Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Экологические и технологические аспекты применения электромагнитной обработки в целях умягчения воды

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Экологические и технологические аспекты применения электромагнитной обработки в целях умягчения воды"

На правах рукописи

ооьи і——

ДМИТРИЕВА АЛИНА ЮРЬЕВНА

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ОБРАБОТКИ В ЦЕЛЯХ УМЯГЧЕНИЯ ВОДЫ

Специальность 03.02.08 - Экология (в химии и нефтехимии)

1 МАР Ш

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Казань-2012

005015563

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Казанский национальный исследовательский технологический университет»

Научный руководитель:

доктор химических наук, профессор Фридланд Сергей Владимирович

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Махоткин Алексей Феофилактович доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой оборудования химических заводов ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет»

Фаггахов Рустем Бариевич кандидат технических наук, доцент, заведующий лабораторией систем промысловых коммуникаций и поддержания пластового давления ТатНИПИнефть ОАО «Татнефть», г. Бугульма

Казанское открытое

акционерное общество «Органический

синтез»

Защита состоится «21» марта 2012 г. в 14°. часов на заседании диссертационного совета Д 212.080.02. в Казанском национальном исследовательском технологическом университете по адресу: 420015, г. Казань, ул. К.Маркса, 68, зал заседаний Ученого совета, А-330.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет».

Автореферат разослан « № » февраля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

С.В. Степанова

ОСІЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. При работе химических и нефтехимических предприятий одним из важнейших этапов технологических процессов является водоподготовка и получение воды нормативного качества. Снижение содержания растворимых солей кальция и магния, осуществляют различными способами. Выбор метода умягчения определяется исходной жесткостью и ее качеством, необходимым для потребителя, экологическими и технико-экономическими соображениями.

В последние годы в Татарстане, особенно на Юго-Востоке растет доля использования подземных вод в водоснабжении, которые используются в первую очередь для питьевых целей, так как, они не требуют специальной очистки, а в ряде случаев и обеззараживания.

Общим недостатком вод артезианских скважин является повышенное содержание солей жесткости и в научной литературе имеются данные о так называемых «каменных зонах», где источники питьевой воды характеризуются высокой общей минерализацией, где образование у населения камней в почках имеет местный экзогенный характер. При этом происходит усиление местного кровообращения в органах выделения и изменение многих процессов, в том числе фильтрации, которая служит защитным механизмом. Однако, из-за дополнительной нагрузки возникает истощение регулирующих систем, что и приводит: к заболеванию суставов (артриты, полиартриты), образованию камней в почках, желчном и мочевом пузырях. .

На крупных предприятиях химической и нефтехимической промышленности в основном используется умягчение воды методом катионного обмена или сочетание его с обратным осмосом. Процесс требует использования поваренной соли в качестве регенератора катионитов. Последнее приводит к высоким сбросам растворов солей, главным образом содержащих хлорид-ионы, в сточные воды.

"Согласно официальной статистике в 2010 г. по г. Казани сброшено в водоемы приблизительно 14000 т солевых стоков. Содержащиеся в воде ионы солей обладают наибольшей миграционной способностью, связанной с их высокой растворимостью, слабо выраженной к сорбции и биологической регенерации. Повышенное содержание хлорид-ионов ухудшает органолептические качества воды, делает ее малопригодной для питьевого водоснабжения, технического и хозяйственного использования, ведет к увеличению бихроматной окисляемое™, негативно сказывающейся на состоянии водных экосистем в сбросах.

Следует отметить, что извесгиые способы водоподготовки требуют больших энергетических затрат, обуславливающие значительное увеличение количества сжигаемого топлива, и как следствие, поступление в атмосферный воздух значительных объемов продуктов сгорания топлива в промышленных печах. Изменяется состав атмосферного воздуха, часто приближая концентрации токсичных веществ к опасным по биологическому

действию на экосистемы. При сжигании различных видов топлива в стационарных топливосжигающих установках в атмосферу поступает значительное количество токсичных веществ, среди которых основные: твердые частицы (зола, пыль, сажа), оксиды серы и азота, а также в меньших количествах монооксид углерода, альдегиды, органические кислоты. Проведенные расчеты но энергопотреблению показывают, что использование метода обратного осмоса совместно с ионообменным умягчением в работе предприятия органического синтеза с потреблением 124750 кг/ч речной воды, при сжигании необходимого количества природного газа, за год выбрасывается около 145,49 г NOx, 130 т оксида углерода.

Из литературных сведений известен метод, применяемый для удаления отложившихся на поверхности труб солей. В основе его лежит принцип наложения электромагнитного воздействия различных частот. Используемые в данное время аппараты для магнитной обработки воды типа АМО-25, АМО-ЮО, АМО-200 отличаются высокой мощностью (350 - 500 Вт), большими габаритами и массой (40 - 330 кг), необходимостью нагревания обрабатываемой воды до 60 С°, что связано также со значительными энергетическими затратами.

В настоящей диссертационной работе исследован метод умягчения воды для технологических нужд предприятий химической и нефтехимической промышленности, а также для питьевых нужд с помощью электромагнитного воздействия в диапазоне звуковых частот.

Цель работы состояла в систематическом исследовании процесса снижения жесткости воды до ее нормативного уровня с помощью электромагнитного излучения.

Задачи исследования:

• провести анализ данных экологического мониторинга водных объектов по уровню жесткости для разработки необходимого технического решения проблемы получения воды нормативного качества;

- -провести анализ существующих методов умягчения на предприятиях химической и нефтехимической промышленности, а также их влияние на окружающую природную' среду;

- исследовать эффективност ь электромагнитной обработки воды для ее умягчения в технологическом процессе водоподготовки и определить влияние ф'изико-химических факторов на реакции разложения и образования гидрокарбоната кальция;

- Исследовать возможность использования данного метода умягчения воды для питьевых нужд.

Научная новизна. Раскрыто влияние способа электромагнитной обработки воды в диапазоне частот 1 - 20 кГц на снижение содержания солей временной жесткости в водных растворах и найдены условия, обеспечивающие максимум эффективности.

Впервые показано, что электромагнитное излучение влияет на реакции как разложения, так и образования солей жесткости.

Разработан способ многоступенчатой электромагнитной обработки йоды для интенсификации разложения солей жесткости с удалением углекислого газа методом ультразвуковой дегазации и образующихся осадков из системы.

Показано, что применение исследуемого метода 1 в комплексе с реагентной обработкой пищевым полифосфатом импрегнированным серебром обеспечивает возможность эффективной подготовки воды для питьевых нужд.

Практическая значимость работы. Разработана малоэнергоемкая экологически безопасная технология умягчения воды для технологических и питьевых нужд.

В процессе водоподготовкн для технологических нужд на базе ООО «ТатНефтеСервис» г. Альметьевск, участке водонодготовки НГДУ «Азнакаевскнефть» проведены промышленные испытания установки умягчения воды с помощью электромагнитной и ультразвуковой обработкой. Получен патент № 94565 РФ на полезную модель «Установка для очистки и умягчения воды».

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на: II Научно-практической конференции «Экополис - Казань», посвященной Всемирному Дню Земли; Всероссийской научно-практической конференции «Человек, общество, природа: экологические и правовые аспекты»; Всероссийской научно-практической конференции «Безопасность России: состояние и перспективы»; IV Межрегиональной конференции «Промышленная экология и безопасность» в рамках 16-й Международной выставки «Нефть, газ, нефтехимия - 2009»; I Региональной научно-практической конференции Казанского государственного технологического университета; Научной сессии Казанского государственного технологического университета; XI Международной конференции молодых ученых «Шаг в науку 2010: Пищевые технологии и биотехнологии»; Всероссийской конференции «Экологические проблемы урбанизированных территорий» (Пермь). Были представлены материалы для участия в ГРАНТЕ «Пятьдесят лучших инновационных идей для Республики Татарстан» в номинации «Старт инноваций».

Личный вклад автора. Автор принимал участие в постановке цели и задач исследования, проведения экспериментов, обработке и интерпретации полученных результатов, формулировке выводов, написании и оформлении статей.

Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в печати в 11 статьях, 4 из которых в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки России. Структура диссеутациопиои работы. Диссертация состоит из 5 глав, изложенных на 133 страницах, содержит 28 рисунков и 34 таблицы, библиографического списка, включающего 132 литературных источника.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы исследований, определены цели и задачи работы, раскрыты научная новизна и практическая значимость работы, приведена общая характеристика работы.

Глава 1 посвящена анализу состояния мелочников водоснабжения Республики Татарстан. Особое внимание уделено мониторингу поверхностных и подземных вод по уровню жесткости. Основные источники поверхностных вод Республики Татарстан (реки Волга, Кама и Степной Зай) по величине общей жесткости относят к водам средней жесткости. Жёсткость воды поверхностных источников существенно колеблется в течение года; она максимальна в конце зимы, минимальна — в период паводка.

Экологический мониторинг показал, что в последние годы, особенно на Юго-Востоке РТ, растет доля использования подземных вод, которые являются неотъемлемой составляющей водных ресурсов и представляют собой ценнейшее полезное ископаемое. По приближенным оценкам, потенциальные эксплуатационные ресурсы пресных подземных вод на 2010 г, в РТ составляют 5,46 млн м'/сут с максимальной жесткостью -16,2°Ж (ГОСТ Р 52407 - 2005).

На территории Юго-Востока Татарстана доля подземных вод составляет 60 %, а в республике Татарстан около 43 % и постоянно растет.

Лидерами' по добыче подземных вод являются гг.Наб.Челны, Нижнекамск, Заинек, Бугульма и Зеленодольский, Лениногорский, Бугульминский районы. Проведен экологический мониторинг источников водоснабжения Юго-Востока Татарстана на примере г.Бугульма и Бугульминского района по уровню жесткости.

; В Бугульминском районе подземные воды имеют гидрокарбонатно-хлоридный состав с максимальной жесткостью 16,2°Ж.

Глава 2 посвящена аналитическому обзору и включает в себя описание современных методов ум 1гчсния воды для технологических нужд. Особое внимание уделено экологическим проблемам, связанным с использованием на крупных предприятиях химической и нефтехимической промышленности комплексного умягчения воды, то есть сочетание метода обратного осмоса и ионного обмена. Произведен расчет количества выбросов в окружающую природную среду при сжигании различного вида топлива для выработки электроэнергии при использовании вышеуказанного метода умягчения. Анализ литературных источников позволил сформулировать основные цели диссертационной работы.

Глава 3 посвящена описанию методик проведения экспериментов и используемого в работе оборудования.

В четвертой главе представлено ■ обсуждение результатов экспериментальных исследований. -

Использованный в лабораторной установке радиочастотный прибор асинхронного радиопучкового действия - электронный преобразователь солей жесткости воды «Термит» в данное время применяется только в целях

удаления накопившихся солевых отложений и предотвращения образования новых на поверхности трубопроводов, но как устройство для снижения жесткости не изучался.

Электромагнитные волны генерируются прибором «Термит», состоящим из корпуса, блока электропитания с соединительным кабелем, нроводов-излучагелей со штекерами, пластиковыми замками. Технические характеристики: электропитание от сети переменного тока 220±22 В частотой 50±1 Гц; потребляемая мощность не более 5 Вт, выходное напряжение блока электропитания 12 В; диапочон частот, генерируемых прибором изменяется в пределах от I до 20 кГц.

Лабораторная установка для исследования представлена на рис. I.

Рисунок I - Схема установки для очистки и умягчения воды: 1 - расходомер; 2 - запорный вентиль; 3 - источник ЭМИ; 4 - источник УЗИ; 5 - фильтр грубой очистки; б - ионнообменный фильтр; 7 - фильтр тонкой очистки

1

В качестве объектов исследования использованы модельные растворы с различными значениями содержания солей временной жесткости.

Для приготовления модельного раствора в колбу, снабженную барботером, помещали различное количество гидроксида кальция в зависимости от желаемого значения жесткости и растворяли в необходимом количестве воды. Присоединив барботер к баллону с углекислым газом, пропускали С02 до полного растворения твердого осадка, что свидетельствовало об образовании гидрокарбоната кальция.

Эксперимент проводился в статическом состоянии столба исследуемого водно-солевого раствора, который заливался в патрубок установки и подвергался электромагнитной обработке (ЭМО) в различных временных интервалах. Начальное значение жесткости исследуемой воды составляло !6,2°Ж, начальное время обработки и интервал для снятия показателей - 5 мин. При завершении каждого этапа эксперимента измерялись показатели жесткости и рН растворов.

Изменение значения рН в результате реакции определялось потенциометрическим методом, а жесткости воды -комплексонометрическим методом.

Все опыты в экспериментальной части исследовательской работы проведены 3-4 раза и, после метрологической обработки, сведены в соответствующие таблицы и отражены на рисунках.

Как известно, в водных растворах в кислых средах концентрация неднссоциированных молекул угольной кислоты незначительна и степень диссоциации ее существенно зависит от рН раствора. С увеличением значения рН количество растворенного С02 уменьшается, а число анионов НСОз" и СО/' увеличивается.

В водных растворах углекислых соединений при постоянном давлении и температуре существует динамическое равновесие между различными формами углекислоты:

2НСО.Г СО,2" + С02 + Н20. (1)

Если количество бикарбонатиых ионов I (СО)" соответствует определенному количеству углекислого газа С02, то в системе должно существовать карбонатное равновесие. Присутствие ионов Са'ь и 11СО)" ведет к образованию солей временной жесткости:

Са2+ + 2НСОз" = Са(НСО,)2. (2)

Процесс, проходящий под действием электромагнитной обработки, описывается следующими химическими реакциями:

Са(НС03)2 «-> СаСОз + Н20 + С02, . (3)

Са(НСОз)2 Са(ОН)2 +2С02. (4)

Вышеприведенные реакции являются обратимыми, и удаление образующихся компонентов разложения гидрокарбоната кальция смещает направление реакции вправо. На основе этого определено направление научных исследований по раскрытию закономерностей влияния физико-химических параметров на реакции разложения и образования гидрокарбоната кальция и, следовательно, на показатели жесткости водных растворов (рис.2).

Для оценки влияния рН среды на показатели солесодержания проведены аналогичные исследования на модельном растворе с исходной жесткостью 13,8°Ж (рис.3).

10 15 20 время воздействия, мин

25

30

Рисунок 2 - Зависимость изменения жесткости раствора от времени воздействия электромагнитного излучения

10 15 20 время воздействия, мин

-Жесткость

рн

Рисунок 3 - Изменение жесткости и рН исследуемого раствора в зависимости ог электромагнитной обработки и времени воздействия

Из кривых рис. 2 видно, что в первые 20 мин интенсивно протекает процесс разложения гидрокарбоната кальция по реакциям (3) и (4). Через 20 мин наступает обратная реакция гидрокарбоната кальция. В точке максимальной эффективности процесса разложения наблюдается экстремум величины рН раствора, равный 7,5. При уменьшении величины рН эффективность процесса разложения падает, а образования растет.

Этот факт объясняется тем, что разложение гидрокарбоната кальция приводит к образованию углекислого газа и гидроксида кальция. Образование Са(ОН)2 увеличивает значение рН раствора. Наложение электромагнитного излучения ускоряет не только прямую, но и обратную реакции.

Для более полного умягчения воды разработан способ, позволяющий быстро удалять образующиеся в процессе осадки и подвергать дальнейшей обработке отфильтрованный раствор. Этот метод позволил практически полностью ликвидировать обратную реакцию.

Режим многоступенчатого умягчения водного раствора, позволяющий удалять образующийся в процессе осадок и подвергать дальнейшей обработке отфильтрованный раствор, привел к снижению показателя жесткости в 54 раза(16,2-0,3°Ж), при времени обработки 195 мин.

Слив раствора производился через каждые 19,5 мин до момента возможного протекания обратной реакции. Моменты времени отбора проб и значения достигаемой жесткости после окончания каждого опыта указаны в табл. 1.

Таблица I - Значения исследуемой жесткости воды в зависимости от

времени ЭМО

Время воздействия ЭМО, мин 0 19,5 39 58,5 78 98 136,5 156 175,5 195

Жесткость после воздействия ЭМО, °Ж 16,2 12,1 8,6 6,5 4,9 3,8 2.7 1,8 0,9 0,3

16,3

12,3

P.f

40 80 120

время воздействия, мин

Рисунок 3 - Зависимость изменения жесткости от времени воздействия электромагнитного излучения по разработанному способу многоступенчатой фильтрации при электромагнитной обработке воды

100-

Ю-

\

10

100 Время, мин

1 Ъ

О О X

о

Ï3"

1000

0.01-

Ï

А

10

[Са(НСОз)2].°Ж

Рисунок 4 - Зависимость изменения жесткости воды от времени ЭМИ

Рисунок 5 - Зависимость изменения скорости разложения Са(НСО|)> от жесткости воды

При аппроксимации экспериментальных данных в логарифмических координатах получена графическая зависимость изменения жесткости от времени воздействия электромагнитного излучения, которая описывается выражением:

°Ж= 136,55т

.-0.8

(5)

Зависимость скорости разложения Са(ПСО,)2 от жесткости воды описы вается уран пением:

(6) время

с1[Са(НС0.,)2] к\т = 4-Ю"3-[Са(НС03):]''78, где [Са(НСОз)г] - концентрация гидрокарбоната кальция; т обработки ЭМИ, мин.

Из уравнения видно, что порядок реакции приближается ко второму порядку, что согласуется с суммарной реакцией:

2Са(НС03Ь ^ Са(ОН)2 +ЗС02 +СаСО., - Н20. (7)

Из реакций (I), (2) видно, что процесс разложения гидрокарбоната кальция сопровождается образованием С02, который является труднорастворимым, следовательно, процесс разложения сдерживается скоростью десорбции углекислого газа.

Одним из параметров, изменяющих растворимость С02 является температура. Исследуемый водный раствор подвергался электромагнитной обработке в различных температурных режимах.

Экспериментальные данные, приведенные на рис. 6 показали, что повышение температуры сказывается на скорости протекания процесса в целом, о чем можно судить по изменению показателей жесткости. Время процесса разложения сократилось на 25%.

8.5-т

X, мик

Рисунок 6 - Изменение жесткости воды под действием ЭМИ в зависимости от времени и температуры (1 -30°С; 2 - 50°С)

Величина энергии активации процесса определялась:

= (8)

(1 / 7',-1 /'/',)

где Я - газовая постоянная, к/ и к; - константы скорости реакции разложения при температурах /', и 'Л ( 30°С и 50°С), соответственно 303К и 323К.

1п^ = /'(

(9)

И з рис. 6 следует, что ІП

— = Іп-^^- Ы,25. *,„ 1

1п!,25 = -(—■ /Г 303

323

Е -

0,223-8,32

= 9095 Дж/моль.

0,000204

Полученная величина соответствует энергии водородных связей.

В продолжении работы, с целью реализации идеи о необходимости удаления С02 для исключения обратного процесса исследовано влияние ультразвукового излучения на концентрацию ССЬ в растворе.

Для этого, в верхней части установки помещен ультразвуковой излучатель (УЗИ), имеющий следующие характеристики: частота 50-60 Гц, потребляемая мощность 9 Вт, частота акустических колебаний излучателя 110 ±6 кГц.

Столб воды в патрубке с различной исходной жесткостью подвергался электромагнитной и ультразвуковой обработке в определенных временных интервалах в статическом режиме аналогично вышеописанной методике. Результаты экспериментов отражены на рис. 7.

9.8 1 10,2

-9,6 -10,21 -11,2 ! -12,1 ! -13,8 і

-16,г]

прсмя воздействия, мим

Рисунок 7-Сравнение зависимости изменения жесткости от времени электромагнитной обработки воды в режимах с ультразвуком и без ультразвука (пунктиром без ультразвукового воздействия)

Ультразвуковые колебания обеспечивают более быстрое и глубокое по сравнению с другими методами понижение концентрации растворенного в жидкости газа. Наряду с этим, благодаря ультразвуковой обработке, после 30 секундного воздействия возникают и тепловые эффекты, интенсифицирующие процесс ЭМО.

Соответствующие экспериментальные данные по исследованию изменения рН растворов приведены на рис. 8.

время воздействия, мин (—♦—жесткость —А—рН ]

Рисунок 8 -Изменение жесткости и рН исследуемых растворов в зависимости от времени воздействия

Применение УЗИ привело к повышению значений рН среды, что можно объяснить удалением С02 из системы и увеличением концентрации гидрокснда кальция.

В эксперименте определен момент времени, равный 25 мин, для которого скорости прямой и обратной реакции - разложения и образования гидрокарбоиага кальция равны. До этого момента наблюдалось снижение жесткости от начального равного 13,8 до 10,0°Ж, после него - увеличение до 11 °Ж.

В процессе ультразвуковой обработки возникают тепловые эффекты, что благоприятно влияет па процесс снижения жесткости из-за уменьшающейся растворимости СО;. В условиях опыта с включением в систему ультразвукового излучателя наблюдалась положительная динамика снижения показателя жесткости воды на 15%.

Таким образом, анализ результатов, приведенных на рисунке 8, свидетельствуют о том, что участие ультразвуковой обработки приводит к более низкому значению жесткости воды, а время достижения равновесия сдвигалось на 5 мин.

Основываясь на опытных данных и определенном моменте времени, который составлял 25 мин, следующим этапом интенсификации процесса умягчения стало проведение экспериментальных исследований в режиме многоступенчатого умягчения воды под действием электромагнитного излучения с применением ультразвукового излучателя, методика проведения которых была аналогична вышеописанному способу. Полученные экспериментальные данные представлены на рисунке 9 (слив раствора проводился в момекты времени, равным 24,5; 49; 72; 98 мин).

время воздействия, мин

Рисунок 9 - Зависимость изменения жесткости от времени в режиме . многоступенчатого умягчения коды под действием электромагнитного, излучения с применением ультразвукового излучателя и удалением осадка

При времени обработки раствора, равным 98 мин по вышеописанному способу достигается жесткость, составляющая 0.2' Ж, в условиях; многоступенчатого умягчения - 3,8°Ж. Таким образом, эффективность вышеописанного метода умягчения водного раствора увеличилась в 19 раз.:

Анализируя данные, полуденных при проведении по различным методикам и представленных на рисунках, можно сделать вывод, что.вариант совместного использования многоступенчатого умягчения с применением ультразвукового излучателя является наиболее эффективным и может быть применен в процессе водогюдг'отовки для технологических нужд.

Принимая во внимание, что исходное значение жесткости воды на , стадии предоч истки методом обратного осмоса на предприятиях органического синтеза в среднем составляет 5,6-5,8°Ж. проведены, исследования по вышеуказанной мето/дике, которые позволили снизить значение от первоначального 5,6°Ж до' 2,17°Ж за 49 мни. Дальнейшее проведение экспериментальных исследований не привело к положительному изменению данного показателя, что объясняется содержанием постоянных солей жесткости в волжской воде.

Объектами для исследований в дальнейшем послужили пробы воды из подземных источников водоснабжения г.Бугульма и Бугульминского района,

в результате которых была снижена жесткость воды от первоначальной 16,2°Ж до 2,8°Ж за 98 мин.

Таким образом, можно сделать вывод, что исследуемый метод умягчения эффективен для удаления гидрокарбонатных солей в водоподготовке и может быть предложен для промышленного применения.

Показано, что умягчение воды электромагнитным способом возможно не только для технологических, но и питьевых нужд. Для этого добавлен блок реагентной обработки, используемый, как правило, в потоке воды, идущей для пищевых целей, включен фильтр с наполнителем в виде полифосфата натрия (пищевого) в смеси с гранулированным углем импрегнированным серебром в соотношении I : 4.

Полученные результаты являются основанием для дальнейшего развития исследований в указанной области и предполагают проведение промышленных испытаний.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Проведен анализ данных экологического мониторинга водных объектов по уровню жесткости, послуживший предпосылкой для разработки необходимого технического решения получения воды нормативного качества.

2. На основании проведенного анализа методов умягчения воды на предприятиях химической и нефтехимической промышленности рассмотрены экологические аспекты их негативного влияния на окружающую природную среду.

3. Впервые показано, что электромагнитная обработка воды в диапазоне частот 1 - 20 кГц влияет не только на процесс разложения солей временной жесткости, но при определенных условиях, и на их образование.

4. Разработан эффективный способ многоступенчатой электромагнитной интенсификации обработки воды для разложения солей временной жесткости с удалением углекислого газа методом ультразвуковой дегазации и удалением образующихся осадков из системы.

5. В результате промышленных испытаний по использованию установки электромагнитной обработки с ультразвуковым излучателем для умягчения вод в процессе водоподготовки для технологических нужд на базе ООО «ТатНефтеСервис» (г. Альметьевск), НГДУ «Азнакаевскнефть» (г.Азнакаево), достигается снижение показателей жесткости до нормативных требований.

6. Показано, что для получения питьевой воды можно применять электромагнитную обработку в комплексе с реагентной обработкой пищевым полифосфатом в смеси с гранулированным углем импрегнированным серебром в соотношении 1 : 4.

7. Расчетный эколого-экономический эффект предотвращенного ущерба в условиях замены в ОАО «Казаиьоргсингез» метода умягчения воды обратным осмосом и катионированием при производительности 145 м'/сут на разработанный многоступенчатый способ электромагнитной обработки с ультразвуковой дегазацией, составил 248122,9 руб./год.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ И РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

В ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях

(. Дмитриева АЛО. Обеспечение экологических нормативов жесткости и санитарной безопасности воды артезианских скважин / А.Ю. Дмитриева, A.C. Сироткин // Вестник Казанского технологического университета. - 2010. - №7.- С. 197-204.

2. Дмитриева А.Ю. Мониторинг и итоги реализации программы «Чистая вода» юго-востока Татарстана / А.Ю. Дмитриева, C.B. Фридланд И Вестник Казанского технологического университета. -2011. -№7. -С. 11-17.

3. Дмитриева А.Ю. Исследование скорости реакции разложения гидрокарбоната кальция под действием электромагнитного излучения в статическом режиме / А.Ю. Дмитриева, C.B. Фридланд // Вода. Химия. Экология. - 2011. - № 5. - С.80 - 87.

4. Дмитриева А.Ю. Исследование многоступенчатого умягчения воды под действием электромагнитного излучения в статическом режиме / А.Ю. Дмитриева, C.B. Фридланд // Вестник Казанского технологического университета. -2011. -№14, - С.71-74.

Прочие публикации по теме диссертационного исследования

5. Дмитриева А.Ю. Роль нормативно-правового регулирования в обеспечении экологической безопасности России / А.Ю. Дмитриева II Материалы Всероссийской научно-практической конференции «Человек, общество, природа: экологические и правовые аспекты». - Казань: Познание, 2007. - С.79-83.

6. Дмитриева А.Ю. Безопасность России: состояние и перспективы / А.Ю. Дмитриева // Материалы Всероссийской научно-практической конференции «Человек, общество, природа: экологические и правовые аспекты». - Казань: Познание, 2008. - С. 333-338.

7. Дмитриева А.Ю. Анализ источников водоснабжения города Бугульмы и Бугульминского района / А.Ю. Дмитриева, A.C. Сироткин // Материалы научной сессии Казанского государственного технологического унивсрстнтета. - Казань: Познание, 2009. - С. 148-152.

8. Дмитриева А.Ю. Повышение экологической безопасности источников водоснабжения г.Бугульмы и Бугульминского района / А.Ю. Дмитриева, A.C. Сироткин И Материалы IV Межрегиональной конференция «Промышленная экология к безопасность» в рамках 16-й Международной выставки «Нефть, газ, нефтехимия - 2009». - Казань, 2009. - С. 252-256.

9. Дмитриева А.Ю. Обеспечение экологических нормативов жесткости и санитарной безопасности воды артезианских скважин / АЛО. Дмитриева, A.C. Сироткин // Материалы XI Международной конференции молодых ученых «Пищевые технологии и биотехнологии». Часть 2. - Казань: Издательство «Отечество», 2010. - 362 с.

10. Пат. на полезную модель 94565 Российская Федерация. Установка для очистки, и умягчения воды./ Дмитриева. А.Ю., Сунгатулин Э.М., Сироткин A.C.; заявитель и патентообладатель Дмитриева Алина Юрьевна. -№2010103180; заявл. 01.02.2010; опубл. 27.05.2010.

11. Дмитриева А.Ю. Пути нормализации состава водных объектов энергосберегающими методами / А,Ю, Дмитриева, С. В. фридланд // Материалы И Научно-практической конференции «Экополис -.Казань», посвященной Всемирному Дню Земли // Журнал экологии и промышленной безопасности. - 2011 .-№ I.-С.35-38.

Соискатель Заказ

А.Ю.Дмитриева -; Тираж 120 экз,

Издательство Казанского национального исследовательского ' технологического университета 420015, г.Казань, ул. К. Маркса, д. 68

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата технических наук, Дмитриева, Алина Юрьевна, Казань

61 12-5/2277

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «КАЗАНСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Экологические и технологические аспекты применения электромагнитной обработки в целях умягчения воды

03.02.08. - «Экология (в химии и нефтехимии)» по техническим наукам

на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

Дмитриева Алина Юрьевна

ДИССЕРТАЦИЯ

Научный руководитель: доктор химических наук, профессор С.В. Фридланд

Казань-2012

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................5

ГЛАВА 1. МОНИТОРИНГ СОСТОЯНИЯ ИСТОЧНИКОВ

ВОДОСНАБЖЕНИЯ РЕСПУБЛИКИ ТАТАРСТАН

1.1 Экологическое состояние поверхностных и подземных вод Республики Татарстан....................................................................................10

1.2 Динамика водопотребления из природных источников РТ..................15

1.2.1 Мониторинг состояния источников водоснабжения г. Бугульма и Бугульминского района..................................................................19

1.2.2 Характеристика источников водоснабжения г. Бугульма и

Бугульминского района по уровню жесткости.......................................22

ГЛАВА 2 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

2.1 Экологические проблемы, связанные с умягчением воды для технологических нужд на примере заводов органического синтеза............29

2.1.1 Расчет количества сжигаемого топлива для выработки электрической и тепловой энергии для процессов обессоливания методом обратного осмоса........................................................................................32

2.1.2 Расчет количества выбросов в окружающую среду при сжигании различного вида топлива.................................................................36

2.2 Анализ существующих технологий подготовки воды с целью ее умягчения....................................................................................44

2.2.1 Термический метод умягчения воды............................................44

2.2.2 Реагентные методы умягчения воды............................................46

2.2.3 Умягчение воды катионированием..............................................52

2.2.4 Мембранные методы умягчения воды..........................................56

2.2.5 Физические методы умягчения воды...........................................60

ГЛАВА 3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

3.1 Описание прибора электромагнитной обработки для снижения содержания солей жесткости............................................................64

3.2 Методика проведения экспериментов.............................................67

3.2.1 Приготовление модельных растворов..........................................67

3.2.2 Проведение процесса умягчения под действием электромагнитного излучения в статическом режиме......................................................68

3.2.3 Проведение процесса умягчения под действием электромагнитного излучения в поступенчатом режиме...................................................69

3.2.4 Проведение процесса умягчения под действием электромагнитного излучения в различных температурных режимах...................................69

3.2.5 Проведение процесса умягчения под действием электромагнитного и ультразвукового излучения в статическом режиме.................................70

3.2.6 Проведение процесса поступенчатого умягчения под действием электромагнитного и ультразвукового излучения в статическом режиме.. ..71

3.3 Определение физико-химических показателей водных растворов.........71

3.3.1 Определение жесткости водных растворов....................................71

3.3.2 Определение рН водных растворов.............................................71

3.4 Метрологическая обработка результатов эксперимента......................71

ГЛАВА 4 ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

4.1 Исследование реакции разложения гидрокарбоната кальция под действием электромагнитного излучения в статическом режиме...............81

4.2 Исследование реакции разложения гидрокарбоната кальция под действием электромагнитного излучения в режиме поступенчатого умягчения....................................................................................85

4.3 Исследование влияния различных значений исходных температур на процесс разложения гидрокарбоната кальция под действием электромагнитного излучения в статическом режиме.............................88

4.4 Исследование процесса разложения гидрокарбоната кальция под действием электромагнитного излучения в статическом режиме с подавлением обратного процесса ультразвуковым излучателем...............90

4.5 Исследование реакции разложения гидрокарбоната кальция в режиме поступенчатого умягчения под действием электромагнитного излучения с

применением ультразвукового излучателя и удалением осадка.................94

4.6 Применение метода электромагнитной обработки для получения питьевой воды нормативного качества..............................................102

4.7 Математическое описание динамики процессов умягчения воды под действием электромагнитного излучения...........................................109

5. ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ПРЕДОТВРАЩЕННОГО УЩЕРБА

5.1 Эколого-экономический эффект умягчения воды на этапе пред очистки предприятия органического синтеза методом электромагнитной

обработки..................................................................................117

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ..........................................119

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.................................121

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. При работе химических и нефтехимических предприятий одним из важнейших этапов технологических процессов является водоподготовка и получение воды нормативного качества. Умягчение воды, т.е. снижения содержания растворимых солей кальция и магния, осуществляют различными способами. Выбор метода умягчения воды определяется исходной жесткостью и ее качеством, необходимым для потребителя, т.е. необходимой глубиной умягчения, экологическими и технико-экономическими соображениями.

В последние годы в Татарстане, особенно на Юго-Востоке растет доля использования подземных вод в водоснабжении. Подземные воды используются в первую очередь для питьевых целей, потому что, как правило, они не требуют специальной очистки, а в ряде случаев и обеззараживания.

Общим недостатком подземных вод является повышенная жесткость и в научной литературе имеются данные о так называемых «каменных зонах», где источники питьевой воды характеризуются высокой общей минерализацией, где образование у населения камней в почках имеет местный экзогенный характер. При повышенной жесткости воды происходит усиление местного кровообращения в органах выделения и изменение многих процессов, в том числе фильтрации. И хотя фильтрация служит защитным механизмом, однако из-за дополнительной нагрузки возникает истощение регулирующих систем, что и приводит: к патологическим изменениям в почках, заболеванию суставов (артриты, полиартриты), образованию камней в почках, желчном и мочевом пузырях.

На крупных предприятиях химической и нефтехимической промышленности в основном используется умягчение воды катионированием или сочетание метода обратного осмоса с катионированием. Процесс катионирования требует использование

поваренной соли в качестве регенератора катеонитов. Последнее приводит к высоким сбросам солей (хлоридов) в сточные воды.

Согласно официальной статистике в 2010 г. по г. Казани сброшено в водоемы приблизительно 14000 тонн хлоридов. Содержащиеся в воде хлориды обладают наибольшей миграционной способностью, связанной с их высокой растворимостью, слабо выраженной способностью к сорбции и биологической регенерации, Повышенное содержание хлоридов ухудшает органолептические качества воды, делает ее малопригодной для питьевого водоснабжения, технического и хозяйственного использования. Наличие в стоках хлоридов ведет к увеличению бихроматной окисляемости, негативно сказывающейся на состоянии водных экосистем в сбросах.

Следует отметить, что известные способы водоподготовки требуют больших энергетических затрат. Энергетические затраты обуславливают значительное увеличение количества сжигаемого топлива, и как следствие, поступление в атмосферный воздух значительных объемов продуктов сгорания топлива в промышленных печах. Изменяется состав атмосферного воздуха, часто приближая концентрации токсичных веществ к опасным по биологическому действию на биосистемы. При сжигании различных видов топлива в стационарных топливосжигающих установках в атмосферу поступает значительное количество токсичных веществ, среди которых основные: твердые частицы (зола, пыль, сажа), оксиды серы (802 и 803), оксиды азота (N0 и Ш2), а также в меньших количествах монооксид углерода (СО), альдегиды (в основном НСНО), органические кислоты (СНзСООН и др.). Проведенные расчеты по энергопотреблению показывают, что при использовании метода обратного осмоса совместно с катионированием, при работе предприятия органического синтеза с потреблением 124750 кг/ч речной воды, при сжигании необходимого количества природного газа за год выбрасывается около 145,49 тонн Ж)х, выбросов оксида углерода при таком же объеме сжигаемого природного газа составляет 130 тонн.

Из литературных сведений известен метод, применяемый для удаления отложившихся на поверхности труб солей. В основе его лежит метод наложения электромагнитного воздействия различных частот. Используемые в данное время аппараты для магнитной обработки воды типа АМО-25, АМО-ЮО, АМ0200 отличаются высокой мощностью ( 350 - 500 Вт), большими габаритами и массой (40 - 330 кг), необходимостью нагревания обрабатываемой воды до 60 С0, что связано также со значительными энергетическими затратами.

В настоящей диссертационной работе исследована возможность использования умягчения воды для технологических нужд предприятий химической и нефтехимической промышленности, а также для питьевых нужд с помощью электромагнитного воздействия в диапозоне звуковых частот.

Цель диссертационной работы состояла в систематическом исследовании процесса снижения жесткости воды до ее нормативного уровня с помощью электромагнитного излучения.

Задачи исследования:

- провести анализ данных экологического мониторинга водных объектов по уровню жесткости для разработки необходимого технического решения получения воды нормативного качества;

- провести анализ существующих методов умягчения на предприятиях химической и нефтехимической промышленности и их влияние на окружающую природную среду;

- исследовать эффективность электромагнитной обработки воды для ее умягчения в технологическом процессе водоподготовки и определить влияние физико-химических факторов на реакции разложения и образования гидрокарбоната кальция;

- исследовать возможность использования данного метода умягчения воды для питьевых нужд.

Научная новизна. Выявлено влияние способа электромагнитной обработки воды в диапазоне частот 1 - 20 кГц на снижение содержания солей временной жесткости в водных растворах и впервые найдены условия, обеспечивающие максимум эффективности.

Впервые показано, что электромагнитная обработка влияет на химические реакции как разложения, так и образования солей жесткости.

Разработан способ многоступенчатой электромагнитной обработки воды для интенсификации разложения солей жесткости с удалением углекислого газа методом ультразвуковой дегазации и удалением образующихся осадков из системы.

Показано, что применение электромагнитной обработки в комплексе с реагентной обработкой пищевым полифосфатом импрегнированным серебром обеспечивает возможность эффективной подготовки воды для питьевых нужд.

Практическая значимость работы. Разработана малоэнергоемкая экологически безопасная технология умягчения воды для технологических и питьевых нужд.

В процессе водоподготовки для технологических нужд на базе ООО «ТатНефтеСервис» г. Альметьевск и на участке водоподготовки НГДУ «Азнакаевскнефть» проведены промышленные испытания установки умягчения воды с помощью электромагнитной и ультразвуковой обработкой. Получен патент №94565 на полезную модель «Установка для очистки и умягчения воды».

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на: II Научно-практическая конференции «Экополис - Казань», посвященной Всемирному Дню Земли; Всероссийской научно-практической конференции «Человек, общество, природа: экологические и правовые аспекты»; Всероссийской научно-практической конференции «Безопасность России: состояние и перспективы»; IV Межрегиональной конференции «Промышленная экология и безопасность» в рамках 16-й Международной

выставки «Нефть, газ, нефтехимия - 2009»; I Региональной научно-практической конференции Казанского государственного технологического университета; Научной сессии Казанского государственного технологического университета; XI Международной конференции молодых ученых «Шаг в науку 2010: Пищевые технологии и биотехнологии»; Всероссийской конференции «Экологические проблемы урбанизированных территорий» (Пермь). Были представлены материалы для участия в ГРАНТЕ «Пятьдесят лучших инновационных идей для Республики Татарстан» в номинации «Старт инноваций».

Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в печати в 11 статьях, 4 из которых в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки России. Структура диссертационной работы. Диссертация состоит из 5 глав, изложенных на 133 страницах, содержит 28 рисунков и 34 таблицы, библиографического списка, включающего 132 литературных источника.

ГЛАВА 1. МОНИТОРИНГ СОСТОЯНИЯ ИСТОЧНИКОВ ВОДОСНАБЖЕНИЯ РЕСПУБЛИКИ ТАТАРСТАН

Запасы поверхностных и подземных вод РТ, их качество являются жизне-и средообразующей составляющей, определяющей социальное, экономическое и экологическое благополучие. В связи с этим вопросы комплексного использования, охраны и восстановления водных ресурсов РТ относятся к числу приоритетных государственных задач и их решение является неотъемлемой частью обеспечения национальной безопасности. Современная промышленность подошла к такому уровню, когда экономика практически превышает экологическую емкость и дальнейшее развитие приведет к разрушению регенеративных возможностей ее естественноисторического

потенциала [1].

Качество потребляемой воды зависит от состояния источников водоснабжения. Поэтому важна своевременная и объективная информация о фактическом состоянии водных экологических систем в целом и ее локальных частях. Такая информация позволит получить данные для определения процессов, протекающих в водных средах, что возможно при наличии системы мониторинга водных объектов [2].

1.1 Экологическое состояние поверхностных и подземных вод Республики

Татарстан

Вопросы экологии и рационального природопользования имеют глобальное значение для дальнейшего развития цивилизации на планете. Техногенное воздействие на окружающую среду достигло таких масштабов, что без рационального природопользования человечество столкнется в недалекой перспективе с очень серьезными проблемами. Среди таких проблем

- нехватка воды нормативного качества [3].

Чистая, пресная вода наряду с нефтью, газом, углем и другими природными ресурсами все в большей степени становится мерилом богатства

общества, определяет уровень жизни населения. Забота о бережном и рачительном использовании воды - основы всего живого на Земле - должна стать приоритетной задачей в деятельности всех государств и нормой жизни каждого человека [4].

Проблема качества воды затрагивает очень многие стороны человеческого общества в течении всей истории его существования.

Воды разных источников водоснабжения - открытых (рек, озер, морей) и подземных (артезианских скважин, шахтных колодцев и др.) содержат растворенные, коллоидные и взвешенные вещества. Растворенными веществами вода обогащается в результате контакта с различными горными породами при протекании по руслам рек и при фильтрации в грунте. Характером этих горных пород и степенью растворимости образующих их химических соединений определяется в основном химический состав воды [5].

Одним из важных физико-химических показателей воды является жесткость. Понятие жёсткости воды обычно связано с катионами кальция (Са2+) и в меньшей степени магния (М^; ). В действительности, все двухвалентные катионы в той или иной степени влияют на жёсткость. Они взаимодействуют с анионами, образуя соединения (соли жёсткости) способные выпадать в осадок. Одновалентные катионы (например, натрий Ыа+) таким свойством не обладают [6].

Ионы кальция (Са ) и магния (М^ ), а также других щёлочноземельных металлов, обуславливающих жёсткость, присутствуют во всех минерализованных водах. Их источником являются природные залежи известняков, гипса и доломитов. Ионы кальция и магния поступают в воду в результате взаимодействия растворённого диоксида углерода с минералами и при других процессах растворения и химического выветривания горных пород. Источником этих ионов могут служить также микробиологические процессы, протекающие в почвах на площади водосбора, в донных отложениях, а также сточные �