Введение к работе
Актуальность исследования. Общая экологическая ситуация в России как и во всем мире с каждым годом продолжает усложняться. Происходит истощение наземно-почвенной, атмосферной и водной сред.
В государственной программе «Чистая вода» сказано, что доступность и качество питьевой воды определяют здоровье нации и качество жизни. Отсутствие чистой воды и канализации является основной причиной распространения кишечных инфекций, гепатита и болезней желудочно-кишечного тракта, увеличивается степень риска возникновения «воднозависимых патологий» и усиливается воздействие на организм человека канцерогенных и мутагенных факторов.
По оценкам Организации Объединенных Наций 1,1 млрд. населения Земли не обеспечены в должной мере чистой питьевой водой, к тому же 2,6 млрд. людей не имеют достаточного обеспечения водой для средств гигиены. Прогнозируется, что к 2020 году использование воды увеличится на 40%, и к 2025 году два человека из трех будут испытывать нехватку воды.
В число основных задач государственной программы «Чистая вода» включены: -стимулирование производства инновационного отечественного оборудования, технологий и материалов; -совершенствование технологий очистки и обеззараживания воды; -методы экологического оперативного контроля воды по интегральным и технологическим показателям, а также разработка локальных систем водоподготовки для водоснабжения и водоотведения отдаленных населенных пунктов (шахты, вахтовые бригады, геологоразведочные экспедиции и др.).
Водные технологические среды (ВТС) включают в себя целый спектр водных сред, которые подвергаются технологическому воздействию с целью очистки, обеззараживания и контроля состава. Например, загрязненная вода поверхностных источников, которая подвергается многоступенчатому технологическому воздействию с целью доведения ее физико-химических и бактериологических параметров до уровня питьевой воды. Также состав сточных вод различных производств должен соответствовать перед сбросом в коллектор требованиям, которые регламентируются нормативными документами. В целях достижения выше поставленных задач необходимо создание универсальных процессов и аппаратов для различных методов обработки воды, особенно интеграция их в единые технологические схемы.
Целью работы является разработка процессов для очистки и обеззараживания воды от углеродсодержащих загрязнений в условиях идентификации различных подходов (создание и использование тонких полупроницаемых материалов в разнонапорных мембранных технологиях и электрохимических методах и др.), для обеспечения стабильной работы аппаратов и устройств в течение длительного времени.
Разработка и совершенствование модулей для различных технологий очистки, обеззараживания и контроля состава водных технологических сред, содержащих загрязнения химического и нефтехимического происхождения.
Создание технологических схем разделения компонентов на основе интегрирования баромембранных и электрохимических методов очистки водных технологических сред.
Исследование физико-химических процессов (поляризация, сорбция, окисление и др.) на мембранах-электродах при различных условиях для установления рациональных параметров работы приборов и устройств.
Научная новизна работы заключается в идентификации научно-методологических разработок технологических процессов на базе экологического мониторинга для очистки и обработки воды от нефтехимических загрязнений.
Интегрированы процессы бароэлектрохимических (БЭХ) модулей (аппаратов) для различных технологий очистки, обеззараживания и контроля состава водных технологических сред.
Разработан и предложен механизм совместного использования баромембранных и электрохимических технологий обработки воды в едином модульном аппарате корпусного типа.
В целях повышения эффективности электроосмофильтрации исследовано поведение тока поляризации на мембране-электроде в слабокислом водном растворе для удаления органических примесей и показаны количественные характеристики величины тока поляризации в области малых и больших перенапряжений.
Доказано влияние процесса поляризации на коррозионные и структурные характеристики тонких пленок катализаторов, исследована кинетика образования оксидных слоев с учетом влияния морфологии подложки при малых концентрациях загрязняющих веществ органического происхождения.
Осуществлен эколого–технологический баромембранный процесс, с применением уникальных стабильно работающих мембран – пористых боросиликатных капилляров – единственно возможных, для идентификационного моделирования процесса стабилизации и сопоставительных характеристик разделения мембран в бароэлектрохимических процессах.
Показана эффективность использования полосы C8-C12 для обнаружения нефтехимических загрязняющих компонентов водной технологической среды и возможность проведения экспресс-тестов с применением газовой хроматографии.
Разработана новая программа получения и использования эффективного окислителя - гипохлорита натрия в «ГИПОФЛО» для локальных систем обеззараживания вод отдаленных населенных пунктов.
Процессы, протекающие на поверхности мембран, изучались при истощении толщины сформированного слоя в слабокислых водных растворах и показана эффективная толщина наносимого слоя для стабильной и длительной работы БЭХ установок.
Изучено влияние состава жидкой системы на устойчивость мембраны-электрода, а также на разрушение органических примесей в слабокислых водных растворах.
Практическая значимость. Практически использованы стабильные характеристики процессов разделения в интегрированных бароэлектрохимических (БЭХ) процессах и аппаратах, которые могут быть применены в различных областях народного хозяйства (нефтехимия, химия и текстильная отрасль), в частности:
-разработан БЭХ процесс и технологическая схема аппарата на базе модельных баромембранных и электрохимических процессов совместного использования, для очистки воды от органических примесей;
- созданы электроды-мембраны из платины на титановой подложке, изучены структура и свойства для очистки и обеззараживания в различных водных средах бароэлектрохимическими методами;
-разработаны процессы на основе стабильных характеристик пористых боросиликатных стекол;
-разработаны процессы и создана система очистки вод для отдаленных населенных пунктов;
-разработана и внедрена новая программа работы генератора гипохлорита натрия «ГИПОФЛО», для обеззараживания вод малых населенных пунктов;
-на основе прикладных материалов диссертационной работы разработан и читается учебно-семестровый спецкурс «Современные технологии и материалы».
Достоверность полученных в работе результатов обеспечивается экспериментальными данными, полученными с использованием апробированных методик, современного оборудования и средств измерения, а также результатами практической апробации и реализации предложенных методов и устройств.
На защиту выносятся следующие положения:
- новая технологическая схема БЭХ процессов в едином модульном аппарате корпусного типа для очистки воды от органических примесей;
- результаты экспериментальной работы, по изучению влияния тока поляризации в слабокислых водных средах с содержанием органических примесей, на процесс разделения компонентов жидких систем при подводе внешнего электрического тока к мембране-электроду в БЭХ процессах;
- результаты изучения сопутствующих БЭХ процессам – адсорбции на тонкопленочных поверхностях органических и неорганических веществ, по классам устойчивости, на мембране-электроде из металлов группы платины в процессе очистки и обеззараживания воды от нефтепродуктов;
- новая методика программируемого БЭХ процесса в части его составляющей электрохимического потенциала на мембране-электроде, как модели полупроницаемой поверхности в датчике определения содержания различных веществ, в объеме воды;
- результаты изучения влияния состава жидкой системы на устойчивость мембраны-электрода в слабокислых водных растворах.
- результаты комплекса проведенных экспериментальных исследований мембран-электродов методами циклической резистометрии и вольтамперометрии, рентгено-электронной и ИК-спектроскопии, растровой электронной микроскопии (РЭМ), атомно-абсорбционной спектрофотометрии;
- результаты изучения физико-химических процессов в электрохимических устройствах при окислении органических примесей, а также для генерирования эффективных окислителей на месте их потребления;
Апробация результатов работы. Основные результаты работы представлены и доложены на тридцати Всероссийских и Международных научных конференциях, совещаниях, коллоквиумах, форумах, симпозиумах и конгрессах, среди которых: Постоянная конференция «Химический контроль в энергетике» (Россия, Тула, 2001); X Международный форум «Медико-экологическая безопасность и социальная защита населения» (Турция. 2001); IV Международная научно-практическая конференция «Хозяйственно-питьевая и сточные воды: проблемы очистки и использования» (Россия, Пенза, 2002); ХIV Научно-техническая конференция «Датчик-2002» (Россия, Судак, 2002); Международная конференция «Электрокатализ в электрохимической энергетике» (Москва, ИЭЛАН, 2003); XIII Международный симпозиум «Международный год воды» (Австрия. 2003); 4 Научно-практическая конференция «Московская наука - проблемы и перспективы» (МКНТ, Москва, 2003); Всероссийская научно-практическая конференция «Современное развитие естествознания» (Москва, 2005); Всероссийская научно-практическая конференция химиков-педагогов с международным участием, апрель (Санкт-Петербург, 2005-2010); Всероссийская научно-техническая конференция (Нижний Новгород, 2007); Всероссийская научно-практическая конференция «Социально-экологические проблемы малого города» (Саратов, 2008); Международный конгресс молодых ученых по химии и химической технологии “UCChT-2007 и МКХТ-2008”(Москва, 2007-2008); Научно-практическая конференция в честь 175 – летия Д.И. Менделеева (Москва, 2009); Международная научно-практическая конференция «Актуальные проблемы развития современного общества» (Саратов, 2010); Международная заочная научно-практическая конференция «Влияние энтропии на разделение компонентов при очистке воды от углеродсодержащих загрязнителей» (Тамбов, 2011).
Диссертация обсуждена на расширенном научном семинаре Российского химико-технологического университета им. Д.И. Менделеева, Московского государственного университета инженерной экологии и на заседание кафедры основ экологии Московского государственного областного университета.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 45 работ, в том числе 4 монографии, 17 научных статей в журналах, рецензируемых ВАК РФ, 1 авторское свидетельство СССР, 30 докладов и тезисов на Международных и Всероссийских конференциях, симпозиумах и конгрессах.
Объем и структура диссертации. Работа изложена на 327 страницах, содержит 85 рисунков, 40 таблиц и состоит из введения, семи глав, выводов, заключения и списка литературы, включающего 250 источника.
