Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Литературный обзор 10
1.1. Экологический мониторинг природных поверхностных вод бассейна Иртыш-Тобол 10
1.1.1. Определения мониторинга. Цели и задачи мониторинга 10
1.1.2. Общая характеристика рек: Тобол, Иртыш климатические и географические факторы 11
1.1.3. Химический состав рек: Тобол, Иртыш 16
1.2. Анализ современных методов очистки поверхностных вод в процессах водоподготовки 26
1.2.1. Общие сведения об электрохимических методах очистки воды 29
1.2.2. Обзор современных разработок в области электрохимических устройств очистки природных вод 31
1.3. Выводы к главе 1 35
ГЛАВА 2. Кинетические особенности образования ассоциатов в воде при механическом перемешивании 37
2.1. Литературный обзор по образованию ассоциатов в воде. Гидрофобная модель структуры ассоциатов воды 37
2.2. Методика определения рН и потенциала водородного электрода (ф), удельной электропроводности (%) воды 49
2.3. Исследования по механическому разрушению ассоциатов воды при перемешивании 53
2.3.1. Определение времен релаксации физико-химических свойств воды 53
2.3.2. Скорость образования ассоциатов воды 70
2.3.2.1. Расчет размеров ассоциатов воды 70
2.3.2.2. Расчет энергии зародышеобразования ассоциата воды 72
2.3.2.2.1. Расчет энергии зародышеобразования ассоциата воды по Фридрихсбергу 74
2.3.2.2.2. Расчет энергии зародышеобразования ассоциата воды по Скрипову 76
2.3.2.2.3. Расчет скорости роста ассоциата воды 78
2.4. Механизм механохимического активирующего действия на воду 89
2.6. Выводы к главе 2 97
ГЛАВА 3. Электрокоагуляционная очистка природных вод в импульсном постоянном электрическом поле 98
3.1. Механизм очистки воды электролитическими методами 98
3.2. Обработка воды в импульсном постоянном электрическом поле 104
3.2.1. Экспериментальная установка 104
3.2.2. Методика определения массовых концентраций железа и алюминия в природной воде 108
3.2.3. Определение оптимальных параметров режима обработки природной воды в импульсном постоянном электрическом поле. 113
3.2.4. Обработка модельных растворов железа в импульсном постоянном электрическом поле 120
3.2.5. Влияние механического перемешивания на процессы очистки природной воды в импульсном постоянном электрическом поле .125
3.3. Выводы к главе 3 127
ГЛАВА 4. Сравнительный анализ очистки природной воды в постоянном, переменном и импульсном постоянном электрических полях. Расчет электрокоагулятора с параметрами обработки в импульсном постоянном электрическом поле 128
4.1. Сравнительный анализ очистки природной воды в постоянном, переменном и импульсном постоянном электрических ПОЛЯХ 128
Стр.
4.2. Расчет электрокоагулятора с параметрами обработки в импульсном постоянном электрическом поле 131
4.3. Выводы к главе 4 141
Основные результаты и выводы 142
Список литературы
- Экологический мониторинг природных поверхностных вод бассейна Иртыш-Тобол
- Общие сведения об электрохимических методах очистки воды
- Литературный обзор по образованию ассоциатов в воде. Гидрофобная модель структуры ассоциатов воды
- Методика определения массовых концентраций железа и алюминия в природной воде
Введение к работе
Природные поверхностные воды являются одним из основных источников питьевого водоснабжения. Мониторинг поверхностных вод показал, что под влиянием урбанизации и хозяйственной деятельности человека происходит постепенное загрязнение природных поверхностных вод различными химическими веществами неорганического и органического происхождения. Поэтому получение чистой питьевой воды, потребляемой человеком, является важной задачей, требующей применения новых подходов и технических решений, обеспечивающих высокую эффективность обработки воды.
Особые трудности возникают при обеспечении водой небольших коллективов, когда строительство крупных водопроводных станций нецелесообразно. В этих случаях более перспективными и наиболее выгодными следует считать физические (безреагентные) способы водоподготовки, не требующие доставки реагентов, устройств и емкостей для их хранения и приготовления, а также капитальных очистных сооружений и больших производственных площадей. Одним из таких способов является электрообработка.
В качестве перспективных методов электрообработки природных поверхностных вод может рассматриваться электрокоагуляция в импульсном постоянном электрическом поле, которая позволит внедрить локальные водоочистные установки без использования выпрямительных устройств.
Загрязнение поверхностных вод зависит не только от количества поступающих стоков, но и от разбавляющей способности и интенсивности перемешивания. Эти два главных фактора, определяющих, хотя и крайне медленную, но естественную самоочищающую способность рек можно учесть для повышения эффективности электрообработки поверхностных вод в импульсном электрическом поле с применением механического
перемешивания. Увеличение эффекта коагуляции антропогенных загрязнений и вывода их из дисперсионной среды за счет механического перемешивания в процессах электрообработки практически не изучалось.
Целью работы является повышение эффективности очистки природных поверхностных вод в импульсном постоянном электрическом поле за счет механического перемешивания жидкости.
Объект исследования — метод электрокоагуляционной обработки поверхностных вод в импульсном постоянном электрическом поле.
Предмет исследования - механическое перемешивание воды в импульсном постоянном электрическом поле.
Для достижения поставленной цели были поставлены и решены следующие задачи:
Провести мониторинг поверхностных вод Тобола и нижнего течения Иртыша.
Установить изменения физико-химических свойств воды с определением скорости роста и разрушения ассоциатов воды в результате механического перемешивания.
Определить влияние механического перемешивания на развивающиеся процессы электрокоагуляционной очистки поверхностных вод.
Определить максимально возможные значения степени очистки от загрязнений и наименьшего расхода энергии при обработке воды в постоянном, импульсном и переменном электрических полях.
Положения, выносимые на защиту
Результаты исследования кинетических закономерностей разрушения и восстановления ассоциатов воды при её механическом перемешивании с определением скоростей этих процессов.
Определение механохимического разложения воды и влияние этого воздействия на очистку воды.
Рекомендации по выбору оптимальных параметров импульсного постоянного электрического поля в процессах очистки природных поверхностных вод.
Результаты сравнительного анализа обработки воды в импульсном постоянном, постоянном и переменном электрических полях с применением механического перемешивания.
Научная новизна работы
1. Выявлено механохимическое разложение воды в процессах
электрокоагуляции.
2. Экспериментально установлено явление безреагентного изменения
удельной электропроводности воды и потенциала водородного электрода в
процессе её механического перемешивания.
3. Предложен метод очистки природных поверхностных вод, в
импульсном постоянном электрическом поле с применением механического
перемешивания.
5. Показано, что очистка воды в импульсном постоянном
электрическом поле наиболее эффективно осуществляется с
механическим перемешиванием.
Практическая значимость и реализация результатов работы
1. Определен режим электрокоагуляционной обработки природных
поверхностных вод в импульсном постоянном электрическом поле с
применением механического перемешивания.
Проведен расчет электрокоагулятора для очистки природных поверхностных вод в импульсном постоянном электрическом поле с применением механического перемешивания.
Результаты исследований могут быть использованы при разработке локальных водоочистных установок для обеспечения качественной водой хозяйственно-питьевого назначения Тобольского района.
Достоверность полученных результатов подтверждается
применением стандартных методик измерения электрохимических характеристик с использованием поверенных средств измерений и аттестованного испытательного оборудования; сравнением полученных результатов с результатами близких по постановке исследовательских задач отечественных и зарубежных авторов и использованием данных проведенного мониторинга; получением воспроизводимых результатов при определении потенциала водородного электрода и удельной электропроводности воды.
Апробация работы. Основные результаты работы были доложены и обсуждены на Международных и Всероссийских конференциях (2003-2008 гг.), в том числе: Международной научной конференции «Проблемы природопользования и экологическая ситуация в европейской России и сопредельных стран» (Белгород, 2004), 10-ой Международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири (СИБРЕСУРС-10-2004), (Новосибирск, 2004), 4-ой региональной научно-практической конференции «Новые технологии - нефтегазовому региону» (г. Тюмень, 2005), VIII INTERNANIONAL SYMPOSIUM "CLEAN WATER OF RUSSIA-2005", (EKATERINBURG, 2005), Всероссийской научно-технической конференции «Нефть и газ Западной Сибири» (г. Тюмень, 2005), Международной научно-технической конференции «Нефть и газ Западной Сибири» (Тюмень, 2005), 4-ой Всероссийской конференции «Геология и нефтегазоносность Западно-Сибирского мегабассейна», посвященной 50-летию ТюмгГНГУ (Тюмень, 2006), 12-ой Международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири» (СИБРЕСУРС-12-2006) (Тюмень, 2006), 13-ой Международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири» (СИБРЕСУРС-13-2007) (Тюмень, 2007), 14-ой Международной научно-практической конференции «Природные и
интеллектуальные ресурсы Сибири» (СИБРЕСУРС-14-2008) (Омск, 2008), Международной научно-практической конференции «Современная экология - наука XXI века» (Рязань, 2008).
Публикации и вклад автора. Настоящая работа выполнена в научной лаборатории кафедры промышленной экологии Тюменского государственного нефтегазового университета и в Тобольском индустриальном институте. Все включенные в диссертацию экспериментальные данные, а также анализы по гидрохимическому составу поверхностных вод нижнего течения Иртыша, получены лично автором.
По теме диссертации опубликовано две работы в журналах, рекомендованных ВАК РФ (2007 - 2008 гг.), десять статей в докладах Международных конференций и конгрессах, опубликованных в тематических сборниках Международных и Всероссийских конференций по проблемам электрокоагуляционных методов очистки природных и питьевых вод.
Структура диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, выводов и 4-х приложений. Работа содержит 155 страниц текста, 48 рисунков, 19 таблиц и списка цитируемой литературы из 154 наименований.
Автор выражает искреннюю благодарность за поддержку и ценные консультации при подготовке диссертационной работы научному руководителю - профессору, доктору технических наук Шантарину Владиславу Дмитриевичу.
Экологический мониторинг природных поверхностных вод бассейна Иртыш-Тобол
Известно, что развитие научно-технического прогресса и хозяйственной деятельности человека привело к антропогенному воздействию на природу. Количественной и качественной характеристикой антропогенного воздействия является антропогенная нагрузка, т.е. степень воздействия человеческой деятельности на окружающую природную среду.
Антропогенную нагрузку на объекты природной среды, в том числе и на поверхностные воды, сегодня можно назвать экологически опасной [1].
Получение достоверной информации о влиянии антропогенного воздействия на состояние окружающей среды является начальным этапом при проведении мониторинга объектов среды.
Термин «мониторинг» впервые появился в рекомендациях специальной комиссии СКОПЕ (научный комитет по проблемам окружающей среды) при ЮНЕСКО в 1971 году. В 1972 году появились первые предложения по Глобальной системе мониторинга окружающей среды (Стокгольмская конференция ООН по окружающей среде) для определения системы повторных целенаправленных наблюдений за элементами окружающей природной среды в пространстве и времени [2].
Экологический мониторинг - наблюдение и контроль над изменениями состояния биосферы под влиянием деятельности человека, предупреждение о неблагоприятных для жизни, здоровья и производственной деятельности людей последствий, вызванных этими изменениями. Система контроля окружающей среды осуществляет три основных задачи: 1) слежение и контроль — систематические наблюдения за состоянием окружающей среды; 2) прогноз - определение возможных изменений природы под влиянием естественных и антропогенных факторов; 3) управление - мероприятия по регулированию состояния окружающей среды [3].
Одной из составляющей экологического мониторинга является химический мониторинг природных и поверхностных вод.
Природные воды являются основным источником питьевого водоснабжения, поэтому контроль химического и биологического состава водных систем является приоритетным направлением в области охраны окружающей среды, в частности, водных ресурсов [4]. Из открытых водоемов водопроводами подается вода для 45 процентов населения Тюменской области, причем основная доля указанного населения - 84 % проживает в городах Тюмени, Ишиме, Тобольске [5].
Главным потребителем пресной воды является промышленность. Число водопользователей, забирающих воду из поверхностных водных объектов в Тюменской области (с учетом автономных округов), составляет 267 (на южную зону приходится 180). Воду питьевого качества подают 17 водозаборов, технического - 297. Основными загрязнителями поверхностных вод являются предприятия промышленности, в том числе электроэнергетики и топливной промышленности, а также объекты коммунального хозяйства. Со сточными водами в водные объекты поступает большое количество сульфатов, хлоридов, СПАВ, взвешенных веществ, нефтепродуктов, солей тяжелых металлов, органики, фенолов и др. [5].
Тюменская область характеризуется развитой сетью полноводных рек (около 25 тыс.), большим количеством озёр (около 500 тыс.), обилием подземных вод. Водные ресурсы области формируются в основном за счёт транзитного стока рек Тобол, Иртыш, Обь.
Река Тобол - самый крупный и многоводный приток Иртыша. Река берет начало на восточных отрогах Южного Урала и впадает в Иртыш на расстоянии 659 км от устья. Длина реки составляет 1674 км, площадь бассейна - 394 600 км . Главными левобережными притоками являются реки: Исеть, Тура, Тавда. Основной источник питания реки — снежный покров. Доля снегового питания в формировании годового стока уменьшается по мере перемещения вниз по течению. В среднем и нижнем течении реки все большое значение приобретает дождевое питание и поступление воды из притоков Тобола, стекающих с восточных склонов Уральского хребта. До Ялуторовска доля снегового питания составляет около 60 %, дождевого — 11%, подземных вод — 29 % годового стока. Коэффициент вариации годового стока Тобола у Кургана равен 0,95, у Ялуторовска - 0,59, а у Липовского снижается до 0,36.
Река Иртыш - наиболее крупный левый приток Оби. Длина реки составляет 4432 км, площадь бассейна - 1643000 км , среднегодовой сток -89,3 км3. Большая часть течения — по Западно-Сибирской равнине. Средний расход воды у г. Тобольска составляет 2150 м /с (в устье — 2380 м /с).
Верхняя часть бассейна расположена в горах Алтая. Основная водосборная территория реки расположена преимущественно в степной и лесостепной зонах, а небольшая часть правобережья в нижнем течении тайги.
На территории Казахстана ниже устья р. Бухтарма расположена Бухтарминская ГЭС (1960 -1964 гг.). В Бухтарминское водохранилище впадает ряд крупных рек: Курчум, Нарым, Бухтарма, Большая Буконь, Таинты.
Общие сведения об электрохимических методах очистки воды
Электрообработка является почти единственным методом концентрирования дисперсной фазы. Общим для методов электрообработки является использование внешнего электрического поля. Сами методы классифицируются в зависимости от явлений, происходящих в межэлектродном пространстве. Во внимание принимается технология электрообработки, особенности внешнего электрического поля (частота, равномерность и т.д.). Методы расположены в порядке увеличения напряженности используемого электрического поля (от Е = (0,5-10,0) до 1-Ю4 В-см " ) и характеризуются следующим образом.
1. Электродиализ - метод электрообработки, при котором происходит сепарация ионов (диализ) с их концентрированием у соответствующих электродов, изменяющих рН приэлектродного пространства. Применяется для удаления ионов из коллоидных растворов и опреснения воды.
2. Электролиз - метод, при котором в межэлектродном пространстве происходят химические реакции, как правило, без образования нерастворимых соединений - дисперсной фазы, в том числе за счет окислительно-восстановительных реакций на электроде (окисление - с отдачей электронов на аноде и восстановление - с присоединением электрона на катоде). Применяется для изменения химического состава дисперсионной среды и обеззараживания воды.
3. Электрохимическая коагуляция - метод электрообработки, при котором в межэлектродном пространстве под действием внешнего поля генерируются катионы, образующие сорбирующие гидроксиды, в результате чего под воздействием, как катионов, так и гидроокиси происходит коагуляция, сорбция и разрушается устойчивость дисперсий. Применяется для получения коагулянта. Используется в технологии очистки и обеззараживания воды.
4. Электрофлотация - метод электрообработки, при котором генерируется газ, образующий высокодисперсные и монодисперсные электрически заряженные пузырьки, адсорбирующие частицы дисперсной фазы и транспортирующие их на поверхность жидкости. Используется в обогащении, для очистки и обеззараживания воды.
5. Электрофорез - метод электрообработки, при котором под действием электрического поля происходит движение заряженных частиц с их концентрированием у соответствующего электрода. Применяется для выделения дисперсной фазы малоконцентрированных систем, формирования электро-форетических покрытий, окраски осаждением, в медицине и т.п.
6. Электрокоагуляция - метод электрообработки, при котором поляризованные внешним полем частицы сближаются и образуют новые, соответственно более крупного размера агрегаты и частицы. Электрокоагуляция может быть обратимой (агрегаты после снятия поля распадаются на частицы) и необратимой. Применяется при формировании структур покрытий материалов, коагуляции в технологии обработки воды, очистке нефти от воды и солей.
7. Диполофорез - метод электрообработки (или такое явление), при котором движением частиц, в том числе и незаряженных, нейтральных (имеющих дзета-потенциал примерно равный нулю), управляют неоднородным электрическим полем. Применяют для направленного концентрирования микроорганизмов, формирования структур.
8. Электрофильтрование - метод электрообработки, при котором осаждение частиц ведут в поляризованной внешним электрическим полем диэлектрической загрузке. Применяют в технологии, использующей ионо обменные смолы.
9. Электроосмос - метод электрообработки, при котором под действием электрического поля происходит направленное движение раствора относи тельно капиллярного твердого тела (мембраны). Применяется при обезвоживании строительных материалов, сушке изделий, упрочнении грунтов и пр.
10. Электрообезвоживание - метод регулирования реологических свойств высококонцентрированных гидродисперсий во внешнем электрическом поле. Применяется при утилизации осадков бытовых, промышленных и сточных вод.
11. Электрический разряд малой мощности - метод электрообработки, при котором в межэлектродном пространстве, создаваемом системой электродов, генерирующих неоднородное электрическое поле, возникают электрические разряды на фронте импульсов напряжением до 3 кВ и длиной до 0,02 с. Это могут быть и разряды импульсов высокой частоты.
12. Высоковольтный импульсный разряд - метод электрообработки, при котором в межэлектродном промежутке генерируют разряды на импульсах с напряжением более 3 кВ и длиной менее 10" с за счет энергии, запасаемой предварительно в накопительном конденсаторе. Применяется в технологии электрогидравлического удара.
13. Комплекс электрических воздействий - метод электрообработки, при котором используется в том или ином сочетании совокупность вышеизложенных методов [20].
Литературный обзор по образованию ассоциатов в воде. Гидрофобная модель структуры ассоциатов воды
Процессы электрокоагуляционной очистки воды, как правило, протекают в условиях движения дисперсионной среды, поэтому исследование влияния процесса механического перемешивания представляет большой интерес. Кроме того, развивающиеся флотационные процессы, необходимые для удаления скоагулированной дисперсной фазы, также способствуют перемешиванию и разрушению возникающих ассоциатов воды, что, несомненно, должно приводить к увеличению массопереноса, значительному уменьшению дзета-потенциала, снижению массы ассоциатов.
Приступая к экспериментам по очистке воды электрокоагуляцион-ными методами, было замечено изменение физико-химических параметров воды в результате ее механического перемешивания, причем рН воды изменялся на (0,5-0,6) единиц рН.
Проведенный литературный обзор показал, что изменение рН наблюдалось и при переливании дистиллированной воды из одного сосуда в другой, объясненное наличием кластерной структуры, которая при переливании нарушается, а после "отстаивания" - восстанавливается, и рН возвращается к прежнему значению, т.к. происходит разрушение и возникновение кластерной структуры воды, диссоциация ее на элементы РҐ" и ОН" и, осуществляется постоянный обмен между двумя фазами воды: указанные элементы образуют молекулу и переходят в свободную воду, а молекулы свободной воды — в кластеры. Объединение прочих кластеров -является основой длительной структурной памяти воды, а быстро распадающихся кластеров — кратковременной. Свойства и динамика структурных изменений водных кластеров (НгО)п являются предметом активных исследований [58].
Интерес к процессам структурообразования обусловлен и тем, что природные фазовые переходы (замерзание и образование льда, испарение) представляют собой естественные механизмы непрерывной очистки и регенерации воды.
При всем изобилии экспериментальных данных наших знаний оказывается еще недостаточно для разработки теоретических основ поведения такого, казалось бы, простого жидкого минерала как вода, для описания ее хотя бы процесса кластерообразования при формировании структуры. Поэтому любые экспериментальные данные, могущие пролить свет на изменение характеристик воды, оправданы и своевременны.
В работе проведены эксперименты по исследованию влияния механического перемешивания на физико-химические свойства (рН, удельной электропроводности) бидистиллята, а также эксперименты по очистке природных поверхностных вод с применением импульсного постоянного электрического поля, т.е. импульсного электрического поля с постоянной полярностью.
Рассмотрим модели структуры воды, объясняющие необычные физико-химические свойства воды и представленные различными гипотезами о структуре воды. Впервые модель структуры воды, ставшая прообразом одной из современных моделей была представлена с достаточной аргументацией для того времени Рентгеном в 1892 г. С тех пор было предложено большое количество моделей.
Одна группа гипотез опирается на структурные особенности воды, обусловленные прочностью и гибкостью водородной связи или изменением количества полостных молекул относительно сеточных, другая рассматривает изменения структурных особенностей воды, происходящие на возможных границах жидкой фазы, а третья предполагает, что вода обладает структурной «памятью». На рубеже XXI в Эмото Масару показал наглядные эксперименты о том, что структура воды изменяется под действием информации, излучаемой человеком и средой [58]. В настоящее время рассматриваются кластерные модели воды.
Первое объяснение необычных свойств воды было высказано Дж. Берналом и Р. Фаулером [59], которые предположили, что атомы водорода примыкают к кислороду с одной и той же стороны, что и вызывает возникновение очень большого электрического момента (6,4 10" Кл-м).
С 1952 года Л. Паулинг, а за ним X. Пауэлл и Дж. Бернал развивают новые представления о воде, ее молекулах и более крупных, чем частица НгО, молекулярных агрегатах. Они могут быть разными (Н20)п при п равном 5-55. Например, весьма устойчивый агрегат, состоящий из 21 частицы Н20: одной центральной и 20 окружающих и располагающихся по 20 вершинам правильного или почти правильного додекаэдра (12 граней и 20 вершин, по теореме Эйлера: 12 + 20 -2 = 30 ребер). Для частицы Н20 характерны четыре направленных валентности под тетраэдрическим углом 109 одна к другой.
Среди структурных моделей воды наиболее распространена: кластерная, предложенная Ж. Немети и Н. Шерага [60] и дополненная Н.Франком и У.Веном [61] моделью "мерцающих кластеров", время распада которых сопоставимо со временем диэлектрической релаксации. Клатратная модель воды по О.Я. Самойлову [62] и континуальная (непрерывная) модель строения воды, впервые предложенная М. Поплом [63], предусматривающая отсутствие молекул воды с разорванными водородными связями, образующими кольцевые ассоциаты.
Методика определения массовых концентраций железа и алюминия в природной воде
Для очистки природных вод бассейна Иртыша от соединений железа и марганца и других загрязнений автором работы предложено проводить обработку воды в импульсном электрическом поле с постоянной полярностью (ИПЭП).
Экспериментальная лабораторная установка (см. рис. 3.2) включает в себя электрокоагулятор с электролитической ячейкой с одним катодом и одним анодом. В нашем случае достаточно одной пары электродов, так как концентрация загрязнителей в воде (Fe) не превышает 2,0 мг /дм (см. главу
Для создания импульсного электрического поля с постоянной полярностью электролитическая ячейка последовательно соединена с внешним источником питания (латром) через диод (марка В 25-14-129). В качестве вольтметра использовали цифровой мультиметр серии MAS 830, а амперметром служил тестер марки Ф 4313 (1985 г.в., заводской номер № 4714). Плотность тока регулировали магазином сопротивлений марки ММЭС Р 4831 (1989 г.в., заводской номер № 01712). Пара электродов помещена в стеклянную емкость объемом до 3,2 дм . Когда применялось перемешивание воды, параллельно электродам устанавливалось перемешивающее механическое устройство (технические характеристики даны в приложении 1).
Материалом анода и катода является алюминий. Выбор анода определяется характером электродного процесса и поставленными задачами. По электрохимическому поведению анод является растворимым (см. реакции 1 и 2) для получения сорбента - гидрооксида алюминия, в состав которого входит материал анода.
Выбор алюминия в качестве материала для анода обусловлен невысокой стоимостью металла и низкой растворимостью гидрооксида алюминия (АІ(ОН)з), образующегося в процессе электролиза в нейтральной среде (в нашем случае рН исследуемой воды равен 5 ... 6 ед. рН (см. главу 1)), а также хорошей сорбцией загрязнений. Очищенная вода при использовании алюминиевого анода получается прозрачной и отпадает необходимость в последующей нейтрализации очищенной воды, чего нельзя сказать при применении железных электродов [17].
При работе вращающихся механических мешалок на поверхности жидкости возникает воронка, глубина которой растет с увеличением частоты вращения мешалки (в пределе она может достигать дна сосуда). Это явление отрицательно сказывается на эффективности перемешивания и значительно снижает устойчивость работы мешалки. Образование воронки можно предотвратить при полном заполнении жидкостью аппарата, т.е. при отсутствии воздушной прослойки между перемешиваемой жидкостью и крышкой аппарата, а также при установке вала мешалки эксцентрично к оси аппарата или при применении аппарата прямоугольного сечения. Данные условия учтены автором при проведении эксперимента. Также на глубину и форму воронки большое влияние оказывают диаметр мешалки и частота вращения.
Согласно [131, с. 153, рис. 7-3] минимальная глубина воронки при перемешивании образуется при частоте вращения лопастной мешалки 102 об/мин, а максимальная — при 222 об/мин. С учетом возможностей нашего перемешивающего устройства принимаем число оборотов мешалки равным 90 об/мин. Все средства измерения, используемые в эксперименте поверены.
Концентрации железа и алюминия общего в природной воде определялись атомно-абсорбционным методом на спектрофотометре «СПИРАЛЬ-17.
Измерения проводились согласно МВИ № 40 - 7/2003 «Методика выполнения измерений массовых концентраций ионов кадмия, меди, железа, кобальта, никеля, хрома, марганца, алюминия, свинца, цинка, серебра в пробах питьевых вод и водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования методом электротермической атомно-абсорбционной спектрометрии на приборе «СПИРАЛЬ-17»», аттестованной ФГУП «УНИИМ», свидетельство № 224.01.05.293/2003. Технические характеристики прибора приведены в Приложении 1 (см. рис. 3.7) [134-135].
Сущность атомно-абсорбционного метода в спектрофотометрии состоит в том, что свободные атомы элементов, находящихся в невозбужденном состоянии, поглощают энергию излучения перехода на более высокие энергетические уровни. При этом каждому химическому элементу свойственно поглощение строго определенных участков спектра экстремально малой ширины - резонансных линий.
Свободные атомы, поглощая энергию излучения от внешнего источника, изменяют оптическую плотность среды на резонансных линиях спектра по формуле где D - оптическая плотность; 10 и 1 .- интенсивность излучения падающего и прошедшего через поглощающий слой свободных атомов.
Оптическая плотность, определяемая поглощающим слоем свободных атомов, пропорциональна их концентрации. Упрощенно процесс определения концентрации элемента в пробе содержит следующие этапы: - на атомизатор отбирают нормированное количество пробы и производят испарение растворителя — сушку; - через зону атомизации от внешнего источника пропускают излучение с длиной волны, равной резонансной линии исследуемого элемента; - поток излучения, проходящий через зону атомизации, разлагают в спектр и выделяют участок, содержащий резонансную линию; - атомизируют пробу - создают на пути излучения поглощающий слой свободных атомов (атомный пар) путем испарения сухого остатка пробы при быстром нагревании атомизатора; - перед атомизацией и в процессе атомизации измеряют интенсивности излучения 1о и I . выделенного участка спектра, содержащего резонансную линию; - вычисляют оптическую плотность по формуле (3.16);
