автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.03, диссертация на тему:Синтез углеродных адсорбентов из отходов переработки древесины для производства питьевой воды

На правах рукописи

АРТЕМОВА Людмила Васильевна

СИНТЕЗ УГЛЕРОДНЫХ АДСОРБЕНТОВ ИЗ ОТХОДОВ ПЕРЕРАБОТКИ ДРЕВЕСИНЫ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ

05.21.03 - Технология и оборудование химической переработки биомассы дерева; химия древесины

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Архангельск - 2005

Работа выполнена на кафедре лесохимических производств Архангельского государственного технического университета

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Богданович Н.И,. кандидат технических наук,

доцент Кузнецова Л.Н.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Гельфанд Е. Д., кандидат технических наук

Тельтевская С.Е.

Ведущая организация:

ОАО «Соломбальский ЦБК»

Защита диссертации состоится «19» мая 2005 года в13 часов на заседании диссертационного совета Д.212.008.02 в Архангельском государственном техническом университете (163002 г. Архангельск, набережная Северной Двины, 17).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Архангельского государственного технического университета.

Автореферат разослан «15» апреля 2005 года.

«

Ученый секретарь диссертационного совета, канд. хим. наук с'алг^&л Т.Э.Скребец

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

В настоящее время проблема подготовки питьевой воды в условиях повышенных антропогенных нагрузок на водоисточники является весьма актуальной. Это связано с существующей тенденцией ухудшения качества природной воды, а также с ужесточением требований к качеству питьевой воды. В развитых странах запада современные технологии очистки питьевой воды основываются на широком использовании сорбци-онных процессов с применением активированных углей или их аналогов - природных сорбентов. В России сорбционные методы при приготовлении питьевой воды применяются значительно реже. Для решения проблемы централизованной сорбционной очистки питьевой воды в масштабе всей страны нужны колоссальные затраты на создание новых мощностей по производству активных углей и реконструкцию водоочистительных станций. В ближайшей перспективе это неосуществимо, так как связано не только с промышленным спадом и экономическими трудностями, но и со сложностями получения активных углей, пригодных именно для водоподготовки. Подобные активные угли должны отличаться своеобразной пористой структурой и развитой внутренней поверхностью, кроме того, при включении их в процессы водоподготовки, необходимо строго учитывать процессы формирования качества природных вод. Помимо выше перечисленного существует проблема, связанная с сырьевыми источниками для получения активных углей. Поэтому актуальны исследования, направленные на синтез адсорбентов, пригодных для водоподготовки, с использованием многотонажных дешевых источников сырья.

Экспериментальными исследованиями, проводимыми в Архангельском Государственном техническом университете, было доказано, что методом пиролиза различного сырья в присутствии №ОН получаются высококачественные активные угли, основные свойства которых можно варьировать в широких пределах. В данной работе оценивалась возможность направленного синтеза углеродных сорбентов, пригодных в технологических схемах производства питьевой воды г. Архангельска.

Цель и задачи исследований

Целью данной работы являлось: разработать технологию синтеза углеродных сорбентов из отходов переработки древесины и их использования в процессе производства питьевой воды.

Из поставленной цели вытекали следующие основные задачи:

1) наработать образцы порошкообразных активированных углей из отходов переработки древесины методом термохимической активации с использованием гидроксида натрия и изучить их адсорбционные свойства;

2) изучить влияние условий наработки активированных углей на эффективность очистки ими питьевой воды с учетом сезонных изменений природной воды;

3) установить взаимосвязь между традиционными характеристиками углеродных адсорбентов и их свойствами, проявляемыми в производстве питьевой воды;

4) разработать рекомендации по использованию активных углей в технологии получения питьевой воды применительно к условиям МУП «Водоканал» г. Архангельска.

Научная новизна

Установлено, что пиролиз отходов переработки древесины в ¡присутствии щдрокси-да натрия позволяет получать угли высокого качества, обладающие чрезвычайно высокими адсорбционными свойствами.

Выявлено, что в условиях предлагаемой термохимической активации формируется пористая структура активных углей, наиболее пригодная для использования их в технологии приготовления питьевой воды.

Показано, что применение синтезируемых адсорбентов в неблагоприятные периоды года для углевания воды на Архангельской станции водоподготовки позволяет значительно улучшить качество питьевой воды по сравнению с обычной технологией (в 2.5-3.0 раза) и с промышленными углями ОУ-А (в 1.2.-1.5 раза)

Доказано, что в зависимости от применяемого сырья и качества исходной воды условия наработки сорбентов должны меняться.

Практическая значимость

Разработаны условия и технология углевания природной воды.

При ориентации на получение порошкообразных активированных углей из отходов деревообработки, предназначенных для использования в технологии приготовления питьевой воды на Архангельской станции водоподготовки, установлены опти-мальнйе условия термообработки.

Показано, что применение порошкообразного активного угля позволяет практически полностью удалить из воды алюминий, железо, азот аммонийный, а также значительно снизить ее окисляемость, цветность и мутность.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались на втором международном семинаре в г. Кемерово «Углеродные адсорбенты» (2000 г.), на Всероссийской конференции в г. Сыктывкаре «Химия и технология растительных веществ» (2000 г.), на международной конференции молодых ученых и специалистов в г. Архангельске «Экология Северных территорий России» (2001 г.), на первой общероссийской научно -технической конференции в г. Вологда «Вузовская наука-региону» (2003), а также на ежегодных научно - технических конференциях Архангельского государственного технического университета (2000-2003 г.)

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ.

Структура и объем диссертации.

Диссертация включает в себя: введение; аналитический обзор литературы; методическую часть; экспериментальную часть, содержащую 6 разделов; технологическую часть; экономическую часть; общие выводы и приложение.

Содержание работы изложено на 133 страницах, включая 17 рисунков и 25 таблиц, библиография содержит 153 наименования.

На защиту выносятся:

- оценка влияния режимных параметров пиролиза на выход и адсорбционные свойства получаемых углей, а также на показатели очистки ими питьевой воды;

- результаты по доочистке питьевой воды при внедрении в существующий на МУП «Водоканал» г. Архангельска процесс водоподготовки синтезируемых порошкообразных активных углей;

- результаты по доочистке воды активными углями в условиях снижения доз основных реагентов;

- разработанные технологические схемы водоподготовки с применением углева-ния, экономическая оценка затрат на реализацию стадии углевания в технологический процесс получения питьевой воды.

, ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

В аналитическом обзоре литературы рассмотрены различные способы наработки активных углей. Сделан вывод, что угли, получаемые методом термохимической

■ активации, обладают улучшенными адсорбционными свойствами и более развитой пористой структурой.

Отмечено, что в западных странах 35-40% от всего количества получаемых углей используется в процессах приготовления питьевой воды. Приведены доказательства необходимости внедрения в существующие процессы водоочистки сорбционных методов. Рассмотрены теоретические закономерности адсорбции растворенных загрязнений из водных растворов адсорбентами. Описаны различные методы обработки воды активными углями.

На основе литературных данных сформулированы цель и задачи исследования, которые решаются в диссертационной работе.

Методики исследования

Для производства углеродных адсорбентов были использованы отходы производства Соломбальского и Архангельского ЦБК, деревообрабатывающего комбината №3 г. Архангельска.

Термохимическая активация сырья проводилась на лабораторной установке кафедры лесохимических производств. Физико - химические свойства наработанных активных углей определялись в соответствии с действующими методиками.

Для оценки влияния различных факторов пиролиза черного щелока на сорбцион-иые свойства получаемых адсорбентов, а также для изучения влияния условий наработки активированных углей из данного вида сырья на качество очистки питьевой воды был использован метод математического планирования эксперимента. Статическая обработка результатов и расчет уравнений регрессии проводились с использованием ЭВМ.

* Углевание воды проводилось в лабораторных условиях. При этом моделирова-

лись условия получения питьевой воды, принятые на Архангельской станции водоподготовки. Оценка эффективности доочистки питьевой воды адсорбентами проводилась с использованием действующих методик.

Экспериментальная часть состоит из 6 разделов.

1. Подбор условий углевания

Экспериментальным путем подбирались условия углевания воды, приемлемые

для Архангельской станции водоподготовки. Основываясь на результатах проведенных экспериментов, была принята дозировка угля 20 мг/дм3, время контакта угля с водой 15 мин.

2. Получение образцов активных углей из черного щелока и оценка их сорб-ционных свойств

Наработка углей из черного щелока и оценка их сорбционных свойств проводилась методом планированного эксперимента. Уровни независимых переменных приведены в таблице 1.

В соответствии с планом было реализовано 20 опытов. Выход активного угля менялся в пределах от 15 до 21 %. Сорбционная активность по йоду варьировалась от 89 до 183 %. Осветляющая способность по МГ изменялась от 246 до 772 мг/г.

Полученные экспериментальные данные были использованы для расчета коэффициентов уравнений регрессии и разработки статистических моделей, связывающих значения выходных параметров с условиями их получения.

Таблица 1

Уровни независимых переменных_

Переменные факторы Обозначение Интервал варьирования Значения факторов

-а -1 0 +1 +а

доза щелочи, у. е. X, 0.15 0.70 0.80 0.95 1.10 1.20

температура, °С х2 50 556 600 650 700 734

продолжительность пиролиза, мин Х3 10 23 30 40 50 57

Для выхода угля было получено следующее уравнение регрессии: У) = 17.32 -0.98x1 - 1.48х2 - 0.61х2х3. Анализируя его можно сделать вывод, что на выход угля основное влияние оказывают температура пиролиза и доза щелочи. С их увеличением выход угля линейно снижается. Продолжительность пиролиза не влияет на значение данного выходного параметра.

Оценивая уравнение регрессии (У2 = 137.09+ 24.51х2 +10.85х3 + 6.50Х1Х3), полученное для сорбционной активности наработанных углей по йоду, можно отметить, что она растет с повышением температуры и продолжительности термообработки. Влияние дозы щелочи зависит от того, при какой продолжительности будет проведен процесс.

На сорбцию метиленового голубого значительно влияют все три параметра термохимической активации, о чем свидетельствует уравнение регрессии:

У3= 615.20+ 49.59х, + 120.21х2 + 51.60х3 + 36.19Х1Х3- 41.44х2х3 - 51.43Х12 ,

Сравнивая влияние режимных параметров активации на адсорбцию йода и метиленового голубого синтезированными образцами можно сделать вывод, что температуру термообработки необходимо поддерживать на уровне наиболее высокой в области экспериментирования, а именно 700...730°С. Расход гидроксида натрия на активацию V увеличивать выше 1.1 у.е. вряд ли стоит, несмотря на некоторое увеличение сорбционных свойств рассматриваемых углей в областях высокой продолжительности и температуры процесса. В отношении продолжительности термообработки при синтезе углей вывод не столь однозначен. Формирование мезо- и супермикропор, ответственных за

сорбцию мешяеноЕого голубого, практически заканчивается ( при 700-730°С) через 23 минуты от начала термообработки. Однако, увеличение продолжительности в 2 и более раза приводит к существенному дополнительному образованию более мелких микро-пор, в которые может проникать йод.

Необходимо отметить, что синтезируемые углеродные адсорбенты отличаются высокими сорбционными свойствами, в 2.5-3.0 раза превышающими таковые для аналогичных углей, выпускаемых промышленностью.

Таким образом, доказывается возможность и целесообразность получения высококачественных адсорбентов с развитой системой микропор методом термохимической активации черного щелока с использованием в качестве активирующего агента пздро-ксида натрия.

Целью следующих исследований являлось определение пригодности полученных углей в технологии водоочистки. При этом представляло интерес оценить возможность использования общепринятых методов тестирования сорбционных свойств активных углей (йод, метиленовый голубой) применительно к их способности удалять нежелательные примеси из природной воды в технологии получения питьевой воды.

3. Испытание сорбентов из черного щелока в процессе очистки природной

воды

3.1. На первом этапе углевание воды проводили до введения коагулянта и флоку-лянта в периоды низких показателей загрязнения водоема зимой и летом.

Вода отбиралась со станции первого подъема центральных очистных сооружений г. Архангельска. Исследования проводились в соответствии с условиями, изложенными выше, а именно: (доза угля - 20 мг/дм3, время контакта угля с водой - 15 мин). Дозы основных реагентов - коагулянта (сульфат алюминия) от 10 мг/дм3 до 12 мг/дм в расчете на АЬОз, флокулянта (Праестол 650) от 0.08 до 0.10 мг/дм3 - в зависимости от качества воды в водоеме. Выходными параметрами, определяющими качество питьевой воды, являлись цветность, мутность и окисляемость

Оказалось, что внедрение порошкообразных активированных углей, полученных из черного щелока, в процесс водоподготовки в летний период дает неплохие результаты. Так, дополнительное снижение цветности достигает 91%, мутности до 98 %, окис-ляемости до 69%, по сравнению с результатами без обработки углем, которые в среднем составляют по цветности 66%, мутности 84% и окисляемости 44%.

Значительный эффект очистки достигается при использовании некоторых образцов углей, полученных в оптимальных условиях термохимической активации. Кроме того, применение промышленных углей (ОУ-А) позволяет достигать практически такого же качества очистки воды в отношении цветности и мутности, как и при использовании некоторых образцов углей, полученных из черного щелока. Однако, дополнительное снижение окисляемости питьевой воды после углевания с ОУ-А составило всего лишь 39%, что значительно меньше снижения окисляемости при использовании углей из черного щелока.

Данные исследования проводились, как указывалось ранее, методом планированного эксперимента. Уровни независимых переменных приведены в таблице 1.

По экспериментальным данным были построены математические модели:

- степень очистки воды по цветности (%) У1 = 76.87 + 3.94x1 + 1.76х22, Ррасч. = 0.54, Ргабл. = 4.69

- степень очистки воды по мутности (%)

У2 = 93.44 + 4.73x2 - 2.0X2 , Брасч. = 1.02, Бтабл. = 4.69

- степень очистки воды по окисляемости (%)

Уз = 50.90+ 4.48х22, Fpac4.el.il, Бтабл. = 4.68 Все полученные уравнения адекватны, так как расчетные значения критерия Фишера (Брасч.) меньше табличных (Ртабл.).

Оценивая все три уравнения, молено сделать вывод, что на доочистку питьевой воды в летний период наиболее сильное влияние оказывает изменение температуры пиролиза при наработке используемых активированных углей.

Более наглядно влияние режимных параметров получения углей на очистку воды в летний период отражено на рис.1, в виде поверхностей отклика.

в

Рис. 1 Влияние условий получения активированных углей на доочистку питьевой воды в летний период по показателю (в %): а) цветности, б) мутности, в) окисляемости

По экспериментальным данным можно сделать вывод, что в летний период, когда загрязненность исходной (речной) воды невысокая, оптимальными условиями при получении углей, используемых в водоподготовке являются: температура 556-600°С, продолжительность 25 мин, доза щелочи 1.0 у.е. Однако, в случае увеличения мутности исходной воды температуру пиролиза можно увеличить до 700-734°С.

В зимний период качество воды в водоеме значительно ухудшается, в то же время степень очистки питьевой воды при применении углевания увеличивается. Особенно это заметно по мутности, где процент очистки, при использовании некоторых образцов углей, достигает 100%, по сравнению с 86%-ми, полученными без применения угля.

.аналогичным образом и в отношении окисляемости, которою можно снизить на 43...7496, по сравнению с традиционной схемой — 19...4796. Однако, по всем трем показателям процент очистки воды, полученный при использовании углей из черного щелока, находится на уровне очистки при использовании промышленных углей ОУ-А.

По полученным данным были рассчитаны математические модели и проверена их адекватность по критерию Фишера:

- степень очистки воды по цветности (%)

У] = 84.52 + 3.13х2 + 2.88х2х3 + 1.95хД Брасч. = 1.23, Бтабл. = 4.70

- степень очистки воды по мутности (%)

У2 = 91.78 + 3.00 х2х3, Брасч. = 1.12, Бтабл. = 4.68

- степень очистки воды по окисляемости (%)

У3 = 53.17 - 3.38 x] + 2.50х2+ 4.00х1х3 + 4.39х12, Брасч. = 1.55, Бтабл. = 4.74

На рис. 2 представлены поверхности отклика, отражающие влияние режимных параметров наработки активных углей на процесс очистки воды в зимний период.

а б

в

Рис. 2. Влияние условий получения активированных углей на доочистку питьевой воды в зимний период по показателю (в %): а) цветности, б) мутности, в) окисляемости.

Из рисунка 2 и значений коэффициентов уравнений регрессии следует, что при получении углей, используемых в зимний период в водоподготовке, на все три показателя, характеризующие качество воды, наиболее сильное влияние оказывает изменение температуры пиролиза. Оно, в свою очередь, для мутности и цветности зависит от изменения дозы щелочи.

Для окисляемости, кроме указанного выше, характерно также взаимное влияние дозы щелочи и продолжительности пиролиза.

9

Анализ уравнений регрессии и поверхностей отклика (рис. 2) позволяет сделать вывод, что в процессе водоподготовки в зимний период лучше использовать угли, полученные при температуре 700 - 730°С, дозе щелочи 0.7 у.е. и продолжительности 50 мин.

Опираясь на литературные данные, где доказано, что углевание воды используется в 01раниченном числе случаев, вторым этапом эксперимента было испытание наработанных активированных углей в паводковый период.

В этот период значительно большее количество образцов позволяло достичь высокого эффекта очистки воды по всем трем показателям. Снижение цветности воды в некоторых случаях достигало 99%, мутности -99.8%, окисляемости -75%, что превышает параметры очистки без активных углей в 2 раза. Кроме этого, многие образцы наработанных углей справляются с водоочисткой значительно лучше промышленных (ОУ-А).

Уравнения регрессии, полученные по результатам этого эксперимента, имеют следующий вид:

- степень очистки воды по цветности (%)

У1 = 93.90 + 0.93X2 - 1 .ООхз + 1.37х32, Брасч. = 3.24, Ргабл. = 4.70

- степень очистки воды по мутности (%)

У2 = 98.50 - 0.23хз + 0.17Х1Х2 + 0.15Х]Х3 + 0.17х2х3 + 0.24х22 + 0.45х32, Брасч. = 4.28, Ргабл. = 4.80

- степень очистки воды по окисляемости (%)

У3 = 66.43 +1.86x1 +2.42х2 +2.25Х1Х2 +1.50х32, Брасч. = 0.45, Ргабл.= 4.74

Анализируя влияние режимных параметров получения углей (уравнения регрессии) на степень очистки воды в паводок, можно отметить, что с повышением температуры термообработки в процессе активирования, она увеличивается по показателю цветности и окисляемости (рис. 3 а, в).

Для снижения мутности воды, очищаемой данными сорбентами, характерно взаимное влияние всех трех факторов пиролиза (рис. 3 б).

По результатам проведенного эксперимента можно сделать вывод, что в паводковый период лучше применять угли, полученные при температуре пиролиза 700-730°С, продолжительности 25 мин, дозе щелочи 1.0 у.е.

( Таким образом, наиболее эффективным оказалось применение углей, полученных из черного щелока, именно в паводковый период. В этом случае позволяет добиться положительных результатов использование даже тех образцов углей, которые в зимний и летний период давали небольшой процент очистки воды. Тем не менее, проводить углевание в летний и зимний периоды, используя сорбенты, наработанные в определенных условиях, тоже целесообразно. Это позволит улучшать очистку питьевой воды в периоды, когда применение обычных реагентов недостаточно.

Как уже отмечалось, процесс доочистки питьевой воды идет лучше при использовании образцов углей, наработанных в определенных условиях. Как оказалось, именно они обладают высокой осветляющей способностью по метиленовому голубому и сорбционной активностью по йоду. Поэтому сорбционные свойства активных углей могут служить критерием при выборе сорбентов, предназначенных для доочистки питьевой воды.

в

Рис. 3. Влияние условий получения активированных углей на доочистку питьевой воды

в паводок по показателю (в %): а) цветности, б) мутности, в) окисляемости.

3.2. Все выше перечисленные эксперименты проводились при внесении активных углей прямо в речную воду. Однако, для сравнения, представляет интерес введение дозы угля и в другие точки технологического процесса.

Эти экспериментальные исследования проводили во время паводка. На первом этапе угли вводили в воду, отобранную сразу после контактной камеры. Условия угле-вания не изменялись.

На основании полученных экспериментальных данных можно утверждать, что отдельные образцы активных углей показывают довольно высокие адсорбционные свойства, превышающие таковые при обработке воды образцами сравнения (ОУ-А). Снижение цветности воды, обработанной дополнительно указанными углями, достигает 95...97%, мутности - 97.9...99.5%, окисляемости - 71...75%, что существенно превышает результаты очистки без углевания, а в некоторых случаях и при углевании с ОУ-А.

На втором этапе эксперимента углями обрабатывали воду, отобранную после контактных осветлителей, но до фильтров. Оказалось, что проводить углевание воды в этом случае нецелесообразно. Это объясняется тем, что Архангельская речная вода, пройдя через несколько ступеней очистки, не требует дополнительных стадий подготовки. Хотя так же, как и в предыдущем случае, некоторые угли позволяют добиться неплохих результатов.

Основываясь на вышеизложенном, можно предложить на упомянутых участках

технологической схемы (после контактной камеры и до фильтров) введение микродоз определенного образца угля в случае сильной загрязненности исходной воды илп ухудшения, в силу каких-либо причин, показателей качества питьевой воды.

3.3. С целью определения возможностей синтезируемых адсорбентов удалять нормируемые специфические загрязнения сорбент (№12 - температура пиролиза 734°С, доза щелочи 0.95 у.е. продолжительность 40 мин.), который обеспечил высокую степень очистки питьевой воды по цветности, мутности и окисляемости в предыдущих исследованиях, был испытан более детально.

Уголь вводили перед внесением основных реагентов в речную воду, отобранную в паводковый период. Результаты исследования отражены в таблице 2

Таблица 2

Сравнительный анализ эффективности очистки питьевой воды_

Показатели Исходная вода Вода без угля Вода с углем ПДК

Цветность, град, цветности 150 32 1 20

Мутность, мг/дм3 4.11 0.74 0.08 1.50

Окисляемосгь, иг/дм* 21.36 6.00 2.26 5.00

ХПК, мг/дм3 40.0 24.7 19.7 15.0

БПК5. мг/дм3 1.60 1.13 0.32 3.00

Азот аммонийный, мг/дм3 0.24 0.12 <0.05 2.00

Нитриты, мг/дм3 0.004 <0.004 <0.004 3.30

Щелочность, мг/дм3 0.7 0.3 0.3 —

Жесткость, мг/дм3 0.95 1.50 1.35 7.00

Алюминий, мг/дм3 0.10 0.50 <0.01 0.50

Железо, мг/дм3 1.90 0.12 0.01 0.30

Цинк, мг/дм3 0.039 0.016 0.004 5.00

Медь, мг/дм3 0.0026 0.0024 <0.001 1.00

Результаты, приведенные в таблице 2, еще раз убедительно свидетельствуют, что применение порошкообразного активного угля, полученного из черного щелока в оптимальных условиях, позволяет значительно снизить показатели загрязненности воды не только по цветности, мутности и окисляемости, но и по таким вредным веществам, как железо, цинк. Кроме этого из воды практически полностью удаляется алюминий, азот аммонийный, а также наблюдается некоторое умягчение воды, то есть снижение жесткости.

Таким образом, можно сделать вывод, что внедрение в схему водоочистки г. Архангельска сорбентов, полученных из черного щелока в определенных условиях, перед внесением основных реагентов в период наибольшей загрязненности исходной воды, позволяет значительно улучшить качество питьевой воды по многим показателям.

В последующем, представляло интерес получение активированных углей методом термохимической активации из другого вида сырья и применение их в водоподготовке. К таким видам сырья следует отнести, в первую очередь, крупнотоннажные отходы, образующиеся при механической переработке древесины, а именно кору и опилки.

4. Наработка образцов активированных углей из коры и опилок и оценка их адсорбционных свойств

Уголь - сырец получали путем термической обработки коры, опилок при различных температурах - 300, 350, 400 и 450°С в течении 6 часов - предпиролиз. Его подвергали дальнейшей активации с N3015 в различном соотношении при температуре 600°С в течении часа - пиролиз.

Сорбционная активность угля, полученного из опилок по йоду варьируется от 105.6 до 184.6%, а по метиленовому голубому от 283.7 до 832.8 мг/г. Выход углей составил 16.2-20.1% от а.с.с, а из коры - выход угля от 21.5 до 29% от а.с.с., МГ от 106.7 до 840.4 мг/г, ]2 от 85.1 до 175.0%

Полученные результаты свидетельствуют о том, что из коры и из опилок методом термохимической активации можно получать активные угли, которые обладают высокими адсорбционными свойствами и находятся примерно на одном уровне. Выход углей, полученных из коры, выше выхода углей, наработанных из опилок. Основываясь на экспериментальных данных, а также на наблюдениях при проведении эксперимента, можно предположить, что оптимальными условиями для получения активных углей из коры и опилок в промышленных условиях будут - температура предпиролиза 400°С и доза каустика 1.0 у.е, так как:

а) уголь, полученный в этих условиях, обладает высокими сорбционными свойствами и высоким выходом,

б) при дозе щелочи 1.0 у.е уголь имеет рыхлую структуру, с ним легче работай.,

в) именно в этих условиях сорбционные свойства получаемых углей наиболее стабильны.

Фиксируя температуру предпиролиза и дозу щелочи на уровне указанном выше, на следующем этапе экспериментального исследования варьировались температура и продолжительность самого пиролиза, а также продолжительность предпиролиза.

Анализ результатов показал, что оптимальными условиями для наработки активных углей из коры можно считать: температура предпиролиза 400°С, продолжительность предпиролиза 150 минут, температура пиролиза 600°С, продолжительность пиролиза 60 минут, доза щелочи 1.0 у.е; для наработки активных углей из опилок отличие будет заключаться лишь в продолжительности предпиролиза - 60 минут.

Если сравнить активные угли из коры и опилок с углями, наработанными ранее из черного щелока, то можно отметить, что их сорбционные свойства находятся на одном уровне. Поэтому, как следует ожидать, основываясь на предыдущих исследованиях, пористая структура углей, полученных из коры и опилок, будет пригодна для использования их в процессе приготовления питьевой воды.

5. Применение углей из коры и опилок в процессе водоподготовки

Углевание воды в этих исследованиях, так же как и в предыдущих, проводили в период низких и высоких показателей загрязнения водоема.

Анализ экспериментальных данных показал, что более высокий процент очистки воды, по сравнению с обычной технологией и с промышленными углями ОУ-А, достигается при использовании только некоторых образцов активных углей, наработанных в определенных условиях. Несколько образцов и степень очистки ими питьевой воды представлены в таблицах 3 и 4.

При углевании воды в период низких показателей загрязнения водоема, наиболее высокая степень очистки (74%), по отношению к исходной воде и ОУ-А, по окисляемо-сти получена при использовании угля из коры К11. Условия его наработки: температу -

pa пргдпиролпза (Тпр) = 400 °С, продолжительность пргдпиролша (Ппр) = 150 глин, температура пиролиза (Тп) = 600 °С, продолжительность пиролиза (Пп) = 60 мин, доза щелочи (Дщ) = 1.0 у.е. а при утлевании воды сорбентами из опилок наилучший результат по окисляемости показал образец JI15 и 7-2. Условия их наработки:

Л15 - Тпр = 400 °С, Ппр = 60 мин, Тп = 600 °С, Пп = 60 мин, Дщ = 1.0 у.е., 7-2 - Тпр = 450°С, Ппр = 360 мин, Тп = 600 °С, Пп = 60 мин, Дщ = 1.5 у.е.

Таблица 3

Результаты испытаний активных углей в период низких показателей загрязнения водоема

№ образца Цветность, град цвет Степень очистки по цветности, % Окисляемость, мг/дм3 Степень очистки по окисл-сти, %

Исходная вода Вода обработанная без угля с углем Исходная вода Вода обработанная без угля с углем

без чтля с углем без угля с углем

Опплки

7-2 76 1 1 98 98 15.84 8.00 3.60 49 77

ОУ-А тцт 1 ти_ 98 5.00 68

Л Об 10 и 89 5.71 71

ОУ-А mUm тит 12 mUm 87 6.00 70

Кора

К 11 76 1 1 98 98 15.84 8.00 4.08 49 74

ОУ-А 1 98 5.00 68

В паводковый период (табл. 4) наилучшие результаты по доочистке питьевой воды были получены при использовании следующих образцов активных углей:

кора 3-6 - Тпр =400°С, Ппр =360 мин, Тп =600°С, Пп =60 мин, Дщ =0.6 у.е. опилки 4-1 - Тпр =300°С, Ппр =360 мин, Тп =600°С, Пп =60 мин, Дщ =2.0 у.е. 6-3 - Тпр =400°С, Ппр =360 мин, Тп =600°С, Пп =60 мин, Дщ =1.2 у.е.

Таблица 4

Результаты испытаний активных углей в период высоких показателей загрязнения водоема

№ Цветность, град цвет Степень очистки Окисляемость, мг/дм3 Степень очистки

об- по цветности, % по окисл-сти, %

разца Исход- Вода обрабо- без уг- с углем Исход- Вода обрабо- без уг- с уг-

ная танная ля ная танная ля лем

вода без угля с углем вода без угля с углем

Кора

3-6 140 16 14 88 90 23,20 8,23 5.94 58 74

ОУ-А mUm 14 90 7.08 .а. 69

К 11 148 14 7 90 95 20,90 10,50 5.94 49 71

ОУ-А Jim тНт И тит 91 8.91 jUm 57

Опилки

4-1 140 7 11 95 92 24.30 7.77 6.63 68 72

ОУ-А 7 тиш 95 шиш 7.77 68

6-3 148 14 11 90 92 20.90 10.5 7.77 49 63

ОУ-А 11 92 8.23 57

С целью проверки по развернутой схеме (как ранее образец, полученный из черного щелока), из всех серий наработанных углей, было отобрано по одному образцу. Уголь из коры, полученный при следующих условиях - продолжительность пиролиза 60 мин, температура пиролиза 600°С, доза щелочи 1.0 у.е, продолжительность предпи-ролиза 150 мин, температура предпиролиза 400°С, и уголь из опилок, полученный при продолжительности пиролиза 60 мин, температуре пиролиза 600°С, дозе щелочи 1.2 у.е, продолжительности предпиролиза 360 мин, температуре предпиролиза 400°С. Результаты этот эксперимента отражены в таблице 5.

Таблица 5

Анализ эффективности очистки питьевой воды

Показатели Исходная вода Вода без угля Вода с углем ПДК

опилки кора ОУ-А

Цветность, град, цвет-и 140 14 14 14 14 20

Мутность, мг/ дм'1 7.8 0 0 0 0 1.5

Окисляемость, мг/ дм3 19.5 6.4 6.4 6.4 6.4 5.0

ХПК, иг/дм* 42.20 11.44 7.07 7.96 8.22 15

БПК5. мг/ дм* 2.00 1.07 0.46 0.58 0.75 3.0

Аммиак, мг/ дм* 0.49 0.17 0.12 0.09 0.14 2.0

Щелочность, мг/ дат1 0.5 0.1 0.1 0.1 0.1 —

Жесткость, мг/ дм* 1.00 0.95 0.85 0.85 0.90 7.0

Алюминий, мг/ дм* 0.20 0.10 0.04 0.05 0.08 0.5

Железо, мг/ дог* 0.5 <0.1 <0.1 <0.1 <0.1 0.3

Цинк, мг/ дм* 0.016 <0.002 <0.002 <0.002 <0.002 5.0

Марганец, мг/ дм3 0.049 0.019 0.013 0.009 0.015 2.0

По результатам, представленным в таблице 5, заметен более значительный эффект очистки питьевой воды. Особенно по дополнительному снижению аммиака, ХПК, БПК5 и алюминия они значительно ниже параметров очистки воды без угля и с применением ОУ-А.

Небольшое снижение показателей загрязненности воды достигнуто также по марганцу, и жесткости. Причем степень очистки воды по марганцу и аммиаку более высокая при углевании воды сорбентом из коры, а вот снижение биологического и химического потребления кислорода наиболее заметно при использовании угля из опилок.

6. Применение углевания при сниженных дозах реагентов

Перед проведением этого эксперимента анализировались все выше описанные исследования и отбирались из каждой серии образцы углей, полученные из коры, черного щелока, опилок, обладающие высокими адсорбционными свойствами и позволяющие максимально улучшить качество питьевой воды.

Углевание проводилось во время паводка при тех же условиях, вначале без изменения доз, затем с их уменьшением. Опыт с дозами реагентов принятыми на станции водоподготовки, проводился для сравнения.

Как оказалось при уменьшении дозы реагентов на 15 % качество воды, обработанной углем, значительно выше качества воды, полученной по обычной схеме. Одна -

ко, полученная вода не соответствует ГОСТу на питьевую воду, так как все три показателя (цветность, мутность, окисляемость) выше полоненных норм. Значит, дальнейшее снижение доз нецелесообразно. Поэтому на следующем этапе эксперимента дозы были снижены только на 10%.

Если оценивать качество воды, обработанной углем, и воды без угля, при 10%-ном дефиците реагентов, то можно заключить, что при использовании всех видов углей степень ее очистки, по отношению к исходной, по всем параметрам выше процента очистки достигнутого по обычной технологии процесса.

При сопоставлении результатов очистки воды, полученных при снижении доз на 10% с результатами, полученными в опыте сравнения (без изменения доз) оказалось, что по мутности качество получаемой воды для первого случая достигает 100%, что даже выше качества, полученного во втором случае (до 93%). Цветность воды в случае сниженных доз (84-87%) не на много ниже цветности полученной в опыте сравнения (88-90%). По окисляемости при дефиците реагентов можно добиться практически такого же результата (61-63%), как и по обычной технологии (64%), но без углевания и при высоких дозах.

Из выше сказанного можно сделать вывод, что внедрение углевания в схему во-доподготовки позволяет снизить дозы коагулянта и флокулянта на 10%, так как показатели качества воды при этом остаются, примерно, на уровне таковых для воды, полученной по обычной схеме (без изменения доз и внесения угля).

Технологическая часть состоит из 2-х разделов

1. Существующая схема очистки питьевой воды

В настоящее время в г. Архангельске существуют две станции водоочистки №2 и №3, которые отличаются аппаратурным оформлением процесса.

2. Предлагаемая схема очистки питьевой воды

Порошкообразный активированный уголь требует предварительной подготовки, поэтому предлагается включить в технологические схемы очистки воды блок предварительной подготовки угля (рис.4).

Процесс углевания воды осуществляется в три этапа. На первом происходит замачивание пылевидного угля водой до тех пор, пока в спокойном со- стоянии угольные частички не перестанут всплывать на поверхность воды. Второй этап отвечает образованию угольной суспензии с содержанием угля 2.5 - 5.0%. Для приготовления и сохранения угольной суспензии во взвешенном состоянии ее перемешивают воздухом. На третьем этапе производят дозирование угольной суспензии, которое можно проводить с помощью щелевого зазора или калиброванных насадок.

Активированный уголь следует вводить до введения других реагентов, поэтому полученную суспензию подают, для смешивания со всей массой обрабатываемой воды, в один из четырех резервуаров, расположенных в реагентном хозяйстве, предназначенных для хранения коагулянта. Здесь, при помощи воздуха, угольная суспензия перемешивается с исходной водой в течение 15 мин.

Затем, вода после углевания подается в трубопровод перед вихревым смесителем (2-я станция) или перед контактной камерой (3 станция).

Дальнейшая обработка воды производится по существующим технологиям, с разницей лишь в количествах реагентов (в предлагаемой технологии дозы реагентов могут быть снижены на 10%). Основная масса введенного угля осаждается вместе с коагулян-

том в отстойниках.

Рис. 4 Схема очистки питьевой воды с применением углевания 1 - вихревой смеситель 2-ой станции, 2 - контактная камера 3-ей станции, 3 - воздухозаборник, 4 - компрессор, 5 - бак для приготовления суспензии, 6 - эрлифт, 7 - дозатор, 8 - реагентное хозяйство 3-ей станции, 9 - реагентное хозяйство 2-ой станции

Исходя из практических наблюдений за работой станций водоочистки в настоящее время (без углевания воды), можно отметить, что качество питьевой воды значительно зависит от содержания взвешенных веществ в исходной воде. В периоды увеличения мутности питьевая вода, полученная на второй станции, имеет лучшее качество, чем вода на третьей станции, при одинаковых дозах реагентов. Это объясняется тем, что на станции № 2 за счет этого увеличивается количество центров коагуляции, а следовательно и количество агрегатов частиц. В результате загрязняющие вещества наиболее полно извлекаются из речной воды, образуется большее количество тяжелого осадка, который быстрее осаждается в отстойниках и на фильтры поступает более чистая вода.

На станции № 3 при высокой мутности исходной воды происходит процесс прямо противоположный. При поступлении большого количества загрязняющих веществ контактные осветлители начинают быстро засоряться, так как основной процесс коагуляции и флокуляции происходит именно в них. В результате питьевая вода на выходе

имеет худшие показатели по сравнению со станцией № 2.

Ситуация меняется при снижении количеств взвешенных веществ в речной воде (на второй станции процесс очистки воды идет гораздо хуже, чем на третьей).

Эти нюансы устраняются в настоящее время при помощи увеличений количеств реагентов, что не всегда положительно сказывается на степени очистки питьевой воды: качественные показатели (цветность, мутность и окисляемость) снижаются не значительно, увеличивается содержание алюминия в питьевой воде. Кроме того, повышение доз реагентов ведет к повышенному их расходу, а следовательно и к увеличению затрат.

Основываясь на экспериментальных исследованиях, описанных выше (гл.3.3, 3.5), можно предположить, что при введении углевания в процесс очистки питьевой воды, недостатки существующих технологий будут сглажены, снизиться расход реагентов в экстремальные периоды, а качество получаемой воды улучшится.

В периоды более чистой исходной воды, особенно по показателю мутности, суспензию угля можно вводить и на 2-ой, и на 3-ей станции. Однако, на третьей станции при этом может повыситься нагрузка на контактные осветлители, что приведет к уменьшению межпромывочных периодов. Тем не менее, качество питьевой воды, как следует ожидать, должно улучшиться, потому что адсорбционная способность применяемых порошкообразных активированных углей очень высока. На второй станции уголь сыграет роль не только адсорбента. Он позволит создать дополнительные центры коагуляции и тем самым значительно улучшит качество очистки питьевой воды.

В периоды увеличения взвешенных веществ в исходной воде суспензию угля следует подавать только на 2-ю станцию.

Экономические аспекты использования углеродных адсорбентов

Методы углевания, как указывалось ранее, предполагают обработку воды в неблагоприятные периоды времени года в расчете на 3 месяца потребуется угля: 270 т

Отпускная цена на рядовые порошкообразные активные угли, производимые в России составляют 50-70 тыс.руб/т. При строительстве установки, не находящейся под контролем Архангельского водоканала, затраты на водоподготовку возрастут на: (70000 • 270)/(150000 • 365) = 0.34 руб/м3

Конечно даже незначительное увеличение затрат на подготовку воды повлечет за собой и повышение тарифов на питьевую воду, которые будут в основном складываться из затрат на приобретение активных углей. Поэтому предприятию было бы выгодно строительство собственной установки для производства сорбентов. Следует отметить, что затраты при этом на водоподготовку не возрастут, качество питьевой воды в неблагоприятные периоды улучшиться, за счет реализации части выпускаемых адсорбентов на сторону у предприятия появится дополнительный источник доходов. Кроме того, контроль за процессом наработки активных углей позволит получать сорбенты пригодные для водоподготовки именно в данный момент (сезон) времени.

Основные выводы:

1. Введение стадии углевания в технологический процесс производства питьевой воды на МУП «Водоканал» г. Архангельска значительно улучшает ее качественные показатели (цветность, мутность и окисляемость), а также приводит к резкому снижению

содержания специфических загрязнений: алюминия, железа, аммиака, некоторых других.

2. Для углевания воды угли, синтезируемые методом термохимической активации черного щелока, опилок и коры, использовать целесообразно, так как их адсорбционные свойства превышают таковые для угольных адсорбентов, выпускаемых промышленностью.

3. Наиболее предпочтительно проводить углевание воды до стадии введения основных реагентов при дозировке угля 20 мг/даг и продолжительности контакта угля с водой 15 минут

4. При испытании адсорбентов, полученных из черного щелока, установлена корреляция между их адсорбционными свойствами с традиционными показателями адсорбционной активности по йоду и метиленовому голубому. В отношении углей полученных из коры и опилок такой зависимости не наблюдалось.

5. Производство активных углей целесообразно организовать непосредственно под юрисдикцией МУП «Водоканал» в объеме 500-1000 т/год. Это позволит за счет реализации 200-700 т/год сорбентов окупить все затраты на углевание с повышением качества воды без увеличения тарифа.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1. Кузнецова Л.Н., Попова Л.В.(Артемова JI.B.), Богданович Н.И. Углеродные адсорбенты термохимической активации вторичных ресурсов ЦБП для очистки жидких сред от органических загрязнений (тезисы) // Углеродные адсорбенты. Материалы второго международного семинара. Кемерово, ИЦУ СО РАН, 2000. - С. 36-39.

2. Богданович Н.И., Кузнецова JI.H., Попова Л.В.(Артемова JI.B.). Очистка воды от органических загрязнений адсорбентами термохимической активации технических лигнинов (тезисы) // Химия и технология растительных веществ. Тезисы докл. Всерос. конф. Сыктывкар, ИХ УрО РАН, 2000. - С. 53.

3. Кузнецова Л.Н., Попова Л.В.(Артемова Л.В.), Богданович Н.И. Формирование адсорбционных свойств при пиролизе черных щелоков в присутствии NaOH // Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов. Сб. научн. трудов, вып.VII, Архангельск, АГТУ, 2001. - С. 157-161.

4. Артемова Л.В., Кузнецова Л.Н., Богданович Н.И. Использование активных углей из черного щелока в процессах приготовления питьевой воды // Материалы международного экологического форума стран Баренц - региона, Архангельск, 2001. - С. 165-166.

5. Артемова Л.В., Богданович Н.И. Исследование активных углей термохимической активации черного щелока в технологии приготовления питьевой воды // Вузовская наука - региону. Первая общерос. научн. технич. конфер., 27-28 февраля, Вологда, 2003. - С.285-288.

6. Богданович Н.И., Кузнецова Л.Н., Артемова Л.В. Применение активных углей из черного щелока в технологии водоподготовки // Актуальные проблемы адсорбции, модифицирования поверхности и разделения веществ. Материалы

у1

200^4 10140

УП Всерсс. снмп. - М.: ИФХ РАН, 2002. - С. 110-1ГЛ

7. Богданович Н.И.. Артемова Л.В., Кузнецова Л.Н. Активные угли из черного щелока, пригодные для углевания воды на станциях водоподготовки // Актуальные проблемы теории адсорбционных процессов в пористых структурах, материалы VII Всерос. симп. с участием иностр. ученых, 21-25 апреля, 2002. -С. 60.

8. Артемова Л.В., Богданович Н.И. Исследование активных углей термохимической активации черного щелока в технологии приготовления питьевой воды // Охрана окружающей среды и рацион, использ. прир. ресур. Сборник научн. трудов VIII вып., Архангельск, 2002. - С. 3-10.

9. Артемова Л.В., Богданович Н.И. Определение условий углевания воды на станции водоподготовки г. Архангельска // Охрана окруж. среды и рацон. ис-пол. природ, ресурсов. - Сб. научн. трудов выпЛХ, Архангельск, 2004. - С. 3-8.

Отзывы на автореферат в 2-х экземплярах с заверенными гербовой печатью подписями просим направлять по адресу: 163002 г. Архангельск, набер. Северной Двины, 17, АГГУ, диссертационный совет Д.212.008.02.

Сдано в произв. 11.04.2005. Подписано в печать 12.04.2005. Формат 60:<84/16. Бумага писчая. Гарнитура Тайме. Усл. печ. л. 1,0. Уч.-изд. л. 1,0. Заказ № 77. Тираж 100 экз.

Отпечатано в типографии Архангельского государственного технического университета.

163002, г. Архангельск, наб. Северной Двины, 17

Страница

ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1. Синтез активных углей из древесины и отходов ее переработки.

1.1.1. Парогазовые способы активирования.

1.1.2. Химическое активирование.

1.1.3. Химическое активирование с использованием гидроксидов щелочных металлов.

1.2. Использование активированных углей в процессах приготовления питьевой воды.

1.2.1. Общие принципы формирования технологии адсорбционной очистки воды.

1.2.2. Адсорбционная очистка с использованием порошкообразных активированных углей

1.2.3. Адсорбционная очистка с использованием гранулированных активных углей.

1.2.4. Реактивация отработанных углеродных адсорбентов.

1.3. Основные закономерности адсорбции растворенных загрязнений из водных растворов углеродными адсорбентами.

1.4. Теоретические основы адсорбции.

1.5. Выводы по аналитическому обзору.

1.6. Цель и задачи исследований.

2. МЕТОДИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ.

2.1. Характеристика сырья.

2.2. Подготовка образцов.

2.3. Получение активных углей.

2.4. Методика выщелачивания угольных остатков пиролиза.

2.5. Методика балансовых исследований.

2.6. Методы анализа активных углей.

2.7. Оценка достоверности полученных экспериментальных данных.

2.8. Методика испытания углей в водоподготовке.

2.9. Методы определения качества питьевой воды.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.

3.1. Подбор условий углевания.

3.1.1. Характеристика угля, используемого для подбора условий углевания.

3.1.2. Определение времени контакта угля с водой.

3.1.3. Определение оптимальной дозировки угля.

3.1.4. Выводы по разделу 3.1.

3.2. Получение образцов активных углей из черного щелока и оценка их сорбционных свойств.

3.3. Испытание сорбентов из черного щелока в процессе очистки природной воды на различных стадиях технологии водоподготовки.

3.3.1. Углевание воды до введения коагулянта и флокулянта.

3.3.1.1. Общие условия.

3.3.1.2. Испытание сорбентов в летний период.

3.3.1.3. Испытание сорбентов в зимний период.

3.3.1.4. испытание сорбентов в паводковый период.

3.3.1.5. Выводы по разделу 3.3.1.

3.3.2. Углевание воды после введения коагулянта и флокулянта.

3.3.2.1. Введение сорбентов сразу после ввода реагентов.

3.3.2.2. Введение сорбентов сразу после стадии осветления.

3.3.2.3. Выводы по разделу 3.3.2.

3.3.3. Результаты развернутых испытаний сорбента.

3.3.6. Выводы по разделу 3.3.

3.4. Наработка активированных углей из коры и опилок и оценка их сорбционных свойств.

3.5. Испытание углей из коры и опилок в процессе водоподготовки.

3.5.1. Общие условия.

3.5.2. Испытание сорбентов в период низких показателей загрязнения водоема.

3.5.3. Испытание сорбентов во время паводка.

3.5.4. Результаты развернутых испытаний сорбентов из коры и опилок.

3.5.5. Выводы по разделу 3.5.

3.6. Применение углевания при сниженных дозах реагентов.

Вода необходима для всех живых организмов, но можно сказать без преувеличения, что нет и отрасли промышленности, которая не испытывала бы потребности в ней. Снабжение населения кондиционной водой в достаточном количестве имеет важное социальное и санитарно-гигиеническое значение, предохраняет людей от эпидемических заболеваний, распространяемых через воду. В связи с этим, наиболее важной проблемой является гарантия необходимого для потребителей количества и качества воды [1].

В качестве источников водоснабжения часто используются воды поверхностных водоемов. В настоящее время на процессы формирования качества природных вод влияет большое число факторов, к основным из них относятся «организованные» сбросы промышленности, энергетики, сельского и коммунального хозяйства, транспорта. Источником загрязнений могут быть также мелиоративные работы, водный транспорт, лесосплав, разработка и транспортировка полезных ископаемых и другое. В результате в водные источники попадает огромное количество загрязняющих веществ (тяжелых металлов, азота, фосфора, нефти, различных органических веществ), являющихся продуктами антропогенной деятельности человека. Кроме того, возрастает и бактериальное загрязнение водоемов, в том числе и патогенными микроорганизмами [2].

Одновременно с тенденцией ухудшения качества природной воды ужесточаются требования к качеству питьевой воды, в том числе и по указанным примесям [3]. Таким образом, проблема подготовки питьевой воды в условиях повышенных антропогенных нагрузок на водоисточники является весьма актуальной.

Известно, что в США, Японии и западноевропейских странах современные технологии очистки питьевой воды основываются на широком использовании сорбционных процессов с применением активированных углей или их аналогов - природных сорбентов [4]. В России сорбционные методы при приготовлении питьевой воды применяются значительно реже. Так, если в США активный уголь применяют более 1500 станций очистки воды, расположенных более чем в 1000 городах, то в нашей стране угли используют на водоочистных станциях только в некоторых городах (Тюмень, Уфа, Ижевск, Глазов, Н. Новгород, Москва) [5].

Для решения проблемы централизованной сорбционной очистки питьевой воды в масштабе всей страны нужны колоссальные затраты на создание новых мощностей по производству активных углей и реконструкцию водоочистительных станций. В ближайшей перспективе это неосуществимо, так как связано не только с промышленным спадом и экономическими трудностями, но и со сложностями получения активных углей, пригодных именно для водоподготов-ки. Подобные активные угли должны отличаться своеобразной пористой структурой и развитой внутренней поверхностью, кроме того, при включении их в процессы водоподготовки, необходимо строго учитывать процессы формирования качества природных вод. Помимо выше перечисленного существует проблема, связанная с сырьевыми источниками для получения активных углей. Поэтому актуальны исследования, направленные на синтез сорбентов, пригодных именно для водоподготовки, с использованием многотонажных дешевых источников сырья. Такими источниками могут быть отходы переработки древесины - опилки, кора, черный щелок, лигнин и так далее.

Экспериментальными исследованиями, проводимыми в Архангельском Государственном техническом университете, было доказано, что методом пиролиза различного сырья в присутствии КаОН получаются высококачественные активные угли, основные свойства которых можно варьировать в широких пределах. Это открывает возможность направленного синтеза углеродных сорбентов, пригодных именно в технологических схемах производства питьевой воды.

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Введение стадии углевания в технологический процесс производства питьевой воды на МУП «Водоканал» г. Архангельска значительно улучшает ее качественные показатели (цветность, мутность и окисляемость), а также приводит к резкому снижению содержания специфических загрязнений: алюминия, железа, аммиака, некоторых других.

2. Для углевания воды угли, синтезируемые методом термохимической активации черного щелока, опилок и коры, использовать целесообразно, так как их адсорбционные свойства превышают таковые для угольных адсорбентов, выпускаемых промышленностью.

3. Наиболее предпочтительно проводить углевание воды до стадии введения основных реагентов при дозировке угля 20 мг/дм3 и продолжительности контакта угля с водой 15 минут

4. При испытании адсорбентов, полученных из черного щелока, установлена корреляция между их адсорбционными свойствами с традиционными показателями адсорбционной активности по йоду и метиленовому голубому. В отношении углей полученных из коры и опилок такой зависимости не наблюдалось.

5. Производство активных углей целесообразно организовать непосредственно под юрисдикцией МУП «Водоканал» в объеме 500-1000 т/год. Это позволит за счет реализации 200-700 т/год сорбентов окупить все затраты на углевание с повышением качества воды без увеличения тарифа.

1. Храменко С. В. Сорбционная очистка воды для питьевого водоснабжения Москвы // Водоснабжение и санитарная техника. 2000.-№ 5.-С.5-7.

2. Олонцев В.Ф. Некоторые тенденции в производстве и применении активных углей в мировом хозяйстве // Химическая промышленность. -2000.-№8.-С.7-14.

3. Глушанков C.JL, Олонцев В.Ф., Пепеляев Ю.Г. Перспективы использования сорбционных технологий в подготовке питьевой воды // Докл. VIII ме-ждунар. конф. «Теория и практика адсорбционных процессов». - Москва, 1996. -С. 53

4. Беляев Ю.Е. Получение и применение древесных активированных углей в экологических целях//Химия растительного сырья.- 2000.- №2.-С. 5-15.7. — Вахтель В.Н., Петров B.C. Активные угли из лесосечных отходов Сибири // Лесной журнал. 1985. - №5. - С. 87-92

5. Мосягин В.И. Экономические проблемы использования лигнина. -Л.: Изд. Лен. универ., 1981. - 195 с.

6. Цыганов Е.А., Рык В.А. и др. Термическая переработка древесины и ее компонентов // Тез. докл. конф. 1-3 июня. - Красноярск, 1988. - С. 65-66

7. Симкин Ю.Я., Петров B.C. Альтернативные технологии получения активных углей из формованного гидролизного лигнина // Лесной журнал. -1997. - №4. - С.63-67

8. Пиялкин В.Н., Грязнов С.Е., Никифоров А.Г. Активные угли из древесного сырья. 4.1. Свойства, применение, производство.: учеб. пособ. — СПб ГЛТА. - СПб, 2000. - 66 е., ил.14.-Смирнов А.Д. Сорбционная очистка воды.-JI.: Химия, 1982.-168 е., ил.

9. Кельцев Н.В. Основы адсорбционной техники. 2-е изд., перераб. и доп.- М.: Химия, 1984. - 592 е., ил.16. — Кинле X., Бадер Э. Активные угли и их промышленное применение. Пер. с нем.- Л.: Химия, 1984- 216 е., ил

10. Бутырин Г.М. Высокопористые углеродные материалы. - М.: Химия, 1976. -190 с.

11. Хитрин С.И., Нефедов О.А., Соколов И.Б. и др. К вопросу влияния активных добавок на структуру и реакционную способность коксов. // ХТТ. -1968.-№2.-С. 37-45

12. Радич М. Б. Поверхностное горение. - M.-JI.: Изд-во АНССР, 1949. -354с.

13. Hippo Е., Jenkins R., Walker Ph. Enhancement of liquite char reactivity to steam by cation addition // Fule, 1979. - 58, №5. - P. 338-344

14. Lineas - Solano A., Mahajan O., Walker Ph. Reactivity of carbonized coals relating to vapouz at high temperature // Fule, 1979. - 58, №5. - P. 327-33222. — Мухин B.M., Тарасов A.B., Клушин B.H. Активные угли России. -М.: Металлургия. 2000. - 352 с.

15. Youtin Gou,Yong Zou. Study on high adsorptive activated carbon from lignin // Chemistry and Industry of Forest Products.- 1990. - V.10, №4. - P.273-280.

16. Otowa Т. Получение и свойства активного угля с высокой удельной поверхностью // Кагаку то коге. Sei. And Ind. - 1990. - 64, №7. - P. 331-335

17. Tanibata R., Otowa Т., Shiroishi M., Tanaka N. Производство активного угля с высокой удельной поверхностью // Aromatics. — 1992. — 44, №7-8. — Р. 204-210

18. Пат. №5064805 США, МКИ5 COI В31/12. Production of high quality activated carbon / T. Otowa. - Опубл. 12.11.91. Приор. 01.10.88, №63-248754 Япония, НКИ 502/427.

19. Богданович Н.И., Черноусов Ю. И. Сорбенты для очистки сточных вод ЦБП на основе отходов переработки древесины // Обзор, инф. ВНИПИЭИ-леспром. - М., 1989. - 44 с.

20. Богданович Н. И., Добеле Г.В., Кузнецова JI.H. и др. Углеродные адсорбенты на основе окисленных лигносульфонатов // Тез. докл. III Национального симпозиума «Теоретические основы сорбционных процессов».-1997-С. 45.

21. Богданович Н. И., Цаплина С.А., Кузнецова JI.H. и др. Синтез углеродных супермикропористых адсорбентов на основе технических лигнинов II Сб. науч. тр. VIII Межд. конф. «Теория и практика адсорбционных процессов». - М.: ИФХ РАН, 1997. - С. 247 - 249.

22. G. Dobele, N. Bogdanovich, G. Telysheva, T. Osadshaja. Lignin activated carbons // In: «Biomass for energy and industry». - Ed. D. 0. Hall, G. Grassi; Ponte Press, Brassell-Luxembourg, 1994. - P. 1040 - 1043.

23. Browne F.L., Tang W.K. Thermogravimetric and differential analysis of wood treated with inorganic salts during pyroly-sis // U.S.Forest Serv.Res.Paper FPL. - 1963.-V6.-№.76-91.

24. Ouchi К., Yamashita Y. Effect of alkali on the devola-tilisation of carbonaceous materials. 2.Effect of species of car-bonaceuos materials and alkalies // 3th Int.Carbon Conf.- Baden-Baden, 1980. - P.361-364.

25. Yamashita Y., Ouohi K. Influence of alkali on the carbonisation process. 2.Carbonization of various coals and asphalt with NaOH. // Carbon. - 1982. - V.20, №1. - P.47-53.

26. Yamashita Y., Ouohi K. Influence of alkali on the carbonization process. 1. Carbonization of 3,5-dimetilphenolformaI-dehyde resin with NaOH // Carbon. - 1982.-V.20, №l.-P.41-45.

27. Боголицин К.Г., Богданов М.В., Айзенштадт A.M. и др. Разработка оптимальных технологий подготовки питьевой воды.// Экология Северной Двины -Архангельск, изд. дом «Элпа», 1999. - С. 142-152.

28. Роденко В.П. Природные сорбенты для водоподготовки.// Водоснабжение и санитарная техника. — 1994. - №2. — С. 27

29. Тарасевич Ю.И. Природные сорбенты в процессах очистки воды. -К.: Общество «Знание» УССР, 1981. -23 с.

30. Дистомов У.Г., Михайлов A.C. и др. Природные сорбенты СССР. -М.: Недра, 1990. - 208 с.71. — Тамамьян А.Н. Сорбенты и наполнители для фильтров доочистки питьевой воды. // Водоснабжение и санитарная техника. 1994. - №12. - С. 8-10

31. Кудрин С.А., Ковалев М.П., Новиков C.B. Применение углеродных волокнистых сорбентов для доочистки питьевой воды. // Труды 2-го междунар. семин. «Углеродные сорбенты». — Кемерово, 2000. — С. 127-129.

32. Vincent A. Applications of granular activated carbon in industrial water and waste water treatment // Proc. Eng. Soc. West Pa. - 32 — Int. Water Conf. -Pitesburgh, Pa. 1971 -P. 188-193.

33. Schlunder E.U., Sontheimer H. Die Wasserreinigung als Aufgabe des Chemieing - enieurwesens "Fridericiana", 1972. - №10. - P. 27-38

34. Mery - sur - Oise., Schulha F.P. L'évolution resente de l'usine de Mery -sur - Oise. " Techn. et sei. Munie", 1978. - 73, №2. - P. 53-63

35. Sontheimer Heinrich. Use of activated carbon in warte treatment practice and its regeneration. // Int. Water Supply Assoc. 10 - Conf. Brighton, 1974. - P. 1-11

36. Wisfeid W., Lots W., Wirth H. Verfahren zur Gewinnung von Trinkwasser. - швейц. пат. кл. С 02 bl/00, 529694, заявл. 24.06.70, опублик. 15.12.72

37. Weber W.J., Smith E.H. Activated carbon adsorption. // Chem. Prot. Eviron, 1985. Ргос. 5 л Int. Conf., Leuven . Amsterdam 1986. - P. 455-492

38. Pejey Teju, Kojceva G., Zur nutrung von aktivkohle zur Trinkwasseraufbereitung inder VR Bulgarien // Wasserwirt — wassertechn. - 1988. - 38, №2. - P. 33-34

39. Hude R.A. Application of granular activated carbon in the water industry // J. Ints. Water and Enviro Manag. - 1989. - 3, №2. - P. 174-181.

40. Baldauf G., Zimmer G. Removal of volatile chlorinated hydrocarbons by adsorption in water treatment // Vom Wasser. - 1986 - 66, № 1. - P. 21 - 27.

41. Montemarano J. Activated carbon systems // Water Technol.—1990.— 13, №4.-P. 26-29.

42. McCarty P.C., Argo D., Reinhard M. Operating experiences with activated carbon adsorbers at water factory // J.AWWA. - 1979. - 71, №11. - P. 683-69190. -Shiroda R. Natural charcoal // Inst. Water. Offic. I. 1993. -30, №2. - P. 25-28

43. A.-S. C. Chen, V. L. Snoeyink, J. Mallevialle, F. Fiescinger. Removing dissolved organic compounds with activated alumina // J. AWWA - 1989 - 81, № 11. Р. 55 60.

44. Малахова J1.A. Применение сорбентов для очистки питьевой воды // Гигиена населенных мест. - 1990. - №29. - С. 31-35.

45. Збруев Н.И., Галкин Д.В. Очистка питьевой воды от бора на природных сорбентах. М., 1988.-7 е.-Деп. в ЦНИИТЭИ.МПС 20.05.88 №4531 ->вд.

46. Olthoff R. Erfahrungen wit speziell gebrochenem bazalt als Filtermaterial //BBR: Brunnenban. Van. Wasserwerken,Rohrleitungban.-1989.-40,№ 8.P.463 - 471.

47. Baudn M., Le Cloirec Р., Martin G. Caracterestiques et Performances des fibres de charbonactif applications an traitement d'eau // Techn. sei. metn. - 1990. -№. 12.-P. 621 -625.

48. Лавров B.B, Гомолицкий Н.П. и др. Глубокая адсорбционная очистка воды от растворенных органических веществ // Сорбенты и сорбционные процессы.-Л., 1989.-С. 169-177.

49. Garsia Herrero F.,Noques Garsia L., Mirada Coronet F. I. Elimination de man-ganeso de las aquos por adsorpcion//Afinidad.-1987.-44,№409.- P. 209 - 212.

50. Pat. 0228497 ЕПВ, МКИ С 02 F 9/00. A process for water purification and a filter for carrying out the process / W. Manojlovic. - Опубл. 15.07.87.

51. Алексеев Л.П., Драгинский В.Л., Михеева СЛ. и др. Выбор эффективной марки активных углей // Водоснабжение и санитарная техника. — 1995. -№5.-С. 8-10.

52. Зорина Е.И. Активные угли для водоподготовки // Водоснабжение и санитарная техника. - 1998.- № 8.-С.22-23103. — Кульский Л.А. Обработка воды на водопроводах пылевидным активированным углем. К.: Наукова думка, 1965. - 140с.

53. Кульский Л.А. Теоретическое обоснование и технологические решения проблемы чистой воды. К.: Наукова думка, 1970. - 96 с.

54. Драгинский B.JI., Новиков В.К., Паскуцкая JI.H. Применение гранулированного активированного угля в технологии очистки питьевой воды // Углеродные адсорбенты и их применение в промышленности. — М.: Наука, 1983.-С. 277-287.

55. Рыбакова Л.П., Вейцер Ю.П., Стерина P.M. Применение окислителей и активных углей в технологии очистки воды: Обзор. — М.: ЦБНТИ МЖКХ, 1976. - С. 73-75

56. Glaze W. Н. Drinking-water treatment with ozone // Environ. Sei. Technol. - 1987. - 21, №3.-P. 224.

57. Glaze W., Kang I. W. Chapih D. N. The chemistry of water treatment processes involving ozone, hydrogen peroxide and ultraviolet radiation // Ozone Sei. Engrg. - 1987. - 9, № 4 - P. 335 - 342.

58. Servais P., Billen G. A pilot study of biological GAC filtration in drinking - water treatment // Aqua. - 1992. - 41, №3. - P. 163-168

59. Merlet N., Prévost M., Coallier Y. Enlevement de la matiere organique clans les fittres CAB // Rev. Sei. Eau. - 1992. -№5. - P. 143-163

60. Швецов В.И., Морозова K.M. Биосорберы - перспективные сооружения.// Водоснабжение и санитарная техника. — 1994. - №1. - С. 8-12

61. Найденко В.В., Колесов Ю.Ф., Кубарев A.B. Опыт эксплуатации аппаратов биосорбционной очистки. // Водоснабжение и санитарная техника. — 1993.-№11-12.-С. 14-15.

62. Лукин В.Д., Анцынович И.С. Регенерация адсорбентов. - Л.: Химия, 1983.-214 с.

63. Лазарева Л.П., Лисицкая И.Г. Электросорбция, как метод извлечения, концентрирования компонентов раствора и регенерации адсорбентов // VIII междунар. конф. « Теория и практика адсорбционных процессов» . - Москва, 1997. — С. 94-98

64. Лазарева Л.П. и др. Исследование закономерностей электрохимической регенерации углеродных сорбентов после адсорбции красителей // Химия и технология воды. — 1991. - Т. 13. - №11. — С. 980-983.

65. Когановский A.M. Адсорбция и ионный обмен в процессах водо-подготовки и очистки сточных вод. - К.: Наукова думка. 1983. - 240 с.

66. Дубинин М.М., Поляков Н.С., Катаева Л.И. К теории адсорбции в микропорах углеродных адсорбентов // Современные проблемы теории адсорбции. - М.: Наука, 1995. - С.5-9.

67. ГОСТ 12596-67. Активные угли. Методы определения зольности. Введен 01.01.69 до 01.01.97. - М. 1968. - 5 с.

68. ГОСТ 4453-74. Уголь активный осветляющий древесный порошкообразный. - Введен 01.01.76 до 01.01.91. - М., 1973. - 12 с.

69. Дрожалина Н.Д., Булгакова И.О. Определение удельной поверхности активных углей с развитой переходной пористостью по адсорбции фенола из водных растворов// ЖПХ. - 1974. - №2. - с. 298-301.

70. Пуляревич М.Я. Измерение изотермы адсорбции на адсорбци-онно-вакуумной установке с пружинными микровесами: Метод, указ.-Л.: ЛГИ, 1971.43 с.

71. Богданович Н.И. Расчеты в планировании эксперимента. Л.: ЛТА, 1978. - 80с.

72. ГОСТ 3351-73 . Методы определения вкуса, запаха, цветности и мутности. Введен 01.07.75 до 01.07.95 Вода питьевая. Методы анализа./ под. Ред. Шалаева В.Н. - Изд-во стандартов, Москва, 1984. - С. 166-172

73. ГОСТ 4151-72 Методы определения общей жесткости. Введен 01.01.73 до 01.01.92. Вода питьевая. Методы анализа./ под. Ред. Шалаева В.Н. — Изд-во стандартов, Москва, 1984. — С.21-24.

74. ГОСТ 4011-72. Метод определения содержания железа Введен 01.06.87 до 01.01.92. Вода питьевая. Методы анализа./ под. Ред. Шалаева В.Н. -Изд-во стандартов, Москва, 1984. - С.60-68.

75. ГОСТ 18165-81. Метод определения массовой концентрации алюминия. Введен с 01.07.82 до 01.07.90 Вода питьевая. Методы анализа./ под. ред

76. Шалаева В.Н. Изд-во стандартов, Москва, 1984. - С. 25-29

77. РД 52.24.493-95. Титриметрическое определение гидрокарбонатов в поверхностных водах суши. Разработчик: ГХИ и МНПП «АКВАТЕСТ», Ростов на Дону 1995,- 12 с.

78. ПНД Ф 14.1:2. 100 - 97. Методика выполнения измерений химического потребления кислорода в пробах природных и очищенных сточных вод титриметрическим методом.- Разработчик: ГХИ и МНПП «АКВАТЕСТ», Москва 1997, - 8 с.