автореферат диссертации по строительству, 05.23.04, диссертация на тему:Удаление брома из подземных вод

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНДЕНЕРНО-СТРОШИБНЫЙ ИНСТИТУТ ИМ. В.В.КУЙБЫШЕВА

На правах рукопиои

МБ САЛОМ ДУРГАМ НИМА

УДАЛЕНИЕ БРОМА ИЗ ПОДЗЕМНЫХ ВСД

Специальность 05.23.04 -

Водоснабжение, канализация, строительный сиотемы охраны водных реоуроов

АВТОРЕФЕРАТ

диооертации па оояоканив ученой отепепа кандидата технических наук

Москва - 1991

Работа выполнена в Московском Ордена Трудового Красного Зна-' ыени инкенерно-отроятольном ипотитуте им. В.В.Куйбышева.

Научный руководитель •' - . - кандидат технических наук,

профессор Николадзо Г.И.

Í' Официальные оппопеты - доктор технических наук,

. профессор Шуберт С.А.

- старший научный сотрудник, канд.техн.наук Ашанин В.В.

' Ведущая организация - ЦНИИЭП инженерного оборудования

Гоограаданотроя СССР

'" " ' •'. • 3°

Защита состоится " 2 п cv/tfiZ^ 1991 г. в"'^ " чао. на заседании специализированного совета К 053.11.08 в Ыооковоком . иквенерно-строительном институте им. В.В.Куйбышева но адресу: II3IÍ4, Москва, Шлюзовая наб., д. 8, МИСИ им. В.В.Куйбышева, ауд. J» Ь .

С диооертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Просим Bao принять участле в защите и направить Ваш отзыв в двух . экземплярах по адресу: 129337, Мсоква, Ярославокое шоосе, д. 26, ШСИ ем. В.В.Куйбышева, ученый оовет.

Автореферат разослан "/3 " Л^^тг^- ' 1991 г>

- I 2 Zj у I

. Ученый секретарь специализированного совета ■ кандидат, технических наук,

доцент В .А.Орлов

;r;!\ { *

1 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность тегта. В основных направлениях развития народного хозяйства СССР намочена развернутая программа ускорения соца- ' ально-экоиомического развития страны на базе научно-технического прогресса. Красной нитью программы является создание энергосберегающих технолога!!, охрана-окружающей среди и рациональнее использование природных, в том числе водных, ресурсов. Решение этой программы предусматривает увеличение водопотребления на хозяйственно-питьевые и производственные нуяды, удовлетворение возросшие требований к качеству питьевой и технической воды, исполь-1 зование доя централизованного водоснабжения вод нэ отвечающих лимитам ГОСТ 2761-84, в частности, с повышенной минерализацией, высоким содержанием брома, бора и др.ингредиентов их состава.

Поставленные задачи могут быть решены путем создания новых, : более совершенных технологий очистки воды, оптимизацией условий • протекания соответствующих физико-химических процессов водопод-готовкп и улучшением гидродинамического режима работы водоочистных сооружения. . •

В подземных водах ряда регионов страны (Казахстан, Западная Сибирь и др.) концентрация брома значительно внзе ВДК. Большинство известных методов извлечения брома из воды предусматривает его промышленное получение при исходном содержании более 100 мг/л. Поэтому разработка дешевой и надеаной технологии дебромированпя питьевой воды является актуальной, имеющей важное народнохозяйственное значение, задачей. .

Диссертационная работа выполнялась в рамках координационного плана Госстроя СССР по решению научно-технической проблемы ; "Создать и освоить прогрессивные оиотемы водного хозяйотва, ио-пользуемые при строительство промйпланннх комплексов и предприятий".

Цель и задачи доследования.заключаются в теоретическом и экспериментальном изыскании метода дебромазации питьевой воды, разработке простой, надеяной и эконошчеекп целесообразной технологии.

Дости&нле указанной цели ооуиеотвлллооь решением следующих задач:

- выбор и обоснование методшеи определения бромидов в воде;

- исследования по дебромизации воды сорбцией на овекеобразованных гвдроксидах металлов;

- определение эффективности извлечения брома из веда методом обратного осмоса;

- исследования по удалению брома (I) из воды ионным обменом при использовании онионитов АН-31, Ш-ЬИ-Л^ и АВ-17-8;

- математического описания процеоса ионообменного деброми-рования воды для получения формул по расчету анионитовых фильтров; '

- разработка технологической схемы ионобменного дебромиро-вагля воды и составление рекомендаций для проектирования и рас-• чета очистных сооружений; .

- определение технико-экономической эффективности и рационе льной области применения предложенной технологии водоочистки.

Научная новизна диссертационной работы соотоит в следущем:

- экспериментально проверена эффективность дебромизащш води, сороцией на свежеобразованных гвдроксидах алюминия (Ш) и ве-леза (Ш), обратным осмосом и ионным обменом; •

- определена сорбционная емкость по брому (I) анионита АВ-17-8, получены изотермы сорбции и установлена его высокая селективность к бромидам;

- изучены физико-химические основы процеоса дебромизащш воды с использованием анионита АБ-17-8;

- предложена математическая модель ионообменного дебромиро-вания воды, положенная в оонову расчета фильтров, загруженных анионитом АВ-17-8.. .

Практическая значимость работы заключается в разработке технологии дебромирования питьевых вод ионным обменом, в составлении. Временных Технических Рекомендаций на расчет и проектирование установок очистки воды от брома.

Онйдаешй экономический аффект от использования рекомендуемой технологии дебромирования подземной воды для очистных сооружений производительностью 3 тыс.м3/сут. составит по приведенным затратам около 4 тне.руб. в год на I тыс.м3 обрабатываемой воды.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, выводов, списка литературы и прилования. Работа изложена на Н4 стр. машинописного текста, содержит 43 таблиц, 43 рио., 3 приложения. Список литературы включает 96 наименований.

Ня. ЗЕЗДИТТ ВИРОЯТСЯ:

- результаты теоретических и экспериментальных иоследований кинетики дебромирования воды ионным обменом;

.'г технология очистки вода от бромидов, параметры и методика расчета и проектирования ионообменных фильтров.

ССДЕРЕАНШ РАБОТЫ

'1 • ■ ' ' 1

Во введении обоснована актуальность темы, определены цели в задачи исследований. Приведены краткая характеристика'научной аовизны и практической ценности работы, а так же основные поло-, гения,. выносимые на защиту.

В первом разделе приведены информационные исследования современного состояния и перспективы развития технологии очистки, гриродных вод от бромидов, аргументирована актуальность этой гроблеыы. -,

"' Сущэотвушиэ промышленные методы , извлечения брома из рас-¡олов: паровой, воздушно-деоорбционный, вкстракцией о раотвора-геляии, сорбция на анионитах не обеспечивают очистку воды до юры ЦДК, технологии являются экологически опасными и, как прешло, неэффективными при обработке вода о концентрациями броми-[ов ниже 60 мг/л. С учетом требований к разрабатываемой техно-югни и анализа литературы, наибольший интерес представляют методы адсорбции и обратного осмооа, а так ае ионообменный способ [звдечения брома, так как концентрация брома (I) в подземных итьевых водах составляет До 10 мг/л.

Походя из вышеизложенного была о формулирована задача эко-ериментальной проверки указанных трех методов дебромизации под-емныг вод, отбора и детального изучения наиболее персцективно-о из них о последующей разработкой технологической схемы и оп-еделения параметров работы водоочистных сооружений. Эти оботоя-ельства определили направление диооертавдопных исследований, озультаты которых изложены в последующих разделах. V ро ртором разделе приводитоя обоснование выбора методики ¡тределения бромидов в воде, а такаа результаты рекогносциро- < очных лабораторных исследований по дебромированию воды метода-я оорбцяи и обратного осмооа.

Для ра'Зюгы был принят пирометрический метод определения ромидов, как более точный и надежный. Ошибке измерения оостав-те* 2%,.

Результаты экспериментов по удалению брома (I) из воды путем сорбции на свежеобразованных гидроксидах алюминия (Ш) или железа (Ш) прл разных объемных концентрациях последних показали, -что эффект окижения оодержания бромидов составлял до 20$.

Методика проведения экспериментов заключалась в пропуске сверху вниз обрабатываемой воды оо скоростью I м/ч через слои ; песчаной загрузки предварительно обработанной оульфатом алюминия.

Наряду о этим были проведены эксперименты в статических уо-ловиях в цилиндрах. Полученные результаты корреспондируются с ре-.вультатами полученными ранее. .

Проварка дебромирования воды для хозяйственно-питьевых нужд обратным осыооом в одну.ступень показала, что эта технология может применяться при содержании брома в исходной воде не выше 2 ьг/л, так как эффект извлечения, брома (I) не превышает 905?. Процент задержания брома (I) зависит от качества мембран и параметров работы аппарата. Производительность мембран МГА-100 составляла при этом 0,3 м3/(м2 оут) при давлении 5 МПа. При концентрации брома (I) в походной воде свыше 2 мг/л может рекомендоваться обратный осмос в две ступени. Однако при этом усложняется технологическая схема, возрастают капитальные и эксплуатационные расходы и метод становится не конкурентоспособным.

Экопэраменты по дебромированию воды обратным оомооом были проведены на лабораторной уотаповке фильтр-прессового типа о ' плоскокамерными элементами.

В третьем разделе изложены,результаты экспериментальных исследований по ионообменному извлечению брома (I)"из воды о использованием ионитов AH-3I, АН-511-^ и АВ-17-8. -

Исследования по дебромироЕанию воды на. анионите AH-3I проводились на модели ионитового фильтра диаметром 24 мм о нанесенной внутренней шероховатостью. Продолжительность фильтроцикла.о течением времени снижалась о 12 до 5 часов адекватно уменьшению обменной емкости анионита, которая по брому первоначально составляла 500 мг-экв/л. Проскок брома (I) наблюдался при возрастании pH фильтрата до. 4,Б. Регенерация анионита осуществлялась 10% раствором поваренной воли или 4% раствором соляной кислоты, 'расход регенерационного раствора составлял 8-15 экв/экв задержанных яонов брома.

.Результаты исследований этого.цикла позволяют заключить, что при использовании анионита AH-3I в кислой среде достигается

удовлетворительный эффект извлечения брома (I) из воды. Однако обменная емкооть анионита уменьшается из-за его неполной регенерации, что делает рассмотренную технологию не перспективной.

Результаты информационных исследований позволяют заключить о перспективности дебромирования воды путем применения ионитоя модифицированных солгал; металлов, образующих нерастворимые соединения о бромидами.. В этой овязи на указанной вцшо модели ионн-тового ультра были проведены экспериментальные исследования с анионитом АН-511-^ , результаты которых свидетельствуют о высоком эффекте дебромирования воды при скорости фильтрования до 5 м/ч. Однако, о течением времени наблюдается вынос оеребра из" ионита, снижается его обменная емкость. Поэтому эту технологию можно рекомендовать душ кондиционирования опресненной электро-, диализом морской воды при одновременном решении задачи ее консервации при производительности уотановки до 10 мэ/сут.

Оценка эффективности дебромирования на анионите АВ-17-8 осуществлялась фильтрованием исходной воды, содержащей до 10... 12 мг/л брома (I), через модель ионитового фильтра, опиоанную выше, со скоростью до 12 м/ч. Было установлено, что анионит АВ-17-8 хорошо извлекает бром (I) из воды, его обменная емкость оо-отавляет 825 мг-экв/л.

С целью определения оптимальных условий регенерации анионита АВ-17-8 были апробированы растворы 8$ СаС1, , 851» МаОН , 3- 5 и 10?? N301 . Скорость подачи регенерационных растворов составляла 3...5 и/ч, продолжительность регенерации до I часа. Было установлено, что оптимальным регенерационным раствором являетоя • 10/5 Нвс1 при расходе II экв/экв задераанных ионов брома, то еоть для осуществления процесса регенерации требуется на I объем загрузки 3 объема 101? раствора ЫасС . Выходные кривые регене- 1 ' рации АВ-17-8, 10Я раотвором Мась показаны на рио. I.

На рио. 2 показаны выходные кривые оорбция брома (I) на анионите АВ-17-8 регенерированном 10* раствором N3с(, . Продол-: яитолыюсть фяльтроцикла составляла до 17 часов. На продолжительность фильтроцикла и обменную емкость ионита оказывает влияние также повышение концентрации брома (I) в исходной воде. С увеличением концентрации бромидов в 4 раза произошло снижение обменной способности понита до 5055. Кроме того было установлено, что повышение концентраций НСОз и С(/ не оказывает существенного влияния на сорбционную способность шыитв АВ-17-8. ■ •

пользовать для получения брома о целью его применения в фармацевтической промышленности. С этой целью предлагается установка воздушно-десорбционного способа получения брома.

■ Четвертый раздел посвящен получению математической модели ' дебромизации воды. .

Процеоо дебромизации воды на АВ-17-8 предотавляет ообой реакцию ио1шого обмена, протекающую в системе, соотоящей из нескольких компонент. Хорошо известно, что ионообменные процеосы.(реакции) принципиально протекают в многокомпонентных оиотемах, что оо-локняот определение и использование коэффициента активности в фаге , ионита и дане в фазе равновесных о ионитом растворах. Для уяонешш. требований, предъявляемых к ыатематичеокой модели процеооа, необходимо отметить следующиеособенности:.

: I. В ходе иооледований равновесий ионообменных оиотем было /установлено, что. ограничительные, уоловия, определяющие строгую нраменимоотьк ним закона действующих масо, выполняется довольно редко. ■ . . * ;

. Д : 2. Исследования в облабти кинетики ионообменных процессов ; показали, что они имеют диффузионный характера

ífj 1 '

í. *

С с u.

1 £ С

X oT a V г

о. (Л X m о

а,»

W

ai

i/«

Í/Í

Г/5 i,S

7/» 2/0 1,2

a-a l. 5

"/í

¿} 42 í,f

í/í i3

i, i

, Исходная вода: .

НС(£ = 2,&0 пг-зЦ/Ч - - = Q70 пг-зс//Х

i

со

I

< ÍZ « 24 30 íí ¿o 78 Í* ); (A) SSierl <рМЮаТа

Jt,'íí 3fe-пя Pite. 2. .. Выходные кривые сорбции некоторых ионов на слое AB-I7-8 регенерированные хлористш кальцием и 10% хлористым натрием

- 10 -

3. Теоретически и экспериментально были выявлены факторы, определяющие проявление внешней, внутренней в смешанной даффу- ■ зии как скорость определяющих стадий. К этим факторам относятся: а) вид изотермы, б) концентрация раствора, в) величина коэффициента внутренней диффузии компонента в данном ионите. Химическая

, кинетика проявляется лишь в редких, частных случаях.

4. Вз авынодиффузнойный поток при ионном обмене определяется не только концентрацией и коэффициентами диффузий, но в электрическим полем, возникающим вследствие различия в подвижности обменивающихся ионов, изменением набухаемости ионита и другими {акторами.

Совокупное рассмотрение математических моделей статика и кинетики при одновременном учете закона сохранения вещества по-г ввалило создать теорию динамики ионного обмена. Эта теория включает в себя сиотему дифференциальных уравнений. Строгое решение сиотем дифференциальных уравнений, отвечающее задачам динамики ионного обмена, вследствие специфических математичеоких трудностей оказалооь возможным лишь для ограниченного числа простейших систем, подученных в результате упрощения картины ионного обмена (например, не учет факторов, изложенных в п. 4). Значительно расширило возможности использование аналитических моделей. Настоя- . щие перспективы открылись о использованием ЭВМ. Для многих одно-компонентных систем результаты машинного решения предотавдяютоя в виде удобных для использования безразмерных графиков.

Выполненные эксперименты показали, что изотерма сорбции бромидов носит линейный характер (рио. 3).

' ' г

XS 2,» 0,6

• « o^ ie t,! С

Рио. 3. Изотерма сорбции бромидов: Сн , С - концент-. рация ионов в походной воде и фильтрате, г г/л;

V - объем пробы, л;М - вео навеоок онионите AB-I7-8 ' -

u-v

- II -

В этом случав задача запиоываетоя:

зи ду 8У эх я"эт 5 эт

где. 1Н - относительная концентрация иона в растворе; - относительная концентрация I -го иона в ионите; Т - безразмерное врем; - безразмерная длина.

Аналитическое решение этой оистемы применительно к фронтальной динамике, характеризующейся следующими условиями

(2)

U(x,o) »rf, V(0,t) »o

кТ

uöt.T)«е"[е-тi; (2^)+ i Je-5

(3)

Уравнение (3) решается численными методами. Для удобства практического пользования им о:го представлено графически в виде семейства безразмерных выходных кривых в координатах Ц-Т (рио, 4). 1

t!/T

Bio. 4. Безразмерные,выходные кривые для линейной. . изотермы

...,.- ; Сравнение теоретического значения обменной емкости ионита по предлагаемой методике расчета и ее 'экспериментального значения; показало, что погрешность составляет 4,«. .

.. • . '. - 12 -. ■ ■ ' В рятом разделе работы представлены техиико-экономичеокие расчеты технологических схем дебромизации воды о использованием, процеоса оорбции.брома <1) на гидроксвда алюминия опредвари-тельным хлорированием (базовый вариант) и технологической схемы

Рио, 5. Предлагаемая технодогичеокая схема

I - наоооная станция I подъёма; 2 - анионитог> вые фильтры; 3 - бак регенерации фильтров} V бак о водой для взрыхления загрузки фвдьтров; 5 - резервуар чиотой воды; 6 - насосная отан-цая П п<)дьвма.

г , / Сущность технологии дебромизации воды бавионого варианта основана па использовании гидрокоида алюминия о предварительной обра боткойводы гипохлоритом натрия о последующей сорбцией окоад- ■ ных соединений брома гидрокоидоы алюминия щ слое взвешенного садка или в зернистой аагрузке, двойного фильтрования со скоростью 5,0 и/ч. Очистку воды необходимо проводить при рН - 4 - 5. Доза оульфата алюминия рекомендуется 10 г на I г удаляемых соединений." Тек, перед каадой ступенью обработки воды необходимо осуществлять ввод гипохлорита натрая и оульфата алюминия.

Предлагаемый вариант включает в себя фильтрование воусы черев ионообменный фильтр, аагружешоЛ анионитоы АВ-17-8, со око-

роотью фильтрования 12 и/ч, регенерацию анионита 105? раствором Naco со скоростью 3-5 и/ч.

Сравнение вариантов проводилось по изменяющимся параметрам (табл. I).

Таблица I

Технико-экономические параметры вариантов сравнения

Наименование I вариант П вариант

I. Расход воды, ьР/сут:. 3000,0 • 3000,0

Й. Капитальные затраты, т.р.

а) здание 60,0 12,0

б) оборудование 34,53 29,3

Итого, т.р. 94,53 41,3

3. Эксплуатационные затраты,т.р.

а) химические реагенты 17,00 13,80

б) электроэнергия 2,19 -

в) амортизация 5,25 6,84

г) фота заработной платы 5,10 3,40

Итогот. р. 29,54 24,04

Приведенные затраты, т.р. 40,88 28,99

. Таким образом, озидаемнй экономический эффект от иополъзо-йания ионообменной технологии деброгщювания воды для установок 3 тыс. мэ/сут. составит 11,9 тыс.руб. в год.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Результаты исследований по сорбции брома (I) свежеобра-зЬванннмя гпдроксцдвш алшяння (Ш) и геле за (Ш) показали, что пра этом но достигается требуемой кондиции фильтрата.

2. Дебромззацпя воды обратным осмосом в одну ступень по-йвоЛяет извлечь до 9С$ брома. Поэтому при его содержании евние

2 :тг/л мояот бить рекомендован обратный осмос в две ступени. Однако, при этом уолозшяется тохиологпчвекая схома, возрастают капитальные ц эксплуатационные раоходы и метод становится дорогим.

3. При использовании анионита АН-31 в кислой среде достигается удовлетворительный эффект извлечения брома (I). Его проскок

наблюдается при увеличении рН фильтрата до 4,5. Продолжительность фильтроцикла снижалась с 12 до 5 ч. адекватно уменьшению обменной емкости анионита. Регенерация анионита осуществлялась 10% раствором поваренной ооли или 4% раствором соляной кислоты, расход регенерационшго раствора составлял 8-15 экв/экв. задержаниях ионов брома.

4. Анионит AH-5II о серебром пригоден для извлечения бромидов из воды в узких пределах, при скорости фильтрования до 5 м/ч. Высокая стоимость анионита, вымывание из него с течением времени серебра, что влечет за собой снижение обменной емкости, а также его неполная регенерация - делают этот анионит не конкурентоспособным.

5. Анионит AB-I7-8 хорошо извлекает бром (I) из воды, его обметая емкость 825 мг-экв/л. Регенерация анионита рекомендуется 10$ раствором поваренной соли оо скоростью 3 м/ч в течение

I ч, расход регенерационного раствора II экв/экв. задержанных ионов брома. .....

6. Технологическая схема дебромизации воды состоит из фильтров, загруженных ионитом AB-I7-8, и работающих со скоростью до 12 м/ч, реагентного хозяйства и бака для взрыхления. Количество фильтров и продолжительность фильтроцикла определяются параметрами водоочистной уотановки. Предложенная технология ионообменной дебромизации воды проверена в лабораторных условиях.

7. Предложена математическая модель дебромизации воды, исходя из полученной линейной изотермы сорбции бромидов на ениони-те AB-I7-8. Для расчета ионообменных фильтров составлены таблица и графики.

8. Регенерадаонные воды рекомендуется использовать для по, лучения брома для нужд фармацевтической промышленности на производственных установках воздушно-деоорбцяонного получения брома.

9. Ожидаемый экономический эффект от внедрения разработанной технологии дебромизации воды для установки производительностью 3000 м3/оут. составит 11,9 тыс.руб. в год.

И-УЗ подписано в печаТь"б.'Ш.'91 г'; формат-ЯШ^е" пвч.осф"."

Объем I ____Т. 100 Заказ £22 Бесплатно ___

Ротапринт МИСИ им. В.В. Куйбышева '