Разработка и исследование структур текстильных паковок применяемых для очистки сточных вод от СПАВ тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.19.02, кандидат наук Калмыков, Андрей Анатольевич

• Калмыков, Андрей Анатольевич
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Калмыков, Андрей Анатольевич

СОДЕРЖАНИЕ

АННОТАЦИЯ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА ПО ИСПОЛЬЗОВАНИЮ ТЕКСТИЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ В РЕШЕНИИ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ЗАДАЧ

1.1. Сравнительный анализ использования различных текстильных

материалов и волокон для изготовления аэраторов

1.2. О современной теории фильтрования и ее основных положениях

1.3. Анализ возможности создания аэраторов и фильтров из текстильных

материалов различной структуры

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1

ГЛАВА II. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЫНОСА ИЗ ВОДЫ СПАВ РАЗЛИЧНОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ С ПОМОЩЬЮ АЭРАЦИИ

2.1. Исследование аэрации, как перспективного метода очистки сточных вод различной природы на текстильных перегородках

2.2. Получение высокодисперсных пен, при выносе СПАВ из

промывных вод

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ II

ГЛАВА III. ПРОВЕДЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ВЫНОСА, ИЗ ВОДЫ СПАВ РАЗЛИЧНОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ С ПОМОЩЬЮ АЭРАЦИИ

3.1. Исследование влияния структуры диспергирующих слоёв аэраторов, на скорость выноса СПАВ из водных растворов

3.2. Извлечение СПАВ из сточных вод автомоечных станций при помощи аэраторов "Пантекс"

3.3. Оценка проведённых теоретических и экспериментальных исследований процесса очистки промывных вод от СПАВ с помощью аэрации

ВЫВОДА ПО ГЛАВЕ III

ГЛАВА IV. РАСЧЕТ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОТ ВНЕДРЕНИЯ В СИСТЕМУ ОЧИСТКИ СТОКОВ ОТ СПАВ ТЕКСТИЛЬНЫХ ПАКОВОК СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ

4.1. Основные положения расчетов экономии энергоресурсов при использовании текстильных мотальных фильтров аэраторов

4.2. Расчет суммы капитальных вложений по проекту модернизации систем очистки стоков от СПАВ с использованием текстильных паковок

4.3. Расчёт расходов на содержание и эксплуатацию технологического оборудования

4.4. Расчёт экономической эффективности внедрения в очистку

стоков от СПАВ текстильных фильтров - аэраторов «Пантекс»

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ IV

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Приложение 1

Приложение 2

Приложение 3

АННОТАЦИЯ

Защита окружающей человека среды - атмосферы, гидросферы и литосферы, от загрязнений их промышленными отходами является одной из самых актуальных задач стоящих перед обществом.

Нерадивое и нерациональное природопользование, а также нарушения технологических режимов промышленными предприятиями в различных отраслях приводят к экологическим катастрофам и самым негативным последствиям для людей.

Задача, поставленная в данной диссертационной работе, касается решения вопросов утилизации технологических образований в виде синтетических поверхностно активных веществ (СПАВ), получаемых в процессе работы автомоечных станций, бетоноделательных заводов, предприятий банно-прачечного хозяйства с помощью текстильных материалов и технологий.

Разработка мотальных паковок из текстильных материалов различного сырьевого состава и структур позволяют создавать новые способы очистки сточных вод, в том числе и от СПАВ (синтетических поверхностно активных веществ).

Существующие в настоящее время технологии очистки и утилизации промывных вод, как в России, так и за рубежом, образующихся в результате строительных работ, мойки автотранспорта и сточных вод банно-прачечных хозяйств, где используются поверхностно-активные вещества, дорогостоящи, многостадийны и малоэффективны.

Технология, разработанная в результате выполнения диссертационной работы, основана на использовании текстильных материалов специального назначения и применении нового текстильного мотального оборудования. Анализ теоретических и экспериментальных исследований по изучаемой проблеме позволил разработать не традиционный - перспективный метод

очистки сточных и промывных вод от СПАВ различной концентрации основанный на аэрации и фильтрации стоков с применением текстильных паковок специального назначения. Двухсторонняя технология выноса СПАВ из промывных вод основана на последовательном использовании модульных установок аэрации стоков и последующей их фильтрации. В качестве аэраторов и фильтров предложено использовать трубчатые текстильные фильтры -аэраторы «Пантекс».

Как показали проведенные исследования, основная доля СПАВ извлекается из сточных и промывных вод при интенсивном пенообразовании в процессе аэрации стоков.

Теоретические же исследования показали, что образование высокодисперсных пен способствует структура сомкнутых и замкнутых намоток из текстильных нитей различного состава диспергирующих слоёв аэраторов (формируемых из мультифиламентных полипропиленовых нитей на профильные каркасы).

Экспериментальные исследования применения трубчатых текстильных фильтров-аэраторов «Пантекс» проводимые на специализированном стенде позволили повысить эффективность технологического процесса очистки стоков, а также создать новые виды текстильных насадочных фильтров применяемых для доочистки промывных вод. В работе проведена также комплексная оценка проведённых теоретических и экспериментальных исследований, которая позволила создать новую технологию и оборудование для реализации системы очистки сточных и промывных вод заводов и узлов автомоечных станций от СПАВ с регенерацией и многократным использованием промывной воды в технологическом процессе.

Для реализации поставленных в работе задач разработана технологическая документация на модульную двухстадийную установку очистки промывных вод от СПАВ, разработаны технические условия на фильтры-аэраторы «Пантекс» формируемых, на основе паковок специального

назначения. Разработаны и апробированы в производственных условиях, как фильтры-аэраторы, так и модульные водоочистительные установки в сборе.

По результатам работы подготовлены электронные методические пособия для студентов, аспирантов и инженерно-технических работников, занимающихся инжинирингом текстильных материалов, изучением вопросов экологической безопасности человека, а также вопросами очистки сточных вод с помощью текстильных аэраторов и фильтров.

Результаты работы отражены в патенте № 1Ш 119635 01 от «27»августа 2012 г. «Патронный фильтр разделительный», а также в материалах статей опубликованных в журналах, рекомендованных ВАК РФ по результатам научных исследований.

Результаты работы готовы к внедрению в реальный сектор экономики, а именно, в создание станций очистки вод банно-прачечных производств, стоков автомоек, а также в строительный комплексы подготовки спортивных объектов к зимней олимпиаде 2014 г. в г. Сочи и Чемпионату Мира по футболу 2018 г. в России, где вопросам сохранения здоровой экологической ситуации является приоритетной задачей.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование структур текстильных паковок применяемых для очистки сточных вод от СПАВ»

ВВЕДЕНИЕ

За последние годы в промышленности, быту и коммунальном хозяйстве взамен мыла стали широко применяться синтетические моющие вещества -детергенты. Они используются на автомоечных станциях, в банно-прачечных предприятиях, при производстве бетонов в строительной отрасли и т.д. Учитывая, что объёмы автопарка страны нарастают очень быстро, а строительство жилых микрорайонов, спортивных сооружений (к Олимпиаде в г. Сочи в 2014 году и т.д.) нарастает, то остро встаёт вопрос и по очистке больших объёмов технических промывных вод от СПАВ, а также разработке технологий исключающих сброс загрязнённых вод в водоёмы.

Детергенты делятся на три типа:

- катионактивные,

- анионактивные,

- неионогенные.

Многие из детергентов устойчивы против биохимического окисления. Так, наиболее распространённый детергенты - алкилбензол сульфонат натрия не разрушается при биологической очистке сточных вод и с очищенными сточными водами попадает в водоёмы, передавая воде неприятные запахи и привкус, а главное, покрывая поверхность водоёма воздухонепроницаемой плёнкой, ограничивающей доступ в неё кислорода из воздуха, а, следовательно, затрудняя дыхание рыбы.

Удаление детергентов из воды на обычных водоочистных сооружениях может быть достигнуто лишь при комплексных мероприятиях и до настоящего времени они состояли из [1]:

а) сорбции хлопьями гидроокиси алюминия или железа, с последующей рециркуляцией осадка в отстойниках или применением осветлителей с взвешенным слоем;

б) окисления стоков озоном или двуокисью хлора;

в) введением в воду перед отстойниками порошковообразного угля, или тонкодисперсного карбоната кальция, или бентонитовой глины.

Однако, все данные технологии дорогостоящи, многостадийны и приводят к образованию новых побочных продуктов, вторично загрязняющих окружающую среду.

Поэтому изыскание и разработка новых методов очистки сточных и промывных вод от СПАВ является актуальной задачей.

В настоящее время при решении экологических задач всё большее применение находят текстильные материалы (ткани, нетканые полотна, намотки нитей специального назначения, трикотаж и т.д.). Примером такого использования является технология выноса, СПАВ из промывных вод промышленных предприятий и бетоноделательных заводов, разработанная нами, где используются пневматические аэраторы, сформированные на базе мотальных паковок специального назначения, трубчатые текстильные разделительные фильтры и фильтровальные ткани.

При данном методе очистки сточных и промывных вод использована технология биологической очистки, базирующейся на обеспечении жизнедеятельности микроорганизмов, способных окислять или восстанавливать органические вещества, находящиеся в сточных водах в виде тонких суспензий, коллоидов и в растворе [2].

В России водоочистные сооружения, содержащие биологическую очистку, составляют около 60% от общего числа всех сооружений, а в водоотведении их более 80% от общего объёма очищаемых вод, что позволяет определить решающую роль биологической очистки в формировании качества природных вод [3].

Технология очистки промывных вод от СПАВ включающая биологические методы (в виде аэрации) имеет ряд достоинств:

- экологическая чистота, так как здесь используются лишь природные процессы;

универсальность, так как удаляет из воды практически любые органические вещества, а также обеспечивает вынос, СПАВ в виде пены на поверхность (к урезу) воды, что позволяет отводить их из стоков на текстильных фильтрах;

высокая эффективность и низкая себестоимость очистки.

Аэрация сточных вод - интенсивное насыщение их кислородом воздуха производится в специальных ёмкостях - аэротенках, куда подаются стоки. По дну аэротенков размещаются фильтросные трубы - аэраторы, диспергирующий слой которых сформирован из текстильных материалов (тканей, волокон подаваемых пневмоэкструзией из расплава или нитей намотанных на профильные каркасы, нетканые полотна и т.д.).

Также одним из наиболее важных моментов аэрации стоков, при выносе из них СПАВ, является необходимость интенсивного перемешивания жидкости для увеличения времени и площади контакта фаз воздух - СПАВ. Необходимое количество воздуха для аэрации обеспечивается подачей его в стоки от компрессорных установок или воздуходувок. Для повышения эффективности процесса выноса СПАВ, на поверхность аэротенка, используют мелкопузырчатую аэрацию, что достигается созданием специальной структуры текстильного диспергирующего слоя аэраторов.

Все существующие системы пневматической аэрации, применяемые на очистных сооружениях страны, имеют ряд серьёзных специфических недостатков, а именно:

- формирование пузырьков воздуха различного размера, что снижает площадь соприкосновения фаз воздух - СПАВ, а, следовательно, качество очистки;

- структура диспергирующих слоёв аэраторов склонна к кольматации и закупорке пор, что снижает уровень аэрации стоков;

- структура текстильных диспергирующих слоёв аэраторов, формируемых пневмоэкструзией волокна из расплава склонна к явлению

«пробой» перегородки, что приводит к потерям воздуха (выходу его не в пузырьковой массе, а струёй, и как следствию, нарушению технологий выноса СПАВ).

Данные недостатки существенно отражаются на себестоимости очистки одного кубометра стоков, приводят к удорожанию процесса очистки и снижению его качества.

Низкое качество аэраторов приводит к необходимости часто проводить их ремонт, что также ведёт к повышению материальных затрат не говоря о прямом вреде экологии.

В настоящее время в связи с возникновением современных, более совершенных технологий и производств новых текстильных материалов, а также с увеличением объёма водоочистки возникла необходимость создания новых диспергаторов и аэраторов, отличающихся дешевизной и устойчивой к внешним воздействиям структурой, в отличие от существующих конструкций. Такими аэраторами являются фильтры - аэраторы «Пантекс» формируемые намоткой нитевидных материалов на профильный каркас из фильтросных труб.

Намоточная структура диспергирующих слоёв аэраторов и фильтров исключает явление «пробой» перегородки, а также закупорку пор ввиду подвижности слоёв намотки нитей относительно друг друга и сброс осадка при подаче в них воздуха.

Актуальность темы.

Возрастающие объёмы сточных вод содержащих в своём составе синтетические поверхностно-активные вещества, образующиеся в результате работы автомоек, бетоноделательных заводов, банно-прачечного хозяйства, требуют разработки новых технологий и текстильных материалов, для их очистки. Применение текстильных материалов специального назначения (фильтров, аэраторов) позволяет эффективно решить поставленную задачу, поэтому исследование свойств текстильных материалов и технологий,

применяемых для очистки сточных и промывных вод от СПАВ, является актуальным.

Целью настоящей работы является разработка и исследование структур текстильных материалов (фильтров - аэраторов), применение которых позволит обеспечить высокоэффективный вынос, СПАВ из сточных и промывных вод.

Для решения поставленной задачи в работе решаются следующие задачи:

- производится сравнительный анализ использования различных текстильных материалов, способных длительное время работать в мокром состоянии при воздействии агрессивных сред;

- исследуются различные структуры текстильных материалов, из которых могут быть изготовлены диспергирующие перегородки аэраторов и фильтров;

- исследуются аэродинамические характеристики мотальных паковок специального назначения, применяемые в качестве аэраторов и фильтров, создаваемых на базе тканей нетканых материалов и намоток нитей различных структур на профильный каркас;

- разрабатывается технология выноса, СПАВ из промывных и сточных вод с использованием текстильных аэраторов и фильтров;

- разрабатывается специальное мотальное оборудование для формирования мотальных паковок специального назначения заданных типоразмеров;

- проводятся теоретические исследования процесса выноса, СПАВ из промывных и сточных вод в виде пены;

- разрабатывается методика экспериментальных исследований по определению оптимальных текстильных структур аэраторов и фильтров применяемых в новой технологии очистки сточных вод;

- определяется экономическая эффективность внедрения новой технологии очистки стоков от СПАВ с использованием текстильных материалов специального назначения.

Методы проведения исследований.

Работа содержит теоретические и экспериментальные исследования текстильных материалов, применяемых для очистки сточных вод от СПАВ. При теоретических применялись, использованы методы математического анализа с использованием алгебраических и дифференциальных уравнений.

В ходе проведения экспериментальных исследований использованы методы математической статистики и программы ПЭВМ.

Научная новизна полученных результатов заключается в том, что:

- впервые текстильные материалы в виде аэраторов и трубчатых текстильных фильтров применены в качестве основных элементов водоочистки от СПАВ;

- разработана двух стадийная технология очистки промывных и сточных вод от СПАВ на базе текстильных материалов;

- разработаны ткане-намоточные структуры текстильных аэраторов и фильтров, обеспечивающие мелкопузырчатую аэрацию стоков, вынос, СПАВ в виде пены из воды и доочистку её на ткано-намоточных фильтрах;

- разработана конструкция специального мотального оборудования, обеспечивающего создание слоисто-каркасных структур текстильных аэраторов и фильтров, исключающих явление «пробой» перегородки;

- определены оптимальные структуры аэраторов и трубчатых текстильных фильтров с заданной пористостью и проницаемостью;

- создана экспериментальная установка, для изучения структур текстильных материалов используемых в процессе выноса СПАВ из промывных и сточных вод;

- разработана методика расчёта экономической эффективности от использования текстильных материалов при очистке стоков;

- разработана программа, для ПЭВМ, расчёта технологического процесса выноса СПАВ из промывных и сточных вод на установках требуемой мощности.

Практическая значимость работы.

Проведённые исследования позволили создать новые текстильные аэраторы и трубчатые текстильные фильтры, на базе которых разработана и реализована в модульных передвижных установках технология очистки сточных и промывных вод от СПАВ.

Работа внедрена на ООО «СК Квадрат» г. Димитровград в виде модуля для очистки сточных вод бетоноделательных заводов от СПАВ.

Создана установка очистки промывных вод автомоечных станций, обеспечивающая многократное (до 50 раз) использование рециркуляционной воды для мойки автомобилей и возврат, СПАВ до 80% от первоначального объёма.

ГЛАВА I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА ПО ИСПОЛЬЗОВАНИЮ ТЕКСТИЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ В РЕШЕНИИ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ЗАДАЧ

Очистка промывных и сточных вод от СПАВ является важной экологической задачей современности, требующей незамедлительного решения. Для этого используются фильтры и аэраторы, а также текстильные материалы формируемые пневмоэкструзией волокон из расплава намотки, технические сукна и т.д. Эффективность их работы требует сравнительного анализа.

1.1. Сравнительный анализ использования различных текстильных материалов и волокон для изготовления аэраторов

Расширение зон антропогенного загрязнения окружающей среды (загрязнений вызванных деятельностью человека), как отмечено в работах [4;5;6] вызвало нарастающую потребность в производстве разнообразных текстильных материалов технического назначения, которые широко используются в различных отраслях народного хозяйства (для очистки загрязнённых сред: воды, воздуха, почвы и т.д.).

До настоящего времени текстильные материалы применялись, чаще всего, в качестве каркасов при изготовлении промышленных изделий (кордные ткани, каркасы иглопробивных технических сукон и т.д.), и реже в качестве отдельных деталей и вспомогательных материалов для оснащения оборудования в системах очистки газов промышленных городов (фильтровальные перегородки, фильтры) оборудования химической и нефтеперерабатывающей, целлюлозно-бумажной, металлургической и других отраслей промышленности.

В настоящее время текстильные материалы стали больше использоваться как целостные системы и многофункциональные элементы различных устройств (аэраторы, трубчатые текстильные фильтры, антенны, чехлы и корпуса, тканая броня и т.д.).

Для изготовления текстильных материалов технического назначения расходуется до 70% всех видов химических волокон выпускаемых в России. Особенно эффективны для производства технических тканей химические волокна, свойства которых наиболее полно отвечают требованиям потребителей.

Только из химических волокон можно вырабатывать изделия, обладающие высокой прочностью, хорошей фильтрационной способностью, выносливостью к многократным воздействиям растяжения, изгиба, истирания, а также устойчивостью к воздействию агрессивных сред.

Именно в таких условиях работают аэраторы, предназначенные для подачи кислорода в виде мелкопузырчатой массы воздуха в сточные воды промышленных предприятий и очистных сооружений жилых объектов (при биологической очистке сточных вод, где воздух является средой, необходимой для обеспечения нормальной жизнедеятельности микроорганизмов активного ила).

Как отмечено в работе [7] физико-механические и химические свойства готовых текстильных изделий технического назначения в основном зависят от свойств волокон и параметров структуры текстильных материалов, из которых они изготовлены. Поэтому большое значение, для производства изделий различного технического назначения, имеет научно-обоснованный выбор вида волокон и определение оптимальной (малогабаритной) технологии. Для этого необходимо изучить условия эксплуатации текстильных материалов и их технологические свойства, а затем установить зависимости основных показателей полученных изделий от свойств исходного сырья.

Разработка методов инженерного проектирования текстильных материалов базируется на изучении строения волокон, нитей и тканей, а также их свойств. Идеального по технологическим свойствам волокна в природе не существует, а химическая промышленность пока не выпускает волокон и комплексных нитей, удовлетворяющих в полной мере требованиям потребителей. Так в частности для производства аэрационных систем необходимы такие текстильные материалы, которые были бы:

- во первых - устойчивы к воздействию агрессивных сред (устойчивы к воздействию растворов переменного состава - кислот, щелочей, ПАВ и т.д.);

- во вторых - структура материала должна обеспечивать высокую воздухопроницаемость (для образования мелкопузырчатой аэрации сточных вод, где размеры пузырьков воздуха не должны превышать 1-2мм в диаметре [8]);

- в третьих - обладать устойчивостью к многократным механическим воздействиям в мокрой среде.

Существующие натуральные и химические волокна наряду с положительными свойствами, обеспечивающими высокие технологические и эксплуатационные свойства, имеют и ряд недостатков, затрудняющих их применение в эксплуатации аэрационных систем (например, не достаточную пористость, склонность к гниению или разбуханию при длительном контакте со сточными водами).

Как отмечено в [9], для производства текстильных материалов технического назначения используют, как правило, упрочнённые химические волокна, характеризующиеся высокой относительной прочностью и более низкой растяжимостью по сравнению с обычными волокнами.

Такие волокна имеют более высокий начальный модуль деформации, что улучшает эксплуатационные свойства готовых изделий (аэраторов изготавливаемых из текстильных волокон пневмоэкструзией из расплава), в то

время как в процессе кручения упрочнённые волокна имеют большие потери прочности вследствие высокого значения модуля сдвига при кручении.

В табл. 1.1 приведены показатели физико-механических свойств штапельных волокон.

Таблица 1.1.

Физико-механические свойства штапельных волокон

Показатели Вид волокна

хлопок лавсан нитрон хлорин винол

Длина штапеля, мм 30-40 40-120 40-120 40-75 40

Толщина волокна, № текс 140-220 310-415 330-400 310-415 340

Удельный вес, г/см3 1,5 1,38 1,17 1,47 1,26

Кондиционная влажность, % 8 1 4,5 0,5 4

Относительная прочность, Ге/текс 25-35 32-40 20-30 12-16 25-35

а) в мокром состоянии 120 100 95 100 85

б) при разрыве петлёй - 98 45 45 40

Разрывное удлинение, % 8-12 35-45 30-40 25-35 17-25

Удлинение во влажном состоянии в% от сухого 110-112 100 100 100 115

Модуль упругости, кгс/мм2 500-600 900 800 630 400-500

В табл. 1.2 приведены показатели физико-механических свойств комплексных нитей из химических волокон.

Таблица 1.2.

Физико-механические свойства комплексных нитей из химических

волокон

Показатели Волокна

вискозное капрон лавсан полипропилен

Толщина нитей, текс 185-450 80-140 40-80 24-80

Удельный вес волокна, г/см3 1,52 1,14 1,38 0,9

Кондиционная влажность, % 11 5 0,4 0,15

Относительная прочность, гс/текс 32-40 65-75 38-48 45-60

Относительная прочность в мокром состоянии, % 65 85 100 100

Относительная прочность в разрыве петлей, % 80 95 88 80

Разрывное удлинение, % 12-15 16-21 10-18 16-22

Разрывное удлинение в мокром состоянии, % 18-20 15-22 10-18 16-22

Модуль растяжимости кгс/мм2 650-800 320-360 900-1100 400-500

Изгибоустойчивость, тысяч циклов 1,6-2 25-30 8-14 67-186

Устойчивость к истиранию при нагрузке ЗОгс, циклов 170-250 1400-2200 900-1200 260-800

Потери прочности после 20ч облучения % 28-33 25-30 25-28 35-86

Температура плавления, °С - 195-215 235-255 155-165

Устойчивость к ударной нагрузке, дж/г 39 38,5 24,3 -

Анализ показаний табл. 1.1 и 1.2 позволяет сделать вывод о том, что величина начального модуля растяжения штапельных волокон ниже, чем у комплексных нитей, получаемых из одного и того же полимера. Это объясняется тем, что ориентации макромолекул в штапельном волокне менее упорядочены, чем в комплексных нитях.

Величина начального модуля деформации волокна зависит также от химической природы полимера и интенсивности межмолекулярного взаимодействия.

Данные выводы подтверждались ещё работами [10 и 11] в середине прошлого века.

Авторы данных работ отмечали, что чем больше гибкость макромолекул, тем легче деформируется волокно и лучше сопротивляется многократным деформациям растяжения, изгиба и кручения. Низкий начальный модуль растяжения полиамидных волокон и высокая обратимость деформации обусловливают высокую устойчивость их к истиранию.

Для аэраторов, формируемых из текстильных волокон, большое значение имеет их сопротивление ударной нагрузке (гидроудар, пневмоудар и т.д.). Этот показатель, как правило, коррелирует с работой разрыва волокон и нитей.

Как отмечено в работе [12], основным показателем для инженерных расчётов текстильных материалов является предел прочности применяемых волокон или комплексных нитей определяемый по формуле:

8 = 1-у (1.1)

л

где 5 - предел прочности (кгс/мм );

Ь - относительная прочность, ((сн/текс) (гс/текс)); у - удельный вес волокон, кг/м (мг/мм ).

Для сравнительной оценки различных волокон можно принять за 100% наивысшие показатели по важнейшим свойствам для отдельных видов волокон:

1. Относительная прочность в мокром состоянии (хлопок)-100%;

2. Объём волокна - величина обратная удельному весу (полипропилен) -

л

1,1см /г;

3. Относительная прочность при разрыве петлей (полиамидное волокно) -

95%;

Л

4. Предел прочности (стекловолокно) - 162дан/мм ;

5. Удельная работа разрыва (натуральный шёлк) - 86,2дж/см . Очевидно, если принять за идеальное, волокно, обладающее 100%-ной

величиной этих показателей, то другие волокна будут иметь следующую относительную оценку (%): Полипропилен - 90; Капрон - 79; Лавсан-73; Хлопок - 48; Вискозное волокно - 35.

Анализ проведённых исследований физико-механических свойств различных волокон, которые потенциально могли бы использоваться для изготовления аэраторов, показал, что наивысшими показателями по требуемым свойствам обладают полиамидные и полиэфирные волокна.

Низкая относительная оценка свойств вискозного волокна объясняется большой потерей прочности в мокром состоянии и высоким удельным весом волокна. Наилучшие показатели имеют полипропиленовые волокна, имеющие малый удельный вес и не изменяющие прочность в мокром состоянии, что обеспечивает возможность применения их в структуре аэрационных систем.

Однако, как показывает опыт использования полипропиленовых волокон выпускаемых пневмоэкструзией из расплава на подложку аэраторов, структура формируемого текстильного полотна - диспергирующего слоя такого аэратора не устойчива к ударным нагрузкам. Данный недостаток приводит к резкому снижению эксплуатационных свойств аэраторов, из-за возможного разрушения

структуры диспергирующего слоя, что приводит к образованию «пробоев» перегородки и «бурунов» (выход воздуха не малыми пузырьками, а струёй через образующиеся в структуре диспергирующего слоя отверстия).

Поэтому, для изыскания более совершенных методов формирования диспергирующих слоёв аэраторов нами были рассмотрена технология формирования их с помощью намотки нитей различной структуры на профильный каркас (в виде профильной трубы) с продольными воздушными каналами.

Прочность формируемых текстильных материалов также обусловлена тем, что свойства комплексных нитей определяются не только свойствами исходного материала прочностью отдельных волокон, но и числом составляющих их элементарных волокон (в комплексной нити). С уменьшением толщины элементарного волокна несколько повышается прочность комплексной нити, уменьшается жёсткость на кручение и повышается устойчивость к многократным изгибам. Поэтому, как отмечено в работе [13], при оценке пригодности различных комплексных нитей для выработки аэраторов следует учитывать не только свойство исходного материала, но и структуру нити.

1.2. О современной теории фильтрования и ее основных положениях

В основу теории фильтрования были заложены результаты исследований фильтрации грунтовых вод, нефти и газа сквозь пористую среду в естественных пластах под поверхностью земли [14,15,16].

Фильтрация - это движение жидкости или газа через пористую среду.

При фильтрации происходит очищение фильтрующейся жидкости (суспензии) от взвешенных в ней твердых частиц. При этом происходит процесс фильтрования.

Фильтрование - это процесс разделения суспензий или аэрозолей при помощи фильтровальных перегородок, пропускающих жидкость или газ, но задерживающих твердые частицы. При фильтровании суспензии, отделяемые от жидкости твердые частицы, чаще всего образуют на фильтровальной перегородке слой влажного осадка, который затрудняет процесс фильтрации [17,18].

Движение воды в грунтах подчиняется закону фильтрации Дарси [19,20], согласно которой скорость фильтрации определяется по формуле:

ЛГ . • Н м

» = кф-1 = -±—,- (1.2) Ь с

где к. -коэффициентфильтрации, —;

с

I =--напорный градиент или гидравлический уклон;

1

Н - напор, теряемый на длине Ь пути фильтрации, м;

Ь - путь фильтрации, м.

Расход фильтрующейся жидкости и газа (фильтрационный расход) определяется по формуле:

Я

м

(1.3)

где Я - полная площадь поперечного сечения фильтрационной перегородки (не только сечения пор, но и твердых частей), м2.

Скорость фильтрации меньше действительной средней скорости, так как движение происходит только через ту часть площади сечения 51, которая занята порами [21].

Процесс фильтрования осуществляется с помощью фильтров различного вида. Основной частью каждого фильтра является пористая перегородка, задерживающая твердые частицы фильтруемой жидкости (суспензии).

Различают фильтры с плоскими (ПТФ, рис. 1.1) и трубчатыми (ТТФ, рис. 1.2) пористыми перегородками.

1

Г-Г

»:-»:-- - - /•■•.'. ,

.••;I..'.-'-'•".• •• .•• ••

Рис. 1.1. Схема плоской фильтровальной перегородки

Суспензию (рис. 1.1, поз.1) помешают в одну часть этого сосуда таким образом, чтобы она соприкасалась с фильтровальной перегородкой (поз.З). В разделенных частях сосуда создается разность давлений, под действием которых жидкость проходит через поры (поз.4) фильтровальной перегородки, а твердые частицы задерживаются этой перегородкой. Таким образом, суспензия разделяется на чистый фильтрат (поз.5) и влажный осадок (поз.2).

Рис. 1.2. Схема фильтровальной перегородки ТТФ

где 1 - фильтровальная перегородка;

2 - осадок;

3 - Я'ос, радиус осадка;

4 - Я'ф п н, наружный радиус фильтровальной перегородки;

5 -Я'ф п , радиус фильтровальной перегородки;

6 - фильтрат;

7 - Я'ос н, наружный радиус осадка;

8-Я'ф п вн, внутренний радиус фильтровальной перегородки. Процесс фильтрования должен отвечать следующим основным требованиям:

- обеспечивать достаточно высокую степень очистки фильтруемой жидкости от взвешенных частиц;

- быть достаточно эффективным, то - есть протекать при высокой скорости фильтрации суспензии;

- отличаться малым расходом энергии на фильтрование определенного объема суспензии;

- обеспечивать возможность легкого удаления осадка с пористой перегородки фильтра.

Выполнение большинства указанных требований в основном зависит от вида и строения пористых перегородок фильтров, конструкций и структуры которых весьма разнообразны. Согласно С.Д. Николаева тонкость очистки фильтруемой суспензий в значительной степени зависит от вида намотки пористой перегородки, а скорость фильтраций, производительность фильтровального оборудования и чистота получаемого фильтрата от ее правильного выбора [22].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Калмыков, Андрей Анатольевич, 2013 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. А.А.Калмыков, М.И.Панин, А.Н.Пайметов Место текстильных паковок в решении экологических задач. Сборник научных статей ДИТИ НИЯУ СМИФИ 2011 г. с. 118.

2. Л.Я.Сухотерин, А.А.Калмыков, И.Н.Панин, А.Н.Пайметов Очистка сточных вод с помощью трубчатых текстильных фильтров. //Экология производства.Научно-практический журнал № 1. 2012 г. с.54.

3. Л.Я.Сухотерин, А.А.Калмыков, И.Н.Панин, А.Н.Пайметов Эффективность трубчатых текстильных фильтров.// Экология производства. Научно-практический журнал № 3, 2012 с.64.

4. Корицкий К.И. Использование химических волокон в технических тканях, НТО лёгкой промышленности, М.: Лёгкая индустрия, 1965

5. Козырева З.М, и др.Технические ткани и их применение, М.: Лёгкая индустрия. 1965

6. Волков А.Н.Применение синтетических волокон в рыбной промышленности за рубежом ВНИРО //Рыбное хозяйство 1960

7. Корицкий К.И. Основы проектирования свойств пряжи. М.: Гизлегпром, 1963

8. Щербаков В.П. Теория, методика, результаты определения жёсткости нити при изгибе. /В.П. Щербаков, И.Б. Циганов, О.Ю. Дмитриев, Т.И. Полякова // Известия Вузов. Технология текстильной промышленности -2006. №4 -с.104-109.

9. Корицкий К.И. Инженерное проектирование текстильных материалов М.: Лёгкая индустрия 1971.

10. Ворошилов В.А. Формирование и структура пряжи // Текстильная промышленность 1946 №3 и №9

11. Treloar L.J. Text. Inst., №6. 1956.

12. Корицкий К.И. Каркасная пряжа, её структура и свойства, Научно-исследовательские труды за 1960. ХНИХБИ, Ростехиздат, 1962

13. Панин И.Н., Зайцев В.П., Бояркина М.А. Оценка эффективности использования аэраторов «Пантекс» в системах биологической очистки стоков. // Вода и экология. Проблемы и решения. №2,2005.

14. Жуков А.И., Карелин Я.А., Колобанов С. Канализация. -М., 1969,

с.605.

15. Жмур. Н.С..Управление процессом и контроль результата очистки сточных вод на сооружениях с аэротенками.Волков А.Н.

16. Анализ систем аэрации используемых при биологической очистке сточных вод. М.А. Бояркина, Н.И Губанова, И.Н. Панин. Сборник докладов Экономика природопользования и природоохраны. Пенза 2006

17. Корицкий К.И. Использование химических волокон в технических тканях, НТО лёгкой промышленности, М.: Лёгкая индустрия, 1965

18. Козырева З.М, и др.Технические ткани и их применение, М.: Лёгкая индустрия. 1965

19. Волков А.Н.Применение синтетических волокон в рыбной промышленности за рубежом ВНИРО //Рыбное хозяйство 1960

20. Корицкий К.И. Основы проектирования свойств пряжи. М.: Гизлегпром, 1963

21. Щербаков В.П. Теория, методика, результаты определения жёсткости нити при изгибе. /В.П. Щербаков, И.Б. Циганов, О.Ю. Дмитриев, Т.И. Полякова // Известия Вузов. Технология текстильной промышленности — 2006. №4 - с.104-109.

22. Корицкий К.И. Инженерное проектирование текстильных материалов М.: Лёгкая индустрия 1971.

23. Ворошилов В.А. Формирование и структура пряжи // Текстильная промышленность 1946 №3 и №9

24. Treloar L.J. Text. Inst., №6. 1956.

25. Корицкий К.И. Каркасная пряжа, её структура и свойства, Научно-исследовательские труды за 1960. ХНИХБИ, Ростехиздат, 1962

26. Панин И.Н., Зайцев В.П., Бояркина М.А. Оценка эффективности использования аэраторов «Пантекс» в системах биологической очистки стоков. // Вода и экология. Проблемы и решения. №2, 2005.

27. Белицин М.Н. О структуре и механических свойствах полиамидных комплексных нитей - В. кн: Научно-исследовательские труды ВНИИПХВ за 1966г. 4.1 М.: «Лёгкая индустрия» 1969. с 26-38.

28. Белицин М.Н. Синтетические нити М.: «Лёгкая индустрия» 1970.

192с.

29. Белицин М.Н., Гончарова Э.В. Производство и применение капроновых нитей №70. Сб. научных трудов ЦНИИТЭИ легпром, 1970

30. Белицин М.Н. Совершенствование структуры химических комплексных нитей «Технико-экономический информационный бюллетень по лёгкой промышленности» 1972 №6 с81-86

31. Kakiage S. Strukture of a Single Filament in Twisted - Multi - Filament Yarn. Journal of the Textile Machinery fociety of Japan, 1961.7.2.8.

32. Белицин М.Н. Влияние крутки синтетических комплексных нитей на механические свойства элементарных нитей. Научные труды ВНИИПХВ, Сб.вып. I. М. «Лёгкая индустрия». 1970.

33. Белицин М.Н. Зависимость механических свойств синтетических нитей от крутки. // «Прядение» 1971 №11.

34. Hearle J.W.S., Goswami D.S. Migration of Fiders in Jams III Experimental Study on a 3-Layer Strukcture of 19 Filaments. Textile Research Journal. 1970, 40.

35. Белицин M.H., Дмитриев С.А. О структуре синтетических комплексных нитей. Доклады Академии наук СССР, 1968, 182, с 401-402.

36. Белицин М.Н., Дмитриев С.А. Влияние различных факторов на структуру синтетических комплексных нитей, // «Текстильная промышленность» 1969 №10 с71-74.

37. Белицин М.Н. Структура хлопчатобумажной пряжи // Текстильная промышленность. 1948 №7 с 22-24.

38. Гончарова Э.В., Усенко В.А. О структуре полипропиленовых комплексных нитей, в кн. Новое в переработке химических волокон. Научно-исследовательские труды ВНИИПХВ. Сб. 4 ЦНИИТЭИ легпром. 1973. сЗО.

39. Капитанов А.Ф. Фрикционные процессы прядения 4.2 Силовые поля. Москва. МГТУ им. А.Н. Косыгина 2006

40. Кеворккан К.И. К вопросу проектирования прочности комплексных нитей. // Технология текстильной промышленности; 1961, №2

41. Розанов Ф.М. и др. Строение и проектирование ткани. -М.: Гизлегпром 1953.

42. Сурнина Н.Ф. Проектирование ткани по заданным параметрам. - М.: Лёгкая индустрия 1973 .-142с.

43. Ахмедов Р.Ю. Разработка технологических параметров изготовления тканей с малой раздвигаемостью нитей. Диссертация, кандидат технических наук-М.: 1991

44. Dow N.F., Tranfild G. Prelimirary investigation of Feasibility of weaving triaxial fabrics // Textile Research Journal. - 1970-V.40- N1 lp. 986-998.

45. Skelton J. Triaxial Woven Fabrics: Their Structure and properties // Textile Research Jornal. - 1971. - V. 41-N8.- P. 637-647.

46. Alexandroff E.E. Desing Development and Testing of New Aerostat Material: Proceedings, 8-th AFCRL. - Scientific Ballon Symposium, Sept. 30-Oct.3.1974, AFCRL - TR-74-0393, Special reports, N182

47. Садыкова Ф.Х. Текстильное материаловедение и основы текстильного производства -М.: Лёгкая индустрия 1967.

48. Методы и средства исследования механико-технологических процессов текстильной промышленности. Учебник для ВУЗов текстильной промышленности -М.: Лёгкая индустрия, 1980. 392с

49. Гринфильд С. Аткинс П.Р. Защита атмосферы от промышленных загрязнений. Справочник №2 М.: - Металлургия. 1988, 172с.

50. Мозус М.Г. Малыгин А.Д. Моргулие М.Л. Фильтры для улавливания промышленных пылей. - М.: Машиностроение, 1985, 240с.

51. Смирнов В.И. Теоретические исследования строения ткани полотняного переплетения, М.: - Ростехиздат. 1960.

52. Николаев С.Д. Прогнозирование изготовления тканей заданного строения : учебное пособие / С.Д. Николаев - М.: МТИ 1989

53. Новиков Н.Г. О строении ткани и о проектировании её с помощью геометрического метода. / Н.Г. Новиков // Текстильная промышленность - 1946 - №2 - с11-12.

54. Степанов С.Г. Развитие теории формирования и строения ткани на основе нелинейной механики гибких нитей. Диссертация, д.т.н. Иваново. ИВТИ 2007.

55. Юхин С.С. Автоматизированный метод проектирования тканей по заданной пористости. / С.С. Юхин, С.Е. Мартыненко// Известия ВУЗов. Технология текстильной промышленности.- 2003 .-№4. с40-43.

56. Юхин С.С. Теоретический расчёт параметров строения высокоплотных тканей с использованием нелинейной теории изгиба./ С.С. Юхин, С.А. Цицилина // Известия ВУЗов. Технология текстильной промышленности . - 1997-№1. с 40-41

57. Карева Т.Ю. Разработка способа, технологии изготовления тканей новых структур исследование их строения: Диссертация д.т.н. М.: 1989-412с

58. Юхин С.С. Исследование технологической оснастки фирмы «Техо ЛТД» для выработки высокоплотных тканей / С.С. Юхин , В.В. Гордеева //

Известия ВУЗов . Технология текстильной промышленности 1995.- №5 - с. 119121

59. Юхин С.С. Разработка технологии выработки тканей повышенной плотности /С.С. Юхин, В.В. Гордеева,// Современные технологии текстильной промышленности: Сборник материалов Всероссийской н.т. конференции - М.: МГТА 1995 с56.

60. Николаев С.Д. Теория процессов, технология и оборудование приготовительных операций ткачества / С.Д. Николаев, Р.И. Сумарукова, С.С. Юхин, П.В. Власов - М.: Легпромбытиздат 1993-192с.

61. Николаев С.Д. Метод проектирования углеродных тканей /С.Д. Николаев, Е.В. Евсюкова// Известия ВУЗов. Технология текстильной промышленности - 1995 №3 -с 27-30.

62. Ермаков В.Ю. Разработка технологии многослойных регенерируемых фильтровальных нетканых материалов для очистки воздуха. -Диссертация к.т.н. -М.: МГТУ, 2008. с 132.Ю

63. Корицкий К.И., Бычкова В.М. Разработка структуры велотреда из химических волокон, научно-исследовательские труды: ЦНИХБИ, 1966.

64. Бояркина М.А. Разработка и производственные испытания барботажных аэраторов. «Проблемы безопасности жизнедеятельности и промышленной экологии» : Сборник научных трудов 1-ой Международной научно-практической конференции - Ульяновск 2007.

65. Гордеев В.А, Волков П.В. Ткачество. Лёгкая и пищевая промышленность. М. 1984

66. Зайцев В.П. Зависимость длины нити, наматываемой на цилиндрическую бобину от её угла поворота // Технология текстильной промышленности №4. 1988.

67. Прошков А.Ф. Механизмы раскладки нити - М.: Легпромиздат. 1986.

248с.

68. Schneider I. Vorbereitungsmaschinen fur die Weberei. - Berlin (Gottivgen) Heidetberg, 1963. 403s.

69. Wegener W., Schubert G. Die Ermittlung der Druckverteilung in Garnkorpern. In: Textilpraxis - Stutgart. 23. 1968 226-230s.

70. Худенко Б.М., Шпирт E.A. Аэраторы для очистки сточных вод - М.: Стройиздат, 1973.

71. Distler H., Widder R. Tenside. 1969 bd.6. №5. S 241-247.

72. Weil I. E.b. I. Am. Oil Chem Soc. 1962.V 39. №1. S. 55-58.

73. Авкамзон A.A., Щукин Е.Д. Поверхностные явления и поверхностно-активные вещества. Л.Химия. 1984.С. 104-108.

74. Павутницкий В.В., Павутницкая C.B., Галиуллина И.И. Применение пен в текстильной промышленности. УлГТУ г.Димитровград, 1999.С.107.

75. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М.Химия. 1971. С.104-108.

76. Карелин Я.Н., Жуков Д.Д., Журов В.Н., Репин Б.Н. Очистка производственных сточных вод в аэротенках - М.: Стройиздат, 1973.

77. Рябов А.К., Сиренко A.A. Искусственная аэрация природных вод. -Киев. Наукова думка. 1982

78. Сивак В.М., Янушевский Н.Е. Аэраторы для очистки природных и сточных вод.- Львов. Виша школа 1984.

79. СНИП 2.04.03 - 85 Методика расчёта расхода воздуха для мелкопузырчатой и среднепузырчатой аэрации.

80. Павутницкий В.В. Основные положения теории ценообразования. Учебное пособие. ДИТУД. 2007

81. Зайцев В.П., Панин И.И. Определение удельной плотности сомкнутой намотки на цилиндрическую бобину. Изв. ВУЗов. Технология текстильной промышленности №6-1981 г.

82. Панин И.Н. Разработка и исследование структур текстильных паковок специального назначения. Диссертация на соискание учёной степени д.т.н. — М.: МГТУ им. А.Н. Косыгина 1996, с 164

83. Зайцев В.П. Зависимость длины нитей наматываемых на сновальную или ткацкую паковку от угла её поворота. Изв. ВУЗов Технология текстильной промышленности, №5-1968 г.

84. Гордеев В.А., Арефьев Г.И., Волков П.В. Ткачество учебник для ВУЗов. Изд. Легкая индустрия, 1970 г.

85. Материалы разработанные ОАО НИИНМ, МГУС, ФГУП НАТИ, Методика определения эффективной пористости по выталкивающей силе. 2002.

86. Ласков Ю.М., Воронов Ю.В., Калицун В.И. Примеры расчётов канализационных сооружений. М.: Стройиздат. 1987.

87. Островский Н.В. Сброс сточных вод в коммунальную канализацию: принципы нормирования//Экология и промышленность России, 2002, №2.

88. A.C. СССР № 789406, Кл. С 02 F 1/46, 1980.

89. A.C. СССР № 975584, Кл. С 02 F 1/463, 1982.

90. Господинов Д.Г., Пронин В.А., Шкарин A.B. Способ очистки сточных вод от синтетических поверхностно-активных веществ//Экологические системы и приборы, 1999, №1.

91. Бояркина М.А, Голованов В.Н, Панин И.Н Новые барботажные аэраторы для биологической очистки сточных вод. «Экология Производства». Научно-практический журнал. - 2007; №2. Москва.

92. Оборудование водопроводно-канализационных сооружений «Справочник монтажника» /A.C. Москвитин, Б.А. Москвитин, Г.М. Марончик, Р.Г. Шапиро/ - М.: Стройиздат, 1979, 430с.

93. Голованов В.Н., Панин И.Н., Бояркина М.А. Новые барботажные аэраторы для биологической очистки сточных вод. // «Химия и нефтехимия» №2(8) 2007. с13.

94. Бояркина М.А., Панин И.Н., Иванова C.JI. Место текстильных паковок в создании и развитии аэрационных систем. -Тезисы НТ конференции «Текстиль 2008». Димитровград.

95. Патент №2324660 от 20 мая 2008г. - Панин И.Н., Бояркина М.А., Стрелков Е.В., Омегова Т.А.

96. Виленский П.Л., Лившиц В.Н., Смоляк С.А. Оценка эффективности инвестиционных проектов. Теория и практика. - М. 2002

97. Практическое пособие по выбору и разработке энергосберегающих проектов. / В семи разделах. Под общей редакцией д.т.н. О.Л. Данилова, П.А. Костюченко, 2006. 668с.

98. Стрелков Е.В., Бояркина М.А., Поликарпов A.B. // Мотальные паковки специального назначения и их роль в развитии отрасли. // Прогрессивные технологии в обучении и производстве: Сборник докладов IV всероссийской конференции - Камышин 2006.

99. Панин И.Н., Бояркина М.А., Губанова H.H. Анализ методов очистки сточных вод. // Вестник ДИТУД 2006/4