Исследование процессов электрокоагуляционной доочистки питьевых вод тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.36, кандидат технических наук Завьялов, Владимир Васильевич

• Завьялов, Владимир Васильевич
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Завьялов, Владимир Васильевич

ВВЕДЕНИЕ.

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.

1.1. Физика воды.

1.1.1. Строение и структура молекулы воды.

1.1.2. Ассоциация молекул воды за счёт водородных связей.

1.1.3. Модели структуры воды.

1Л .4. Аномальные свойства.

1.2. Химия воды.

1.2.1. Растворимость газов в воде.

1.2.2. Растворимость твердых веществ.

1.2.3. Микроэлементы.

1.2.4. Химические свойства воды.

1.3. Влияние недоброкачественной питьевой воды на здоровье

Р населения.

1.4. Основные методы обработки воды.

1.5. Общие сведения об электрохимических методах очистки воды

1.6. Основные теоретические положения.

1.6.1. Механизм очистки воды коагулянтами.

1.6.2. Физическая теория устойчивости и коагуляции.

2. УСТАНОВКА И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ВОДЫ.

2.1. Установка «Водолей - 50».

2.1.1. Назначение.

2.1.2. Описание работы установки.

2.1.3. Принцип работы.

2.2. Методы исследования физико-химических параметров воды.

2.2.1. Методика измерения удельной электропроводности.

2.2.2. Измерение рН и водородного потенциала.

3. ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В ПРОЦЕССАХ ЭЛЕКТРО-КОАГУЛЯЦИОННОЙ ДООЧИСТКИ ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ.

4. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВОДЫ, ПРОШЕДШЕЙ ЭЛЕКТРОКОАГУЛЯЦИОННУЮ ДООЧИСТКУ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование процессов электрокоагуляционной доочистки питьевых вод»

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Проблема обеспечения населения России питьевой водой нормативного качества и в достаточном количестве стала одной из главных и определяющих успешное проведение экономических реформ и усиление их социальной направленности.

В настоящее время установлена ведущая роль водного фактора в возникновении различных кишечных инфекций, поэтому водоснабжение является не только гигиенической, но и важной эпидемиологической проблемой. Особые трудности возникают при обеспечении водой небольших коллективов, когда строительство крупных водопроводных станций нецелесообразно. В этих случаях более перспективными и наиболее выгодными следует считать безреагентные методы обработки воды, не требующие доставки реагентов, устройств и емкостей для их хранения и приготовления, а также капитальных очистных сооружений и больших производственных площадей. К таким методам, в частности, относится электрохимическая коагуляция, оказавшаяся к настоящему моменту более технологичной, по сравнению с остальными.

Одним из методов, уже нашедших себе широкое применение в практике очистки водных систем является электрообработка [1 - 10], которая позволяет улучшить с экологической точки зрения характеристики в широком диапазоне концентраций дисперсной фазы жидких систем.

Задачи, решаемые электрообработкой разнообразны, и определяются техническими целями: либо это разрушение дисперсной системы, с разделением ее фаз, либо выделение осадка с целью превращения его в углеводороды нефтяного ряда [4] или утилизация с возможностью использования в дальнейшем в технологии строительства - производства строительных материалов, дорожного покрытия и т.д.

Электрообработка является почти единственным методом концентрирования дисперсной фазы.

Эффективность электрообработки зависит как от параметров электрического поля, так и от физико-химических свойств обрабатываемой дисперсии. Эти свойства весьма разнообразны, и ими можно управлять, т.е. придавать дисперсной системе такие параметры, которые позволяют более эффективно влиять на нее электрическим полем.

Из сказанного следует, что в основе электрообработки лежат сложные физические и химические явления, познание которых еще далеко от завершения.

С аналогичной проблемой сталкиваются многие страны мирового сообщества. При этом в индустриально развитых государствах проблема качества питьевой воды приобрела ярко выраженный социальный характер. И необходимость внедрения эффективных экологически чистых и энергосберегающих методов очистки питьевой воды (например, применение методов с использованием электрического поля) является наиболее актуальным на сегодняшний день.

Цель работы. Совершенствование метода электрокоагуляционной доочистки водопроводной воды и обоснование определения критерия достаточности (оптимизации) параметров постоянного электрического поля в этом процессе.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- исследовались электрокинетические и электрохимические явления в процессах электрокоагуляционной доочистки водопроводной питьевой воды;

- установление математических зависимостей изменения удельной электропроводности и равновесного водородного потенциала воды, обработанной в постоянном электрическом поле, от напряженности этого поля;

- установление температурных зависимостей изменения удельной электропроводности и равновесного водородного потенциала воды, обработанной в постоянном электрическом поле; установление математических зависимостей по оптимизации напряженности постоянного электрического поля в исследованных процессах;

- исследовались релаксационные изменения свойств обработанной в электрическом поле воды;

- разработка методики определения критерия достаточности (оптимизации) процесса электрокоагуляционной доочистки питьевой воды в зависимости от напряженности постоянного электрического поля в границах безопасного напряжения на электродах.

Научная новизна работы:

- установлено, что в области исследованных температур в качестве критерия достаточности (оптимизации) процесса электрокоагуляционной полноты очистки питьевой воды возможно использование стабилизации изменений ее удельной электрической проводимости и равновесного водородного потенциала; установлены математические зависимости удельной электропроводности и равновесного водородного потенциала воды, обработанной в постоянном электрическом поле, от напряженности этого поля;

- установлены температурные зависимости изменения удельной электропроводности и равновесного водородного потенциала воды, обработанной в постоянном электрическом поле; предложены математические зависимости по оптимизации напряженности постоянного электрического поля в исследованных процессах;

- установлено, что степень стабилизации изменения свойств обработанной в электрическом поле воды может быть определена по исследованию времени релаксации в течение нескольких суток.

Практическая ценность и реализация результатов работы

• Предложена технология очистки водопроводной воды с использованием электрообработки при изменении разности потенциалов на коагуляторе в границах безопасного напряжения на электродах.

• Предложены оптимальные параметры электрообработки воды при ее доочистке в локальных системах.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на:

• 7-ой Международной научно-практической конференции "Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири (СИБРЕСУРС-7-2001)" (Томск, 2001);

• 7-ом Международном научном симпозиуме им. академика М. А. Усова (Томск, 2003);

• Международной научно-технической конференции "Нефть и газ Западной Сибири", посвященной 40-летию ТюмГНГУ (Тюмень, 2003).

Рекомендации по использованию результатов работы. По результатам работы предложены оптимальные режимы электрокоагуляции, практическое применение которых на водоочистительной установке "Водолей-50", позволило снизить себестоимость очистки воды на 20 %.

Основные положения работы используются в лабораторном практикуме и в лекционном курсе по экологии для студентов Тюменского государственного нефтегазового университета.

На защиту выносятся следующие положения: использование методов исследования электрокинетических и электрохимических явлений, как инструмента для описания электрокоа-гуляционных процессов доочистки водопроводной воды, развивающихся при воздействии электрического поля;

- использование в качестве критерия достаточности (оптимизации) процесса электрокоагуляционной полноты очистки питьевой воды стабилизацию изменений ее удельной электрической проводимости и равновесного водородного потенциала; использование сочетания исследований по сопоставлению электрокинетических и электрохимических явлений, развивающихся в воде при ее обработке в постоянном электрическом поле, для принятия решения об успешности прохождения процесса электрокоагуляционной доочистки воды и оптимизации величины напряженности поля в пределах (40 - 45) В/см в границах безопасной разности потенциалов на электродах.

Публикации. По теме диссертации опубликовано семь тезисов докладов и две статьи.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов и приложения. Работа содержит 139 стр. машинописного текста, 16 рисунков, 7 таблиц и список литературы из 76 наименований.

Заключение диссертации по теме «Геоэкология», Завьялов, Владимир Васильевич

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Исследованы электрокинетические и электрохимические явления в процессах электрокоагуляционной доочистки водопроводной питьевой воды. Показано, что удельная электрическая проводимость воды, прошедшей обработку в постоянном электрическом поле, претерпевает резкое снижение, выходя на стационарное изменение при параметрах напряженности поля в 40-45 В/см, что свидетельствует об успешности прохождения процесса электрокоагуляционной доочистки воды и оптимизации величины напряженности поля в этих пределах в границах безопасной разности потенциалов на электродах.

2. Установлены математические зависимости удельной электропроводности и равновесного водородного потенциала воды, обработанной в постоянном электрическом поле, от напряженности этого поля и температуры. Показано, что в исследованном температурном интервале энергия активации процесса лежит в пределах от 5 до 20 кДж/моль, что является характерным для энергии водородной связи и дает возможность в дальнейшем априори определять параметры электрического поля по данным температурной зависимости.

3. Установлены математические зависимости по оптимизации напряженности постоянного электрического поля в исследованных процессах.

4. Предложена методика определения критерия достаточности (оптимизации) процесса электрокоагуляционной доочистки питьевой воды в зависимости от напряженности постоянного электрического поля в границах безопасного напряжения на электродах. Показано, что в области температур от 17 до 26 °С в качестве критерия достаточности (оптимизации) процесса электрокоагуляционной полноты очистки питьевой воды возможно использование стабилизации изменений ее удельной электрической проводимости и равновесного водородного потенциала.

5. Установлено, что сочетание исследований по сопоставлению электрокинетических и электрохимических явлений, развивающихся в воде при ее обработке в постоянном электрическом поле, дает возможность принятия решения об успешности прохождения процесса электрокоагуляционной доочистки воды и оптимизации величины напряженности поля в пределах (40 - 45) В/см в границах безопасной разности потенциалов на электродах.

6. Установлено, что степень стабилизации изменения свойств обработанной в электрическом поле воды может быть определена по исследованию времени релаксации в течение одних суток с устойчивыми показателями электрокинетических и электрохимических показателей в течение 4-х суток.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Завьялов, Владимир Васильевич, 2004 год

1. Воробьева С. В. Электрообработка дисперсией и питьевой воды / Воробьева С. В., Шантарин В. Д., Рогожина Е. Г // Нефть и Газ: Известия ВУЗов. Тюмень: ТюмГНГУ, 1997. - №6. - С. 168.

2. Воробьева С.В. Социально экологические проблемы средних и малых городов / Воробьева С. В., Шантарин В. Д., Смирнов О. В // Тез. Докл.науч.-техн. конф. «Экология средних и малых городов: проблемы и решения». -Великий Устюг: МИСИ,1998. С. 43-45.

3. Илларионова Е.Г. Электрообработка дисперсией в технологии нефти и газа / Илларионова Е. Г., Воробьева С. В., Шантарин В. Д., и др. // Сб. тез. докл. обл. научн.-практ. конф. «Окружающая среда». Тюмень: ТГУ, 1998.- С.85-86.

4. Лавров И. С. Влияние однородного электрического поля на дисперсии некоторых веществ / Лавров И. С., Смирнов О. В.// ЖПХ. 1969, т. XLII, 7. - С. 1547-1553.

5. Воробьева С. В. Электрообработка систем с жидкой дисперсной средой в экологических технологиях. // Кандидатская диссертация, Тюмень: ТюмГНГУ, 2000,- 139с.

6. Федеральный закон: Выпуск 5. «Об охране окружающей среды», М.: ИНФА - М, 2002 - С.5. Федеральный закон РФ от 10 января 2002г. №7 - ФЗ.

7. Экологическая доктрина Российской Федерации. Одобрена ■ распоряжением Правительства РФ от 31 августа 2002г. №1225 Р.

8. Миллер Т. Жизнь в окружающей среде. 1: Пер.с англ./ Под ред. Ягодина Г.А. М.: Изд. группа "Прогрессм,"Пангея",1993, - 256 с.

9. J.D.Bernal. R.H.Fowber. A theory of water and ionic solution with particular reference and hydroxil ions.//J.Chem. Phys. 1993. V.l.1 5. p.515-548.

10. Самойлов О. Я. Структура водных растворов электролитов и гидратация ионов. М.: Изд-во АН СССР, 1957, - 184 с.

11. Юхневич Г. В. Инфракрасная спектроскопия воды. М.: Наука, 1973,208с.

12. Эйзенберг Д. Структура и свойства воды./ Эйзенберг Д., Кауцман В. //- JL: Гидрометеоиздат, 1975, 279 с.

13. Синюков В. В. Структура одноатомных жидкостей, воды и водных растворов электролитов. М.: Наука, 1976, - 256 с.

14. Маленков Г. Г. Структура воды // Физическая химия. Современные проблемы. М.: Химии, 1984, - 136 с.

15. Зацепина Г. Н. Физические свойства и структура воды. М.: Изд-во МГУ, 1987,- 171 с.

16. Water? A Comprehensive Frentise. / Rd. by F.Franks/ Plenum. Press. M.J. and L. V.l-7.

17. Structure of water agneous solution. / Ed. W.A.P.Luck. / Weinheim: Verlag Chemie. 1974. 420p.

18. Водородная связь, M.: Наука, 1981.- 286 с.

19. В. П. Майков Квантована ли энтропия? Наука и жизнь XXI,2002, №9,- с.29.

20. Белая М. JT. Молекулярная структура воды./Левадный В .Г.// Новое в жизни, науке и технике. Сер. «Физика»; № 11- М.: Знание, 1987. 64 с.

21. Молекулярные взаимодействия. М.: Мир, 1984, - 600 с.

22. Фаркас А. Ортоводород, параводород и тяжелый водород, М.: ОНТИ, 1936, -244с.

23. G.W.Robinson. What is liquid water ? / G.W.Robinson.,J.Lee // J.Chem. Sac. Faraday Trans. 19S6. V.82. p.2351-2359.

24. Конюхов В. К. Разделение спин-модификаций молекул воды и тяжелой воды./ Конюхов В. К., Тихонов В. И., Тихонова Т. Л., Файзулаев В. Н //

25. Nemethy G. A Structure of water and hydrophobic banding in proteins' A model for thermodynamic properties of liquid water. / Nemethy G, Scheraga H. // J.Chem. Phys. 1962. V.36. p. 3382-3417.

26. Frank H.S. Ion-solvent interaction in agneous solutions: a suggested picture of water structure. / Frank H.S., Wen W.J // Discuss. Faraday Soc. 1957. V.24. p.135-140.

27. Pople J. A. Molecular association in liquids. A Theory of structural of water / Proc. Roy. Soc. London. 1951. V. A205. p. 163-178.

28. Корсунский В. И. Качественный анализ радиальных функций распределения воды на основе модели непрерывной случайной тетраэдр и чески координированной сетки. / Корсунский В.И., Наберухин Ю. И. // Журнал структ.химии, т.23, вып. 3, с.92-99.

29. Наберухин Ю. Н. Проблемы построения количественной модели строения воды. // Журнал структ.химии, 1984, т.25, выв.2, с.60-67.

30. Еремова Ю. Я. Продольная поляризация непроводящих сфероидальных частиц в однородном постоянном электрическом поле./ Еремова Ю. Я.,Шипов В. Н // Коллоид. ж„ 1975. т.37, № 4, с.635-639.

31. Ефимов Ю. Я. Обоснование непрерывной модели строения жидкой воды по средством анализа температурной зависимости колебательных секторов. / Ефимов Ю. Я., Наберухин Ю. И. // Журнал структ. Химии, 1980, т. 21, с.95-105.

32. Горбунов Б. 3. О концентрации мономеров в жидкой воде: критический обзор спектроскопических результатах. / Горбунов Б. 3., Наберухин Ю. И. //Журнал структ. Химии, 1975, т. 16, вып.4, с.703-723.

33. Вода и водные растворы при температуре ниже 0°С. // Киев: Наукова Думка, 1985, 387с.

34. Корсунский В. И. Согласуются ли представления о льдоподобном строении воды с ее РФР? / Корсунский В. И., Наберухин Ю.И. // Журнал структ.химии, 1980, т.21, вып.5, с. 76.

35. Дерпгольц В. Ф. Вода во вселенной. JL: Недра, 1971. - 244 с.

36. Дерпгольц В. Ф. Мир воды. JL: Недра, 1979. - 254 с.

37. Новиков Ю. В. Вода и жизнь на Земле. / Корсунский В.И., Наберухин Ю. И. //- М.: Наука, 1981. 184 с.

38. Мазаев В. Т. Контроль качества питьевой воды. / Мазаев В. Т., Шлепнина Т. Г., Мандрыгин В. И. // М.: Колос, 1999. - 168 с.

39. Николадзе Г. И. Водоснабжение: учеб. для техникумов. М.: Стройиздат, 1989. - 496 с.

40. СанПиН 2.1.4.559 -96. ГОСТ 2874-82. Вода питьевая. Методы анализа. М.: Издательство стандартов, 1984. - 239 с.

41. Бабенков Е. Д. Воду очищают коагулянты. М.: Знание, 1983.- 64 с.

42. Скурлатов Ю. И. Уф-излучение технология настоящего и будущего в процессах водоподготовки и водоочистки / Скурлатов Ю. И., Штамм Е. В.1. ЭкиП.2000. № 4.

43. Гонарчук В. В. Современное состояние проблемы обеззараживания воды / Гонарчук В. В., Потапченко М. Г. // Химия и технология воды,2001.-т.20, № 2, с. 190-217.

44. Гонарчук В. В. Озонирование как метод подготовки питьевой воды: возможные побочные продукты и токсикологическая оценка / Гонарчук В.В.,

45. Потапченко М.Г., Вакуленко В.Ф. //Химия и хим. Технология воды,2001.-т.23.-№ 1, с.3-33.

46. Левин А. И. Теоретические основы электрохимии. М.: Металлургия, 1982.213 с.

47. Кульский Л. А. Электрохимия в процессах очистки воды. К.: Техника, 1987.-220 с.

48. Грановский М. Г. Электрообработка жидкостей / Грановский М. Г., Лавров И. С., Смирнов О. В. // под ред. д.т.н. Лаврова И. С. Л.: Химия, 1976. -216с.

49. Паспорт JE 2840870 ПС кондуктометр электродный лабораторный типа КЭЛ-1М2.

50. Паспорт иономер лабораторный И 130.

51. Дмитриев В. Д. Методы подготовки воды в условиях Севера. // Л.: Стройиздат, Ленинградское отделение, 1981. - 120 с.

52. Пикаев А.К. Импульсный радиолиз воды и водных растворов. М.: Наука, 1965, 260с.

53. Шантарин В. Д. Физико химия дисперсных систем / Шантарин В. Д., Войтенко B.C.// -М.: Недра, 1990. - 315с.

54. Найденко В. В. Электросатурация при флотационной очистке сточных вод / Найденко В. В., Алексеев В. И., Губанов JI. Н. // Химия и технология воды.- 1986. т. 8, №3.-С. 195-199.

55. Николадзе Г. И. Технология очистки природных вод. М.: Высшая школа, 1987.-497 с.

56. Николадзе Г. И. Подготовка воды для питьевого и промышленного водоснабжения. / Николадзе Г.И., Минц Д.М. // М.: Высшая школа, 1984. -497 с.

57. Калинин А. И. Не пейте сырую воду! Кипяченную тоже, а особенно -водопроводную! (Способы очистки водопроводной воды в домашних условиях). / Калинин А .И., Скоробогатов Г. А. // - СПб.: Химический факультет СпбГУ, 1995 .-50с.

58. Канцерогенные вещества в окружающей среде. //- М.: Вопросы труда, 1979.- 1219с.

59. Келлер А. А. Медицинская экология. / Келлер А.А., Кувакин В.И. //СПб.: Петроградский и К°, 1998. 256 с.

60. Королев Р.В. Санитарно-химическая экспертиза воды и пищевых продуктов. -М.: Медицина. 1971. 144 с.

61. Космическая биология и медицина / Под редакцией Газенко О.Г. -М.: Наука, 1987.-321 с.

62. Алексеев О. А. Нерастворяющая вода в граничных слоях / Алексеев О. А., Овчаренко Ф.Д. // Докл. АН СССР, 1987. - Т. 292. - № 4. - С. 881-884.

63. Анюнченко В. Я. Микроскопическая теория воды в порах мембран. //- Киев.: Наукова Думка. 1983. - 159 с.

64. Овчаренко Ф. Д. Новый тип потенциальных кривых длялиофильных систем / Овчаренко Ф. Д., Эстрелла-Льопис В. Р., Дудник В.В.// Докл. АН СССР. 1987. - Т. 293. -№ 3. - С. 660-665.

65. Веденов А. А. Физика растворов. М.: Наука. - 1984. - 112 с.

66. Щукин Е. Д. О термодинамической устойчивости дисперсных систем / Щукин Е.Д., Амелина Е.А., Яминский В.В // Докл. АН СССР. 1981. -Т. 258. -№2.-С. 419-423.

67. Фридрихсберг Д. А. Курс коллоидной химии: Учебн. для вузов. -2-е изд., // перераб. и доп. Л.: Химия. - 1984. - 68 с.

68. Щукин Е. Д. Коллоидная химия. / Щукин Е. Д., Перцов А. В., Амелина Е. А. // -М.: Изд-во МГУ. 1982. - 348 с.

69. Кондратьев В. Н. Структура атомов и молекул. //- М.: ГИФМЛ, 1959, 524 с (с. 503. Сродство к протону.).