Содержание к диссертации
Введение
1 Аналитический обзор и постановка задач исследования .. 8
1.1 Загрязнение окружающей среды угледобывающими предприятиями 8
1.2 Поступление промышленных сточных вод в поверхностные и подземные воды 22
1.3 Характеристика источников антропогенного загрязнения подземных вод тяжельгми металлами 28
1.4 Способы предотвращения загрязнения 37
выводы 46
2 Исследование влияния физико-химических процессов, протекающих при смепіивании сточных вод, на содержание в них тяжелых металлов 49
2.1 Химические процессы, протекающие при смешивании сточных вод 49
2.2 Удаление ионов тяжелых металлов 54
2.3 Результаты натурных наблюдений состава промышленньгх сточныхвод 61
выводы 76
3 экспериментальные исследования сорбции ионов тяжелых металлов из сточных вод 78
3.1 Очистка сточных вод от ионов тяжелых металлов методом сорбции 78
3.2 Характеристика модифіщированньіх природных сорбентов 83
3.3 Экспериментальные исследования сорбционной емкости выбранных материалов в статических и динамических условиях 89
3.4 Экспериментальные исследования сорбции ионов тяжелых металлов
Выводы 109
4 Математическое моделирование процесса очистки промьшленных стоков при пропускании их через слой сорбента по
4.1 Теоретический анализ кинетики процесса осветления воды 110
4.2 Течение жидкости в области отложения твердых частиц в порах сорбента 115
4.3 Течение жидкости в области отложения твердых частиц на наружной поверхности сорбционных материалов 124
4.4 Процесс сорбции сточньгх вод через слой сорбента 129
выводы 137
5 Разработка технологии очистки промышленных сточных вод от ионов тяжелых металлов 138
5.1 Разработка универсальной технологической схемы очистки стоков от тяжелых металлов 138
5.2 Расчет величины предотвращенного экологического ущерба от
загрязнения водной среды сточными водами 149
Выводы 153
Заключение 154
Литература
- Поступление промышленных сточных вод в поверхностные и подземные воды
- Удаление ионов тяжелых металлов
- Экспериментальные исследования сорбционной емкости выбранных материалов в статических и динамических условиях
- Течение жидкости в области отложения твердых частиц в порах сорбента
Введение к работе
Актуальность работы. На территории Подмосковного угольного бассейна вследствие добычи угля происходят значительные изменения гидрогеологически условий. Горные работы в условиях развитой овражно-балочной сети, сопровождающиеся разрушением упинских известняков, бобриковских и малевских глин, вызывают нарушение равновесного состояния горных пород, меняют напряженное состояние массива, увеличивают его трещиноватость за счет раскрытия естественных и образования новых трещин. В результате появляется связь между поверхностными, грунтовыми и подземными водами яснополянского и упииского водоносных горизонтов. При этом бытовые и промышленные стоки проникают в подземные воды, являющиеся в регионе основным источником питьевого водоснабжения, и загрязняют их одними из наиболее опасных поллютантов - тяжелыми металлами. Это подтверждается исследованиями, проведенными ТулГУ и ОАО ПГП «Тула-Недра».
Для снижения уровня загрязнения подземных вод необходимо уменьшение концентрации загрязняющих веществ в промышленных стоках, проникающих в подземные источники питьевого водоснабжения горнопромышленного региона, до уровней, как минимум, не превышающих ПДК питьевого назначения.
Однако, на рассматриваемой территории сосредоточено множество машиностроительных, металлообрабатывающих и других предприятий, на которых образуется значительное количество токсичных сточных вод с концентрациями тяжелых металлов превышающих этот уровень в десятки раз. В настоящее время на большинстве промышленных производств доминирует реагенткый способ очистки сточных вод, который не обеспечивает снижения загрязнения подземных вод тяжелыми металлами необходимого для предотвращения возникновения и развития опасных техноприродных процессов.
Поэтому тема настоящей работы, направленная на разработку способа очистки промышленных стоков от тяжелых металлов на территории горнопромышленного района, является актуальной.
4 Целью работы является совершенствование метода очистки промышленных
стоков от ионов тяжелых металлов для снижения загрязнения подземных вод в горнопромышленном регионе на основе установления закономерностей кинетики сорбции при фильтрации стоков через слой сорбента и зависимости сорбционной емкости фильтрующего материала от режима фильтрации и концентрации тяжелых металлов в сточных водах.
Идея работы заключается в том, что снижение загрязнения подземных вод для предотвращения возникновения и развития опасных техноприродных процессов в горнопромышленном регионе достигается посредством уменьшения сброса ионов тяжелых металлов с промышленными стоками в подземные воды на основе применения сорбцнонного метода очистки сточных вод с использованием новых модификаций алюмосиликатных сорбеїгтов.
Основные научные положения, защищаемые автором:
предотвращение загрязнения подземных вод в угледобывающих районах
промышленными стоками возможно на основе высокой степени очистки сточных
вод;
ч реагентная технология очистки в силу своей инерционности не может предотвратить поступление ионов тяжелых металлов в поверхностные и подземные воды, поэтому для их защиты необходима сорбционная очистка стоков;
сорбшюнная способность модифицированных алюмосиликатных фильтрующих материалов в поглощении ионов тяжелых металлов зависит от режима фильтрации и концентрации ионов в сточных водах;
степень очистки стоков от ионов тяжелых металлов для предотвращения возникновения и развития опасных техноприродных процессов моделируется уравнением конвективной диффузии примесей тяжелых металлов в слое сорбента.
Новизна основных научных it практических результатов заключается в следующем:
» исследованы и предложены для более глубокой очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов новые модификации алюмосиликатных сорбентов;
установлены зависимости сорбционной емкости модифицированных алю
мосиликатных сорбентов и активного угля от времени сорбции и концентрации
5 металлов в стоках в статическом и динамическом режимах;
обоснован способ очистки промышленных стоков от тяжелых металлов посредством их сорбции модифицированными алюмосиликатными сорбентами с целью сохранения для нынешних и будущих поколений людей продуктивной природной среды;
разработана математическая модель сорбции тяжелых металлов слоем сорбента, позволяющая прогнозировать эффективность очистки стоков различными поглотителями.
Достоверность научных положен"», выводов и рекомендаций подтверждается:
корректной постановкой задач исследований, обоснованным использованием классических методов аналитической химии, математической физики и современных достижений вычислительной техники;
достаточным объемом натурных наблюдений и лабораторных экспериментальных исследований, результаты которых свидетельствуют об эффективности разработанных технологических систем и технических решений по очистке сточных вод от тяжелых металлов.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
выявлены эффективные алюмоенлнкатные сорбенты для глубокой очистки сточных вод от тяжелых металлов;
на основе полученных зависимостей концентраций тяжелых металлов в фильтрате н в слое сорбента от времени сорбции разработана математическая модель сорбции тяжелых металлов и составлена прикладная программа, позволяющая прогнозировать эффективность очистки стоков различными поглотителями;
разработана и запатентована блочно-модульная установка для очистки сточных вод от тяжелых металлов с автоматическим регулированием концентрации очищенных промышленных стоков, обеспечивающая снижение антропогенного воздействия на поверхностные и подземные воды горнопромышленных районов.
Теоретические положения и результаты научных исследовании диссертационной работы используются в учебном процессе при обучении студентов и магистрантов по специальностям «Промышленная экология и рациональное использование природных ресурсов», «Охрана окружающей природной среды и рациональное использование природных ресурсов».
Запатентованное устройство очистки сточных вод от тяжелых металлов предложено для внедрения на промышленных предприятиях.
Апробация работы. Основные научные и практические результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры «Аэрология, охрана труда и окружающей среды» ТулГУ (г.Тула 2004-2006 гг.); на Всероссийской конференции «VI Докучаевские молодежные чтения» (г, Санкт-Петербург, 2004 г.); на международных геоэкологических конференциях «Геоэкологические проблемы загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами» (г.Тула, 2004-2005 гг.), на Всероссийской студенческой научно-технической конференции «Инженерные пауки —защите окружающей среды» (г.Тула, 2006 г.).
Публикации. Основное содержание работы отражено в 10 публикациях.
Объем работы. Диссертация изложена иа 182 страницах машинописного текста, состоит из 5 глав, содержит 25 таблиц, 20 иллюстрации, список литературы из 161 наименования и 5 приложений.
Поступление промышленных сточных вод в поверхностные и подземные воды
Разработка угольных месторождений подземным способом требует значительно меньших территорий под земельный отвод и не вызывает таких значительных нарушений природных ландшафтов, как открытые горные работы. Изменения геологического строения недр и земной поверхности в этом случае связаны главным образом с деформацией горных пород в надугольной толще. При этом имеют место три типа явлений: деформация отдельных слоев и массива в целом, возникновение трещин и обвалы. По мере увеличения выработанного пространства эти явления следуют одно за другим и оказывают значительные воздействия на поверхностные слои почвы [13].
В районах подземной добычи угля обычно формируется провально-терриконовый тип местности. Особенно сильно портят природный ландшафт терриконики, поднимающиеся на высоту до 50 м. Склоны их всегда круты, изъедены рытвинами, слабо или совсем не зарастают естественной растительностью. Терриконики сопровождаются провальными воронками [13]. Рельеф становится весьма сложным: образуются разломы, огромные трещины, различные понижения и т.д. Это происходит не только в связи с обрушением кровли подземных выработок, но и в результате взрывных работ, которые ведутся после прекращения добычи угля, чтобы уничтожить опасные для людей трещины. Такой изуродованный рельеф характерен для шахтных территорий ПО "Тулауголь".
Породные отвалы загрязняют не только атмосферный воздух и окружающие земли, но и реки, озера и искусственные водоемы. Подкисляющие вещества вымываются из отвалов дождевыми потоками и затем переносятся фунтовыми и подземными водами в ближайшие поверхностные водоемы [108]. Объемы загрязнений, поступающие в водоемы из многочисленных террикоников и отвалов, достаточны для экологически опасного воздействия на флору и фауну.
Предприятия угольной промышленности вызывают существенные изменения геологической среды [40], под которой понимается верхняя часть литосферы, доступная для производственной деятельности человека. При этом размеры и характер этих изменений в каждом конкретном случае различны и определяются природными и технологическими особенностями разрабатываемых месторождений.
Основными изменениями геологической среды при открытом способе разработки месторождений являются деформации горного массива в бортах и откосах, усиление геодинамических и гидрохимических процессов, формирование техногенного рельефа. Происходят также значительные изменения гидрогеологических условий территорий, прилегающих к разрезам. Борьба с водопритоками из вскрышных и залегающих ниже водоносных горизонтов приводит к развитию больших депрессионных воронок, в пределах которых из-за обезвоживания почв существенно изменяется или даже деградирует видовой состав растительности. Нарушение структуры почв ускоряет развитие эрозионных процессов на прилегающих к разрезам территориях, вызывая нарушения земной поверхности далеко от их контуров [97].
При подземном способе добычи отрицательные изменения связаны со сдвижением и деформацией горных пород и земной поверхности. В результате, в подработанной горными работами толще пород образуются многочисленные зоны водопроводящих трещин, на дневной поверхности появляются провалы, прогибы, затопленные и заболоченные участки, изменяется водно-солевой баланс зоны аэрации. Из-за постоянной откачки воды из шахт нарушается естественное состояние и режим подземных вод, находящихся в непосредственной близости от горных выработок [40]. В зоне геологических нарушений могут изменяться водотоки, происходить уменьшение давления воды, смешение вод различных горизонтов. Обычно в первые годы эксплуатации шахт в результате дренажа образуются депрессионные воронки, размеры которых зависят от местных геологических условий и масштаба горных выработок. Одновременная откачка шахтных вод на многих участках приводит к объединению отдельных воронок в одну крупную, охватывающую обширную территорию. Такое явление наблюдается в Подмосковном буроугольном бассейне [30], где площади депрессионных воронок достигают 200 км2.
Образование котловин в результате просадки грунта часто влечет за собой их затопление грунтовыми водами. Территория заболачивается и происходит смена растительности влаголюбивыми видами.
В зонах интенсивного образования водопроводящих трещин, наоборот, часто наблюдается исчезновение водоносных горизонтов, высыхание водоемов и почв. Реки становятся источником питания подземных вод. Возникновение трещин в поверхностных слоях приводит к изменению водного режима почв и подстилающих пород, что неблагоприятно отражается на жизнедеятельности растений, особенно деревьев.
Различают типа изменений геологической среды [11] из-за ведения горных работ: I - слабые, II - средние, Ш - сильные.
Первый тип характеризуется незначительными изменениями геологической среды и не вызывает необходимости применения специальных средо-защитных мероприятий. При умеренных изменениях геологической среды влияние добывающих предприятий существенное, но вполне устранимое при проведении специальных защитных мероприятий (рекультивация земель, очистка воды и др.). При сильных изменениях эксплуатация добывающих предприятий вызывает весьма значительные (критические) изменения геологической среды и требует выполнения целого комплекса природоохранных и природовосстановительных мероприятий.
Для предприятий угольной промышленности характерны II и III типы изменений геологической среды, на долю которых приходится около 90 % всего количества учитываемых показателей.
При эксплуатации угольных месторождений на дневную поверхность откачиваются шахтные и карьерные воды, большинство из которых загрязнены нерастворимыми угольно-породными частицами и бактериями. Около половины этих вод солоноватые, причем 17 % сточных вод имеют солесодер-жание более 3 г/дм ; 8 % сточных вод относятся к типу кислотных (водородный показатель рН ниже 6,5). В зависимости от горно-геологических и горнотехнических условий такие воды могут содержать специфические природные загрязнения, к которым относятся хлориды, сульфаты, соли кальция и магния, железо и микроэлементы. В 80-е годы прошлого века в СССР со сточными водами угольных предприятий в естественные водоемы ежегодно сбрасыва лось до 180 тыс. т взвешенных веществ и более 4 млн. т минеральных солей и солей тяжелых металлов, что резко ухудшило санитарно-гигиеническую обстановку водоемов-приемников.
Удаление ионов тяжелых металлов
Состав основных карбонатов зависит от условий реакции (температуры, концентрации, величины рН растворов и др.). По литературным данным [16, 33, 46, 59], при рН = 7 - 9,5 образуется основной карбонат цинка состава 2ZnC03-3 Zn (ОН)2 и только начиная с рН=10, несколько возрастает доля гидроокиси цинка.
В растворах, содержащих ионы трехвалентных железа и хрома, а также алюминия, гидролитическое разложение карбонатов происходит еще легче. Например, основной карбонат железа FeOHC03 уже при 18-20С быстро превращается в Fe(OH)3. Также быстро происходит гидролиз основных карбонатов хрома и алюминия. Поэтому при нейтрализации содой сточных вод, содержащих соли железа, хрома и алюминия, практически сразу же получается осадок [81], состоящий из гидроокисей этих металлов.
При действии соды на раствор солей двухвалентного железа образуется средний карбонат FeC03, который постепенно переходит в гидрат закиси железа Fe (ОН) 2.
Основные карбонаты труднее растворяются в воде, чем соответствующие гидроокиси. Этим, по-видимому, объясняется увеличение концентрации меди, а также некоторых других металлов в жидкой фазе при повышении рН от 7,5 до 9 - 9,5.
Основные карбонаты большинства металлов начинают осаждаться при более низких значениях рН, чем соответствующие гидроокиси.
Несмотря на это, расход соды на осаждение ионов тяжелых металлов выше, чем расход извести или едкого натра [87]. Это объясняется тем, что при осаждении ионов тяжелых металлов содой процесс обычно идет через стадию образования бикарбонатов, например Си(НСОз)2- Чтобы вести реакцию до получения основных карбонатов, требуется избыток реагента. Если удалить из воды углекислоту, образовавшуюся в результате ее нейтрализации, то общий расход соды соответственно уменьшится [81, 117]. Удаление углекислоты может быть достигнуто продувкой воздуха после достижения величины рН = 4 - 4,5.
Для ускорения процесса осветления сточных вод используют синтетические флокулянта, являющиеся высокомолекулярными органическими соединениями. Наибольшее применение нашел флокулянт полиакриламид (ПАА) - продукт полимеризации акриламида.
В сточных водах металлургических, машиностроительных, металлообрабатывающих, горнообогатительных фабрик, химических, химико-фармацевтических, лакокрасочных, текстильных и других производств содержатся соединения цинка, меди, никеля, свинца, железа, марганца, кадмия и кобальта.
В соответствии с СанПиН 2.1.4.1074-01 [129], ПДК для этих металлов в воде питьевого назначения поверхностных и подземных водных источников в мг/л равна: для цинка - 5,0; меди - 1,0; никеля - 0,1; свинца - 0,03; кадмия -0,001; кобальта -0,1.
При обработке кислых вод оксидом кальция и гидроксидом натрия ионы указанных тяжелых металлов, содержащиеся в стоках, связываются в труднорастворимые соединения [6]. Состав солей зависит от рН среды. Так, при рН = 7 осаждается гидроксид-сульфат цинка состава Z11SO4 3Zn(QH)2, а при повышении рН до 8,8 составу осадка соответствует формула ZnS04 5Zn(OH)2. В сильнощелочной среде твердая фаза представляет собой гидро-ксид.
При обработке стоков, содержащих соли цинка, гидроксидом натрия дозирование реагента необходимо проводить при строгом контроле за рН обрабатываемого стока с тем, чтобы не создать условий для растворения амфотерных гидроксидов. Выделение катионов Zn щелочами основано на переводе их в труднорастворимый гидроксид цинка [7]: Zn2++20H" - Zn(OH)2 (2.9) 1Я Произведение растворимости гидроксида цинка составляет 7,1-10" , началу выпадения в осадок соответствует рН = 5,4. При рН = 10,5 начинается растворение амфотерных гидроксидов цинка, а при достижении рН = 12 происходит образование комплекса: Zn(OH)2 + 20Н" - [Zn(OH)4]2" (2.10) Исходя из этого, очистку следует проводить при рН = 8-9. В этих условиях происходит максимальное осаждение гидроксида цинка. При действии соды на сточные воды, содержащие соли цинка, образуются гидроксокарбонаты [7]: 2ZnCl2 + 2Na2C03 + Н20 -+ 4NaCl + С02 + (ZnOH2)2C03 (2.11) При значениях рН от 7 до 9,5 образуется основной карбонат состава 2Z11CO3 3Zn(OH)2, начиная с рН = 10, доля гидроксида возрастает.
Хотя осаждение основных карбонатов начинается при более низких значениях рН, чем соответствующих гидроксидов, расход соды на осаждение выше, чем при использовании едкого натра или извести.
Очистка сточных вод от меди связана с осаждением ее в виде гидроксида или гидроксид-карбоната [64]: Си2+ + 2СЩГ - Си(ОН)2, (2.12) 2 Си2++ 20ЕГ + С032" - (СиОН)2С03. (2.13) Осаждение гидроксида меди происходит при рН = 5,3. Растворимость гидроксид-карбонат меди ничтожно мала, поэтому наиболее выгодно осаждать медь в виде основного карбоната. Для этого в растворе нейтрализующего реагента необходимо иметь одновременно как гид-роксидные, так и карбонатные ионы. Возможен процесс извлечения меди из сточных вод осаждением ферроцианидом калия. Этот реагент может быть использован и для осаждения других ионов тяжелых металлов.
Для удаления из сточных вод меди и кадмия разработан процесс контактирования их с диоксидом серы или сульфитами и порошкообразным металлом, например, цинком или железом [6]. При этом металл восстанавливает сульфиты до сульфидов, которые с тяжелыми металлами образуют труднорастворимые сульфиды. При рН = 2 и температуре сточных вод 50С, при которых проводится процесс, достигается высокая степень очистки.
Экспериментальные исследования сорбционной емкости выбранных материалов в статических и динамических условиях
При наличии нескольких видов сорбционных материалов выбор загрузки для вновь построенных или действующих сооружений производится на основе технико-экономических расчетов. При этом принимаются во внимание такие факторы, как возможность повышения производительности сооружений за счет использования высокоэффективных зернистых загрузок, затраты на транспортировку исходного материала и его кондиционирование, санитарные условия операций по кондиционированию, долговечность материала [2].
Процесс сорбции является избирательным. В соответствии с правилом Панета-Фаянса-Гана [4], осадок адсорбирует из раствора те ионы, которые образуют наименее растворимое или наименее диссоциированное соединение с одним из ионов осадка. Следовательно, необходимо правильно подобрать сорбент, способный образовывать нерастворимые соединения с металлами. Большое значение при таком подборе имеет произведение растворимости образующегося химического соединения. Для того чтобы из раствора произошло выделение в твердую фазу малорастворимого соединения, произведение концентраций (активностей) составляющих его ионов в растворе должно превысить произведение растворимости этого металла.
Подвижность многих микроэлементов в воде, в том числе ионов тяжелых металлов, зависит от величины водородного показателя (рН), при определенных значениях которого происходит выпадение металлов в осадок. Например, как отмечено в работе А. А. Беуса [11], «в результате природного или антропогенного загрязнения при повышении содержания металлов в водах до значений, превышающих необходимые для достижения произведения растворимостей соответствующих гидроокисей, повышение рН раствора может вызвать их выделение в осадок».
Чаще всего для сорбционной очистки воды используют активные угли (АУ), получаемые из разнообразного углеродсодержащего сырья (каменные и бурые угли, древесина, полимеры, отходы пищевой, целлюлозно-бумажной и других отраслей промышленности) [38]. Однако традиционные сорбенты активные угли - являются материалами разового использования. Регенерация активированных углей дорогостоящая и трудоемкая операция и в условиях действующих водоочистных сооружений практически не осуществима, потому что требуются выгрузка материала из фильтра, активация его за пределами водоочистной станции на специальной установке, после регенерации доставка материала обратно на водоочистную станцию и загрузка его в фильтровальное сооружение. Если пойти по пути разового использования адсорбентов, то кроме значительных затрат на замену материала возникает вероятность экологической опасности, так как для надежного захоронения отработанного загрязненного адсорбента требуются большие экономические затраты.
Эксплуатационные и экономические недостатки сорбционного метода очистки сточных вод традиционными адсорбентами устраняются при использовании адсорбентов, обладающих высокой поверхностной активностью зерен, позволяющих восстанавливать сорбционную способность посредством технологически несложной, непродолжительной регенерации, проводимой непосредственно в фильтровальном сооружении [25]. Наиболее эффективной основой для получения адсорбентов с целенаправленно регулируемыми свойствами могут служить природные алюмосиликатные минералы, так как в их структуру можно вводить практически любые добавки органического и минерального происхождения, которые будут придавать поверхности зёрен требуемые свойства.
Поэтому в настоящее время перспективными сорбентами для очистки сточных вод являются глинистые алюмосиликатные минералы [4] (бентонитовые глины - монтмориллонит и бейделлит, каолинит, биотит, вермикулит и др.).
Глинистые минералы - алюмосиликаты щелочных и щелочноземельных металлов с общей формулой Мег/пО-АІгОз-хЗЮг НгО, Me - катион металла, п - его валентность.
Алюмосиликаты имеют трехмерную сетчатую (слоистую или волокнистую) структуру в виде жесткой кристаллической решетки (алюмосиликат-ный каркас, образованный тетраэдрами Si04 и AIO4) со значительными (до 0,7 нм) расстояниями между узлами решетки. Часть ионов Si4+ в решетке изоморфно замещены ионами А1 , что создает избыток отрицательного заряда решетки, нейтрализуемый достаточно подвижными катионами натрия, калия, кальция и магния, играющими роль противоионов [4].
Отличительным и положительным свойством алюмосиликатных минералов является «дефектность» их кристаллической решетки и способность к катионному замещению. Слоистая тетраэдооктаэдрическая структура алюмосиликатов позволяет принимать катионы не только в свою кристаллическую решетку [62], но и в межслоевые и межплоскостные пространства, а также на базальные плоскости частиц минерала. Глинистые минералы высокодисперсны, имеют развитую поверхность и являются хорошими сорбентами (особенно для полярных веществ).
Для глинистых минералов наряду с ионным обменом характерны физическая и молекулярная сорбция.
Физическая сорбция обусловлена наличием некоторого избыточного отрицательного заряда на гранях кристаллов (разорванные связи) и поверхностных гидроксидных групп кислого и основного характера, способных к ионизации по следующим схемам [4]: прирН= 11,4-11,9 SiOH SiO" + H+ (3.1) при рН =2,5 Al(Fe, Mg)OH - Al(Fe, Mg) + ОН" (3.2) Наличие ОН-групп обусловливает также наблюдаемую у слоистых минералов небольшую (0,07- 0,17 мэкв/г) способность к анионному обмену.
При молекулярной сорбции поглощаемые вещества располагаются между плоскостями пакетов, разрушая первоначальные аквокомплексы, но не изменяя строения самих слоев. При этом расстояние между слоями увеличивается, так как глинистый минерал набухает внутриламинарно. Благодаря этому свойству глинистые минералы обладают высокой избирательностью к неорганическим ионам и молекулам.
Течение жидкости в области отложения твердых частиц в порах сорбента
При изучении фильтрации и сорбции модельных растворов, содержащих гидроксиды тяжелых металлов, актуальным представляется применение аппарата математического моделирования. Теоретический анализ и математическое моделирование исследуемых процессов осуществляются с использованием феноменологических закономерностей общего характера и полученных экспериментальных данных. Результаты математического моделирования позволят оценить адекватность применения существующих и новых сорбционных материалов для глубокой очистки промышленных сточных вод с целью предотвращения негативного воздействия стоков на окружающую природную среду.
Рабочим процессом фильтров является осветление раствора, извлечение из фильтруемой жидкости зафязняющих ее коллоидных частиц гидроксидов.
Этот процесс протекает одновременно с сопутствующим процессом -изменением гидравлического сопротивления фильтра вследствие накопления в нем задержанной взвеси и образованием на поверхности сорбционного материала корки гидроксидов тяжелых металлов [38].
При осветлении воды в процессе пропускания ее через зернистые загрузки концентрация поллютантов в жидкости изменяется от сечения к сечению и в каждом сечении - с течением времени [78].
При неизменных граничных и начальных условиях процесс осветления воды протекает как нестационарный процесс: концентрация загрязняющих компонентов жидкости является функцией координаты х и времени t: C=f(x;t).
Такой характер процесса осветления связан с влиянием осадка, накапливающегося в порах зернистой загрузки по мере извлечения взвешенных веществ из воды и отложением твердых частиц на поверхности сорбционно-го материала в виде наружной корки. График (рисунок 4.1) дает представление о характерной картине протекания процесса осветления. На графике представлены кривые изменения концентрации взвеси в пропускаемом растворе по высоте (толщине) загрузки [133]. Каждая кривая относится к определенному моменту времени после начала пропускания: ti t2 t3 U. Кривая 1 характерна для начального состояния процесса, которое устанавливается после того, как первые порции исследуемого раствора пройдут через слой загрузки. Осветление воды происходит в начале процесса в основном на участке загрузки, толщина которого обозначена на рис. 4.1 через х0.
На остальной части загрузки толщиной 1-х0 концентрация взвеси изменяется сравнительно незначительно или совсем не изменяется.
Такой характер кривой объясняется наличием в исследуемом растворе частиц, обладающих различными физико-химическими свойствами - различной способностью к прилипанию.
После извлечения из воды всех способных к прилипанию частиц (участок х0) в ней остаются весьма устойчивые частицы, которые очень плохо или совсем не задерживаются при пропускании стоков через слой загрузки (участок 1-х0).
Степень осветления воды, которая может быть достигнута, зависит от содержания таких частиц в воде, поступающей на фильтры.
По мере накопления осадка в загрузке вид кривых изменения концентрации взвеси в воде по высоте загрузки [133] меняется (кривые 2, 3, 4). Кривые показывают, что роль слоев загрузки, расположенных вблизи ее поверхности, в осветлении воды уменьшается. После достаточно продолжительной работы фильтра насыщение этих слоев осадком становится предельным, и они перестают осветлять воду.
С уменьшением роли первых слоев возрастает роль ниже расположенных слоев загрузки, а толщина загрузки, участвующая в извлечении из воды взвеси, увеличивается. Наконец, наступает такой момент, когда вся имеющаяся толщина загрузки оказывается уже недостаточной для обеспечения требуемой степени осветления воды, и концентрация взвеси на выходе из загрузки начинает быстро увеличиваться (кривая 4).
Толщина участка загрузки, который к моменту времени /v находится в состоянии предельного насыщения, отмечена на графике (кривая 4) через
ВрЄМЯ, в течение которого данная загрузка способна осветлять воду до заданной степени, называется продолжительностью защитного действия загрузки. Пока это время не исчерпано, на выходе из загрузки получается вода требуемого качества. По истечении времени защитного действия качество фильтрата начинает ухудшаться (рисунок 4.2).
Описанная картина протекания процесса осветления в толще зернистой загрузки показывает, что интенсивность задержания взвеси каждым элементарным слоем загрузки с течением времени уменьшается.
С накоплением осадка в порах и на поверхности истинная скорость потока жидкости уменьшается, изменяется поверхность прилипания, а также изменяется извилистость поровых каналов. Все это в определенной степени может влиять на интенсивность задержания взвеси в зернистой заргузке. Однако ни одно из указанных предположений не может объяснить ход процесса осветления, не приводя к противоречию с физической картиной явления [31]. Только явление разрушения и переноса осадка должно рассматриваться как основная причина, обуславливающая изменение интенсивности задержания взвеси в слоях загрузки фильтров.
Основной задачей изучения закономерностей процесса осветления является определение продолжительности защитного действия загрузки.
Отложения, накапливающиеся в толще загрузки вокруг ее зерен, образуют характерную для геля рыхлую сетчатую структуру, которая является весьма непрочной. Под влиянием гидродинамических сил, возникающих при движении загрязненной воды, структура отложений разрушается и некоторая часть ранее прилипших частиц отрывается от зерен в виде мелких хлопьев и проносится в последующие слои загрузки, где вновь задерживается.
Эффект осветления воды каждым элементарным слоем загрузки следует рассматривать как суммарный результат двух противоположных процессов: изъятия частиц из воды и их закрепления на зернах загрузки под действием сил прилипания и отрыва ранее прилипших частиц и обратного поступления их в воду под влиянием гидродинамических сил потока.
Явления прилипания и отрыва частиц, одновременно происходящие при пропускании жидкости через зернистые фильтры, обусловливают кинетику осветления жидкости: изменение концентрации и количества отложений по толщине фильтрующего слоя с течением времени.
Осветление воды и накопление осадка в каждом элементарном слое загрузки происходит до тех пор, пока прилипание частиц идет быстрее, чем их отрыв. По мере накопления осадка отрыв частиц увеличивается и после достаточно продолжительного фильтрования насыщение элементарного слоя задержанными частицами приближается к предельному: слой перестает осветлять воду.
Наибольшее количество загрязняющих веществ задерживается в верхних слоях загрузки фильтра. Поэтому эти слои раньше других могут оказаться в состоянии предельного насыщения. Постепенно область предельного насыщения распространяется в глубь загрузки, одновременно в глубь загрузки перемещается и область интенсивного изменения концентрации загрязняющих веществ в воде.
