автореферат диссертации по строительству, 05.23.04, диссертация на тему:Технология обесцвечивания природных вод фильтрованием через алюмосиликатный адсорбент, активированный соединениями магния

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи гр . '

сг> ПЕТРОВ Евгений Георгиевич

Сч.'

ТЕХНОЛОГИЯ ОБЕСЦВЕЧИВАНИЯ ПРИРОДНЫХ ВОД 'ФИЛЬТРОВАНИЕМ ЧЕРЕЗ АЛЮМОСИЛИКАТНЫЙ АДСОРБЕНТ, АКТИВИРОВАННЫЙ СОЕДИНЕНИЯМИ МАГНИЯ

V..

.05.23,04 - Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов

Автореферат . диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург 1996 ■

Работа выполнена в Петербургском государственном университете путей сообщения.

Официальные оппоненты:■

заслуженный деятель науки Республики Карелия, доктор технических наук, профессор Р.И. Аюкаев заслуженный деятель науки и техники Ра, доктор технических наук, профессор • У.А. Ильин доктор технических наук, профессор М.Г. Ьхурба

Ведущая организация - АО проектный институт "Ленгипротранс"

Защита состоится 20 февраля 1996 года в 13— часов на заседании диссертационного Совета Д.063.31.01 в Санкт-Петербургском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 193005, г.Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д.4, зал заседаний .

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке университета.

Автореферат разослан

"Ж" ■ 1996 г.

Учёный секретарь диссертационного " ,

Совета, канд. техн. наук, доцент ^¡^Г^ ^азУМ0®

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

1.1. Актуальность проблемы

При использовании природных вод поверхностных водоисточников для целей хозяйственно-питьевого водоснабжения наибольшие сложности возникают с очисткой маломуткых цветных вод. характерных для Северного и Северо-Западного регионов Европейской части России и большинства районов Западной и • Восточной Сибири.

Коагулирование высокоцветных вод требует, как правило. больших доз коагулянта. При низких температурах воды, когда гидролиз замедляется, коагуляция идет вяло, неэффективно, образуются комплексные соединения гумусовых веществ с алюминием, повышающие его растворимость. Кроме того, образующийся в результате коагуляционного процесса' осадок весьма гшдратирован, с низкой концентрацией твердой фазы. Его основу составляет продукт гидролиза вводимого в воду коагулянта, что явно не рационально, при одноступенчатой схеме очистки воды, когда вся грязевая нагрузка приходится на фильтровальные сооружения.

В последние годы получены многочисленные данные, указывающие на алюминий как на этиологический фактор в развитии . 'специфических заболеваний: повреждения кожи, нервные нарушения, склероз, умственная недостаточность, нарушения желудочно-кишечного тракта, уменьшение роста, околопочечный грану-ломатоз, фиброзный перитонит.

Дефицит, кальция и магния в пище и воде, ' что также 'характерно для северных регионов, повышает адсорбцию алюминия в толстом кишечнике .и его накопление в центральной нервной системе, особенно в сером веществе головного мозга.

В связи с вышеизложенным проблема очистки природных зод без применения коагулянтов и прежде всего сульфата алюминия ' является весьма актуальной. Решение данного вопроса' позволит упростить эксплуатацию сооружений, повысить надежность процесса очистки и качестЕр очищенной воды, особенно по токси-

кологическим показателям, а такке практически исключить возможность загрязнения водоемов алюмосодержащими соединениями (отходами).

Очистка природных вод фильтрованием без предварительной обработки ее коагулянтами известна и применяется уже- давно. Однако при этом из воды с ограниченной эффективностью извлекается только взвесь. Используемые в фильтровальных сооружениях адсорбенты, прежде всего цеолиты и активированнвй уголь, цветность практически не устраняют.

Для осуществления стабильного процесса обесцвечивания природных вод требуются фильтрующие материалы* с повышенной поверхностной активностью по отношению к компонентам цветности, способные к восстановлению своей обесцвечивающей активности посредством технологически несложной регенерации, проводимой непосредственно в фильтровальных сооружениях.

1.2. Цель и задачи работы

Целью данной работы является разработка новой технологии очистки природных маломутных цветных вод для получения воды питьевого качества без предварительной обработки ее коагулянтами.

В соответствии с поставленной целью сформулированы следующие основные задачи исследования.

■1.2.1. Обосновать физико-химические представления о механизме обесцвечивания природных вод на поверхности раздела жидкой и твердой фаз, основанного на природных свойствах гумусовых веществ образовывать коллоидные органо-минеральные комплексы в щелочной среде (рН ^ 8).

• 1.2.2. Обосновать выбор эффективных видов глинистых минералов для создания алюмосиликатных адсорбентов с высокой • поверхностной активностью.

1.2.3.' Обосновать выбор рационального способа изготовления гранулированных алюмосиликатных адсорбентов.

1.2.4. Разработать основные принципы формирования раци-■ скального композиционного состава алюмосиликатных фильтрующих материалов.

1.2.5. Теоретически и экспериментально обосновать соот-

ветствие процесса обесцвечивания природных вод ка алюмосили-катном адсорбенте общим закономерностям динамики сорбции из жидких сред.

1.2.6. Разработать метод расчета процесса обесцвечивания природных вод с последующей оптимизацией параметров.

1.2.7. Разработать метод восстановления обесцвечивающей активности фильтрующей загрузки из алюмосиликатного адсорбента.

1.2.8. Проверить на производстве эффективность разрабо-1 тайной технологии сорбционного обесцвечизанпя природных ?.од.

Работа выполнена на кафедре ."Водоснабжение и водоотзе-дение" Петербургского государственного университета путей сообщения в рамках Общесоюзной целевой научно-технической программы 0.85.02 "Создать и освоить прогрессивные системы водного хозяйства промышленности и населенных мест, предотвращающие загрязнения водных объектов" (Постановление ГКНТ от 30.10.85. N 555) по заданию 02.09Т "Разработать и освоить технические средства к технологический процесс обесцвечивания природных вод фильтрованием через алюмосиликатный адсорбент на двух промышленных установках - поселки Кат-Озеро и Полярный Круг" (Приказ МПС N 48Ц ОТ 25.12.85),

1.3. Научные положения, выносимые ка защиту

Предметом защиты является теоретическое к экспериментальное обоснование комплекса вопросов, касающихся разработанной автором технологии сорбционного обесцвечивания природных вод фильтрованием.

На защиту выносятся: '

- обоснование сущности и механизма процесса обесцвечивания природных вод при взаимодействии компонентов гумусовых веществ с катионами щелочно-земельных металлов (магнием и кальцием); - '

- способы изготовления адсорбентов из природных глинистых минералов, активированных соединениями магния и кальция;

- закономерности обесцвечивания природных вод Фильтрованием через алюмосиликатный адсорбент, активированный магнием; '

- технология регенерации адсорбента;

- метод расчета процесса сорбционного обесцвечивания . воды и регенерации адсорбента, ■ с оптимизацией конструктивных и технологических параметров.

1Л. Научная новизна.

Научную новизну работы составляют:

- развитие физико-химических представлений о механизме обесцвечивания природных вод и образования коллоидной системы гуматов как результате взаимодействия-гукусовых веществ с обменными катионами щелочно-земельных металлов, входящими в состав кристаллической решетки глинистых минералов; "

- обоснование и выбор типов-глинистых минералов, пригодных для создания алювдсиликатных. адсорбентов с высокой поверхностной активностью;

- разработка способа изготовления фильтрующих материалов из глинистого сырья с использованием тарельчатых грану-ляторов, аппаратов исевдоожиженного слоя и горизонтальных вращающихся печей;

- разработка принципов физико-химического модифицирования гранулированных материалов, оптимизация композиционного состава алюмосиликатных адсорбентов и технологических параметров их изготовления;

■ - разработка новых методик и аппаратурного оформления для оценки технологически^ характеристик активированных фильтрующих материалов;- теоретическое и экспериментальное -обоснование соответствия процесса обесцвечивания природных вод фильтрованием Через алюмосиликатный адсорбент, активированный магнием, общим закономерностям динамики сорбции из жидких сред;

- формулировка и построение феноменологической и математической моделей процесса сорбционного обесцвечивания природных вод Фильтрованием;

- разработка метода расчета и оптимизации технологически х и конструктивных параметров процесса сорбционного обесцвечивания природных вед*фильтрованием:

по материалам диссертации получены 16 авторских сви-

детельств на изобретения и четыре патента (Франция. Германия. Великобритания. Финляндия).

1.5. Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций

Обоснованность и достоверность приведенных з диссертации научных положений, выводов и рекомендация базируются на использовании известных теоретических разработок, физически. достоверных математических моделей, обширном экспериментальном материале, полученном автором в результате многолетных исследований, положительных результатах эксплуатации' еодоо-чистных сооружений, реконструированных или вновь построенных по рекомендациям автора. Надежность.и эффективность конструктивных решений и разработанной технологии обесцвечивания воды подтверждены опытом работы сооружений. •

1:6. Практическая значимость и реализация

Практические результаты работы представлены:

- предложением новой технологии сорбционной очистки природных и промышленных сточных вод с использованием высокоэффективного алюмосиликатного адсорбента (см. "Технические •указания на проектирование, наладку и эксплуатацию установок для обесцвечивания природных вод фильтрованием через алюмо-силикатный адсорбент, активированный магнием.- в хозяйствен-но-питьевок водоснабжении на железнодорожном транспорте", ЦС МПС РФ, гигиенический сертификат 3163 от 13.01.95 и согласование Минздрава РФ N 23-01-17-237 от 5.05.89);

- действующими .предприятиями по изготовлению промышленных партий активированного алюмосиликатного адсорбента по технологии, разработанной и предложенной диссертантом (ОПСК ДСК-2, Санкт-Петербург; ПО "Электрофарфор", г. Великие Луки)-;

- снижением в 1,4-1,5 раза приведенных затрат при очистке высокоцветных вод с одновременным улучшением токсикологических показателей очищенной воды в части снижения в ней остаточного алюминия - А13+ и повышении экологической безопасности водоемов из-за ликвидации необходимости исполь-

зозания сульфата' алюминия в технологическом процессе водоочистки.

Научные разработки диссертанта реализованы: на Мурманском отделении Октябрьской железной дороги - установка по обесцвечиванию воды из озера на ст. Кат-Озеро, техническая документация на водоочистную установку ст. Полярный Круг, на Сосногорско'ы отделении Северной железной дороги - водоочистные сооружения питьевого водоснабжения станции и поселка Ки^-кунь. На условиях хоздоговора совместно с АО "Ленгипротранс" выполняется проект на реконструкцию городских водоочистных сооружений питьевого водоснабжения г. Буй-Костромской обл. Осуществлено промышленное изготовление водоочистных фильтров индивидуального пользования "Сорби-1" и "Сорби-2" для' доо-чистки водопроводной воды и очистки природной воды из рек и озер. По научным рекомендациям диссертанта после реконструкции пущены в эксплуатацию по сорбционной технологии очистки промышленные установки для очистки гальваностоков на' ПО "Реостат" и АО "Импульс" г. Великие Луки. АО "Авангард" г. Петрозаводск. Построены .и действуют две промышленные установки по производству активированного алюмосиликатного адсорбента.

1.7. Апробация и публикации

Теоретические и экспериментальные разделы диссертационной работы обсуждались и получили одобрение на научно-технических советах ЦС МПС э 1984-1937 гг., на научно-практических конференциях ЛИИЖТа (С.-Петербург, 1984-1994), ЛИСИ (С.-Петербург. 1985.-1995), ХИИТа (г. Харьков, 1986, 1987). КуИСИ' (г. ¡{уйбышев, J986). ПГУ (г. Петрозаводск, 1986), Украинского института инженеров водного хозяйства (г. Ровно, 1983); На Всесоюзнрм научно-техническом совещании "Очистка природных и сточных вод" (Москва, ВНИИ ВОДГЕО), на втором международном симпозиуме "Автоматизация водоснабдительных и канализационных сооружений и систем" (г. Варна, Болгария): на советско-американской научно-технической конференции "Проблемы качества питьевой воды" (МоскЕа, 1989); на Республиканской научно-технической конференции "Пути решения региональных проблем охраны окружающей среды и рационального не-

- э -

пользования природных ресурсов в КАССР" \г. Петрозаводск, 1987); на научно-технических конференциях "Проблемы и достижения в области создания малоотходных физико-химических производств и очистки воды" (Ленинград, 1991) и "Проблемы, достижения и практический опыт получения особо чистой зодь: для различных производств" (С.-Петербург, 1992); на Международном конгрессе-выставке "Экология России" (Москва. 1993); на выставке-семинаре "Чистая в-ода" (С.-Петербург,. 1992); на Второй Международной научно-технической конференции "Акту- . альные проблемы фундаментальных наук" (Москва, 1994): на Международном симпозиуме "Реконструкция - Санкт-Петербург 2005" (С.-Петербург, 1994).

По материалам диссертации опубликовано белее 40 работ, получены 16 авторских свидетельств на изобретения и 4 патента в четырех странах (Франция, Германия, Великобритания, Финляндия).

Результаты теоретических исследовании, изложенные з диссертации, получены автором лично. В экспериментальных работах, проводимых з лабораторных и ог.ытне-промкпленных условиях,' вместе с диссертантом принимали участие соискатели и научные сотрудники ОШ: кафедры БиЗ ПГУПС А.Ф.Фадеев, 0. В. Базилева, Н, В. Новикова, Н.Виноградов.

В организации промышленного ' производства адсорбента участвовали М.В.Клюев. А.А.Демиденко, И. А.Кехнецов (СПСК ДСК-2, С;-Петербург), А.И.Марковская (ПО "Злэктрофарфор", г. Великие Луки).

При проведении опь:тко-про;.:ь;шленкь:х испытаний большое содействие оказано Ю.А.Ермаковым (ПО ЖКХ. г. Буи), Ю. П.ЕОти-феевым (ПУЕКХ. г. Петрозаводск), В.Б;Лукашенко 'и Б.Г.Рихтером (ПО "Водоканал", г. Великие Луки).

В процессе внедрения сорбиисннсй технологии очистки вы-сокоцветнкх природных зед на объектах-водоснабжения непосредственное содействие сказали С. !■!. Левитик, В: А. Ероньян-' (служба водоснабжения Октябрьской ж.д.), А.И.Грибанов (отдел водоснабжения Сезеэнсй ж. д.).

Диссертация (тем 1) представлена на 430 е., содержит 58 рисунков, 74 таблицы и состоит из введения, девяти глав, заключения, списка литературы из 260 наименований.

о

В приложенйях {том 2) даны обзорные части исследований, ' методики испытаний, диаграммы и графики экспериментальных исследований, акты внедрения, .сертификаты и другие материалы.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

2,1. Состояние вопроса обесцвечивания природных вод фильтрованием

Процесс очистки природных вод фильтрованием принято рассматривать как,результат действия двух механизмов: •пере-^ носа и прилипания. Первый предполагает транспортировку и доставку к поверхности зерен фильтрующей загрузки извлекаемых из воды частиц загрязнений, ■ второй - закрепление этих частиц на поверхности зерен. Если механизм переноса зависит главным образом от структуры слоя и параметров фильтрующей загрузки (крупности зерен, толщины сдоя, степени неоднородности), то законы прилипания определяются в основном поверхностными свойствами фильтрующей среды и физико-химическими свойствами примесей, извлекаемых из воды.

Наиболее весомый вклад в разработку теоретических концепций по очистке природных вод фильтрованием, а также реализацию научных разработок в практику водоочистки внесли известные отечественные и зарубежные исследователи: Д.М.Минц, С.А.Шуберт, В.А.Клячко, В.В.Кленов. Ю.М.Шехтман, Л.А.Куль-

• ский, В.Т.Турчинович, Р.И.Аюкаев, М.Г.Журба, Е.В.Веницианов, М.Г.Новиков, В.3.Мельцер, К.Айвес, ■В.Мацкрле, Т.Ивсаки, Р.Элиассен, К.Деб, К.Лерк и другие.

В первой главе диссертации проанализированы основные положения теоретических разработок указанных, исследователей, отмечен их вклад в совершенствование и интенсификацию техно-

• логического процесса очистки воды фильтрованием.

Значительное внимание уделено анализу безреагентных и сорбционных методов фильтрационной водоочистки, поскольку использование реагентных методов сопряжено с целым рядом . трудностей технологического, экологического и токсикологического характера.

Известные способы безреагентной и сорбционной очистки

природных вод на различных фильтрующих материалах (песок, дробленые природные и искусственные материалы, активированный уголь, цеолиты, макропористые ионообменные смолы) обеспечивают только осветление воды и практически ее не обесцвечивают (за исключением частичного обесцвечиванил на активированном угле, ионообменных смолах и цеолитах). Регенерация активированного угля, цеолитов, ионообменных смол сложна, трудоемка и неэффективна. При'регенерации необратимо снижается и без того недостаточная их обесцвечивающая способ- • ность.

■ По материалам анализа сформулирована задача создания технблогически несложного процесса безреагентного глубокого обесцвечивания природных вод средней и высокой цветности, основанной на использовании новых фильтрующих материалов с повышенной поверхностной активностью', эффективной регенери-руемостью в течение длительного времени эксплуатации. В состав задач вошла также разработка метода регенерации, расчета и оптимизации параметров фильтрующей загрузки и процесса.

2.2. Анализ и исследование физико-химических свойств • . гумусовых веществ, обусловливающих цветность природных вод в йХ взаимодействии с катионами металлов

• ' Согласно современным представлениям, гумусовые вещества можно отнести к полиэлектрол1тм со слабо выраженными кислотными свойствами. Кислотные свойства гумусовых веществ обусловлены наличием в их структуре карбоксильных (CÖ0H) и фенолгидроксдольных (ОН) групп, которые в основном и определяют реакционную способность этих природных органических соединений. Благодаря . наличию большого количества связанных анионов (СОО~) частицы (ассоциаты) гумусовых веществ несут суммарный отрицательный заряд.

Основными группами гумусовых веществ являются-' гуминовые'' кислоты, ульминовые кислоты и фульвокислоты. Фульво'кислоты. в свою очередь, делятся на апокреновые и креновые кислоты.

Гуминовые кислоты, извлеченные из различных почв, имеют следующий элементарный cocfaß: углерод (С) - 50-62 %. водород (Н) - 2,8-6,0 %, кислород (0) - 31J40 %, азот (N) -

2-6 55.

Колебания в элементарном составе гуминовых кислот объ; ясняются тем, что они представляют собой не химически индивидуальные кислоты определенного строения, а группу высокомолекулярных химических соединений, сходных по составу и свойствам. ' '

Согласно исследованиям к. Е'. Возбуцкой, Т. А. Кухаренко, С.С.Драгунсва. гуминовкэ кислоты состоят из ядер, -соединенных между собой мостиками (- 0 -, - N -), ' и Функциональных групп, основными из которых являются карбоксильные (СООН), фенолгидроксильнке (ОН), метаксильные (0СН3)*и карбональные (СО). Эти функциональные группы определяют ионообменные свойства гуминовых кислот.

ФульЕокислоты, как и гуминовые кислоты, представляют собой группу близких по строению высокомолекулярных соединений.

Элементарный состав фу№вокислот отличается от элементарного состава гуминовых кислот меньшим содержанием С и N и большим содержанием 0 и Н.

В числе функциональных групп фульвокислот имеются карбоксильные и фенолгидроксильные группу.

За последние годы различными исследователями накоплен значительный материал, показывающий тесную связь между гуми-новыми кислотами и -фульвокислотами. В группе тех и других кислот отдельные компоненты отличаются между собой по эле- ментарному составу, по степени дисперсности и конденсации, по оптической плотности-, по чувствительности к коагулирующему действию катионов металлов, в том числе щелочно-земельных. М.М.Кононова отмечает, что фульзокислоты могут рассматриваться как начальные формы гуминовых кислот.

По данным Т. А.Кухаренко, ' фракционный и элементный сос-- тав гумусовых веществ наиболее распространенных (особенно в Северо-Западном регионе России)' низинных торфов характеризуется" данными. представленными в табл. 2.1.

Согласно-табл. 2.1, гиматомеланозые кислоты идентичны • гумпноБкм и -по количественному содержанию элементов (С, Н, М) и по типу функциональных групп.

Таблица 2.1 Состав гумусовых кислот низинного торфа

Кислоты Элементный Содержание

(фракции ГВ) состав групп, мг-экв/г

С H И -0СН3 -СООН -ОН

Гуминовые 57.12 5,16 2.85 0.56 2.55 3,62

Гиматомелановые 62,75 6,57 2,42' 1.91 2,61 3,18

Фульвокислоты:

- фракция, не-

растворимая в

эфире (креновые

кислоты) 47,77 5. 59 3,5*4 2,56 4.26 4,68

- фракция, рас-

творимая в эфи-

ре (апокрёновые

кислоты) 50.19. 6,21 1,86 4.96 2.75 4,71

Реакционная способность гумусовых веществ (кислоты) и особенно их предрасположенность к ионному-обмену с катионами щелочных и щелочно-земельных металлов доказана многими иссле-. •дователями (Л.Н.Александрова, А.Е.Возбуцкая, И. И. Лиштван). Наиболее реакционноспособны функциональные группы - карбоксильные и фенолгидроксильные. При ионном обмене водород указанных функциональных групп замещается катионом щелочного или щелочно-земельного металла с образованием гуматов. Согласно И. И. Горбунову, карбоксильные группы отличаются-от фе-нолгидроксильных тем, что их водород замещается катионом металла уже при нейтральной реакции, тогда как водород феноль-ных гидроксйлов - лишь при щелочной реакции.

Способность водорода групп СООН и в меньшей 'степени ОН ' замещаться на катионы одно- и двухвалентных металлоб определяет значительную емкость поглощения катионов, характерную для гумусовых кислот. Она может достигать до 650 мг-экв на 100 г сухого вещества ГК.

Соли гумусовых кислот и одновалентны* оснований (Na,. К,

Ь1) растворимы в воде и образуют темноокрашенные золи. Соли* гумусовых кислот с двух- и трехвалентными катионами, называ-. емые гуматами и фульватами, нерастворимы и находятся в состоянии гелей. Процесс образования гуматов и -фульватов с двухвалентными катионами (например Мя2*) можно выразить такими уравнениями:

И-(он)** А," —

: Гумусовые вещества - гуминовые и фульвокислоты - обла-.. дают значительной способностью к образованию комплексных ор-ганоминеральных. соединений с железом, алюминием, медью и другими поливалентными катионами.

Эксперимент, проведенный автором данной работы, подтверждает выводы многих исследователей, сформулированные выше, в части образования гуматов - солей гумусовых кислот, полученных в результате взаимодействия водного раствора гумусовых кислот (высокоцветная природная вода) и хдорида магния.

Спектральный анализ образовавшегося осадка бурого . цвета, выполненный на спектрографе и]Ь20. работающего в диапа-' зоне частот от 400 до 1700 см"1, показал, что спектрограмма Имеет основной "ш1п" при частоте 965 см"1, соответствующий, . согласно М.М.Кононовой и В.И.Касаточкину, соединению Мд-И, где й'- кислотный остаток (гумусовой кислоты).

• Исследования, проведенные И.И,Лиштваном, показали, что вследствие взаимодействия Мя2* и Саг* с активными ионогенны7 • ми группами макромолекул гумусовых кислот (при рН > 7) понижается отрицательный заряд отдельных звеньев, что уменьшает энергию их отталкивания и обусловливает наряду с непосредственным взаимодействием активных групп образование компакт-■ ной коллоидной структуры.

2. 3. Изыскание и исследование эффективного композиционного состава алюмосиликатных адсорбентов для обесцвечивания природных вод фильтрованием

Наиболее эффективной основой для получения гранулированных материалов с целенаправленно регулируемыми свойствами являются глинистые минералы, так как в глинистую массу перед ее гранулированием можно Вводить практически любые добавки органического и минерального происхождения, которые могут • придавать поверхности зерен требуемые свойства.

Широко распространенными на территории России и стран Содружества являются монтмориллонитовая и каолинитовая группы глинистых минералов.

В каолинитовой группе наиболее.распространены коалинит - А1г [31г05] ■ (0Н)г и галлуазит - А1г'[31205] ■ (ОН)2• 2Н20. Несколько крупных месторождений каолинитовых глин разрабатываются на территории РФ и Украины, в частности Кыштымское, Бе-реговское.' Владимирское. Глуховское, Просяновское, Пологс-кое. Мариупольское, Белоусовское и ряд других.

К монтмориллонитовой группе глинистых минералов отно-. сятся монтмориллонит, биеделлит. сапонит. Структура монтмориллонита отвечает формуле А12314010 (0Н)2 • пНг0 или А1431902О(0Н)4-пН20.

< " Отличительным и весьма желательным для нас свойством этих минералов является "дефектность" их кристаллической решетки и способность к катионному замещений. Слоистая тетра-эдро-октаэдрическая структура каолинита и монтмориллонита позволяет принимать их катионы не только в свою кристаллическую решетку, но и внеструктурные обменные катионы,- которые в избытке насыщают межслоевые и межплоскостные пространства, а также располагаются на, базальных плоскостях частиц глинистых минералов.

Эта особенность слоистых алюмосиликатов и былй исполь-' зована как основное средство регулирования свойств фильтрующих материалов, изготовленных на их основе.

В диссертации приведен подробный анализ ионообменных свойств алюмосиликатных глинистых минералов и их взаимодействия с дисперсионной средой при активировании и модифициро-

вании. В частности отмечено, что различные катионы обладают различной способностью поглощаться одним и тем же глинистым минералом и различной способностью вытесняться из него. Наибольшей подвижностью, как отмечают исследователи (например Н.И.Горбунов), отличается + - Он более легко входит в кристаллическую структуру алюмосиликата и более легко продуцирует из нее.

• Из всех щелочных и щелочно-земельных катионов он (катион магния) имеет наименьшую способность к необмчнному закреплению в кристаллической структуре глинистого минерала. Учитывая способность гумусовых кислот к ионному ббмену с солями щелочно-земельных металлов, эффективное обесцвечивание природных вод фильтрованием необходимо осуществлять в загрузке из активированного фильтрующего материала, имеющего в своей структуре избыточные катионы щелочно-земельного металла, в частности магния.

■При изготовлении гранулированного фильтрующего материала из каолинита с добавкой малорастворимого соединения магния в процессе термической обработки гранулята при Ь = 850-950 °С происходит разложение магнийсодержащего соединения с образованием оксида магния, кристаллическая решетка которого имеет сходство с кристаллической решеткой каолинита. Катионы магния в избытке насыщают межплоскостное ( межслоевое) пространство каолинита и при фильтровании воды через гранулированную загрузку продуцируют в нее. образуя с гуминовыми кислотами , нерастворимые в воде гуматы магния, которые в виде коллоидной структуры отлагаются на поверхности зерен загрузки в.межзеренном поровом пространстве.

Постановка общей задачи' работы вызвала необходимость решения одного из основных вопросов, а именно: обосновать наиболее эффективный композиционный- состав фильтрующего материала и рациональные технологические параметры его изготовления.

' За основной качественный показатель гранулированных адсорбентов принимается их обесцвечивающая активность.

Весь комплекс качественных показателей адсорбента должен рассматриваться как единый объект, как целенаправленно Функционирующая система, поведение которой оценивается по М

величинам ее еыходов или откликов - У3. образующих М-мерный вектор поведения системы, изменяющийся в пределах \3 т1п < • < ^ < тах; Л = 1.....И).

Целенаправленное изменение функционирующей системы с М-мерным вектором поведения.(Ум) осуществляется за счет управления уровнями К-входов или факторов Х4, образующих к-мерный вектор.

На рис. 2.1. представлена блок-схема качества гранулированного алюмосиликатного адсорбента как сложной системы, в-которой выделено пять рецептурно-технологических и три эксплуатационных фактора:

'Хс - параметры качества сырьевых компонентов (емкость катионного обмена, структура кристаллической решетки);

Хр - рецептура (концентрация активирующих добавок);

Хм - вид (химический состав) модифицирующей добавки;

Х„.п - параметр режима переходных процессов, приводящих к агрегатному или фазовому изменению вещества (температура обжига смеси глинистого сырья с модифицирующей добавокй);

Хф - параметр режима формирования гранулированного ад-, сорбента, под которым понимается продолжительность обжига гранул, необходимая для стабилизации физико-химических свойстз получаемого продукта. ' • Эксплуатационные факторы включают:

Хж - параметр, характеризующий увеличение жесткости водной среды в результате контакта ее с гранулированным материалом;

Хн - параметр агрессивности среды, характеризующий изменение водородного показателя в результате-контакта водной среды с материалом;

Хи - параметры условий исследования (контроля качества).

Иерархическая структура влияния факторов X! на У3 отражается в расположении их по вертикали. Неправильное решение'' в отношении управления вышестоящими факторами может свести на нет эффект от оптимизации нижестоящих.

Выходы системы образуют три, иерархически связанные группы:

Система управления качеством гранулированных адсорбентов

V Параметры качества -сырьевых компонентов

Параметр модификации (вид добавки)

ХР; Соотношение между компонентами (рецептура)

Хпп, Параметр режима переходных процессов и °С обжига)

л:' Параметр режима формирования (продолжительность термообработки)

-Технологические показатели (обесцвечивающая активность) .

-Структурно-механические показатели (пористость, удельная поверхность, механическая прочность)

Вероятностные

показатели

качества

Хд - входной параметр (фактор) У3 - выходной параметр (оклик)

Солесодержание фильтрата Хж

Ионное произведение воды (рН) Хн

Параметры условий исследования Х„

Рис. 2.1

YT - технологические показатели качества адсорбента (обесцвечивающая активность, механическая прочность, химическая стойкость, электрокинетический потенциал гранул адсорбента, сила адгезии загрязнений к поверхности гранул);

Yc - структурные показатели гранул (объем и размер пор, "дефектность" кристаллической решетки, удельная поверхность, некомпенсированный заряд и др.);

Y - вероятностные показатели качества. .

Анализ системы управления качеством, представленный на рис. 2.1, показывает, что число-Мх Факторов Х4, влияющих на результаты работы системы YM, может быть сравнительно велико. Однако целенаправленное изменение YM ведется по ограниченному числу К тех факторов, которое, по нашему мнению, наиболее существенно влияют на выбранный критерий управления системой.

Таким образом, в диссертационной работе решается вопрос получения активированных адсорбентов только лишь с учетом входных факторов Хс, Хр, Хм, Хп п и. Х0 в интервалах Xt mln < < < шах- диктуемых объективными условиями.

В качестзе сырья (Хс) обосновано использование каолина, в качестве модифицирующей (активирующей) добавки (Хм) рекомендуется магнезит - MgC03, доломит - CaMg(C03)z и основной' •к&рбонат магния - I'g(KC03)2. Дозы активатора (Хр) варьировались в диапазоне от 5 до 30 % весовых от массы каолина.

Температура обжига сформированных гранул' (Х„.п) варьировалась от 700 до 1100 "С. а продолжительность термообработки (Х0) находилась в пределах от 5 до 60 минут.

В диссертации представлена методика проведения экспериментальных исследований для получения сравнительных данных по обесцвечивающей активности гранулированных адсорбентов, изготовленных из каолина с различными активирующими добавка- . ми при различных режимах термообработки.

В результате выполненных исследований установлено, что адсорбент, изготовленный из каолина с активирующей добавкой из магнезита, доломита или основного карбоната магния, обладает высокой обесцвечивающей активностью, ' причем наибольшая эффективность адсорбента достигается при количестве активи-

рующей добавки 12-20 % от массы основы (каолина), температуре обжига 800-900 °С и продолжительности термообработки'' 10-20 минут,

Также было установлено, что при изготовлении адсорбента в промышленных масштабах экономически и технологически наиболее целесообразно в качестве активирующей добавки использовать магнезит или доломит,

2.4. Научные рекомендации по изготовлению гранулированных адсорбентов из алюмосиликатного сырья

В диссертации проведен анализ известных способов гранулирования различных смесей и суспензий, используемых в различных отраслях промышленности, -которые можно было бы при условии некоторой модернизации применить для изготовления алюмосиликатного адсорбента.

Гранулировать композиционную смесь (глинистое сырье с активатором) .можно:

. - из жидкой фазы (суспензии) диспергированием на капли, либо распылением жидкого материала на поверхность частиц псевдоожиженного слоя с последующей сушкой и обжигом:

- из твердой фазы (сухие порошки) прессованием с последующим обжигом и дроблением брикетов:

- из Смеси жидкой и твердой фаз (густое'тесто) с окатыванием агломератов, либо экструзией через специальные фильтры или сита и последующей сушкой и обжигом.

В работе показаны преимущества способа гранулирования глинистых суспензий, в аппаратах "кипящего" слоя или в распылительных сушилках, дана методика расчета и' практические рекомендации по гранулированию глинистых суспензий в аппаратах "кипящего" слоя. Предложенная методика расчета аппаратов "кипящего" слоя прошла апробацию на экспериментальной установке, . рассчитанной по данной методике и разработанной в ОНИЛ кафедры ВиВ. Экспериментальная установка по изготовлению адсорбента в "кипящем" слое была смонтирована на территории водоочистной станции пос. Токсово Ленинградской обл.

Как отмечено рядом исследователей и подтверждено автором данной работы, основными недостатками типовых аппаратов

"кипящего" слоя являются: большой унос материала (до 30 % по сухому продукту) с отработанным теплоносителем, большая дисперсия размеров гранул продукта, получаемого в аппарате (от 0.1 до 4 мм), недостаточная степень классификации частиц по размерам.

Диссертантом совместно с сотрудниками ОНИЛ кафедры ВиВ разработана новая конструкция гранулятора, позволяющая регулировать гранулометрический 'состав получаемого адсорбента, а также значительно снизить пылеунос с отработанным сжижающим-агентом (теплоносителем).

Для изготовления алюмосиликатного адсорбента в широких масштабах рекомендуется наиболее эффективными способами считать получение адсорбента в аппаратах "кипящего" слоя, распылительной сушки и в горизонтальных вращающихся печах при мокрой подготовке глинистого сырья с последующим дроблением получаемого гравия и рассевом продуктов дробления.

2.5. Экспериментальные исследования физико-химических, электрокинетических, адгезионных и обесцвечивающих свойств алюмосиликатных адсорбентов, активированных соединениями магния

В диссертации приведены результаты экспериментальных ■ ■исследований по . определению механической прочности гранул алюмосиликатного адсорбента в зависимости от температуры и продолжительности термообработки. Установлено.' что для обеспечения необходимой механической прочности гранул, определяемой по мет.одике ВНИИ ВОДГЕО, температура термообработки дол.тна быть 850 °с, а продолжительность ее - около 30'минут.

В диссертации представлены также результаты экспериментов по определению насыпной массы, плотности, удельной поверхности, пористости гранул и распределению пор по размерам различных модификаций алюмосиликатного адсорбента.'

Исследования показывают, что все модификации относятся к макропористым сорбентам с преобладанием мезопор, которые, по существу, являются транспортными артериями и участвуют в процессе обесцвечивания воды, так как их'размер на порядок превосходит размер коллоидных частиц гумусовых веществ.

Удельная поверхность гранулированных материалов, измеренная методом тепловой десорбции азота, составляет 9-12 м2/г.

По всем показателям наиболее предпочтительны модификации с доломитом и магнезитом. ' -

Известно, что коллоиды, обусловливающие цветность воды, в основном несут.на себе отрицательный заряд. Таким образом, эффективность фильтрования будет зависеть от величины и знака заряда поверхности зерен. Результаты исследований электрокинетических характеристик показывают, что « отличие от всех применяемых на практике фильтрующих материалов впервые получены гранулированные материалы, имеющие положительный знак заряда поверхности зерен. Положительный заряд способствует более эффективному прилипанию частиц гуматов магния к поверхности зерен.

Электрокинетические свойства гранулированных фильтрующих материалов определялись по методике и на установке, разработанными- в ОНИЛ кафедры ВиВ диссертантом совместно с сотрудниками лаборатории.

Результаты измерений ^-потенциала для некоторых фильтрующих материалов представлены в табл, 2.2.

Таблица 2.2 Значения ^-потенциала фильтрующих материалов

Вид фильтрующего материала €,, мв

Дробленый керамзит . -16,8

Топливный ылак -14.7

Кварцевый песок . -51,6

Каолин + магнезит (15 % вес. от массы каолина) + 12,4

Каолин + основной карбонат магния (10 % вес.

от массы каолина) +4,9

Каолин + основной карбонат магния (20 % вес.

' от массы каолина) +5,8

Каолин + доломит (15 %.вес. от массы каолина) +14,5

Как следует из табл. 2.2, наилучшие электрокинетические показатели имеют модификации адсорбента с добавками магнезита и доломита.

В диссертации представлены также результаты экспериментального определения силы адгезионного взаимодействия гума-тов с поверхностью гранул адсорбента, с описанием методики проведения эксперимента на установке, разработанной в ОНЯЛ кафедры ВиВ при непосредственном участии диссертанта.

Численные результаты экспериментальных исследований по определению силы адгезии гуматов к поверхности гранул различных модификаций алюмосиликатного адсорбента представлены в табл. 2.3.

Таблица 2.3 Величина силы адгезии гуматов к поверхности гранул алюмосиликатного адсорбента

Вид фильтрующего Процент акти- Темпе- Адгезия частиц

материала вирующей до- ратура Vnp. к поверхности

бавки от мас- t, °С м/ч материала , Па

сы каолина

Каолин с добав- 5 13.5 15, 8 2, 83- Ю-4

кой магнезита 10 16,3 20.3 3, 42-10"4

• 15 17.0 27, 8 4, 61-10"4

20 15,5 23,4 4, 02-10~4

Каолин с добав- 5 'l9, 5 16,6 2, 61' Ю-4

кой доломита 10 15, 8 17,6 2, 99-Ю-4

15 15, 5 20,9 3. 65- 10"4

20 15, 1 20,6 - 3,95-10"4

Каолин с добав- 5 16,8 15,8 2,63- Ю-4

кой основного 10 17, 0 16,9 ' 2,81- 10"4

карбоната магния 15 19,0 16,5 ' 2, 62--10"4

20 18,0 18,9 3,07-Ю"4

Как следует из табл. 2. 3, наибольшая сила адгезии гума-' тов магния и кальция к твердой поверхности наблюдается у адсорбентов, изготовленных из каолина с добавкой магнезита и доломита, причем заметна тенденция возрастания силы адгезии при увеличении процентного содержания активирующей добавки.

Исследования обесцвечивающей активности гранулированно-

го алюмосиликатного адсорбента, результаты которых представлены в диссертации, проводились на трех модификациях алюмо-' .силикатного адсорбента:

- адсорбент из каолина с добавкой магнезита- в количестве .15 % вес. от массы, каолина;

- адсорбент кз каолина с добавкой доломита в количестве 15 % вес. от массы каолина;

- адсорбент из каолина с добавкой основного карбоната магния в количестве 15 % вес. от массы каолина.

Исследование процесса обесцвечивания природной воды фильтрованием проводилось на коротких слоях адсорбента.■ При проведении технологических испытаний основной задачей было определение закономерностей процесса обесцвечивания водь; и выбора наиболее эффективной модификации алюмосиликатного ад-

• сорбента.

Технологические испытания проводились на экспериментальной установке, состоящей из трех сосудов Мариотта емкостью по 5 -л и трех фильтровальных колонок диаметром 28 мм и длиной по 500 мм. .

Во все 3 колонки загружалась одна из модификаций адсорбента. Толщина слоя загрузки составляла 300 мм. крупность зерен адсорбента была аср =0,6 мм. Скорость фильтрования на каждой из колонок устанавливалась равной 3. 4 и 5 м/ч. Обесцвечиванию подлежала высокоцветная вода р. Лебяжки с цветностью 320 градусов.

Результаты фильтрационных испытаний алюмосиликатного адсорбента различных модификаций, представленные в диссерта-

• ции, показывают, что более предпочтительны для обесцвечивания вйды адсорбенты с активирующими добавками из магнезита и доломита. Практически все три модификации адсорбента обесцвечивают воду весьма эффективно и выбор той или иной модифи^

' кации для промышленной реализации обусловливается только_ технико-экономическими показателями активатора. В этом смысле предпочтение следует отдать активаторам из доломита и магнезита.

2.6. Разработка и выбор рационального метода восстановления обесцвечивающей активности фильтрующей загрузки из алюмосиликатного адсорбента

Ка,ч показали технологические испытания, в процессе фильтрования адсорбционная активность алюмоспликатных адсорбентов по отношению к гумусовым веществам, определяющим цветность воды, постепенно' уменьшается. Это происходит по двум основным причинам. Во-первых, с течением времени значи--тельная часть избыточных катионов магния и кальция, насыщающих межслоевое пространство и вакансии в кристаллической решетке каолина, продуцируют в Фильтруемую воду. Ео-зторых, адсорбировавшиеся и накапливающиеся в процессе фильтрования на поверхности зерен ' адсорбента г^маты и фульваты магния и кальция препятствуют переходу в раствор из тела гранулы избыточных катионов магния и кальция, выполняя, таким образом, роль "экрана" и "томпона" устьев макр -^ор, играющих роль транспортных артерий по доставке катионов магния и кальция из толщи зерна к его поверхности. .

В диссертации исследованы и проанализированы несколько способов регенерации алюмосиликатного адсорбента. "Самый простой из них и практически непзОежный -■ промывка адсорбента водопроводной водой. Для проведения испытаний был взят, 'адсорбент, изготовленный из каолина с добавкой доломита в количестве 15 г вес. от массы каолина. Исследования проводились на экспериментальной установке, описание- которой представлено в подразделе 2.5.

На колэнку подавалась вода с цветностью 265 градусоз. После "заработки" адсорбента сна промывалась обратным- током воды. После завершения, промывки фильтроцикл повторялся. Результаты испытаний представлены в диссертации.

Как показал эксперимент, регенерация адсорбента только водяной промывкой не обеспечивает достаточного восстановлен' ния его сорбционной активности.

Если отмывку адсорбента водой дополнить еще последующей обработкой его раствором соды, то эффективность восстановления сорбционной активности возрастает.

Эксперименты, представленные в диссертации, показывают.

что дополнительная обработка адсорбента раствором соды эффективнее. чем промывка только водой, однако и она не обеспечивает стабильного восстановления его обесцвечивающей активности. Так как при фильтровании воды через алюмосиликат-ный адсорбент значительная часто избыточных катионов магния продуцирует из тела гранулы в_жидкую среду, то адсорбент постепенно 'теряет свою активность.

Процесс перехода избыточных катионов магния из тела гранулы в раствор происходит в течение, достаточно длительного промежутка времени. Такое постепенное продуцирование Mg2* в раствор (фильтруемую воду) является существенной предпосылкой стабильности процесса обесцвечивания воды.

В диссертации достаточно подробно представлены результаты экспериментальных исследований по активированию бывшего е работе алюмосиликатного адсорбента раствором магниевой соли (сульфатом либо хлоридом магния).

Были исследованы две технологические схемы регенерации фильтрующих загрузок с активированием их раствором соли маг-нкя. На первом этапе .проводились исследования по определению эффективности регенерации, посредством последовательной обработки адсорбента растворами соды и соли магния. На втором этапе регенерацию проводили только магнием, без предварительной обработки загрузки раствором соды. При осуществлении обеих схем регенерации адсорбент предварительно промывался водой. Регенерзция проводилась как в неподвижном объеме ре-генерационного раствора, так и.при его циркуляции. При регенерации адсорбента в неподвижном объеме .регенерационного раствора результативность регенерации оценшилась как в статических условиях обесцвечивания воды, так и при фильтровании ее через отрэгенерированную загрузку. Во всех случаях проведения регенерации концентрация регенерационных раствст ров варьировалась от 1 до 5 %, продолжительность обработки, адсорбента рзгекерационными растворами составляла от 5 до 40 минут.

Исследования результативности регенерации адсорбента в динамических условиях, т.е. при фильтровании цветной воды через отрегенеркрозакную загрузку, проводились на адсорбенте. изготовленном из каолина с 15 £-ной добавкой основного

карбоната магния.

Фильтрование проводили на экспериментальной установке, описанной выше, толщина фильтрующей загрузки составляла 25 см, скорость фильтрования принималась разной 2 и/ч, исходной водой служила вода р. Лебяжкп с цветностью 510 градусоз.

В 'табл. 2.4 представлены экспериментальные данные по обесцвечиванию водь; Фильтрованием через загрузку, отрегене-рированную растворами различней концентрации при различной продолжительности контакта загрузки с растворами.

7 а б'л и ц а 2.4 Злияние концентрации реген.ерацпокнкх растворов и продолжительности обработки загрузки ка эффективность обесцвечивания воды в динамических условиях

Концентра- Время от Эффект обе СЦВЭЧИЕ ания.

ция регене- начала рН

рационных Фильтри-

растворов рования. при продоj;жительнос тп регенераци;- , мин

Mg304, % мин с, 10 15 20 30 40

' 1 2 3 4 | 5 . 6 7 8

30 „ 59, 6 74, 5 75, 5 75, 0 75.9 77,4

с, о 3.4 9 0 9, 1 9, 1 9. 1

60 52.0 51.0 60,2 61, 5 60,8 60,8

3. 3 7.9 9,0 8.9 9,0 9.0

1 120 44. 1 47, 1 43, 6 50, 0 49. 0 51. 9

8,6 S.2 8, 6 8.6 ' 8. 7 ■ 8.8

180 39, 6 43.5 44, 1 47, 1 45. 1 47,0

8,4 3. 1 3,6 8, 6 8,6 8,6

30 - 75,5 77,5 79.4 30.4 80,8 83.3

9.0 9,2 9, 1 9. 1 9.1 9. 1

60 64, 5 67.6 69,4 70.6 70,2 76.5

8,8 6.8 9. 1 9, 1 9.0 9, 0

2 120 51.9 55.8 55, 3 ■52,9 56,9 57. 8

8, 9 3.7 8,6 > 8.6 8.6 8.7

Продолжение табл. 2.4

1 2 3 4 ' 5 6 7 8

180 44.1' 47.5 50,0 47.1 47.5 48,0 ■

8.6 8.5 8,7 .8.4 8.5 8,5

30 . 80.0 82, 3 83,3 84.3 87.5 90,6

9,2 9.3 9,1 9,2 9.0 9.0

60 71,0 72,5 73.5 73,5 75.5 79,4

9. 1 9.0 8.9 8.9 * 9.0 ■9.0

3 120 52.9 61.6 62.7 63,9 64.7 65.5

8,5 8.5 8,7 8,8 8.8 '8.8

180 47. 1 51.9 '55, 1 60,4 61.7 60.8

8,6 8.5 8,6 8,6 8.8 8,8

- 30 83,3 88.2 •84.3 88,2 89.2 91.8

9,3 9.2 9.0 9,0 9.1 9.1

60 74,5 72.5 74.5 79,0. 79.8 80.4

8,9 8.9 8,9 9.0 8,9 8.9

4 120 53.9 60.8 63, 7- 65,5 66,3 67,6 -

8.8 8.8 8,8 8,8 8,8 8.8

180 49.0 52,9 55,8 57.2 59,8 61,2

8.7 8,7 8,6 8.6 8,6 8,7

30 82.3 87,0 85,9 88.2 90.2 90,0

9.2 9,2 9.2 9.3 . 9.3 9,2

60 74, 1 74,5 75,7 79,0 81,4 83,1

9,0 9,1 9,2 9,1 9.2 9.1

- 5 120 55,3 57, 6 60,8 64,7 67. 8 69,6

8,9 8.9 8,9 8,8 9.0 9,0 .

180 48.4 53,3 55,3 59,6 62,3 63.9

8.8 8.7 8.7 8.7 8,8 8,9

В полученных результатах прослеживается общая.тенденция увеличения рК фильтрата и снижения его цветности .с увеличением концентрации регенерационных растворов. Кроме того, наблюдается, что увеличение концентрации регенерационных растворов свыше 3 % не дает заметного улучшения эффекта

обесцвечивания.

Дополнительно проведенные экспериментальные исследования также показали, что после нескольких циклов двухстадий-ной регенерации адсорбента регенерация материала только раствором сульфата магния без предварительной обработки его содовым раствором также обеспечивала достаточно высокий эффект обесцвечивания воды. Эксперименты и оценка результативности регенерации проводились как в статических условиях обесцвечивания воды, так и при фильтровании цветной воды через отрегенерированную. загрузку.

Наиболее объективную сравнительную оценку обеих схем регенерации адсорбента дают экспериментальные данные, полученные в результате фильтрационных испытаний адсорбента, от-регенерированного как по двухстадийной. так и по одностадийной схеме. Результаты эксперимента представлены в табл. 2.5.

Таблица 2.5 Сравнительная эффективность обесцвечивания воды фильтрованием при разных схемах регенерации адсорбента

Время Колонка N 1; двухстадий- Колонка N 2; одностадий-

от на- ная регенерация содой и ная регенерация сульфа-

чала сульфатом магния том магния

фильт- Качеств 0 ф и л ь трата

рова- Цвет- Эффект обес- Цвет- Эффект обес-

ния. ность, цвечивания. РН ность, цвечивания. РН

' мин град. % град. %

15 20 92,8 9.2 . 20 92,8 .8,1

30 21 92, 5 - 21 92.5 . -

60 27 90,3 9,3 29 89,6 8. 2

90 ■ 34 87,8 - 35 87,5 -

120 36 87,1 - 37 86,8 . -

150 39 86,1 9.2 39 86.1 8,4

180 40 85,7 . - 40 85.7 -

210 45 83,9 - 46 83.6 -

270 48 82,8 8,9 48 . 82.8 8.3

330 51 , 81,8, - 52 81.4 ■

Как следует из табл. 2.5, обесцвечивающая активность материала восстанавливается практически одинаково при обоих способах регенерации. Однако при одностадийной ,регенерации мы имеем такие существенные преимущества, как более низкую величину pH Фильтрата, не выходящую за пределы ГОСТ 2874-82 "Вода питьевая" и не требующие корректировки его, более простую технологическую схему очистки воды.

Но одностадийную регенерацию можно осуществлять только после нескольких циклов двухстадийной регенерации свежепри- • готовленного"адсорбента, когда обесцвечивающая активность его стабилизируется. Как показали исследования, результаты которых представлены в диссертации, стабилизация обесцвечивающей активности наступает после 8-9 фильтроциклов. Причем эта активность составляет примерно 70-75 % от первоначальной.

Как следует из результатов исследований по обесцвечиванию воды, первоначально в течение некоторого времени фильтрат имеет повышенное значение водородного показателя pH (от 9 и более), в то время как в соответствии с ГОСТ 2874-82 во-, дородный показатель должен быть в пределах 6-9. В этой связи были проведены исследования и представлены .результаты по корректировке pH фильтрата подкислением серной кислотой, е. продувкой его воздухом, либо обработкой углекислым газом. Продувка фильтрата воздухом в течение 30 минут снижает рК всего на 0.3. При обработке фильтрата углекислым газом для снижения pH с 9.5 до 8 требуется доза-углекислого газа, равная 10 мг/л.

Таким образом, в тех случаях, когда требуется корректировка pH фильтрата, то предпочтительно использование углекислого газа как достаточно эффективного, технологически несложного и безопасного в,эксплуатации способа.

Анализ экспериментальных данных, проведенный с использованием теории надежности, показал, что продолжительность восстановления (регенерации) алюмосиликатного адсорбента подчиняется экспоненциальному закону распределения случайных событий. Показатели восстанозления сорбционной активности алюмосиликатного адсорбента, полученные экспериментально, хорошо совпадают' с расчетными, выполненными с использованием

вероятностных критериев.

2.7. Исследование методами математического.моделирования „ и фильтрационного анализа процесса обесцвечивания природных вод фильтрованием через алюмосиликатный ' адсорбент, активированный магнием

Результаты проведенных исследований позволяют считать, что обесцвечивание природных вод при фильтровании их через алюмосиликатный адсорбент, модифицированный соединениями. магния, является многостадийным процессом, протекающим по нижеследующей схеме:

- внешняя диффузия молекул Фульво- и гуминовых кислот (органических кислот), входящих в состав водного гумуса, к поверхности зерен загрузки;

- внутренняя диффузия органических кислот (ОК) по макропорам зерен загрузки;

- внутренняя диффузия ионов магния к поверхности зерен загрузки;

- химическая реакция образования комплексов - гуматов магния;

- закрепление комплексов на внешней поверхности зерен и на поверхности макропор в форме коллоидных структур.

Можно сделать некоторые упрощающие предположения:

- осадок формируется в одной форме;

- химйческая реакция образования комплексов гуматов магния происходит быстро (т.е. характерное время этой реакции значительно меньше, чем время диффузии);

- диффузия ионов магния проходит значительно быстрее, чем диффузия молекул гумусовых веществ (органических кислот).

Если процесс осветления природных вод (малоконцентрированных суспензий) фильтрованием при реагентной обработке воды протекает по закону внешней диффузии и математически опи-'сывае-зя только с учетом внешнедиффузионной кинетической стади (модель Д.М.Минца), то при сорбционном обесцвечивании воды И! имеем дело с процессом, протекающим в области смешанно-диффузионной кинетики, т.е. наряду с внешнедиффузионной равноправно функционирует и внутридиффузионная кинети-

ческая стадия,- Иначе говоря, . процесс обесцвечивания воды обеспечивается за счет внешней и внутренней диффузии гумусового вещества на поверхности гранул адсорбента и в порах тела гранулы.

При внешней диффузии происходит диффузия гумусового вещества к зерну через окружающий зерно и удерживаемый силами адгезии слой воды, недвижный даже в условиях относительного движения зерен сорбента и обесцвечиваемой воды. Скорость накопления гумусового вещества на внешней поверхности зерен сороента за счет массопереноса можно представить выражением

ft^fC,CL) (2.1)

которое называется уравнением внешней диффузии. Здесь а. с -средние концентрации вещества на поверхности зерен сорбента и в потоке соответственно.

В случае предельного насыщения поверхности адсорбента гумусовым веществом, когда 0, уравнение (2.1) запи-

шется в виде:

a a fíe) _ (2.2)

которое является уравнением изотермы адсорбции. Оно означает. что в динамической сорбционной системе наступило состояние равновесия между концентрациями гумусового вещества в жидкой фазе и на сорбенте., Равновесие устанавливается на границе раздела жидкой и твердой фаз. Из уравнения (2.2) следует, что количество гумусового вещества, адсорбированного весовой или объемной единицей алюмосиликатаого адсорбента, зависит ют концентрации поглощаемого вещества е растворе,- соприкасающимся с адсорбентом. С учетом сказанного уравнение внешней диффузии (2.2) можно записать в виде:

= f (С- Cace) " (2.3)

где j3 - внешнедиффузионный коэффициент, называемый коэффициентом массопередачи, с размерностью 1/с;

Слог- поверхностная концентрация гумусовых веществ, которая уравнением изотермы . f(c) связана с локальной

концентрацией в зерне на поверхностных слоях.

a-rL* <2-4>

Если концентрацию гумусового вещества в слое, адсорбента (на поверхности зерна) обозначить через a(x,t). a локальную концентрацию сорбата в зерне обозначить через CLS>(x,t, г) ,. которая зависит от координаты г в зерне (о где d -

диаметр зерна, то связь концентраций можно представить интегралом

а(хЛ): (2.5)

где m - пористость.

При этом полагается, что Q. рассчитывается на единицу объема слоя загрузки. aS}- на единицу объема зерна. С учетом локальных концентраций уравнение внутридиффузионной кинетики процесса можно описать вторым законом Фика:

Sra.<s>_ /. ЗГ ÏÏa1") (2.6)

где 2) - коэффициент внутренней диффузии гумусовых веществ внутри зерна адсорбента. Равновесие сиотемы адсорбент - сорбат в состоянии предельного насыщения адсорбента гумусовым Ееществом характеризуется изотермой адсорбции.

Уравнение изотермы адсорбции можно представить в виде:

а=Г-ср _ "(2.7)

где Г - безразмерный коэффициент распределения (коэффициент ' Генри), равный отношению а^с0. где -а,,-количество адсорбированного гумусового вещества, равновесное с начальной концентрацией £„ данного вещества в исходной воде, подлежащей очистке. Как нетрудно заметить, уравнение (2.7) - это уравнение линейной изотерму.

Результаты экспериментальных исследований по определению вида изотермы адсорбции при обесцвечивании воды, представленные в диссертации, показали, что изотерма адсорбции действительно линейная.

Таким образом, используя известную модель динамики сорбции в смешанно-диффузионной области кинетики при линейной изотерме математическую модель процесса обесцвечивания природных вод можно представить в виде системы уравнений:

гхсСг см. (2.5)

к*•#Сь)] ' ,2-9>

' Ял"}

4=- = О (2.10)

где о < г < (3/2.

В данной системе уравнений' (2.5) описывает связь локальной концентрации в зерне ^'(г^^) с усредненной на поверхности зерна а.(х,€), (2.6) - уравнение внутренней диффузии, (2.8) - описывает баланс сорбируемого компонента (гумусового вещества), (2.9) - граничное условие ,для уравнения (2.6) на поверхности зерна, являющееся уравнением внешнедиф-фузионной кинетической стадии, (2.10) - условие в центре зерна.

При фронтальной динамике сорбции (фильтрование сверху или снизу вверх) на чистой загрузке краевые условия задаются в виде:

С(0,г)=С.; а (х, 0)^0

Для данной математической модели при линейной изотерме адсорбции решение известно. Оно найдено численными методами на ЭВМ и' представлено в виде семейства теоретических кривых

и~р(хлн) (2.И)

где - безразмерная концентрация сорбируемого ком-

понента в растворе (уровень просксковой концентрации сорбата); безразмерная толщина слоя сорбента; ¿.л/!— безразмерная продолжительность сорбционного процесса;

~ критерий, характеризующий относительный вклад' внешнедиффузионного и внутридиффузи--оннсго массопереноса (критерий Био); здесь V - скорость фильтрования, см-с"1, - внешнедиффу-'зионный коэффициент, с"1, % - коэффициент внутренней диффузии, см2'С"1, Ж - диаметр зерен адсорбента, см; Г- безразмерный коэффициент ( Га а= /с0 ) распределения (коэффициент Генри), где а,- количество адсорбированного вещества, равновесное с начальной концентрацией этого вещества в воде Са.

Используя результаты решения, построен атлас теоретических кривых динамики сорбции вида И3 Р СХ,Т) для значений И от 3 до 16, которые характеризуют область смешанно-диффузионной кинетики процесса сорбционного обесцвечивания воды.

'Полученные теоретические кривые используются для определения параметров^0,2), Г и расчета процесса, т.е. нахождения времени защитного действия фильтра для заданных технологических условий (толщина слоя загрузки t , скорость фильтрования V. крупность зерен адсорбента <1 , заданный уровень проскока цветности в фильтрате и.3 ) и сорбционных па-

раметров системы.

- Определение параметров , 21., Г . а также критерия Н производится посредством аналитической обработки результатов фильтрования природной воды на коротких слоях алюмосиликат-' ного-адсорбента с использованием атласа теоретических кривых динамики сорбции.

Экспериментальное изучение динамики обесцвечивания природных вод фильтрованием на коротких слоях проводилось при различной цветности воды (от 100 до 200 градусов), -крупности

зерен фильтрующего материала (0,4: 0,6; 1/0 мм), скорости фильтрования (от 3 до 5 м/ч) и различных модификаторах алю-мосиликатного адсорбента (доломит, магнезит, гидроксйд магния) . *

Экспериментальная фильтровальная установка описана в разделе 2. Обесцвечиванию подлежала высокоцветная вода ■ р. Лебяжки. Цветность фильтруемой воды принималась равной 100, • 150 и 200 градусов. Программа и методика фильтрационных испытаний подробно представлены в диссертации. Было проведено и обработано. 243 Фпльтроцикла.

Для доказательства соответствия математической модели реальному процессу выборочно взяты для анализа результаты опытов NN 28 и 37. 29 и 38, 32 и 41, 33 и 42, 35 и 44. они попарно отличаются только цветностью исходной воды и видом адсорбента; результаты аналитической обработки указанных опытов представлены в табл. 2.6.

Наложение экспериментальных точек . где и$ -

уровень проскока цветности в фильтрате, на теоретические кривые, представлено на рис. 2.2. Из рис. 2.2 следует, что на' пучке теоретических кривых при Н = 3 в районе безразмерных длин X = 0,5 и 0,63 дтетаточно удовлетворителёно накладываются экспериментальные точки опытов 37, 38, 41, 42, £" 44. а с теоретическими кривыми при И = 5 и X = 0,3; 0.4; 0,5 хорошо совпадают экспериментальные значения опытов 28, 29. 32, 33 и 35.

Таким образом, независимо от цветности исходной воды, скорости фильтрования и вида адсорбента математическая модель вполне удовлетворительно описывает реальный процесс обесцвечивания воды.

'2.8. Разработка метода расчета и оптимизации процесса сорбционного обесцвечивания природных вод на алюмосиликатном адсорбенте, активированием магнием

В диссертации разработана и предложена методика экспериментального определения кинетических параметров процесса сорбционного обесцвечивания природных вод^З , Я .Н .¿л и емкостного параметра Г. В результате исследований установлено.

Таблица 2.6 Динамика процесса обесцвечивания природных вод фильтрованием через короткие слои алюмосиликатного адсорбента, активированного соединениями магния (крупность зерен адсорбента сСс. = о, 6 мм)

Время Цветность исход- 100 150 200

от на- ной воды, град.

чала

фильт- Скорость Фильт-

рова- рования, м/ч 3 4 4 5 4

ния.

мин Уровень проскоковой цветности в

фильтрате

Номера опытов 28 1 29 32 33 35

30* Адсорбент на 0,25 0,40' 0.48 0,52 0..39

60 основе каолина 0, 36 0,48 0,60 0,63 0.50

120 с добавкой «до- 0.45 0. 60 0,66 0,70 0, 62

■ 180 ломита в коли- 0.54 0,70 ' 0.78 0,79 0,70

240 честве 15 % 0.64 0,74 0,80 ' 0 ', 81 0,82

300. вес. от массы 0.72 0.78 0.81 0,83 0,83

360 каолина 0; 75 0/79 0,82 0. 83 0,83

Номера опытов 37 38 . 41 42 44

30 Адсорбент на 0.30 0.35 0,41 0, 56 0,50

60 основе каолина 0.36 0.43 0.54 0.70 0.-62

120 с добавкой ос- 0.58 . 0.63 0. 78 0. 84 . 0. 70

180 новного карбо- 0.70 0.78 '0,81 0, 86 ' 0,80

240 ната магния в 0.80' 0,82- 0.85 0,87 0,85 .

300 количестве 15 % 0.82 0.82 0,83 0. 86 0,84

360 вес. от массы 0,83 0,85 0,86 0,89 0,87

каолина

Наложение экспериментальных точек на теоретические

кривые динамики сорбции 21'1-/ХТ) при Н =

С)

о *

? о

9 в 7 6

-ъь

0> а

«о О 2«.

г >

1

10"

к=Ь

/ /

/1 у / /

( а

ТГТ / / /

О ' с \ / / /

У ' у V /

г 3 Н 5 6 7 в Э10* в з 4 5 е 7 0 9/0"

а - опыт 28,. ф- опыт 29,. ♦ - опыт 32, х - опыт 33, я-опыт V- опыт 37, • - опыт ЗУ, в - опыт 41,. г - опыт 42, а - опыт 44

Рис. 2.2: - -

что внешнедиффузиснньш коэффициент зависит от крупности зерен, скорости фильтрования и вида адсорбента, в то время как коэффициент внутренней диффузии зависит в основном от вида адсорбента и в меньшей степени от крупности зерен. Безразмерный параметр &0 характеризуется физико-химическими свойствами адсорбента и адсорбата, однако для всех модификаций адсорбента он практически одинаков, т.е. не зависит от вида активирующей добавки.

Экспериментально установлено, что коэффициент распределения Г практически не зависит ни от скорости фильтрования, ни от крупности зерен адсорбента, но зависит от вида модификации адсорбента. Наиболее предпочтительные значения параметра Г, косвенно характеризующего емкостные показатели адсорбента, наблюдаются у адсорбентов, активированных доломитом и основным карбонатом магния.

После того как фильтрованием через короткий слой алюмо-сидикатного адсорбента природной воды определенного качественного состава определен набор экспериментальных точек = Цг/ц* , где ц„ - цветность исходной воды, цр - цвет. ность фильтрата в определенный промежуток времени ¿¿, считая от начала фильтрования, на кальке в билогарифмических координатах £ наносятся точки и.э = /{£) .

Последовательным наложением системы и.у'на каждое из семейств теоретических кривых динамики сорбции при определенном//, начиная'с наименьшего значения (//=3) определяется'наилучший вариант совпадения экспериментального набора точек и}-/а) с какой-либо одной теоретической кривой Х.~соп$'Ь . Непременное условие при наложении: оси абсцисс экспериментальной системы^»//ё.)и теоретической системы 71-Р(Т) должны совпадать, т. е. и^М^ относительное перемещение систем при совмещении экспериментальных точек теоретическими кривыми .осуществляется только в горизонтальном направлении вдоль оси абсцисс.

В результате наложения определяются Н3 ,X$ и соответствие —(индекс "э1; означает, что указанные величины получены из эксперимента).

Подставляя в известные формулы найденные значения Н9 .

и соответствие —-Т3 при заданных толщине'слоя

скорости фильтрования Ъ~э и крупности зерен сС3 . определяются кинетические параметры процесса¿„ и емкостной параметр Г . ,

(2-12) I 3 (2ЛЗ>

■Сэ V}

Я^тНА- (2Л4) Г* Х*'/>г3 (2.15)

По экспериментально найденным значениям Н} , ёа определяются безразмерные критерии и Xр расчетного фильтра (при заданных ¿р. 1)~р и а^ )'

(2.16) Хр =

. По найденным значениям Нр \\Хр из атласа теоретических_ кривых динамики сорбции находится нужная кривая и- при заданном уровне проскоковой концентрации цветности ч^Цг/ца определяется безразмерное время Тр , а затем и фактическое время защитного действия загрузки по формуле:

(2.18).

V е. • V/'*

Задача оптимизации в диссертации сформулирована следующим образом: при условии получения очищенной воды питьевого качества требуется найти оптимальные условия ведения процесса: тип адсорбента, толщину слоя загрузки, скорость фильтрования.

В качестве обобщенного критерия оптимальности приняты приведенные затраты.

В диссертации представлена вся последовательность процесса оптимизирования технологических и конструктивных параметров процесса и фильтрующей загрузки в соответствии с ист ходными данными и структурной схемой решения задачи оптимизации процесса обесцвечивания воды. .

Для удобства поиска минимума целевой функции была сос-

тавлена программа для ЭЦВМ "Искра-226", построенная на покоординатном принципе решения.

В результате расчетов найдено, что оптимальная толщина загрузил во всех вариантах составляет 1,8 м.

Оптимальные' значения скорости фильтрования• V и целе-функции П при разных производительностях представлены в таблице 2.7.

Таблица 2.7 Оптимальные значения скорости и целевой функции для разных значений О. и а

а и* Ц т/и..

м3/сут. 0,4 о; 2 0, 14 0. 1

V п V п V п V П .

м/ч руб. м/ч руб. м/ч руб. м/ч руб.

1000 4 27556 3 29841 3 31519 3 32815

3000 4 82418 3 88807 3 93841 3 98037

5000 5 121940 3 132504 3 140893 3 147886

8000 5 182248 3 199211 3 212633- 3 223822

12500 5 258333 3 282523 3 223822 3 32-980

Примечание; Приведенные затраты (целевая функция) подсчитывались в ценах 1990 г.

Как следует из табл. 2.7, значение оптимальной скорости возрастает с увеличением производительности -водоочистной станции и уменьшается с уменьшением допустимого уровня прос-коковой цветности в фильтрате.

Анализ условий и степени надежности сорбционного метода обесцвечивания природных вод Фильтрованием через алюмосили-катньгй адсорбент, проведенный в диссертационной работе, позволил установить, что интенсивность отказов (нарушение заданных показателей технологического процесса обесцвечивания воды) фильтрующей загрузки имеет распределение по закону Пуассона. Это дает .снование считать, что:

- процесс сорбционного обесцвечивания ■ природной воды является стабильным (установившимся);

- технологические показатели процесса обесцвечивания воды характеризуются полным-восстановлением рабочих характе- ■ ристик фильтрующей загрузки .после отказа путем ее регенерации;

- процесс фильтрования через алюмосиликатный адсорбент обладает ординарностью, т.е. практической невозможностью появления отказа за малый промежуток време&и.

2.9. Испытания процесса и оборудования при сорбционном обесцвечивании природных вод фильтрованием на крупномасштабном стенде и на промышленной фильтровальной установке. Технико-экономическая эффективность метода

Для отработки технологии обесцвечивания воды и восстановления обесцвечивающей активности фильтрующей загрузки из алюмосиликатного адсорбента были проведены технологические испытания на крупномасштабном экспериментальном стенде,■ смонтированном на водоочистной -станции пос. Токсово Л.-Финляндского отд. Окт. ж.д.■Установка включала в себя расходный бак с цветной водой емкостью 300 л. фрагменты реальных филь- ' Тров (2 шт.) диаметром Д = 100 мм и высотой Ь = 3000 мм, выполненных в виде труб из оргстекла.

Для восстановления обесцвечивающей активности фильтрующих загрузок был смонтирован узел регенерационных растворов, состоящий из двух бочек емкостью пс 100 л и одного насоса типа "Кама" для подачи регенерационных растворов. Регенерация проводилась в динамических' условиях посредством циркуляции регенерационных растворов, в качестве которых использовались 3 %-ные растворы соды и сульфата магния. ' Цветность исходной воды варьировалась от 100 до 300 градусов, скорость фильтрования составляла 4,0-4,5 м/ч. «

Результаты испытаний, представленные в диссертации, показали высокую технологическую эффективность сорбционного обесцвечивания природной воды. После проведения нескольких циклов регенераций фильтрующая загрузка из адсорбента стабильно восстанавливала сорбционную активность на уровне 75 %

от первоначальной (свежеизготовленноЯ).

В качестве первого объекта для реализации сорбционной технологии обесцвечивания воды был выбран пункт водоснабжения на, ст. Кат-Озеро Мурманского отд. Окт. ж, д.

Источником водоснабжения на ст. Кат-Озеро является озеро того же названия. Цветность воды колеблется от 80 до 120 градусов. pH =* 6,7 - 6.8, щелочность воды не превышает 1,2 мг-экв/л.

После реконструкции технология осуществляется по нижеследующей схеме. Вода из озера насосом подается в заземленный резервуар емкостью 100 м3. Из резервуара насосом подъема вода подается в один из двух напорных фильтров (второй фильтр резервный), загруженных адсорбентом, изготовленным из каолина с добавкой доломита в количестве 15 % вес. от массы каолина. Толщина слоя загрузки 1.2 м, крупность зерен dcp = =0.4 мм. скорость фильтрования 5 м/ч. Профильтрованная вода поступает в гидропневматический бак,- а из него - потребителям. Обеззараживание воды осуществляется раствором хлорной извести, который вводится с помощью эжектора в трубопровод перед гидропневматическим баком.

Приготовление регенерационних растворов соды и сульфата магния осуществляется в двух гидравлических мешалках. Раствор, соды применялся для регенерации загрузки только на стадии пуско-наладочных работ и подготовки установки.к постоянной эксплуатации.

В дальнейшем для регенерации загрузки использовался только 3 й-ный'раствор сульфата магния.

Проведенные эксплуатационные наблюдения показали, что при цветности исходной воды 90-1.10 град, при скорости фильтрования 5 м/ч продолжительность фильтроцикла до .момента достижения фильтратом цветности ' 20 град, составляла 12-14 часов. Только первые 10-15 минут фильтрования после регенерации pH фильтрата составлял 9,1-9,2; этот промежуток времени совпадал со сбросом первого фильтрата в канализацию. Все остальное время работы до .последующей регенерации водородный показатель фильтрата pH составлял 8,9-8.4. Жесткость фильтрата в течение всего фильтроцикла была значительно ниже предельного норматива. -

В настоящее'время завершены работы по реконструкции одного контактного осветлителя водоочистных сооружений в поселке Микунь Северной ж.д. На данном объекте используется традиционная схема обесцвечивания воды на контактных осветлителях с реагенткоп обработкой воды. Но, к сожалению, в периоды высокой цветности и низких температур воды в реке процесс обесцвечивания проходит неудовлетворительно (высокая остаточная цветность и повышенное содержание ион-алюминия в фильтрате). С июля 1995 г. на этом объекте проводятся опытно-промышленные испытания сорбционной технологии обесцвечивания воды на одном контактном осветлителе, загруженном алю-мосиликатным адсорбентом.

Ведутся также работы по реконструкции водоочистных сооружений питьевого водоснабжения г. Буй Костромской обл. Реа-гентная схема двухступенчатой очистки заменяется на сорбци-онную с использованием алюмосиликатного адсорбента, осветлители со взвешенным осадком (первая ступень очистки) будут переоборудованы на фильтры с восходящим движением очищаемой воды.

Сорбционный метод доочистКи природной воды в индивидуальных водоочистительных- устройствах прошел технологические и гигиенические испытания в С. -Петербургском Управлении санитарно-эпидемиологического надзора и в настоящее время нашел применение в серийно изготовляемых на АО "Электрофарфор" (г: Великие Луки) бытовых фильтрах "СорбИ-1" и "Сорби-2".

Определение годовой экономической эффективности от применения новой технологии сорбционного обесцвечивания природных вод проводилось 'сопоставлением приведенных затрат на очистку воды'по базовому варианту и варианту с использованием предлагаемой технологии обесцвечивания воды.

Базовый вариант - очистка воды на контактных осветлителях с предварительной обработкой воды коагулянтами. В расчетах по базовому варианту использовались нормативы действующих типовых проектов.

Технико-экономическое сравнение произведено для водоочистных станций производительностью 1600, 5000 и 125000 м3 в сутки. Сравнение, вариантов производилось по приведенным затратам. Экономические показатели обесцвечивания природных вод

фильтрованием по базовому и разработанному вариантам очистки представлены в табл. 2.8.

Таблица 2.8

Производительность водоочистной станции, м3/сутки Цветность исходной воды, град. Приведенные затраты, млн. руб. Экономическая эффективность разработанного варианта, млн. руб.

по базовому варианту по разработанному варианту

1600 50 100 120 334,16 340, 17 342, 11 202,88 203, 37 203,87 131,28 . . 136,80 138,24

.5ООО 50 ■ 100 120 423,32 440.68 447,40 254.48 256,40 258,48 168,84' 184,28 188.92

12500 50 • . 100 120 596.64 637,44 65?,48 350, 96 355, 28 359, 40 245,68 282,16 ■ 300,08

Анализируя данные табл. 2.8, можно.заключить, что с увеличением цветности исходной воды и производительности водоочистной станции экономическая эффективность сорбционого метода обесцвечивания воды возрастает.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Комплексное использование способности слоистых алюмосиликатов к катионному замещению и гуминовых веществ к образованию гуматов с катионами щелочно-земельных металлов на поверхности раздела жидкой и твердой фаз позволили сформулировать и предложить способ обесцвечивания природных вод фильтрованием через гранулированный материал, изготовленный на основе алюмосиликатов и активирующей добавки малорастворимого соединения .магния.;

2. Теоретические и экспериментальные исследования процесса гранулирования глинистых композиционных смесей позволили обосновать возможность изготовления альмосиликатных адсорбентов как в аппаратах псевдооашженного слоя (кипящий слой, распылительная сушка),. так и методом окатывания глинистой смеси на тарельчатых грануляторах или экструзией ее через перфорированные насадки с последующим обжигом грануля- ■ та либо в стационарных, либо во вращающихся горизонтальных печах.

3. В результате теоретического обоснования и экспериментальных исследований предложен эффективный композиционный состав и технологические параметры изготовления гранулированных материалов для сорбционного обесцвечивания природной воды.

4. Анализ экспериментальных данных по обесцвечиванию воды в ограниченном объеме (в статике) и в динамических условиях при фильтровании через короткий слой показал, что процесс обесцвечивания воды фильтрованием через алюмосили-катныЯ адсорбент из жидких сред протекает в области смешан-' но-диффузионной кинетики, что 'дало возможность использовать критериальные зависимости сорбционного процесса при разработке метода расчета кинетических и емкостных параметров сорбционного обесцвечивания природных вод.

5. Разработанный метод расчета сорбционных фильтров для обесцвечивания природных вод позволил определить оптимальные технологические параметры процесса и фильтрующей загрузки.

6. Восстановление обесцвечивающей активности алюмосили-катного адсорбента может осуществляться по двум технологическим схемам:

• - последовательная обработка промытого водой адсорбента 3-4 %-ными растворами соды и магниевой соли в течение 30 минут каждым из растворов;.

- обработка промытого водой адсорбента только 3-4 %-ным раствором магниевой соли в течение 30 мин.

7. Одностадийная регенерация (активация) адсорбента бо^ лее предпочтительна, нежели двухстадийная. так как она проще, не уступаетдвухстадийной по эффекту восстановления обесцвечивающей активности адсорбента, но водородный показа-

тель фильтрата после одностадийной регенерации намного ниже и не выходит за пределы допустимого по ГОСТ 2874-82.

8. Эксплуатационные наблюдения подтвердили надежность сорбциднного метода очистки воды, адекватность технологического и математического моделирования процесса обесцвечивания природной воды фильтрованием чер0ез алюмосиликатный адсорбент реальному процессу сорбционного обесцвечивания воды на промышленных фильтровальных сооружениях.

9. Практическая возможность получения воды питьевого качества из высокоцветних природных вод (с цветностью болеек 120 градусов),■ при полном отсутствии в очищенной воде остаточного алюминий-иона, улучшение солевого состава воды за счет увеличения в ней концентрации ионов магния, меньшие по сравнению с реагентным методом приведенные затраты на очистку воды, доступность в любых количествах фильтрующего материала (алюмосиликатного адсорбента) подтверждают персцектив-ность широкого использования разработанной технологии водоочистки для целей хозяйственно-питьевого водоснабжения. .

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах и защищено авторскими свидетельствами:

1. A.c. 982823 СССР. .Способ приготовления керамзитовой гранулированной загрузки для фильтров очистки воды/Петров Е.Г., Новиков М.Г. и др: - Б. И. М 47. 1982 Г. •

2- A.c. 1033179 СССР. Способ получения гранулированного фильтрующего материала для очистки воды/Петров Е.Г., Павлов М.С. и др. Опубл. Б. И. N 29. 1983 г.

3. A.c. 1139498 СССР. Способ получения фильтрующего материала /Петров Е.Г., Фадеев А.Ф. и др. Опубл. Б.И. -N б, 1985 Г.

4. A.c. 1152650 СССР. Способ получения гранулированного фильтрующего материала/Петров Е.Г., Дикаревский B.C. и др. Опубл. Б. И. N 16, 1Э85 Г. ' .

5. A.c. 1173272 СССР. Способ определения адгезии частиц взвеси в суспензии к поверхности фильтра/Петров Е. Г.. Новикова Н. В. и др. опубл. Б. И. N 30, 1985 г.

6. A.c. 1225164 СССР. Установка для-определения силы адгезии частиц взвеси к/твердой поверхности фильтрующего -ма-

териала в жидкой среде /Петров Е.Г., Виноградов Н.И. и др. ОпубЛ, Б. И. N 15, 1986 Г.

7. A.c. 1243807 СССР. Способ получения гранулированного фильтрующего материала/Петров Е.Г., Дикаревский B.C. и др. Опубл. Б. И. N 26, 1986 г.

8. А.е., 1243808 СССР. Способ получения гранулированного фильтрующего материала/Петров Е.Г., ' Дикаревский B.C. и др. Опубл. Б. И. N 26, 1986 г.

9. A.c. 1264969 СССР. Способ получения гранулированного фильтрующего-материала/Петров Е.Г., Виноградов Н.И. и др. Опубл. Б. И. N 39. 1986 Г.

10. A.c. 1264970 СССР. Способ получения гранулированного фильтрующего материала/Петров Е.Г., Фадеев А.Ф. и др. Опубл. Б. И. N 39. 1986 Г.

11. A.c. 1286266 СССР. Способ получения гранулированного Фильтрующего материала/Петров Е.Г.. Фадеев А.Ф. и др. Опубл. Б. И. M 4, 1937 г. •

12. A.c. 1323936 СССР.' Устройство для измерения электрокинетического потенциала фильтрующих . материалов/Петров Е.Г.. Базилева О.В. и др. Опубл. Б. И. N 26. 1987 г.

13. A.c. 1402370 СССР. Аппарат для гранулирования материалов в кипящем слое/Петров Е.Г., Виноградов Н.И. и др. Опубл. Б. И. N 22. 1988 Г.

14. A.c. 1496817 СССР; Способ получения фильтрующего материала/Петров Е.Г.. Фадеев к.Ф. и др. Опубл. Б.И. N 28, 1989 г.

15. A.c. 1570100 СССР. Способ получения гранулированного фильтрующего материала/Петров Е.Г.. Виноградов Н.И. и др. Опубл. Б. И. N 21. 1989 Г.

16. Положительное решение по заявке N 94014699 от Д9.04.94 г. на патент России. Способ получения гранулированного фильтрующего материала (Петров Е.Г. ).

17. Патент Германии ДЕ 370316SA1 (опубл". 11.08.88 г.). Великобритании В 2200350В (опубл. 22.08.90г.), Финляндии 84140 (опубл. 15.07.91г.). Франции .8701638 (опубл. 19.10.90 г.). Способ получения гранулированного фильтрующего ыьтериала/Петров Е. Г.. Фадеев А.Ф. и др.).

18. Петров Е.Г. Использование керамзита в качестве

фильтрующего материала//Жилищно-коммунальное хоз-во.- 1968.-К 7. - С. 29.

19. Петров Е.Г.1 Керамзит как фильтрующий материал/Тр. АКХ им% К.Д.Памфилова. - К.: 1969. внп. 52. - С. 120-127.

20. Петров Е.Г. Исследования фильтрующих материалов и расчет многослойных загрузок водоочистных фильтров: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. - М.: ЛНИИАКХ, 1969. - 23 с.

21. Петров Е. Г., Дикаревский B.C., Левитин С.М. Эффективный метод очистки высокоцветных природных вод для хозяйственно-питьевого водоснабжения на железнодорожном транспорте: Сб. науч. • тр. Интенсификация работы железнодорожного транспорта на современном этапе. - Л. : ЛИИЖТ, 1985. - С. 93-105. . . .

22. Петров Е.Г., Левитин С.М., Фадеев А.Ф. Фильтрующие материалы для безреагентной очистки природных вод. - В кн. : Новые исследования по сетям и сооружениям систем водоснабжения: Межвуз.'темат. сб. тр. - Л.: ЛИСИ, 1985. - С. 132-138.

'23. Петров Е.Г., Левитин С,М. Обесцвечивание маломутных природных вод фильтрованием через алюмосиликатный адсорбент без предварительной • обработки воды коагулянтом. - В кн.: Вопросы проектирования и эксплуатация 'систем водоснабжения: Межвуз. темат. сб. тр. - Л.; ЛИСИ, 1988. - С. 1347.

24. Петров Е.Г,, Фадеев А.Ф., Базилева О.В., Левитин С.М. Обесцвечивание природных вод фильтрованием через гранулированный алюмосиликатный материал, модифицированный магнием._ - В сб. науч. тр. Водоснабжение, водоотведение и гидравлика на железнодорожном транспорте. - Л, : ЛИИЖТ, 1985. - С. 11-15.

. 25. Петров Е.Г., Дикаревский B.C. Очистка природных вод от гумусовых веществ. Сборник материалов советско-американской научно-техн. конф. - М. : 8-10 июня 1989. - С. 117-119.

26, Петров Е.Г., Базилева О.В., Виграненко Л.В. Новый . фильтрующий материал для безреагентной очистки ■ природных вод. - М.. 1983. - С. 105-110. Деп. В ВИНИТИ N 2937-83.

27. Петров Е.Г., Левитин С.М. Обесцвечивание высокоц-, ветных природных вед фильтрованием через материал, изготовленный из алюмосиликатного сырья с добавкой- карбоната магния. - М. , 1987. Г. 668-672. Деп. в ВНИИИС II 7115^

ге. Петров Е.Г., Фадеев-А.Ф. Модифицирование фильтрующих Материалов для очистки высокоцветных природных вод для хозяйственно-питьевого водоснабжения. - м., 1987. . - С. 665-667. Деп. В ВНИИИС N 7115.

29. Петров Е. Г., Базилева О.В., Виноградов Н.И. Злект-рокинетические свойства фильтрующих материалов, изготовленных из слоистых алюмосиликатов и модифицированных магнием. -М.. 1983. - С. 34-36. Деп. В ВНИИИС N 8300.

30. Петров Е. Г. Получение модифицированных фильтрующих материалов для безреагентной очистки воды фильтрованием. Тез. Докл. Республиканской научно-техн. конф. "Интенсификация очистки природных и сточных вод". -Ровно, 1983. -С..

15-16.

31. Петров Е.Г.. Веницианов Е.В. Оптимизация технологических и конструктивных параметров сорбционногс обесцвечивания природных вод. - Киев: Химия и технология воды, 1989, т. 11. N 8. - С. 687-691.

. 32. Петров Е. Г., Веницианов Е. В. Сорбционные- характеристики процесса обесцвечивания природных вод алюмосиликат--ным адсорбентом различной модификации. - Химия и технология ВОДЫ. - Киев, 1989, т. 11. il 8. - С. 761-762. ■

33. Петров'Е.Г., Веницианов Е.В. Расчет процесса сорб-ционного обесцвечивания природных-вод на основе математической модели. - Химия и технология воды. - Киев, 1989, т. И, N5. - С. 387-390. .

34. Петров Е.Г. Регенерация адсорбентов в процессе сорбционного обесцвечивания природных вод. - Химия и технология воды. - Киев, 1989, T. И, N 10. - С. 939-940.

35. Петров Е.Г. Современные, методы очистки природных вод фильтрованием//Железнодорожный транспорт. Сер. Проектирование. Строительство. - М. : ЦНИИТЭИ, 1989. вып. 1. - С.

16-25.

36. Петров Е.Г., Гладких Ю.Н. Разработка.метода регенерации алюмосиликатного сорбента при'обесцвечивании природных вод//Железнодорожный транспорт. Сер. Проектирование. Строительство. - М. : ЦНИИТЭИ, 1990, вып. 1. - С. 16-18.

37. Петров Е.Г. Способ сорбционной очистки высокоцветных природных вод для ' хозяйственно-питьевого водоснабже-

ния//Железнодорожный транспорт. Сер. Проектирование. Строительство. - М. : ЦНИИТЭИ, 1991. вып. 3. - С. 10-15.

38. Петров Е.Г. * Очистка природных вод от цветнооти фильтрдванием через модифицированный керамический песок. Тез. научно-техн. конф. - Куйбышев: КуСИ. 1986. --С. 15-16.

39. Петров Е.Г. Способ сорбционной очистки высокоцветных природных вод, для хозяйственно-питьевого водоснабже-ния//Железнодорожный транспорт. Сер. Строительство. Проектирование. - М.; ЦНИИТЭИ, 1991. вып. 3, - С.. 10-15.

40. Петров Е.Г. .Оптимизация восстановления сорбционной. активности алюмосиликатного сорбента при обесцвечивании природных вод. - В кн.: Сооружения и способы очистки природных и сточных вод: Межвуз. темат. сб. тр. - Л.: ЛИСИ,- 1990. - С. 10-13.

41. Петров Е.Г., Дикаревский В,С. Очиотка природных и сточных вод с использованием алюмосиликатного адсорбента, активированного магнием. Тез. докл. Всесоюзного научно-техн. семинара "Очистка природных и сточных вод". - М.: ВНИИВОД-ГЕО. 1989. - С. 11-13.

42. Петров Е.Г/ Очистка природных вод для питьевых целей от органических и минеральных загрязнений фильтрованием через алюмосиликатный адсорбент длительного использования. Тез. специализированной выставки-семинара "Чистая вода". -СПб, 1992. - С. 41-42. ' ' •

43. Петров Е.Г. Глубокая очистка природных вод от органических и минеральных загрязнений фильтрованием через алюмосиликатный адсорбент длительного использования. Материалы 2-ой научно-техн. конф. "Проблемы достижения и практический опыт в области получения особо чистой воды для различных производств". СПб, 1992. - С.■ 34-37.

44. Петров Е.Г., Веницианов Е. В. Физико-химические условия реализации процесса сорбционного обесцвечивания при-, родных вод//Журнал физической химии. - М., 1995 (в печати).

45. Веницианов Е.В.. Петров Е- Г. Теоретические аспекты технологии обесцвечивания природных вод фильтрованием через алюмосиликатный адсорбент, активированный магнием/УТеорети-ческие основы химической технологии. - М., 1995 (в печати).

46. Техничесгле указания по проектированию, наладко и

эксплуатации установок для обесцвечивания природных вод фильтрованием через алюмосиликатный адсорбент, ■ активированный магнием, в хозяйственно-питьевом водоснабжении на железнодорожном транспорте/Разработчик Е.Г.Петров.' - М.-Л., 1990.. - 22 с.

Подписано к печати 22.12.95. Печ.офсетная.Бум.офс. № I Формат 60хЫ 1/16.'Усл.печ.л.3,25. Тир. 100.оак.л/т'

, С-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет. 198005,С-Летербург,2-аЯ Красноармейская .Ротапринт СПбГАСУ,193005,С—Пвтербург,ул.Егорова,5