автореферат диссертации по строительству, 05.23.04, диссертация на тему:Совершенствование технологии очистки высокоминерализованных вод поверхностных источников

На правах рукописи

ГОНЧАР ЮРИЙ НИКОЛАЕВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ОЧИСТКИ ВЫСОКОМИНЕРАЛИЗОВАННЫХ ВОД ПОВЕРХНОСТНЫХ ИСТОЧНИКОВ

05.23.04 - Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 3 СКТ 2014 '

Волгоград - 2014

005553822

005553822

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Волгоградский государственный архитектурно - строительный университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

доктор доцент

технических наук,

Ведущая организация

Москвичева Елена Викторовна

Желтобрюхов Владимир Федорович ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный технический университет», заведующий кафедрой «Промышленная экология и безопасность жизнедеятельности»

Ким Аркадий Николаевич ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-

строительный университет», профессор кафедры «Водопользование и экология»

ГАОУ АО ВПО «Астраханский инженерно-строительный институт»

Защита состоится 13 ноября 2014 г. в 13-00 часов на заседании диссертационного совета ДМ212.026.05 при ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 400074, г. Волгоград, ул. Академическая, 1 (корп. Б, ауд. 203).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета.

Автореферат разослан 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Юрьев Юрий Юрьевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Анализ ситуации, по обеспечению населения водой надлежащего качества, сложившейся в России, показал, что занимая лидирующее место в мире по водному потенциалу, более 50% его непригодно для питья.

На сегодняшний день, более 70% рек и озер утратили свою главную функцию как источников питьевого водоснабжения.

Особенно страдают степно - пустынные районы, которые в наибольшей степени чувствительны к природным факторам: резкие паводки, сменяющиеся засухой.

Более j площади Российской Федерации характеризуются наличием высокоминерализованных вод поверхностных источников (минерализация их составляет не менее 10 г/л). Например, анализ гидрологических районов Волгоградской области показал, что в пяти районах вода неудовлетворительного качества.

Эти территории отличаются слабым развитием речной сети, наличием вод карбонатного, хлоридного типа с минерализацией более 10 г/л и высоким содержанием органических веществ (окисляемость, цветность достигает 50 -80 ПДК, мутность более 70 мг/л).

В настоящее время отсутствуют эффективные, экономичные, не сложные в эксплуатации технологии отечественного производства для очистки высоко минерализованных природных вод. Важной проблемой является поиск технологических решений, учитывающих территориальные особенности и позволяющих создавать надежные схемы очистки высокоминерализованных вод поверхностных источников при минимальных капитальных и эксплуатационных затратах.

Представленная работа посвящена решению обозначенной проблемы, что доказывает ее актуальность.

Работа проводилась в соответствии с комплексной Федеральной целевой программой «Экология и природные ресурсы России» (2002 - 2010 г.г.), Федеральной Водной стратегией до 2020 года и тематическим планом научно — исследовательских работ ФГБОУ ВПО Волгоградский государственный архитектурно - строительный университет.

Целью работы является совершенствование технологии очистки высокоминерализованных вод поверхностных источников степно -пустынных районов.

В соответствии с поставленной целью были сформулированы следующие основные задачи:

- провести теоретически обоснованную оценку эффективности традиционных технологий опреснения высокоминерализованных вод поверхностных источников;

- исследовать состав и свойства природного сырья — шоколадной глины Эльтонского месторождения и высокоминерализованных природных^ вод (на примере Прикаспийского бессточного района);

- изучить технологические сорбционные характеристики шоколадной

глины;

- выявить условия активации молекулярных структур шоколадной

глины;

- определить параметры проведения процесса опреснения воды с применением сорбента из активированной шоколадной глины (СГ);

разработать технологическую схему опреснения высокоминерализованных вод поверхностных источников сорбционным методом;

- разработать технологию утилизации отработанного сорбента СГ.

Основная идея работы заключается в совершенствовании

технологии опреснения высокоминерализованных вод поверхностных источников сорбционным методом, с применением в качестве сорбента природным материалом, сходных по химическому составу с обрабатываемой водой.

Методы исследований включали: аналитическое обобщение известных научных и технических результатов, лабораторные и полупромышленные исследования по стандартным методикам.

Достоверность научных результатов, выводов и рекомендаций для практического использования подтверждается экспериментальными исследованиями по утвержденным научно-обоснованным методикам с применением метрологически аттестованных приборов и оборудования, обеспечивающих требуемую точность и надежность результатов измерений, большим объемом экспериментальных данных и их высокой сходимостью с расчетными значениями.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность применения сорбционного метода для опреснения высокоминерализованных вод поверхностных источников степно — пустынных районов;

- выявлены и изучены условия получения высокоэффективного сорбента СГ из природного сырья - шоколадной глины;

- определены факторы, влияющие на проведение процесса опреснения высокоминерализованных вод поверхностных источников сорбентом СГ;

- исследованы и сформулированы параметры технологии опреснения высокоминерализованных вод поверхностных источников;

- исследованы и предложены технологические параметры для утилизации отработанного сорбента СГ.

Практическая значимость работы:

разработан способ получения сорбента путем активации шоколадной глины Эльтонского месторождения;

предложена технологическая схема очистки высокоминерализованных вод, позволяющая получать хозяйственно -питьевую воду высокого качества;

- предложена технология переработки отработанного сорбента СГ, позволяющая получать экологически безопасное, ценное органоминеральное удобрение, обеспечивающая ресурсосбережение и предотвращение негативного воздействия на окружающую природную среду.

Реализация работы. Разработанные в диссертационной работе рекомендации использованы при разработке проектов реконструкции водопроводных очистных сооружений в населенных пунктах Волгоградской области (Положительное решение государственной экспертизы №135/11 п. Звездный Волгоградская область). Основные положения работы внедрены в учебный процесс студентов ФГБОУ ВПО ВолгГАСУ специальности «Водоснабжение и водоотведение».

Личный вклад автора в полученные научные результаты, опубликованные им лично и в соавторстве, и включенные в диссертацию, состоял в непосредственном проведении исследований, обработке, систематизации, анализе результатов и подготовке выводов.

На защиту выносятся:

- результаты комплексного исследования химического состава воды водоисточников степно-пустынных районов Волгоградской области, прилегающих к о. Эльтон;

- результаты исследования сорбционных свойств сорбента СГ, полученного путем активации шоколадной глины эльтонского месторождения;

- технологическая схема и обоснование оптимальных параметров процесса опреснения высокоминерализованных вод поверхностных источников сорбционным методом;

- предложена технология утилизации отработанного сорбента СГ.

Апробация результатов исследований.

Основные положения, изложенные в диссертационной работе докладывались и обсуждались на всероссийских и международных научно-практических конференциях «Водные ресурсы Волги: история, настоящее и будущее, проблемы управления» (г.Астрахань, 2012г.), «Качество внутреннего воздуха и окружающей среды», (г.Хайфа, 2014г.), форумах «Городское хозяйство - пути развития» (г. Москва 2009г.), «Water Show» 2005г., 2010г.- ежегодный форум производителей битилированной воды и др.

Публикации. По результатам работы опубликовано 11 печатных работ, в том числе - 3 в научных журналах и изданиях, включенных в перечень российских рецензируемых научных журналов и изданий для опубликования основных научных результатов диссертаций.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературы, включающего 127 наименований. Работа изложена на 173 страницах машинописного текста, содержит 24 рисунка, 23 таблицы, приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы исследования, сформулированы цель и задачи, раскрыты научная новизна и практическая значимость работы, представлены основные положения, которые выносятся на защиту, определены основные направления исследований.

В первой главе проводится анализ современного состояния проблемы получения питьевой воды из высокоминерализованной воды поверхностных источников Выявлены основные причины отсутствия качественной воды в степно - пустынной зоне (на примере Волгоградской области, Ленинский и Палласовский район). Рассмотрены современные методы очистки природных минерализованных вод, и в частности, использование сорбционных материалов, на основе природного сырья.

Значительный вклад в развитие современных методов и сооружений очистки природных вод от различных компонентов, прежде всего, растворенных солей и органических веществ, внесли многие отечественные ученые, имеющие огромный теоретический и производственный опыт работы в области водоснабжения и водоотведения - Журба М.Г., Найденко В.В., Минц Д.М., Неймарк И.Е., О.Г.Примин и др.

Согласно литературным данным установлено, что предлагаемые методы опреснения воды недостаточно эффективно снижают концентрацию растворенных солей при обработке высокоминерализованной воды поверхностных источников. Кроме того, с учетом экономических и эксплуатационных показателей, внедрение предлагаемых технологий нецелесообразно, особенно для сельских поселений.

Как показал анализ литературных данных, наиболее перспективным на сегодняшний день методом опреснения высокоминерализованных вод, является сорбционный, при использовании сорбентов из природного сырья.

В ходе изучения механизмов сорбции, а также в процессе исследования физико - химических свойств природного сырья конкретных территорий, нуждающихся в опресненной воде, сделан вывод о целесообразности проведения научного исследования, цель которого разработка метода совершенствования технологии очистки высокоминерализованных вод поверхностных источников.

Во второй главе приводятся описание методов исследования, средств измерений, методики обработки экспериментальных данных.

Все использованные для анализов реактивы имели марки «ХЧ» или

«ЧДА».

Содержание веществ в анализируемых водах и модельных растворах определяли гравиметрическим, спектрофотометрическим методами анализа, титриметрическим методами анализа. Концентрации Са2+, и др.

ионов определяли измеряя активность указанных ионов с использованием метода потенциометрии на иономере лабораторном И-160. Измерение потенциала проводили относительно хлорсеребряного электрода сравнения. Определение нитритных и нитратных форм азота осуществляли на фотоэлектроколориметре фотометре фотоэлектрическом КФК 3-0,1. Для

определения температуры и рН исследуемых сред использовали рН-метр рН-410.

Изучение процесса опреснения проводилось на реальных высокоминерализованных водах р. Хара, впадающей в о. Эльтон, и модельных растворах.

В качестве сырья для получения сорбента использовано природное сырье — шоколадные глины Эльтонского месторождения.

Для определения состава и свойств шоколадной глины применялись различные физико-химические методы анализа: атомно-абсорбционный, спектрофотометрический, рентгенофлуоресцентный, газовая пикнометрия, ИК-спектрометрия, экстракция, газовая хроматография и др., использовалось современное лабораторное оборудование (ОВ8-932, МшРа1, АссиРус-1330 и др.). Органическую часть глины и компонентов воды для исследований отделяли путём её экстракции гексаном с последующей отгонкой его.

Полученные экспериментальные данные обработаны известными методами статистики и планирования эксперимента с помощью лицензионного программного обеспечения на ЭВМ.

Целью третьей главы являлась разработка экономичной и эффективной технологии опреснения высокоминерализованных вод поверхностных источников, включающая проведение лабораторных исследований по: выбору метода очистки, поиску природного сырья для получения сорбента, разработке условий проведения процесса активации природного сырья, с целью получения высокоэффективного сорбционного материала, определению факторов повышения эффективности процесса очистки; проведению математической обработки результатов экспериментальных данных.

При выборе методов очистки и путей их усовершенствования определяющим является качественный состав очищаемой воды, формируемый под влиянием природных факторов.

В каждом отдельном случае разрабатываемая технологическая схема очистки воды должна учитывать свойства содержащихся в воде фоновых и антропогенных примесей.

Теоретическое обоснование технологии очистки воды в целом заключается в обосновании каждого из всей совокупности процессов и их взаимовлияния. Включаемые в общую технологическую схему ступени очистки, на которых реализуется определенный процесс, могут быть предназначены для полного или частичного удаления какого-то одного, либо нескольких извлекаемых ингредиентов. При этом обязательным требованием является обеспечение на каждом участке технологической схемы такого качества очищенной воды, которое бы соответствовало допустимому, перед последующей ступенью очистки.

Производственной площадкой в проводимом эксперименте, являлась Волгоградская область: территория, прилегающая к о. Эльтон, и в частности, воды р. Хара и природное сырье - шоколадные глины Эльтонского месторождения.

Высокоминерализованные воды поверхностных источников степно-пустынных районов Волгоградской области отличаются повышенной цветностью, низкой щелочностью, повышенной электрокинетической устойчивостью коллоидов с органическими лигандами (табл.2), что исключает возможность использования реагентных методов очистки.

Для снижения солесодержания в природных водах целесообразно комплексно использовать процессы безреагентного окисления и сорбции с применением природного сырья.

Опытным путем установлено, что максимальный эффект опреснения' при использовании природного сырья, имеющего качественный и структурный состав химических соединений аналогичных веществам, входящим в состав очищаемой воды.

По результатам проведенных исследований доказано, что при очистке высокоминерализованных вод поверхностных источников, необходимо обязательно учитывать органическую фракцию, которую, как правило, составляют гуминовые соединения.

При выборе исходного сырья для получения сорбционного материала, было исследовано три типа глин. Результаты показали, что по химическому составу шоколадная глина в наибольшей степени совпадает с составом высокоминерализованных природных вод р. Хара, впадающей в о. Эльтон (табл. 1,2).

Таблица 1 - Химический состав шоколадной глины

Наименование компонентов Эльтонское месторождение, % Баскунчакское месторождение, %

1 2 3

БЮг 63,65 69,4

СаО 1,97 2,31

МйО 1,71 2,17

Ре203 8,3 12,4

А1г03 21,43 16,6

ТЮ2 0,71 0,8

803 <0,1 <0,1

к2о 1,97 2,01

Ка20 3,27 1,08

МпО 0,078 ОД

БеО <0,3 <0,23

р2о5 0,1 0,1

Влажность 8,29 9,2

Таблица 2 - Химический состав природной и обработанной воды р. Хара

Показатели Вода Норматив (ПДК), не более СанПиН 2.1.4.107401 Методы определения

р. Хара питьевая (г. Волгоград) после обработки

1 2 3 4 5 6

рН 8-7,9 7,3 8,3 6-9 потенцио-метрический

Мутность, мг/л 80-170 <2 <2 2,0 фотометрический

Цветность, град. 7-8 2,5-5 1 20 органолеп-тический

Щелочность, мг-экв/л 3,4-3,1 3-2,8 3,1 титриметри-ческий

Жесткость (общ), мг-экв/л 17,320 7,3-6,4 6,4 7 титриметри-ческий

Сухой остаток, мг/л 38893800 882-392 341,6 1000 гравиметрический

Прокаленный остаток, мг/л 625233 604-179 224,0 титриметри-ческий, фотометрический

Потери при прокаливании, мг/л 32643567 278-213 117,6 весовой

Окисляемость перм., мг/л 17,614,1 2,4-2,7 2,7 5 титриметри-ческий

Аммоний, мг/л 0,320,4 0,18-0,2 0,18 2 фотометрический

Нитраты, мг/л 0,751,5 0,6- 1 1,4 45 фотометрический

Нитриты, мг/л 0,020,014 0,0070,002 0,002 3,3 фотометрический

Хлориды, мг/л 1131,91150 139,6147,1 115,6 350 титриметри-ческий, фотометрический

Сульфаты (803), мг/л 28983,3 293 - 93 80,5 500 титриметри-ческий

Силикаты (8Юз"2), мг/л 4-6 4,0 5 10 фотометрический

1 2 3 4 5 6

Алюминий (А1+\ А102), мг/л 50-60 <0,5 <0,5 0,5 фотометрический

Марганец (Мп +2), мг/л <0,03 <0,03 <0,03 0,1 фотометрический

Натрий (№+), мг/л 23772188,7 0,05 <0,04 1 фотометрический

Калий (К4), мг/л 910930 <0,02 <0,002 0,1 фотометрический

Фосфор (Р205), мг/л 40-60 <0,04 <0,003 0,1 фотометрический

Титан (Т144), мг/л 10- 14 <0,01 <0,001 0,001 фотометрический

Кальций, мг/л 370420 40-66 66 фотометрический

Магний, мг/л 180200 <0,05 -37,7 37,7 фотометрический

Железо (общ.)(Ре+2, Ре+3), мг/л 1,201,30 12 0,08 0,3 фотометрический

Органическая фракция (гуминовые кислоты), мг/л 32003500 12-13 1,2-1,3 4,5 фотометрический

Результаты анализа органических фракций глины, исследуемой воды и рапы о. Эльтон, также показали идентичность химического и структурного состава (табл. 3).

Данные по составу шоколадной глины, рапы озера Эльтон и очищаемой минерализованной природной воды показали, что в перечисленных субстанциях содержится практически одинаковые вещества, только в разной концентрации. В глинах, в отличие от водных сред, вещества находятся в кристаллической форме. Как известно, компоненты идеально реагируют друг с другом (максимальное химическое сродство) при близких величинах энергии активации, соответствующих одинаковым значениям поверхностных сил. Однако возникновение поверхностных сил объясняется неполным валентным насыщением атомов или ионов, расположенных на поверхности.

Следовательно, ионы, расположенные на поверхности, являются координационно ненасыщенными.

Энергию, которая может выделиться в результате насыщения этих координационно свободных валентностей на поверхности вещества (включая ребра и углы), называют поверхностной энергией этого вещества.

Таблица 3 - Химический состав органической субстанции, % * (приводятся компоненты, процентное содержание которых более 10%)

Наименование и концентрация соединений Эльтонская глина (шоколадная глина) Вода р. Хара Рапа о. Эльтон

1 2 3 4

Конифериловые спирты, мг/л 15 17,3 19

Гуминовые феноль мг/л, 12 14,2 15

Пирогаллол, мг/л 11,3 12 10,2

Семихинон, мг/л 12,4 13 11,2

Аденины, мг/л 11,5 11 12

Пальмитиновая кислота (высшая жирная кислота), мг/л 12 13 11

Кумарины 10,7 12 13

*Результаты получены на основе хромато - масс - спектрального анализа, тонкослойной хроматографии.

Следующим этапом работы по поиску сырья для получения сорбента было изучение технологических параметров, таких как, сорбционные свойствами материала, гидродинамические режимы его работы, сорбционная емкость и др. Исследование проводилось на модельных растворах и реальной воде р. Хара.

Изучение процесса фильтрования модельных растворов через слой исследуемого материала показало, что степень очистки изменяется в зависимости от удельного расхода воды. При этом немаловажную роль играет фракционный состав сорбента. Фракции шоколадной глины, размеры частиц которых приведены далее, выбраны на основании лабораторных экспериментов. Исследования проводились на модельных растворах, исходная минерализация которых составляла 4 г/л, рН = 7, Т = 20°С. Объемную скорость модельной воды, измеренную в мл/сек пересчитывали на объемный расход V (м3/с) или на удельный расход, измеряемый в м3/м2.ч. Данные, полученные в этой серии экспериментов, приводятся в таблице 4.

Таблица 4 - Зависимость остаточной минерализации модельных растворов в зависимости от удельного расхода модельного раствора_

№ опыта Удельный расход воды, м3/м2час Остаточная минерализация очищенной воды, г/л

Размер фракции Размер фракции

минерала 1-5 мм минерала 5—10 мм

1 2 3 4

1 0,5 1,10 3,0

2 1,0 1Д2 3,13

1 2 3 4

3 1,5 1,17 3,16

4 2,0 1,19 3,18

5 2,5 1,21 3,19

6 3,0 1,22 3,21

7 3,5 1,24 3,23

8 4,0 1,27 3,24

9 4,5 1,29 3,26

10 5,0 1,30 3,28

И 5,5 1,31 3,28

12 6,0 1,32 3,29

13 6,5 1,34 3,50

14 7,0 1,34 3,50

15 7,5 1,35 3,52

16 8,0 1,37 3,53

17 8,5 1,38 3,55

18 9,0 1,40 3,58

19 9,5 1,40 3,58

20 10,0 1,40 3,60

Как видно из полученных данных, при применении мелких фракций шоколадной глины степень опреснения выше. Так, после фильтрования через слой сорбента смеси фракций 1-5 мм минерализация очищенной воды составляла 1,1 - 1,4 г/л, в то время, как для смеси фракций 5 - 10 мм соответствующий показатель очистки колеблется в пределах 3,0 - 3,6 г/л при тех же удельных расходах воды вплоть до 7 м3/м2 ч.

Изучение влияния температуры модельной воды на процесс сорбционного опреснения показало, что при понижении температуры значительно повышается эффективность опреснения. Данные приведены в таблице 5.

Таблица 5 - Влияние температуры опресняемой воды на параметры фильтрования__

Параметры фильтрования Размеры частиц минерала, мм Температура воды, °С

60 40 20

Продолжительность фильтроцикла, ч 1-5 2,5 12,2 16,4

5-10 3,2 13,5 16,9

Минерализация очищенной воды, г/л 1-5 1,41 1,37 1,12

5-10 3,52 3,18 3,06

Как видно из полученных экспериментальных данных, при удельном расходе 5,0 м3/м2*ч, температуре воды 60°С и исходном солесодержании модельной воды 4,0 г/л, степень очистки на сорбенте смеси фракций 1 - 5 и 5 - 10 мм составила, соответственно, 91,4% и 49,2%, в то время, как при температуре 20°С - 97,2 и 76,8%.

Оценку сорбционной емкости шоколадной глины по отношению к растворенным солям осуществляли в статических условиях. Исследование проводили на модельных растворах, содержащих катионы и анионы растворенных солей, имеющих максимальные концентрации в воде р. Хара: Na+, К+, Са2+, CIS042.

Сорбционную емкость в статических условиях определяли при различных концентрациях указанных ионов от 300 мг/л до 750 мг/л. Навеска сорбента составляла 30мг, объем модельного раствора 100 мл. Размер частиц сорбента 1-5 мм.

Таблица 6 - Сорбционная емкость шоколадной глины по ионам Na+, К+,Са2+, СГ, S042"_

Со, мг/л Na+ К+ Са2+ С1 S04z"

Ср, мг/л А, мг/г Ср, мг/л А, мг/г сР! мг/л А, мг/г с мг/л А, мг/г Ср, мг/л А, мг/г

300 177 410,0 187 376,7 245 183,3 169 436,7 277 76,7

350 212 460,0 235 383,3 281 230,0 207 476,7 312 126,7

400 218 606,7 274 420,0 327 243,3 213 623,3 355 150,0

450 246 680,0 281 563,3 358 257,0 231 730,0 391 196,7

500 287 710,0 319 603,3 419 270,0 274 753,3 429 236,7

550 335 716,7 366 613,3 462 293,3 326 786,7 473 256,7

600 369 736,7 398 673,3 533 323,3 352 826,7 568 267,8

650 415 783,3 433 723,3 573 346,7 405 856,7 587 270,0

700 454 820,0 476 746,7 626 366,7 433 890,0 649 295,0

Проанализировав данные таблицы видим, что для шоколадной глины характерна высокая сорбционная емкость по ионам К+, С1".

Уменьшение ее может происходить либо в результате поглощения поверхностью другого вещества (адсорбция), либо за счет сокращения самой поверхности. Последнее возможно при изменении фракционного состава или специальной активации в жидкой среде, имеющей аналогичный химический состав, что приведет при измельчении вещества к увеличению давления пара и уменьшению растворимости.

Также известно, что химический состав рассматриваемых глин схож как с химическим составом воды рек, впадающих в о. Эльтон, которую необходимо опреснять, так и с составом рапы о. Эльтон.

Учитывая сказанное, а также результаты предварительных исследований, предложено шоколадную глину подвергать температурной обработке в присутствии 20 % раствора рапы о. Эльтон при температуре 100-110°С в течение 35 - 45мин.

Опытным путем определено, что при активации веществ, входящих в состав глины, увеличивается химическое сродство между аналогичными

компонентами в водной среде и в субстанции глины, имеющей пористую структуру, которая позволяет сорбировать вещества. В данном случае - глина определяет термическую и химическую стойкость, стабильность работы и продолжительность службы сорбента в конкретных условиях. Термическая обработка шоколадной глины в присутствии 20% раствора рапы о. Эльтон позволила увеличить сорбционную емкость в той или иной степени, по отношению к изучаемым ионам. Изменение величины сорбционной емкости сорбента СГ до и после обработки отражается на изотермах сорбции, представленных на рис.1 - 2.

.........."«« *—I—I—I—I—I—I—I—

О 300 350 400 450 500 550 600 650 700 0 300 350 400 450 500 550 600 650 700

Сн, мг/л Сн, мг/л

-*-1 -а-2 | [-4-1 —а-2 ]

Рис. 1 - Зависимость сорбционной Рис. 2 - Зависимость сорбционной емкости от начальной концентрации емкости от начальной Са+ в модельном растворе: 1- концентрации 8042" в модельном шоколадная глина; 2- шоколадная растворе: 1- шоколадная глина; 2-глина после термической обработки шоколадная глина после

термической обработки

Из представленных графиков видим, что сорбционная емкость шоколадной глины после реагентной и термообработки (сорбент СГ) увеличилась: по ионам Са2+и 8042 в 2-2,5 раза.

Сорбенты отличаются по показателям активности и селективности, что обусловлено технологией их изготовления. Полученный сорбент СГ обладает высокой активностью в широком интервале концентраций растворенных солей, механической прочностью, химической и гидролитической стойкостью, стабильностью работы (5,5-6 месяцев).

Изучено также влияние термической обработки шоколадной глины в присутствии рапы о. Эльтон на кинетику сорбции. Исследования проводились в статических условиях. В модельных растворах масса навески СГ составляла 50г., концентрация К+, Са2+, СГ, 8042" составляла 300 мг/л. Результаты представлены на рис. 3.

1, мин

|—♦— 1 -а-2 з -ж-5 |

Рис. 3 Кинетические кривые сорбции ионов Ма+, К+, Са2+, СГ, Б042' из модельных растворов: 1- модельный раствор 2 - модельный раствор К+; 3 - модельный раствор Са2+; 4 - модельный раствор СГ; 5 - модельный раствор ЗО.*2.

Высокая сорбционная емкость СГ объясняется механизмом действия, который основан на синергическом эффекте протекания двух взаимосвязанных процессов адсорбции и катализа. Процесс происходит на активных центрах сорбента в мономолекулярном слое, непосредственно примыкающем к поверхности на основе адсорбции кислорода и субстратов. Сорбент выполняет роль активированного кислородного насоса, который обусловливает все реакции, протекающие с субстратами на поверхности адсорбента.

С целью получения параметров проведения процесса сорбционной очистки высокоминерализованных вод поверхностных источников, в ходе лабораторных исследований, были определены физико-химические характеристики сорбента — СГ, такие как насыпная плотность, удельная поверхность и др. Результаты исследований представлены в таблице 7.

Исходя из данных таблицы 7 следует ,что сорбент, полученный путем термической обработки шоколадной глины в присутствии 20%-го раствора рапы о.Эльтон, обладает необходимой пористостью, механической прочностью, гидролитической стойкостью.

Таблица 7 - Физико-химические свойства сорбента СГ

№ п/п Наименование показателя Значение

1 Насыпная плотность, кг/дм3 1,3

2 Водопоглощение, % 7,0-11,0

3 Кислотостойкость, % 97,8

4 Механическая прочность, МПа не менее 30

5 Удельная поверхность, см2/г 3220

6 Измельчаемость, % 2,55

7 Истираемость, % 0,3

Опыт 3-летней промышленной эксплуатации сорбента СГ в Ленинском, Палласовском районах Волгоградской области свидетельствует о том, что степень очистки воды стабильна и составляет: по взвешенным веществам - 90-95%, сухому остатку - 95%.

По сравнению с известными природными загрузками: увеличены фильтроцикл на 2 месяца, скорость фильтрования до 11 м/ч без ухудшения качества очищенной воды.

Разработанная технологическая схема опреснения

высокоминерализованных вод поверхностных источников включает в себя 2 этапа:

I - фильтрация через зернистый слой сорбента в блоке I (обессоливание);

II - электрохимическое обеззараживание в блоке П под действием постоянного тока с получением продуктов, сорбируемых на поверхности СГ (рис. 4).

озгрун'а ссроеига

ИсходхЗЯ Шй

ЖХН

Загрузка сорбента 'грЛгм^

1Ф<3 3

Иеговах Шо\ |

->-{Х—| ? ¡-ИхН <?

Резеренач лнниэ

бщя&инв* ШЙ —ЩХ1-

1 (катзя Шз

3 НИХ}—)ИХ-

Рис. 4. Технологическая схема очистки высокоминерализованных природных вод: 1 - этап опреснения; 2 - этап электрохимического обеззараживания; 3 - резервуар для чистой воды.

Использование разработанной технологической схемы опреснения высокоминерализованных вод поверхностных источников позволяет: - достигать эффект опреснения до 95 %,

- обеззараживать воду;

исключить обработку воды реагентами: коагулянтами, флокулянтами, хлором;

- достичь высокой технологичности, при низких эксплуатационных затратах.

Четвертая глава посвящена разработке технологии утилизации отработанного сорбента СГ.

В представленной работе предложено использовать СГ для утилизации продуктов гидросмыва свиноводческих комплексов. Полученную смесь предложено использовать как органоминеральное удобрение для степно - пустынных зон.

В пятой главе дано технико-экономическое обоснование работы. Произведен расчет себестоимость очистки 1 м3 воды и определен годовой экономический эффект применения СГ, который составляет 9,451 тыс. руб.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе дано решение актуальной задачи -разработана технология опреснения высокоминерализованных вод поверхностных источников, с целью получения воды питьевого качества.

Основные выводы по работе

На основании результатов проведенных исследований в лабораторных и производственных условиях сформулированы следующие выводы:

- проведены исследования состава и свойств природного сырья — шоколадной глины Эльтонского месторождения и высокоминерализованных природных вод (на примере Прикаспийского бессточного района);

определены технологические сорбционные характеристики шоколадной глины Эльтонского месторождеш1я;

- экспериментально установлены условия активации шоколадной глины для получения высокоэффективного сорбента (СГ) при опреснении высокоминерализованных вод поверхностных источников;

- установлены параметры проведения процесса опреснения воды с применением сорбента из активированной шоколадной глины (СГ);

- разработана технология опреснения высокоминерализованных вод поверхностных источников сорбционным методом;

- предложен способ утилизации отработанного сорбента СГ.

Основное содержание работы отражено в следующих публикациях:

Публикации в ведущих рецензируемых научно-технических журналах и

изданиях:

1. Гончар, Ю.Н. Изучение процесса адсорбции органических веществ в водных средах силикатсодержащими частицами [Текст] / JI.B. Воронина, Г.Б. Абуова, Т.Ф. Рыльцева, Г.Л. Гиззатова, Ю.Н. Гончар, В.П. Батманов// Вестник Волгогр. гос. арх.-строит. ун-та. Сер.: Строительство и архитектура,-Волгоград: ВолгГАСУ, 2013.-Вып. 32(51).-С. 116- 122.

2. Гончар, Ю.Н. Модели адсорбционных комплексов углеводородов с активными центрами кремнеземов и алюмосиликатов/ JI.B. Воронина, Г.Б. Абуова, Т.Ф. Рыльцева, Г.Л. Гиззатова, Ю.Н. Гончар, В.П. Батманов// Вестник Волгогр. гос. арх.-строит. ун-та. Сер.: Строительство и архитектура.- Волгоград: ВолгГАСУ, 2013-Вып. 32(51). - С. 122-130.

3. Гончар, Ю.Н. Очистка сточных вод с использованием смешанного реагента полученного из нефтяного отхода/Е.В. Москвичева, A.A. Сахарова, Ю.Н. Гончар, Д.О. Игнаткина, Т.А. Кузьмина // Вестник Волгогр. гос. арх.-строит. ун-та. Сер.: Строительство и архитектура,-Волгоград: ВолгГАСУ, 2013.-Вып. 34(53). - С. 114-121.

Отраслевые издания и материалы конференций

4. Гончар, Ю.Н. Гидравлические закономерности, определяющие эффективность очистки водных сред смешанными реагентами/Ю.Н.Гончар, Е.В.Москвичева, A.A. Сахарова, Д.О.Игнаткина, Т.А.Кузьмина//Качество внутреннего воздуха и окружающей среды Indoor air and environmental quality материала XII Международной конференции.-.Хайфа, Волгоград:ВолгГАСУ, 2014,- С.55-58.

5. Гончар, Ю.Н. Выявление факторов жизнеобеспечения в водоемах степно-пустынной зоны [Текст] / JI.B. Воронина, Э.П. Доскина, A.A. Сахарова, Ю.Н. Гончар, Г.Л. Гиззатова // "Научный потенциал регионов на службу модернизации: межвузовский сборник научных статей ",- Астрахань: ГАОУ АО ВПО «АИСИ», 2013.-№ 2 (5). Спецвыпуск.-С. 108-113 .

6. Гончар, Ю.Н. Совершенствование методов анализа воды в период биообрастаний [Текст] / Л.В. Воронина, Э.П. Доскина, A.A. Сахарова, Ю.Н. Гончар, Г.Л. Гиззатова // "Научный потенциал регионов на службу модернизации: межвузовский сборник научных статей ".- Астрахань: ГАОУ АО ВПО «АИСИ», 2013.- № 2 (5). Спецвыпуск.-С. 113-120.

7. Гончар, Ю.Н. Исследование влияния удельного расхода воды, гидравлического сопротивления фильтрующего слоя на процесс фильтрования через смешанный реагент [Текст] /И.В. Стрепентов, A.A. Сахарова, A.A. Войтюк, М.А. Самойленко, Ю.С. Лазарев, Д.О. Игнаткина, П.Ф.Юрин, Ю.Н. Гончар // Альманах-2013 - Юбил. вып. Волгоград : [Изд-во ВолГУ], 2013.-С. 10-13.

8. Гончар, Ю.Н. Анализ работы самотечной сети водоотведения в условиях ее переполнения/ Ю.Н.Гончар, А.А.Болеев, ГЛ.Гиззатова// Водные ресурсы Волги: история, настоящее и будущее, проблемы управления: материалы второй межрегион, науч.практ.конф,- Астрахань : Изд-во ГАОУ АО ВПО «АИСИ», 2012,- С. 246-249.

9. Гончар, Ю.Н. Применение глубокой очистки сточных вод, содержащих водно-дисперсионные акриловые лакокрасочные материалы строительного назначения/ Ю.Н.Гончар, Р.В.Потоловский, Г.Л.Гиззатгова// Водные ресурсы Волги: история, настоящее и будущее, проблемы управления: материалы второй межрегион. науч.практ.конф.- Астрахань : Изд-во ГАОУ АО ВПО «АИСИ», 2012,- С. 260-265.

10. Гончар, Ю.Н. Химические и радиологические исследования минеральных вод «Ессентуки № 4» и «Ессентуки № 17»/Гончар Ю.Н„ Гудыменко В.А., Гудыменко Н.О.//АНРИ.-2011.-№ 1 (64).-С.65-70.

11. Гончар, Ю.Н. Особенности загрязнения изотопами урана пресноводных водоемов// АНРИ.-2010.-№ 1 (60).-С.57-60.

ГОНЧАР ЮРИЙ НИКОЛАЕВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ОЧИСТКИ МИНЕРАЛИЗОВАННЫХ ПРИРОДНЫХ ВОД

05.23.04 Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 04.07.2014 г. Заказ № 135. Тираж 100 экз. Печл. 1,0 Формат 60x84 1/16. Бумага писчая. Печать плоская. Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет 400074, Волгоград, ул. Академическая, 1. Отдел оперативной полиграфии