Введение к работе
Актуальность работы. Современные тенденции увеличения водопотребления природной воды и сброса промышленными предприятиями сточных вод, в том числе стоков, содержащих ионы тяжелых металлов, обусловлены ростом населения Земли, развитием промышленного производства и другими факторами. Загрязняющие вещества, содержащиеся в сточных водах, попадая в природные водоемы, приводят к изменениям химического состава воды и её качественных характеристик, которые в основном проявляются в появлении неприятного запаха, привкуса, неестественного цвета и др. Поэтому решение проблем по комплексному использованию природных ресурсов, позволяющих исключить загрязнение окружающей среды вредными промышленными выбросами, а также поиск эффективных экологически безопасных технологий очистки сточных вод являются одними из актуальных задач в области защиты водных ресурсов.
Одним из наиболее эффективных методов извлечения ионов тяжелых металлов из растворов и сточных вод является ионный обмен, который по сравнению с другими методами, например, реагентным методом, экстракцией, коагуляцией, позволяет извлекать вредные вещества до норм ПДК, возвращать очищенную воду обратно в производство и утилизировать ценные вещества, извлеченные из регенерационных растворов. Для проведения процессов ионного обмена применяются аппараты непрерывного и периодического действия. Несмотря на известные преимущества аппаратов непрерывного действия, на промышленных предприятиях в основном используются аппараты с неподвижным слоем ионита, которые просты в обслуживании, позволяют обрабатывать большие объемы воды с переменной во времени концентрацией сорбируемых компонентов.
При ионообменной обработке растворов все большее применение находят целлюлозосодержащие сорбенты, которые в отличие от синтетических ионитов являются дешевыми и простыми в получении. Для данных сорбентов разработаны экологически безопасные способы их утилизации, например, внесение отработанных сорбентов в почву, использование в производстве огнеупорных изделий, сжигание и другие.
Дальнейшее совершенствование ионообменных технологий не может осуществляться без внедрения на промышленных предприятиях новых ионообменных материалов, обладающих значительной обменной емкостью, высокой избирательностью, повышенной механической прочностью, хорошей химической стойкостью, и высокопроизводительного ионообменного оборудования, рассчитанного с применением методик, базирующихся на математическом моделировании с учетом реального механизма ионообмена, равновесных закономерностей процесса и гидродинамических особенностей движения подвижных фаз в аппарате, что, несомненно, является актуальной задачей в практическом и научном плане.
Цель работы. Исследование ионообменной адсорбции ионов двухвалентных металлов на целлюлозосодержащих и синтетическом катионитах и разработка методики расчета горизонтального адсорбера с неподвижным слоем адсорбента, позволяющей определить основные габаритные размеры аппарата и рациональные режимные параметры его работы.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
9+
-
Исследовано равновесие, кинетика и динамика ионного обмена RCu -Na+ на целлюлозосодержащих адсорбентах;
-
Выявлены закономерности процессов ионообменной адсорбции ионов
9+
Си на модифицированных природных адсорбентах на основе топинамбура и льняного волокна в горизонтальном аппарате с неподвижным слоем адсорбента;
-
Изучены процессы ионного обмена RCu2+ - Н4" и RH+ - Cu2+ на сульфокислотном катионите Lewatit S-100 в горизонтальном адсорбере с неподвижным слоем адсорбента;
-
Разработаны математические модели и инженерный метод расчета ионообменной установки периодического действия для очистки растворов и сточных вод от ионов поливалентных металлов;
-
Даны рекомендации для использования результатов исследования в технологических процессах водоподготовки природной воды в производстве безалкогольных напитков.
Научная новизна работы:
-
Предложено математическое описание процесса ионообменной адсорбции на целлюлозосодержащем адсорбенте в горизонтальном аппарате, учитывающее нелинейность изотермы адсорбции, внутридиффузионное сопротивление, изменение скорости движения раствора в неподвижном слое адсорбента и позволяющее определить закономерности динамики ионного обмена;
-
Разработаны математические модели ионообменной адсорбции и десорбции ионов двухвалентных металлов на синтетическом катионите в горизонтальном аппарате, позволяющие рассчитать распределение целевого компонента в неподвижном слое адсорбента в любой момент времени;
9+ 4-
-
В результате исследования ионного обмена RCu - Na на модифицированных топинамбуре и льне установлено, что равновесие ионообменной адсорбции удовлетворительно описывается уравнением изотермы Ленгмюра;
-
Впервые рассчитаны коэффициенты взаимодиффузии ионов меди на топинамбуре и льне, значения которых зависят от концентрации исходного раствора и степени отработки адсорбента;
-
Получены выходные кривые процессов ионообменной адсорбции ионов меди в горизонтальном аппарате с неподвижным слоем природных адсорбентов
и рассчитаны значения полной и рабочей динамической обменной емкости топинамбура и льняного волокна.
Практическая ценность работы:
-
Методом газовой хроматографии по адсорбции азота определены удельные поверхности, средний диаметр пор, общий объем пор и распределение пор по размерам модифицированных адсорбентов на основе топинамбура и льняного волокна;
-
Для извлечения ионов тяжелых металлов из водных растворов и сточных вод рекомендованы целлюлозосодержащие сорбенты на основе топинамбура и льняного волокна;
-
Разработана методика расчета процесса ионного обмена в горизонтальном аппарате с неподвижным слоем целлюлозосодержащего адсорбента, позволяющая определить основные размеры аппарата, время защитного действия слоя адсорбента в зависимости от концентрации и расхода очищаемого раствора;
-
Результаты теоретических и экспериментальных исследований использованы при разработке и проектировании ионообменной установки периодического действия для очистки природной воды в производстве безалкогольных напитков.
На защиту выносятся:
-
Математические модели процесса ионного обмена в горизонтальном аппарате с неподвижным слоем целлюлозосодержащего и синтетического катионита;
-
Результаты экспериментальных исследований равновесия, кинетики и динамики процессов ионообменной адсорбции ионов Си на природных целлюлозосодержащих адсорбентах, полученных на основе топинамбура и льна;
-
Результаты экспериментального исследования процессов RCu2+ - Ґ" и ШҐ - Cu2+ в горизонтальном аппарате с неподвижным слоем катионита Lewatit S-100;
-
Результаты численного эксперимента по моделированию процесса ионного обмена в горизонтальном ионообменном аппарате.
Апробация результатов работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях: региональной студенческой научной конференции «Фундаментальные науки - специалисту нового века» (Иваново, 2011, 2013 гг.); международной конференции «Проблемы сольватации и комплексообразования в растворах» (Иваново, 2011 г.); международной научно-технической интернет-конференции «Энергосберегающие процессы и аппараты в пищевых и химических производствах (ЭПАХ1Ш-2011)» (Воронеж, 2011 г.); всероссийской молодежной научной конференции с международным участием «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук» (Кемерово, 2011 г.); международной молодежной конференции «Нано- и супермолекулярная химия в сорбционных и ионообменных процессах» (Казань,
2011 г.); международной научно-технической конференции «Современные
наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой
промышленности (Прогресс - 2012)» (Иваново, 2012 г.); XXV Международной
научной конференции «Математические методы в технике и технологиях -
ММТТ-25» (Волгоград, 2012 г.); «Czasopismo techniczne (Technical
transactions)» (Krakow, 2012 г.); всероссийской научной конференции
«Молодые исследователи - регионам» (Вологда, 2012 г.); III Всероссийской
студенческой научно-технической конференции «Интенсификация тепло-
массообменных процессов, промышленная безопасность и экология» (Казань,
2012 г.); VII Всероссийской школе-конференции молодых ученых
«Теоретическая и экспериментальная химия жидкофазных систем (Крестовские
чтения)» (Иваново, 2012 г.); всероссийской научно-практической конференции
студентов и аспирантов «Казанские научные чтения студентов и аспирантов -
2012» (Казань, 2012 г.); всероссийской научно-практической конференции
«Актуальные инженерные проблемы химических и нефтехимических
производств» (Нижнекамск, 2013 г.).
По материалам исследований опубликовано 17 печатных работ, в том числе 1 статья в журнале, входящем в список ВАК, получен один патент на полезную модель.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка сокращений и условных обозначений, списка литературы и приложений. Объем работы: 135 страниц основного текста, включая 40 рисунков и 25 таблиц. Список литературы включает 154 наименования.
