Введение к работе
Актуальность темы. Водные ресурсы Алтайского края представлены поверхностными и подземными водами, неравномерное распределение которых по территории края и их интенсивное использование создают проблемы водообеспе-чения, что усугубляется загрязнением и нерациональным использованием вод. Обеспечение экономически эффективного и экологически безопасного водопользования и водопотребления является одной из наиболее важных задач. Географическое положение и гидрогеологические условия определяют основные потенциальные источники водоснабжения: для городов - преимущественно поверхностные воды, для сельских населенных пунктов - подземные. По данным ежегодного государственного доклада о состоянии и об охране окружающей среды в Алтайском крае, ряд районов центральной и западной части практически не имеет подземных вод с оптимальным солевым составом, отмечается повышенное содержание по сухому остатку (1100-1800 мг/л), хлоридам (300-400 мг/л), сульфатам (400-700 мг/л), общей жесткости (9-15 мг-экв/л), что является одной из причин высокой заболеваемости жителей этих районов мочекаменной и желчекаменной болезнью. При этом высокое содержание солей жесткости обусловливает необходимость умягчения природных вод для хозяйственно-питьевых и технических нужд. Норматив общей жесткости для питьевой воды составляет 7 мг-экв/л, а технологической определяется требованиями соответствующих регламентов и может варьироваться в широких пределах - от 7 мг-экв/л в пищевой промышленности до 0,01 мг- экв/л в теплоэнергетике.
Решением проблемы обеспечения населения и промышленности Алтайского края водой надлежащего качества является совершенствование технологий во-доподготовки с использованием современных материалов. Большинство применяемых в настоящее время сорбентов и ионитов обладают высокой эффективностью удаления соединений жесткости, однако имеют ряд недостатков: высокая стоимость, необходимость тщательной предварительной подготовки воды и трудность утилизации регенерационных растворов.
Перспективным направлением водоподготовки является создание новых материалов, способных обеспечивать требуемое качество воды и минимизацию затрат на их производство и очистку. При этом необходимо учитывать основные принципы их получения - малостадийность производства, доступность источников сырья и материалов, экологическую чистоту.
Не менее перспективным является использование одного из мембранных методов - обратного осмоса, который позволяет эффективно умягчать воду на компактных, производительных установках.
Работа выполнена в рамках тематики проблемной научно-исследовательской лаборатории АлтГТУ им. И.И. Ползунова «Технология рекуперации вторичных материалов промышленности» и по проекту в рамках госзадания Минобрнауки РФ № 5.7595.2013.
Цель работы: разработка технологий умягчения подземных вод Алтайского края с использованием обратноосмотических мембран и новых сорбентов на основе бентонитовых глин.
Основные задачи:
анализ подземных вод Алтайского края по содержанию солей жесткости;
поиск оптимального способа активации бентонитов различных месторождений и разработка технологии получения сорбционного материала на основе бентонитовой глины для умягчения подземных вод;
исследование сорбционных свойств и очистки воды на полученных материалах и изучение возможности регенерации сорбционно-ионообменного материала на основе бентонитовой глины;
математическое описание экспериментальных данных процесса очистки сорб-ционным методом;
определение основных характеристик мембран и оптимальных параметров умягчения воды обратноосмотическим методом;
разработка технологических схем умягчения подземных вод с использованием ионообменного и мембранного методов и их технико-экономический анализ.
Объект исследования: подземные воды с повышенным содержанием соединений жесткости.
Предмет исследования: способы очистки подземных вод от соединений жесткости с использованием технологий сорбции и мембранного разделения.
Научная новизна:
получены новые данные по активации бентонитов Таганского, Хакасского и Милосского месторождений кислотным, солевым и содовым методами, определена статическая емкость активированных глин относительно солей жесткости;
впервые предложены технологии получения новых сорбционных материалов на основе активированной бентонитовой глины путем закрепления ее с помощью связующего (парафина) и нанесением бентонитовой глины на каркас из выщелоченного базальтового волокна;
определена сорбционная емкость материала на основе бентонита с парафином по солям жесткости в статических и динамических условиях;
предложен способ регенерации полученного сорбента раствором гидрокарбоната натрия;
изучены селективность и проницаемость обратноосмотических мембран на основе полиамида при умягчении воды с различным содержанием солей жесткости;
разработаны научные основы обеспечения технологий очистки подземных вод от ионов жесткости с использованием сорбента на основе модифицированного бентонита и обратноосмотических полиамидных мембран, позволяющие умягчать воду до требуемых параметров.
Практическая значимость:
полученные сорбционно-ионообменные материалы позволят извлекать из воды ионы жесткости с заданной эффективностью, что обеспечит стабильность потребительских свойств водных ресурсов, надежность водопотребления и водопользования;
экспериментальные данные могут быть использованы для расчета основных параметров оборудования технологических схем водоочистки;
внедрение разработанных технологий в практику водоочистки позволит обеспечить экономически эффективное и экологически безопасное водопользование и водопотребление.
Достоверность полученных результатов подтверждается использованием стандартных методик анализа и эксперимента, современного оборудования и методов учета погрешностей измерений, а также достаточным объемом и воспроизводимостью экспериментальных данных.
На защиту выносятся:
результаты исследований по активации бентонитовых глин различных месторождений;
способы получения сорбционно-ионообменных материалов на основе бентонитовой глины Милосского месторождения;
результаты исследований очистки воды на полученных материалах от соединений жесткости в статических и динамических условиях;
экспериментальные данные по селективности и проницаемости полиамидных мембран при очистке воды с повышенным содержанием общей жесткости;
технологии очистки воды от солей жесткости сорбционным и обратноосмоти-ческим методами.
Реализация результатов работы:
материалы диссертационной работы приняты к внедрению на предприятиях: ОАО «Барнаултрансмаш», ООО «Барнаул РТИ», НПО «Акватех»;
результаты диссертационной работы используется в учебном процессе на кафедре «Химическая техника и инженерная экология» ФГБОУ ВПО АлтГТУ им. И.И. Ползунова.
Апробация работы. Материалы диссертации ежегодно докладывались на Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодежь» (г. Барнаул, 2009-2013 гг.), Всероссийской студенческой научно-практической конференции «Химия и химическая технология в XXI веке» (г. Томск, 2012 г.), Международной экологической студенческой конференции «Экология России и сопредельных территорий» (г. Новосибирск, 2012 г.), Международной НІЖ «Водоснабжение и водоотведение: качество и эффективность» (г. Кемерово, 2010 -2012 гг.), Межрегиональной НІЖ «Региональные экологические проблемы» (г. Барнаул, 2011, г. Белокуриха, 2012 г.), VII научно практической конференции «Питьевые воды Сибири» (г. Барнаул, 2012 г.), VII Всероссийской научно-практической конференции «Исследования и достижения в области теоретической и прикладной химии» (г. Барнаул, 2013 г).
Публикации. По теме диссертации опубликована 21 работа, в том числе 5 статей в журналах, входящих в перечень публикаций ВАК, имеется 1 патент на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы из 101 наименования, приложений. Работа изложена на 118 страницах машинописного текста, включает 28 рисунков, 23 таблицы.
Автор выражает признательность за оказанную помощь и ценные советы при выполнении данной работы к.т.н., доценту кафедры ХТИЭ АлтГТУ им. И.И. Ползунова Сомину В.А.
