Пракгическаязначнмостъ работьI

1 .Разработана, утверждена и в у становленном порядке передана Государственному проектно-конструкторский институту "Гипромашуглеобогаше-ние". научно-техническая и проектно-конструктарская документация на экспериментальный образец гальванокоагулятора для деминерализации шахтных вод.

2. Разработаны основные технологические схемы и режимы применения метода деминерализации с учетом состава обрабатываемых шахтных вод и состояния существующих очистных сооружений, которые переданы для внедрения НИЦ"Экоэнергетика".

3.Проведены промышленные испытания гольванокоагуляционной установки на шахте "Родинская" ПО "Красноармейскуголь"', результаты которых оформлены актами промышленных испытаний.

Обоснованность и достоверность научных положений,выводов иреко-мендаций подтверждается полу гением представительных экспериментальных данных для различных режимов деминерализации воды с обработкой результатов методами математической статистики; адекватностью резу льтатов теоретических и экспериментальных исследований (среднее отклонение не превышает 10%); экспериментальной проверкой результатов исследований в условиях реальной шахты и обогатительной фабрики с последующим внедрением аппарата в производство; применением современных методик и техники при анализе очищенной воды.

Реализация результатов работы:

1. Основные результаты диссертационной работы использованы при разработке технического проекта опытно-промышленной установки шахтного энерготеплофикационного комплекса по структуре мини-ТЭЦ на базе паротурбинных установок и эксплуатируемых котельных в условиях Донбасса.

2.Разработанный способ деминерализации шахтных вод от ионодиспер-сных примесей на основе гальванокоагуляции прошел промышленные испытания в условиях шахты "Родинская" П/О "Красноармейскуголь" и рекомендован к внедрению (актШ1 от21.11.1995 года)

Апробация работы. Диссертационная работа и ее отдельные разделы докладывались и обсуждались на IV Всеукраинской научной конференции "Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов" г. Донецк (1994 г.); на техническом совете шахты "Родинская" П/О "Красноармейскуголь"(1995 г.); на научных семинарах кафедры "Экологии" ДонГТУ (1995,1996 г.г.) и научных семинарах кафедры "ОПИ" ГТАУ (1996, 1997 г.).

Публикации По теме диссертационной работы опубликовано 9 печатных работ.

Структура и об/.см работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав с выводами и заключением, изложена на 136 страницах машинописного текста, имеет 14 рисунков. 18 таблиц... наименований литературных источников, 5 приложений на 6 страницах.

Особую благодарность автор выражает к.ф.м.н Носенко Ю.Л (ДонГП') и к.т.н Корякову-Савоискому Ю.Л. (ГГАУ) за постоянное внимание к его работе и эффективное содействие.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе дан обзор макро и микрокомпонентного состава шахтных вод, сравнен их химизм,представлены общие закономерности изменения химического состава шахтных вод по глубине и площади Донбасса и в соот-ветствш! с требованиями предьявляумыми к качеству очищенной воды установлены виды компонентов подлежащих извлечению при деминерализации.

Произведен анализ существующих способов извлечения ионных примесей из шахтных вод рассмотрены и оценены механизмы их реализащш.

В настоящее время обширный комплекс исследований, посвященных вопросам деминерализации промышленных сточных вод и их использованию на технологические нужды предприятий представлен в работах

Смирнова Д.Н., Генкина В.Е.. Феофанова В.А., Ждановича Л.П., Духанина Б.С., Матлака Е.С., Галенко Н.В.. Кочетарева JI.B., Флориановича Г.М., Лазареню B.C., Маневича P.M.. Кологыркина Я.М., Селицкого Г.А., Авдиеви-ча Н.М., Кудряшова Г.П.. Захарова М. А.. Ярославского З.Я., Герасимова И.В., Кастальского A.A., Патыунова П.П.. Щербакова Н.Б., Литовских С.Н., Шевчука И. А.. Рубак И. А., Карпенко A.B.. Оламасова A.C., Соколова Л.П.,Коюрина Е.Б.,СмуроваЕ.С..Абрамкина А. Д.. Ко льского Л. А., Слипченко В. А., Горонов-ского И. Т., Рыбчинского М.И.. Айзеншгейна П.Г., Малеева В.Б., Кокотова О.Л.

На основании вышеизложенного и в соответствии с целью работы, сформулированы и поставлены последующие задачи исследований:

-провести теоретические исследования, объясняющие сущность комплекса процессов, протекающих при гальванокоагуляции;

-выявить его физико-химические параметры;

-определить основные факторы влияющие на процесс и эффективность очистки;

-на основе выполненых исследований сформировать концепция механизма гальванокоагуляционной деминерализации шахтных вод и составить физико-математическую модель процесса гальванокоагуляции.

Во второй главе приводятся результаты теоретических исследований предпосылки применения метода гальванокоагуляции с целью деминерализации шахтных вод, для чего изучались и исследовались механизмы и особенности:

- растворения металлов по электрохимическому механизму по отношению к химическому и ограничивающие его (растворение) факторы;

- процессы ионного осаждения, соосаждення и электроосаждения, на основании которых можно будет представить наиболее полную и обобщенную картину физики процесса.

Установлено, что максимальная эффективность метода гальванокоагуляции (как извлечение анионов, так и осаждение катионов тяжелых металлов) достигается, если процесс начинается в кислой среде и завершается в нейтральной или слабощелочной.

Наличие кислой среды усиливает окисление металла анода. Это обусловлено:

- во-первых, увеличением разноакгивности электродных потенциалов металлического анода (практически не изменяется) и газового (водородного) катода (увеличивается с уменьшением рН);

- во-вторых, увеличением концентрации катионов водорода, что приводит на основании закона действия масс к усилению скорости как катодного восстановления Н+ , так и чисто химической реакции замещения водорода железом.

В результате интенсивной работы гальванопары и необратимости полу -реакции катодного восстановления катионов водорода (образующийся молекулярный водород улетучивается) в растворе остается все меньшее количество ионов Н+. Это изменяет реакцию среды в сторону щелочной (рН среды растет) и раствор нейтрализуется. Скорость окисления железа тормозится, но увеличивается диссоциация молекул воды, а следовательно, в растворе появляется дополнительное количество гидроксид-ионов. Кроме того, в кислых растворах ионы ОН" образуются на поверхности металла вследствие диссоциации.

Установлено, что наличие гидроксид-ионов и избытка железа приводит к гидролизу, т.е. образованию Ре(ОН)2 даже в кислой среде. Но в кислой среде гидроксид двухвалентного железа в большинстве случаев находится в растворенном (диссоциированном) состоянии. Поэтому создавались условия для окисления двухвалентного железа в трехвалентное (Ре3+) с помощью искусственной аэрации (периодическим выводом гальванопары в открытую атмосферу или подачей воздуха (кислорода) в раствор), в результате чего гидроксид Ре(ОН)2 быстро окислялся и превращался в Ре(ОН)3, который даже в кислой среде превращался в нерастворимое соединение, коагулировал и выпадал в осадок. Последующая дегидратация и перекристаллизация Ре(ОН)3, в гетит а-РеООН и лепидокрит у-РеООН создавала условия для соосаждения катионов других тяжелых металлов (путем ферритизации).

Таким образом,в растворе образовываться сложная смесь гидроксидов железа (И) и (III), а также продуктов их диссоциации, взаимодействующая с другими веществами на основе описанных выше механизмов, при этом железо являясь одним из активных комплексообразователей (играет роль центрального иона в комплексе), а анионы ОН", Б04'', С1", 1Ч03" выступают в качестве лигандов.

Установлено, что кроме этих механизмов существенное значение имеют еще два, а именно адсорбция, которая особенно активно протекает, если осадитель скоагулирован в виде коллоида основного (анодного) металла и механический захват примесей.

Так как шахтные воды содержат широкий спектр щелочных, щелочноземельных металлов, а также алюминий, кремний, кислород, а в процессе гальванокоагуляции образуются оксиды названных металлов, то возникает весь набор "строительных" материалов, необходимый для образования так называемых цеолитов, (пористые кристаллы сложного состава например: Ме2 гО * А1,03у5Ю, * Ш20), являющихся, особым видом клатратов-веществ с повышенной сорбционной и коагуляционной способностью.

При этом установлено, что в результате происходящих процессов электронейтральность системы не нарушается. Это означает, что все процессы имеют способность к авторегулированию (автогенном}' регулированию)в зависимости от количества, свойств и характера примесей и воды. Так, с увеличением концентрации примесей автоматически возрастает скорость необходимого процесса (реакции).

Автогенное регулирование дает два преимущества: отпадает необходимость в применении спецприборов контроля и сложных регу лирующих устройств; имеется возможность применения способа при любой концентрации примесей.

Таким образом, существуют теоретические предпосылки, позволяющие использовать метод гальванокоагуляции для очистки шахтных вод от ионо-дисперсных примесей.

Для вссобьемлюющего проведения исследований согласно цели диссертационной работы, выявлении различных факторов (реакции водной среды. ее температуры, времени обработки, состава гальванопар) на эффективность метода и успешного решения поставленной задачи была разработана физическая модель процесса.

В качестве таковой была предложена плоско-параллельная модель движение катионов металла между катодом и анодом с прилипанием к активному аноду; описываемое общеизвестными уравнениями термодинамики и фор-\п,'ла\ш Больцмана.

и.

С=С0еч'т

где и-потенциальная энергия частиц во внешнем поле. В растворе можно представить и в виде:

хде ш - масса иона, т= 10" (кг);

g -ускорение свободного падения. §=9.81 (м/с:); / - расстояние по вертикали до дна сосуда: с= 1.602* 10"19 Кл-заряд электрона: 1 - валентность Ме;

А V - разность потенциалов между анодом и катодом (в) : к= 1.38*101' (дж/град)-постоянная Больцмана; Т-температура раствора. °К; X - расстояние катиона от анода, м: с! - расстояние от анода до катода, м;

Данную модель можно рассматривать гак поглощение катиона стенкой и его исчезновение из раствора). Математическое решение ее сводится к определению вероятности того,что катион, находящийся в начальный момент времени на расстоянии х0 от стенки «прилипает» к ней в течении времени 1. Дифференциальная функция распределения вероятностей (плотность вероятности)«) го что в момент времени 1 частица (катион Ме') будет находиться в окрестности точки х <о (хД) будет определяться диффузионным уравнением:

¿Ср-глЙО)

<11 ~и с!х

Тогда с учетом граничного условия: \у(0;0=0 и начального условия: ш(х;0)=8(х-х0), конечное решение уравнения имеет вид:

Причем «дифференциальный поток» (Б) определяется как:

где m - коэффициент кинематической вязкости жидкости (кг/м*с); R - радиу с ионов металла, м;

Полученная формула показывает зависимость степени очистки l-AP(t) от температуры очищаемой воды (Т) и времени контактирования (t).

При исследовании влияния аэрации на процесс очистки методом галь-ванокоагуляцити и целесообразность включения данного мероприятия в технологическую схему очистки, было установлено, что при n-кратной аэрации концентрация анионов в жидкой фазе составит:

C(t) = C(0)/(l-V*pn/(V*pjr

где Са(0) - начальная концентрация анионов в момент времени t=0,

Vr - объем подаваемого газа;

х - постоянный период времени, через который производится введение порции газа (воздуха) объемом Vr;

рп - плотность газа;

V - объем раствора (взвеси);

рж - плотность жидкости (растворителя).

Данная формула справедлива при Vr*pn/(VApJ«l и условии, что весь газ выводится из раствора за промежуток времени t(<x и в предположении, что молекулы аниона прктически не попадают в газовую фазу.

В общем же случае: C.(t) = С.(0)*(l/CJ**.

где Су - коэффициент разделения для i-того и j-того вещества в паровой

фазе.

В рассматриваемой модели не учитывалось влияние столкновение катионов и анионов при диффузии в процессе очистки методом гальванокоагуляции, так как предполагалось, что концентрации анионов Са и катионов Ск малы настолько, что вероятностью их столкновения между собой в растворе можно было пренебречь по сравнению с вероятностью попадания на анод и катод, соответственно. Тем не менее, при увеличении концентрации анионов (например, при многократной аэрации), эти вероятности ммуг стать сопоставимыми. Таким образом можно сделать вывод о необходимости учета данного факта.

Как показали исследования, полная степень очистки l-AP(t), с учетом вероятности столкновения анионов и катионов l-AP,(t) равна l-AP(t)=AP1(t)-AP0(t).

Причем:

1 -АР, (t)= 64*(Ск(0)4О(СаД1., У 3*N*U

ще Ск, Са - концентрация катионов и анионов соответственно; N = 6,025 * 1023 (моль-1) - число Авогадро; |!к, (ia - молярная масса катиона и аниона соогветчсвенно;

ÉT - среднее расстояние, проходимое катионом и ани оном за время t;

Третья глава посвящена экперементальному подтверждению ранее

проведенных теоретических исследований, проверки адекватности выведенной физико-математической модели, возможности получения практических результатов по очистке шахтных вод, а также установлению наиболее оптимальных параметров технологического режима.

Исследования проводились на модельной установке. Применялись следующие виды загрузок: железо-медь (Fe:Cu), железо кокс (Fe:C) и шпоминий-кокс (Al:С). Железо, медь, алюминий использовались в виде стружки, а кокс дробился (размер зерен < 3 мм). Объем исследуемой воды в гальванокоагуляторе составлял 100-200 мл, а вес загрузки 50-200 г. Пробы очищаемой воды отбирались через 3, 5,10,30,60 минут от начала опыта. Значения водородного показателя среды изменялись от 7 до 1.

В качестве исследуемых технологических факторов избраны: состав гальванопары. реакция среды (рН); соотношение между компонентами загрузки: время пребывания сточной воды в гальванокоагуляторе; объем пропускаемой воды: температура и вещественный состав сточной воды; концентрация загрязнений в сточной воде.

В результате проведенных экспериментов были получены данные, основные из них представлены в виде таблиц (1-4) и графиков (1-3).

Таб. ища 1

Степень очистки сточных вод при различных соотношениях объема очищаемой воды к массе загрузки н «железо-кокс» в стружке

Массовое соотношения «желе*о-мвдк» a стружке Время контакта, мин Концентрация ифям«* НИЙ, мг/л Степень очистки, % Отношение объема воды к масс» яагруаки, мл/л Объем сточной ■оды Время контакта, мин Ко ни ■ мт- рся*ия «агрямя-НИЙ, МГ/Л Степень очистки, V.

1:1 0 145 100/100 100 0 145

5 74.3 48.7 5 2<S.i 82

10 19 ' 86 4 10 1.2 99.1

20 0.8 99.4 20 100

30 100 30 100

Ы 0 115 150'100 150 0 145

5 62.1 57.2 5 75.2 48.1

10 6 8 95.3 10 32.5 7 7

20 100 20 10.4 92.8

30 100 30 100

1:2 0 145 200/100 200 0 145

5 104.2 28.1 5 100 31

10 67.2 53.6 10 59.8 58.7

20 18.1 87.5 20 25.1 82.7

30 6.8 95.5 30 0.5 99.6

Таблица2

Экспериментальные данные по извлечению катионов тяжелых металлов и аниона 8042~ из модельных индивидуальных растворов

Компонент Содержание в растворе, мг/л степень извлечения компонентов/ % рН раствора

исходном обработанном исходного обработанного

Са 100 следы 100 5.9 7.19

БО 150 20 86.7

Са 100 следы 100 6.1 7.35

БО 150 32 78.7

Са 100 10 90 5.46 6.95

БО 150 25 83.3

Са 100 48 52 6.3 6.55

БО 150 58 63

Таблица3

Экспериментальные данные об шменении концентрации сульф ат-иона (БО/ ) в исходных модельных растворах

рН раствора Концентрация сульфат-иона, мг/л степень извлечения сульфат-иона, %

исходного обработанного исходного обработанного

1.5 3.6 3110 2800 9.97

1.7 4 1460 1095 25

1.9 4.15 1050 656 37.5

2 4.25 730 425 41.78

2.3 4.45 520 276 53.08

2.4 4.5 200 98 51

3 4.7 90 47 47.78

3.4 7.1 45 следы 100

Таблица4

Кинетика очистки сточных вод методом гальванокоагуляции

Время очистки, мин Содержание основных компонентов и степень их очистки

мышьяк цинк свинец кальций сульфат-ион

мг/л | % мг/л 1 % мг/л 1 % мг/л 1 % мг/л ] %

Температура раствора,

0 0.5 2.92 0.4 64.1 96.4

10 0.07 86 0.55 81.2 0.17 56 52.1 18.7 83.6 16.4

20 0.06 88 0.05 99.7 0.05 87.5 40 37.6 78.1 18.9

Температура раствора, 1=40,С

0 0.5 2.92 0.4 64.1 96.4

10 0.05 90 0.14 95.2 0.08 87.5 28 56.3 66.6 30.9

20 0.03 94 0.03 99.9 0.01 97.5 24 62.6 59.2 38.5

I eo4-\

I 80 -IA

| 70 -

(!) f

20 10 4

Время, мнн Бремя, мин

Рис. 1. Кинетические кривые уда гения меди, никеля, мышьяка нрнразлнчныхконцентрациях Н,80(: а) 100 г/л; б) 10 г/л; в)4г/.т; г) 2,5 г/л.

6 8 10 12 время контакта, мин

—С=100 M г/л —о— С=350 м г/л

Рис. 2 Изменения концентрации хрома от времеш! гальванокоагулящш

45 50 64 100 125 Концентрация (Са), мг/л

Рис. 3 Влияние концентрации кальция в растворе наэффек тивность гальванокоагулящш Четвертая глава посвящена разработке способа и технических средств деминерализации шахтных вод и промышленной апробации аппаратурно-технологической схемы кондиционирования шахтных вод (Рис. 4-5), а также разработке технологического регламента ведения процесса деминерализации.

В результате полигонных и промышленных испытаний установлены и определены основные технические характеристики системы, разработаны требования и рекомендации по ведению процесса.

Полученные результаты оформлены актами промышленных испытаний и внедрений.

Техническая характеристика н общий вид экспериментального промышленного образца гатьванокоагулятора

Наименование Ед. изм. Числ.знач.

Производительность м3/час 150

Скорость вращения

барабана об/мин 1,94

рН обрабатываемой среды - 0-14

температура обработки

среды •с 5-80

Установленная мощность кВт 0,75

Удельный расход

электроэнергии кВтч/м3 0,03 - 0,07

Удельный расход

железного скрапа кг/м3 0,1 - 0,5

Масса загружаемого

скрапа кг 400 - 500

Размеры: длина мм 2719

высота мм 1642

ширина мм 1537

Эффективность очистки % >98,8

Исходная шал*

I

Уермнвня*

К0ррКТ1р0|вИМ рН СрЯДЫ

Г

9 гррмтяэ ация

>

Ооаядемд» ^

МлаяоааЛ а04а +

Галъ» аяокоаг у дяцяа I ст. р»:с

И л-А о да ♦

I

На*«ода

Осаетдекме

««¿■ты

Осветляя*« — Мл • аода

Сг^цешш у

ШЛ4Н

I

"1

Рягямерацня

вльграфиактрачня

Очтмиям >01*

На овемопмкя* ■ упиязацт

Рис. 4. Технологическая схема кондиционирования шахтных вод

а) 1 - усреднитель; 2 - полочный сгуститель; 3 - гальванокоагу; переливная емкость.

I .-, I

ятор:4 ■

б) 1 - тонкослойный пластинчатый отстойник; 2 - гальванокоагулятор; 3 • переливная емкость; 4 - фильтр тонкой очистки.

в) 1 - емкость для шлама; 2 - пресс-фильтр; 3 - емкость для фильтрата.

Рис. 5. Аппаратурная схема очистки шахтных вод.

а) узел первой стадии очистки шахтных вод; б) узел второй стадии очистки шахтных вод; в) узел обезвоживания шлама

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе решена актуальная научная задача, заключающаяся в установлении закономерностей и создании математических моделей процесса гальванокоагуляционной очистки шахтных вод, что позволило разработать технологию и оборудование по деминерализации сточных шахтных вод. Решение задачи имеет важное научное и практическое значение в области инженерной экологии, рационального использования водных ресурсов. охране и защите гидрографической сети Донбасса.

Основные выводы, научные и практические результаты заключаются в следующем:

1. В резу льтате проведенных исследований установлены основные закономерности изменения химического состава шахтных вод по глубине и площади Донбасса, установлены виды компонентов, подлежащих извлечению, сформулированы основные требования к способам и техническим средствам деминерализации шахных вод.

2. Установлено, что процесс гальванокоагуляционной очистки протекает одновременно по нескольким механизмам, а именно изоморфного замещение вещества гидроксида или внедрение в него ионорастворенных примесей входящих в состав раствора с последующим образованием сложных комплексных соеденений и за счет адсорбции ионов на поверхности образованных комплексов, при этом процесс осаждения комплексов сопровождается механическим захватом примесей и их соасождением.

3. Разработан комплекс физико-математических и технологических моделей для описания механизма гальванокоагудяционной очистки шахтных вод и взаимосвязи между параметрами очищаемой воды и конструктивными элементами устройства по гальванокоагуляционной обработке, что позволило обосновать эффективную технолоппо очистки, выявить рациональные режимы работы оборудования.

4. Разработаны основные технологические схемы и технологические режимы применения метода с учетом состава обрабатываемых шахтных вод и состояния существующих очистных сооружений.

5. Разработана, утверждена и в установленном порядке передана Государственному проектно-конструкторский институту "Гипромашутлеобогаще-ние". научно-техническая и проэкгно-конструкгарская документация на экс-перементальный образец галъванокоагулятора.

6. Проведены промышленные испытания гальванокоагуляционной установки (снижение солесодержания 98,8%, затраты на очистку снизились в 2-4 раза в сравнении с существующими методами).

7. Предложенный способ рекомендуется использовать не только для очистки шахтных вод, но и в качестве метода, который позволяет извлекать ценные цветные металлы из концентрированных и даже разбавленных растворов, например, гальвановод. Это увеличит экономичность метода, область его применения и позволит решить острейшую проблему утилизации отходов.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1.МатлакЕ.С., КокатовО.Л, ЛизанИ.Я. Механизм гальванокоагуляционной деминерализации шахтных вод и эффективность его действия. Известия высших учебных заведений. "Горный журнал", N1,январь, 1996 год, стр. 12-15.

2. Носач А.К., ЛизанИ.Я. О физико-математическом моделировании процесса гальванокшгуляции в водных растворах Известия Донецкого горного института, №1(5), 1996 год стр. 101-103.

3. Лизан И.Я.. Зубснга Ю. Д. Гальваношагуляция шахтных вод как система и обьсет управления. Сборник научных трудов энергетического факультета ДОнГТУ посвященный 75-летию ДЛИ -Донецк. 1996. стр. 100-107.

4. Лизан И .Я. Эксперементальные исследования гальванокоагуляцион-ного кондиционирования шахтных вод. Донецк. Гос. техн. ун-т - Донецк. 1995 - Библиогр.: 23 назв. - Рус. Деп. в ГНТБ Украины. 3.01.96. №116 Ук96. - 29 с.

5. МатлакЕ.С., Кокатов ОЛ., Лизан И.Я. Исследование возможности гальвано-коагуляционной очистки шахтных вод// Охрана окружающей среды и рациональное испо.льзование природных ресурсов: Тезисы докладов IV Всеукраинсюй студенческой научной конференции/ДонГТУ - Донецк, 1994. - 244 с.

6 .Лизан И.Я. Анализ существующих способов изатечения ионных примесей из шахтных вод и механизмов их реализации". Донецк, гос.технун-т -Донецк, 1995.;-Библиогр.:47назв.-Рус. Деп. в ШГБ Украины 3.01.96, N141 Ук96.35 с.

7. Лизан И.Я. Теоретические предпосылки применения метода гальваноюагу-ляции с целью деминерализации шахтных вод. Донецк, гос.технун-т -Донецк, 1995. ;-Библиогр.:17 назв.-Рус. Ден в ГНТБ Украины. 3.01.96. N115 Ук96. -21с.

8. Лизан И.Я.. Дашковский Л.Г. Физшсъматематическая модель процсоса галь-ванокоагулянии с учетом аэрации водного раствора. Донецк.гос.техн.ун-т -До-нсцк.1995. ; -Библиогр. :0 назв. -Рус. Деп. в ГНТБ Украины. 3.01.96.Ы117Ук96. -9с.

9. Лизан И.Я.. Зубенко Ю.Д. Системный анализ гальванокоагуляции шахтных вод какобьектауправления. Донецк.гос.техн.ун-т -Донецк.1995.; -Библиогр. :23 назв. -Рус. Деп. в ГНТБ Украины. 9.01.96. N219 Ук96. -29 с.

ЛИЧНЫЙ ВКЛАД АВТОРА

В работах, опубликованных в соавторстве, соискателю принадлежат следующие результаты: в работах [1,5]- результаты натурных исследовании, графоаналитическая обработка данных; в работах [3,9]- системный анализ процесса гальванокоагулящш; в работах [2,8] - разработка математической модели процесса гальванокоагуляции.

ANNOTANION

Lyzan I.Y. The development of the w ay of déminéralisation of mine w ater from ionodispersive impurities based oil galvanokoagulation in the conditions of the Donbass coal field.

Dissertation is submitted for a candidate of science degree in 05.26.05 "Engineering ecology" speciality. State mining academy of Ukraine, Dnepropetrovsk, 1997.

To prove the statements several tasks were set and solved: - on the basis of patent, theoretical and experimental research the prospectiveness of déminéralisation of mine water based on its elutric treatment discovered. - the chemism of underground and mine water is specified; - main physico-chemical

factors, determining the essence of galvanocoagulation method and the may it acts, are determined and studied, the the physico-mathematical model of the process is developed; - in the laboratory conditions through the experiment the influence of the main factors on the efficiency of galvanocoagulation method is studied and the possiblity of ruling there is found; - technological peculiarities of galvanocoagulative purification of mine water are substantiated. - the experimental industrial model of galvanocoagulator has been designed and tested in the conditions of areal mine and coal-preparation plant followed by its putting into serial prodution.

The scientific resulsts are published in 9 works.

АНОТАЦ1Я

Лизан 1.Я. Розробка способу демшералйзацп шахтних вод вщ юнодисперсних домшюк на ocHoei гальванокоагуляцц в умовах Донбассу.

Дисертащя на здобуття вченого ступеня кандидата техничних наук за фахом: 05.26.05 'Тнженерна еколопя". ДГАУ м. Дшпропетровсък.

Вирипуються наступи науков1 та техшчш задача на тдстав1 патенгних теоретичних експерементальних доопджень виявлена перспектившсть демшерал1заци шахтних вод на пiдcтaвi ix електрообробки, зокрема гальванокоагуляци; уточнено хвизм шдземних та шахтних вод; установлено й вивчено основш <J>i3HKO-xiMi4Hi фактори, ям зумовлюють суть методу гальванокоагуляци, i уточнено мехашзм йоге да!; розроблена ф1зико-матема-тична модель процеет; в лабораториихумовах експерементально дослужено вшив основних фактор1в на ефекгавшеть методу гальванокоагулящ1 та визна-чена можлив1сть лтфавлшня ними; виявлено технолопчш особливосп гальвано-коагуляцюнного очищения шахтних вод; спроектовано, вишшвлено та вип-робовано експеременгальний промисловий зразок гальваноюагулятора в \"мо-вах реально! шахта й збагачувальжн фабрики з настутшим впроваджуванням аппарату в сершне виробнитство.

Отбл1ковано 9 друкованих po6iT.

КЛЮЧ OBI СЛОВА: ДЕМШЕРАЛ13АЩЯ, ЮНОДИСПЕРСНИЙ ДО-МППОК, ШАХШВОДИ, АНОД, КАТОД, ГАЛЬВАНОКОАГУЛЯЩЙНАОБ-РОБКА, ЕФЕКТИВШСТЬ.

Лизан Игорь Ярославович

РАЗРАБОТКА СПОСОБА ДЕМИНЕРАЛИЗАЦИИ ШАХТНЫХ ВОД ОТ ИОНОДИСПЕРСТНЫХ ПРИМЕСЕЙ НА ОСНОВЕ ГАЛЬВАНО КОАГУЛЯЦИИ ДЛЯ УСЛОВИЙ

ДОНБАССА

05.26.05 - «Инженерная экология»

Формат 60x84/16 Уч.-изд.л. 1,0.

Подписано к печати_

Бумага типогр№2. Печать ризограф. Зак. №10. Тираж 100 экз. Бесплатно.

ЧП « Амига Про»

343100. г. Красноармейск. ул. Ленина. ИЗ.