Авторы: ,

Рубрика: Физика

Опубликовано в Молодой учёный №4 (138) январь 2017 г.

Дата публикации: 30.01.2017

Статья просмотрена: 19 раз

Библиографическое описание:

Поезжалов В. М., Баишев К. А. Исследование эффективности применения комплексного физического метода очистки жидких сред // Молодой ученый. — 2017. — №4. — С. 139-142. — URL https://moluch.ru/archive/138/38668/ (дата обращения: 26.04.2018).



Жизнедеятельность человека невозможна без воды в ее жидком виде. Вода составляет до 75 % организма взрослого человека, в сутки человеку необходимо потреблять порядка 2–4 литров чистой питьевой воды для поддержания здоровья и нормального функционирования организма, кроме того, чистая вода нужна для приготовления пищи и т. п. Однако лишь треть населения планеты обеспечена чистой водой. Еще меньшая доля населения потребляет необходимое количество чистой воды ежедневно. Отсюда столь остро стоящая проблема очистки воды: как предварительной (т. е. необходимой для первичного потребления), так и повторной (воды, бывшей в использовании).

Принятой на сегодняшний день классификацией все виды загрязнителей воды разделяют на три большие группы: химические, биологические (биогенные) и физические (антропогенные) загрязнители. К химическому загрязнению относят изменение химического состава самой воды или веществ, ее составляющих. Ключевыми источниками химического загрязнения являются пестициды, нитраты и нитриты, фосфаты, нефть и продукты ее переработки, соли таких тяжелых металлов, как свинец, железо, медь и т. п. Основная опасность, представляемая химическим загрязнением для населения, потребляющего такую воду, является способность всех вышеперечисленных веществ вступать в реакции с клетками организма и выпадать в осадок. Кроме того стоит отметить, что избавиться от химического загрязнения простыми способами очистки — вакуумным, термальным и т. п. — не представляется возможным. Поэтому химическое загрязнение воды находится под жестким контролем и урегулировано согласно ГОСТам и стандартам качества сточных вод многих предприятий [1, c. 325].

Увеличение концентрации болезнетворных микроорганизмов, спор сине-зеленых водорослей и грибковых выше эпидемиологически допустимой нормы приводит к биогенному загрязнению воды. Самым распространенным методом очистки биологически загрязненной воды на сегодня является хлорирование, однако стоит учесть, что при хлорировании воды дозы хлора, необходимого для очистки, должны быть строго нормированы. В противном случае вода приобретает специфичный вкус и запах, и может быть забракована как иммунотоксичная. Также одним из отрицательных показателей хлорирования является высокая коррозийная активность соляной и хлорноватистой кислот, образующихся как продукт процесса хлорирования [2, c. 57].

Под антропогенным загрязнением подразумевается тепловое и радиоактивное загрязнение воды, а также увеличение концентрации нерастворимых взвешенных веществ, попадающих в водоемы в результате антропогенного воздействия [3, c. 108]. Все эти виды загрязнения чреваты уменьшением содержания в воде молекулярного кислорода, плохой растворимостью газов, а также изменением ее химического состава в результате изменения свойств ее компонентов. Все вышеописанные факторы приводят к гибели флоры и фауны водоема, ухудшению качества самой воды [4].

Резюмируя вышесказанное, можно выделить три основные проблемы, требующие рассмотрения:

  1. Использование пригодных водных ресурсов;
  2. Отчистка отходов и стоков промышленности с целью предотвращения вторичного загрязнения используемых водных ресурсов;
  3. Повсеместная очистка воды, а также водных эмульсий, суспензий и т. п. для дальнейшего использования в пищевой промышленности (при изготовлении жидких продуктов питания в частности).

Критерии, предъявляемые к воде, зависят от целей ее дальнейшего использования. Так, вода, используемая в пищевых нуждах (питьевая вода, а также вода для производства жидких продуктов и т. п.) должна иметь нейтральный уровень кислотности (рН ≈ 6,0–7,5), не обладать специфическими привкусами и запахами. В свою очередь вода, используемая для мелиорации полей, должна иметь низкую концентрацию солей с целью предотвращения засоления сельхозхозяйственных полей. Таким образом, решением первой проблемы является мониторинг и контроль водоемов, из которых поступает используемая для различных нужд вода.

Второй вопрос, требующий рассмотрения — вопрос предварительной очистки сточных и промышленных отходов. Можно с уверенностью утверждать, что этот вопрос является в большей степени экономическим и социальным, решение которого, наряду с научной направленностью, должно быть найдено также и на уровне регионального управления.

Основной вопрос, рассматриваемый нами в ходе изучения проблемы очистки жидких сред, является вопрос о вторичной очистке воды, используемой повторно. На сегодняшний день используются несколько основных методов очистки сточных вод: химической, механической, физико-химической и биологической.

Механический метод заключается в том, что из сточной воды с помощью физических процессов отстаивания и фильтрации из воды удаляются механические примеси. Грубые дисперсные частицы в зависимости от размера могут улавливаться следующими механическими аппаратами: решета, сита, песколовки, септики, навозоуловители разных конструкций. Поверхностные загрязнения (мелкие дисперсные частицы) улавливаются с помощью нефтеловушек, бензомаслоуловителей, отстойников и др. При механической очистке удается выделить из бытовых сточных вод до 65–80 % нерастворимых примесей, а из промышленных сточных вод до 95 %.

Химический метод очищения заключается в добавлении в сточные воды различных химических реагентов, вступающих в реакцию с загрязнителями и осаждающих их в виде нерастворимых или плохо растворимых осадков. При химической очистке удается уменьшить содержание нерастворимых примесей до 95 % и растворимых до 25 %.

Физико-химический метод обработки из сточной воды заключается в удалении тонко дисперсных и растворенных неорганических примесей и разрушении органических и плохо окисляемых веществ. Основными процессами физико-химического метода очистки являются коагуляция, окисление, сорбция, экстракция и т. д. Загрязненная сточная вода очищается также при помощи ультразвука, озона, ионообменных смол и высокого давления. Большое распространение получила очистка с помощью хлорирования.

Биологический метод заключается в использовании закономерности биохимической и физиологической самоочистки рек и прочих водоемов. Очистку сточной воды проводят в биологических устройствах: биофильтре, биологических прудах и аэротенках.

Кроме того, наиболее высокой степени очистки воды можно достичь, если использовать комбинированные методы очистки. Одними из таких методов является электрохимические и электрофизические методы очистки жидких сред. К таким методам относятся электрокоагуляция, электрофлотация, электрофлокуляция, электроимпульсная обработка и электродиализ [5, c. 109–115].

В ходе проведения исследования нами был рассмотрен метод воздействия на загрязненную воду прямым током — метод электрокоагуляции — как основной метод, используемый для высокоэффективной очистки нефтесодержащей воды. Установка была собрана на основе выпрямителя тока В-24 учебный, способным давать максимальное напряжение 30 В. Анализ результатов проводился рефрактометрическим способом с использованием рефрактометра ИРФ-454 Б2М.

Раствор нефти в воде объемом 250 мл обрабатывался в течении 120 секунд током 1А при напряжении 24 В с интенсивным перемешиванием. В процессе обработки на поверхности раствора появлялась пена, которую можно было удалить сразу по окончании процесса электрокоагуляции обычным фильтрованием через мелкозерновые фильтры. Температура раствора непосредственно перед обработкой составляла 23°С, непосредственно после обработки электрокоагуляцией 38°С.

Для обработки использовались электроды из трех различных материалов: стальные, алюминиевые и угольные.

Для сопоставления результатов была отобрана контрольная группа раствора, которая выдерживалась на протяжении 24 часов обычным отстаиванием и экспериментальная группа растворов, подвергаемая комплексной обработке электрокоагуляцией, фильтрованием и отстаиванием на протяжении 2 часов.

На рисунке 1 представлена зависимость коэффициента поглощения от длины волны после первичной электрокоагуляции.

IMG0018_12975055

Рис. 1. Зависимость коэффициента поглощения раствора после очистки электрокоагуляцией. Снизу вверх: первый — измерения сразу после проведения электрокоагуляции, второй — измерения после 2х часов отстаивания, третий — после 20 часов отстаивания.

Первые 6 часа раствор отстаивается плохо. После 20 часов отстаивания зависимость коэффициента поглощения увеличивается на 2–3 %. Заменив электроды, мы провели повторную электрокоагуляцию, но теперь уже увеличив ток до 1,5А, а напряжение до 28 В. Время обработки составило 180 секунд при постоянном интенсивном перемешивании жидкости. Температура раствора, после окончания опыта составила 42°С. На дне образовался видимый осадок.

Зависимость коэффициента поглощения раствора после повторной электрокоагуляции представлена на рисунке 2.

IMG0017_13043181

Рис. 2. Зависимость коэффициента поглощения раствора после электрокоагуляции. Снизу вверх: первый — измерения сразу после проведения электрокоагуляции, второй — измерения после 2-х часов отстаивания, третий — после 20 часов отстаивания

Как видно из сравнения рисунков 1 и 2, при увеличении тока и напряжения очистка идет эффективнее. Уже после первых двух часов отстаивания зависимость коэффициента поглощения увеличивается с 2 % до 12–15 %.

После проведения 2 опытов мы установили, что увеличение тока, напряжения и времени обработки улучшает качество очистки раствора. В третьем опыте мы заменили стальные электроды на алюминиевые. Ток 1,5А, напряжение 30 В, продолжительность опыта 120 секунд. После окончания опыта температура раствора 400С. Цвет светлее по сравнению с двумя предыдущими опытами. На дне обильные осадки в виде хлопьев. На поверхности малое количество масляных пятен.

Зависимость коэффициента поглощения при электрокоагуляции с применением алюминиевых электродов представлена на рисунке 3.

IMG0017_12727669

Рис. 3. Зависимость коэффициента поглощения при использовании алюминиевых электродов. Снизу вверх: первый — измерения сразу после электрокоагуляции с использованием алюминиевых электродов, второй — измерения после 2х часов отстаивания, третий — после 20 часов отстаивания

Как видно из рисунка качество очистки улучшилось и при отстаивании результаты соответственно лучше. Из этого следует, что метод электрокоагуляции зависит от величины тока, напряжения, времени обработки раствора и от материала, из которого изготовлены электроды.

Из проделанных опытов по очистке раствора методом электрокоагуляции можно сделать выводы, что эффективность электрокоагуляции зависит от материала электродов, анодной плотности тока, состава и скорости движения обрабатываемой жидкости в межэлектродном пространстве. Можно увидеть, что во время очистки происходит нагрев очищаемой жидкости, что ведет к перерасходу электроэнергии при очистке, так как большая часть тока идет на нагрев жидкости.

Литература:

  1. Sterling R., L. Wang and R. Morrison. «Rehabilitation of Wastewater Collection and Water Distribution Systems.» U. S. Environmental Protection Agency, EPA/600/R-09/048 (2009).
  2. Воронцов А. И., Николаевская Н. Г. Вопросы экологии и охраны водной среды. — М.: Инфра-М, 2011. — 98 с.
  3. Рябчиков Б. Е. Современные методы подготовки воды для промышленного и бытового использования. – М.: ДеЛи принт, 2004. – 328 с.
  4. Исмагилов Р. Р. Проблема загрязнения водной среды и пути ее решения / Р. Р. Исмагилов // Молодой ученый. — 2012. — № 11. — С. 127–129.
  5. Бочкарев В. В. Теоретические основы технологических процессов охраны окружающей среды. — Томск: издательство томского политехнического университета. — 2012. — 320 с.
Основные термины (генерируются автоматически): часов отстаивания, коэффициента поглощения, Зависимость коэффициента поглощения, коэффициента поглощения раствора, очистки жидких сред, зависимость коэффициента поглощения, отстаивания зависимость коэффициента, очистки воды, сточной воды, часов отстаивания зависимость, 2х часов отстаивания, сточных вод, проблема очистки воды, Температура раствора, загрязнение воды, качество очистки раствора, метода очистки, степени очистки воды, очистки нефтесодержащей воды, очистки сточных.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle
Задать вопрос