Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор исследований и патентов, посвященных совершенствованию методов обезжелезивания и фильтрования воды с целью ее очистки 8
1.1. Обзор исследований, посвященных удалению железа из природных вод 8
1.2. Конструкции и принципы работы самоочищающихся фильтров. Патентный обзор 29
1.3. Выводы по материалам главы 1 42
ГЛАВА 2. Разработка и экспериментальное исследование самоочищающегося медленного фильтра для обезжелезивания воды 44
2.1. Описание предложенной конструкции самоочищающегося медленного фильтра для обезжелезивания воды 44
2.2. Методика экспериментальных исследований 47
2.2.1. Приготовление модельного раствора 47
2.2.2. Исследование эффективности работы самоочищающегося медленного фильтра 48
2.3. Результаты экспериментальных исследований 49
2.3.1. Обсуждение результатов экспериментов 58
2.3.2. Определение гидравлического сопротивления загрузки фильтра 59
2.3.3. Определение объема порового пространства загрузки фильтра 59
2.3.4. Определение массы свежеосажденного гидрогеля железа (III), необходимого для тонкой очистки воды от соединений железа 60
2.4. Выводы по материалам главы 2 73
ГЛАВА 3. Теоретические исследования процесса фильтрации и фильтрования 74
3.1. Анализ гидродинамических условий при фильтрации для случая зернистой структуры пористой среды на основе асимптотического решения системы уравнений Навье-Стокса для ползущего течения 74
3.2. Анализ структуры тензора проницаемости пористой среды зернистой структуры на основе асимптотического решения системы уравнений Навье-Стокса для ползущего течения 81
3.3. Выводы по материалам главы 3 97
ГЛАВА 4. Разработка принципов расчета самоочищающегося медленного фильтра для обезжелезивания воды 98
4.1. Разработка математической модели для обработки результатов экспериментальных исследований процесса фильтрования при поверхностном удержании взвеси 98
4.2. Оценка технологических параметров процесса обезжелезивания воды фильтрованием с предварительной аэрацией 118
4.3. Оценка параметров вторичной пористой структуры, формируемой при удержании коагулирующей взвеси фильтрованием 137
4.4. Выводы по результатам главы 4 142
Общие выводы 143
Литература 144
Приложение 153
- Конструкции и принципы работы самоочищающихся фильтров. Патентный обзор
- Определение массы свежеосажденного гидрогеля железа (III), необходимого для тонкой очистки воды от соединений железа
- Анализ структуры тензора проницаемости пористой среды зернистой структуры на основе асимптотического решения системы уравнений Навье-Стокса для ползущего течения
- Оценка технологических параметров процесса обезжелезивания воды фильтрованием с предварительной аэрацией
Введение к работе
СВЯЗАННЫХ С ПРИСУТСТВИЕМ ЖЕЛЕЗА В ПРИРОДНЫХ ВОДАХ
Диссертация посвящена разработке и исследованию самоочищающегося медленного фильтра для очистки воды от железа, функционирующего в автоколебательном режиме «фильтрование - регенерация».
АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. С проблемами в области водоподготовки сталкивается здравоохранение, жилищно-коммунальное хозяйство, энергетика, промышленность и сельское хозяйство.
Повышенное содержание железа крайне вредно для здоровья человека. Однако в организме человека и животных железо является важным элементом. Поступающее в организм человека и животных железо концентрируется главным образом в крови. Находясь в составе гемоглобина крови, оно участвует в переносе кислорода, обладая способностью легко переходить из двухвалентного в трехвалентное и обратно, и, кроме того, является биологическим катализатором. Однако при продолжительном потреблении населением воды с повышенным содержанием железа значительный его запас в виде ферритина откладывается в печени. После насыщения печени ферритином избыток железа продолжает накапливаться в коллоидной форме оксида железа (III), получившей название гемосиди-рина, который вызывает разрушение клеток печени. В связи с этим существует ограничение на содержание железа в питьевой воде, а при повышенном его содержании воду требуется обезжелезивать. По современным нормам СанПиН 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода. Водоснабжение населенных мест» на основании Федерального закона «О санитарно-эпидемиологическом благополучии населения» и «Основы законодательства Российской Федерации об охране здоровья граждан» концентрации железа (суммарно) не должно превышать 0,3 мг/дм3.
Подземные воды в Российской Федерации часто характеризуются повышенным содержанием железа. Например, в Калининграде подземные воды с содержанием железа свыше нормативов составляют около 60%, на Дальнем Востоке (по кадастрам действующих скважин) — около 50%. Железосодержащие воды широко распространены в центральных и северных областях страны, в Сибири и Якутии, на Кольском полуострове и на Алтае. Повышенное содержание железа в воде придает ей буроватую окраску, неприятный металлический привкус, вызывает зарастание водопроводных сетей и водоразборной арматуры, является причиной брака в текстильной, бумажной, пищевой и других отраслях промышленности.
Многообразие форм и концентраций железа, встречающегося в природных и сточных водах, вызвало необходимость разработки целого ряда методов и технологических
5 схем обезжелезивания воды. Впервые обезжелезивание воды было предпринято в г. Галле (Германия) в 1868 г. В дальнейшем обезжелезивание воды получило широкое распространение также в Польше, Бельгии, Нидерландах, Скандинавских странах, США, Канаде и др. На территории Советского Союза первые обезжелезивающие установки были сооружены в Прибалтике, в Западной Украине и Белоруссии.
Вопросы, связанные с экологией, также важны. При удалении железа из воды, как правило, используется метод фильтрации, сопровождающийся регенерацией фильтров. Поскольку железо в промывной воде находится в форме высокоустойчивого коллоида, процесс его осаждения затруднен. Промывные воды, содержащие 80-150 мг/дм железа, не могут быть возвращены в оборотный технологический цикл, поскольку это нарушит гидравлический режим обезжелезивания и снизит качество получаемой воды. Сброс в канализацию невозможен из-за опасности, которую представляют соединения железа уже в концентрации 5 мг/дм для микроорганизмов активного ила. Жизнедеятельность активного ила определяет эффективность биологической очистки на канализационных очистных сооружениях, куда поступают все стоки при общесплавной системе канализации. Поэтому высококонцентрированные промывные воды сбрасываются на рельеф, нарушая сложившееся почвенно-экологическое равновесие и нанося невосполнимый ущерб окружающей среде.
Текущее обслуживание систем водоснабжения и водоотведения предприятий, модернизация и совершенствование этих систем в рамках стратегического планирования развития населенных пунктов и предприятий входит в круг задач промышленного сервиса [1]. Сложность этих задач постоянно возрастает в связи с ужесточением требований к уровню очистки природных вод для технологических и коммунальных нужд и сточных вод перед их сбросом в системы общей канализации. В свою очередь, усложнение многих технологических задач очистки природных и сточных вод, инициирует постановку теоретических и экспериментальных исследований. Одним из процессов, который широко применятся в процессах водоподготовки, является процесс фильтрования. Его организуют как фильтрацию через пористые среды - зернистые загрузки, диафрагмы и мембраны.
Наиболее распространенные методы очистки воды от железа рассмотрены в учебной [2] и монографической [3] литературе. Однако в связи с постоянно увеличивающимся потреблением подземных и поверхностных природных вод, возникает необходимость в реконструкции существующих и строительстве новых установок обезжелезивания, а одной из важнейших задач является изыскание решений по экономии капитальных вложений и снижению эксплуатационных затрат.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ заключалась в оценке по литературным данным и патентным разработкам основных тенденций совершенствования технологии очистки природных вод от железа; в разработке принципов функционирования и конструкции фильтра для извлечения взвеси гидроксида железа (III), работающего в автоколебательном режиме с самопроизвольным переключением с режима фильтрования на режим регенерации; в экспериментальном исследовании процесс фильтрования взвеси гидроксида железа (III) на фильтре предложенной конструкции с установлением основных технологических параметров, обеспечивающих поверхностное удержание взвеси; в теоретическом исследовании течения жидкости через пористую среду на основе решения системы уравнений Навье-Стокса для модельной структуры зернистой фильтрующей загр\зки:
НАУЧНАЯ НОВИЗНА заключается в новом техническом решении для конструкции фильтра, служащего для удаления взвеси из жидкости при поверхностном удержании взвеси и работающего как гидравлическое автоколебательное устройство с самопроизвольным переключением с режима фильтрования на режим сброса осадка при достижении предельных потерь напора, задаваемых конструкцией отводящего сифона; в экспериментальном определении основных параметров процесса фильтрования взвеси гидроксида железа (III), позволяющих обеспечить автоколебательный режим работы и очистку воды от железа до требований нормативов на питьевую воду; в теоретическом исследовании путем решения задачи фильтрации в форме системы уравнений Навье-Стокса для модельной структуры фильтрующей загрузки, в результате которого было показано, что режимы поверхностного и объемного удержания взвеси различаются структурой тензора проницаемости пористой среды; в выводе формул, позволяющих на основе экспериментальных данных по проницаемости пористой среды и скорости накопления загрязнений рассчитывать конструктивные и технологические параметры разработанного фильтра.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ заключается в том, что на материалах литературного и патентного обзоров показано, что совершенствование технологии очистки природных вод от железа в основном предпринимается за счет значительного усложнения технологии и оборудования, что вызывает резкое удорожание водоподготовки и, соответственно, низкую конкурентоспособность новых технических решений; разработано новое техническое решение для процесса очистки воды от железа, заключающееся в предварительной аэрации и последующем фильтровании воды от взвеси
7 гидроксида железа (III) на фильтре, работающем в гидравлическом автоколебательном режиме с самопроизвольным переключением с режима фильтрования на режим регенерации в виде сброса накопившихся на фильтрующей загрузке загрязнений через отводящий сифон, используя эффект неразрывности струи: показана принципиальная работоспособность фильтра предложенной конструкции в режиме непрерывного фильтрования, а также фильтрования с перерывами, не требующего присутствия оператора и средств автоматики для перехода с основного режима очистки на режим регенерации; показана удовлетворительная работа фильтра для очистки воды от железа до норм на питьевую воду (от б - 16 мг/л до менее 0,3 мг/л).
НА ЗАЩИТУ ВЫНОСИТСЯ: новая конструкция фильтра для очистки воды от железа, функционирующего в автоколебательном режиме «фильтрование — регенерация», обеспечивающего автоматическое самоочищение; экспериментальные результаты по отработке режимов функционирования самоочищающегося медленного фильтра для обезжелезивания воды; математическая модель фильтрования для режимов эксплуатации фильтра; принципы и основные формулы для расчета фильтра предложенной конструкции.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Результаты диссертационной работы докладывались на конференциях аспирантов и молодых ученых «Современные проблемы туризма и сервиса» (Москва, РГУТиС, 2010), «Экологический сектор энергосбережения» (Москва. РГУ-ТиС, 2010).
ПУБЛИКАЦИИ. По результатам исследований опубликовано 3 статьи, из них 3 -в журналах рекомендованном ВАК РФ. И получено свидетельство о демонстрации на выставке «Expopriority-2009» Медленного самоочищающегося фильтра для обезжелезивания воды и подана заявка на патент «Установка с медленным самоочищающимся фильтром», Заявка № 2010124297/20 (034687) от 17.06.2010.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка цитированной литературы и приложения. Объем диссертации составляет 197 страниц; он включает 152 страницы основного машинописного текста, 41 рисунок, 22 таблицы, выводы, список литературы (120 наименований) и приложение (45 страниц).
Конструкции и принципы работы самоочищающихся фильтров. Патентный обзор
В данной части литературного обзора представлены последние конструкции фильтров, которые авторами были названы самоочищающимися. Один из первых самоочищающихся фильтров предложен Оводовым B.C. [80]. Основной принцип работы самоочищающегося фильтра должен определяться тем, что переключение с одного режима работы на другой: с фильтрования иа промывку и наоборот, должно производиться не оператором или автоматикой, а при достижении некоторого параметра основного процесса (фильтрования) определенного заданного значения. Этим параметром может быть предельная потеря напора, малый расход фильтрата из-за кольматации фильтрующей загрузки или любой другой. Самоочищающийся фильтр Оводова удовлетворяет этому определению.
Фильтр, описанный в патенте [81], авторы относят к самоочищающимся фильтрам, предназначен в соответствии с формулой патента для очистки растительных масел или природных и сточных вод. Конструкция фильтра показана на рис. 1, а принцип его работы дается следующим описанием.
Пластинчатый самоочищающийся фильтр (рис. 1.1) работает следующим образом. При фильтрации исходная жидкость по входному патрубку 2 поступает во внутреннюю полость цилиндрического фильтрующего элемента 5, проходя через отверстия, выполняющих роль распределительного устройства, в поршне 6. находящемся в процессе фильтрования в верхнем положении, фильтруется, по патрубку 3 отводится за пределы устройства. В процессе фильтрования происходит осаждение механических примесей между пластин 10 фильтрующего элемента 5, а также на его внутренней поверхности. Для очистки фильтрующего элемента 5 диск поршня 6 приводится в движение приводом 8 возвратно-поступательного движения. Пластинки 12 поршня 6, проходя между пластинками 10 фильтрующего элемента 5, выскребают отложения механических примесей во внутреннюю полость фильтрующего элемента 5. Механические примеси, извлеченные из фильтрующего элемента 5, поступают в разгрузочное устройство 4.
Предполагается, что этот фильтр обеспечивает достижение технического результата. а именно за счет эффективной очистки фильтрующего элемента от механических примесей, непрерывной работы и механизированной выгрузки осадка. Отмечается, что возвратно-поступательное движение поршня с закрепленными на его внешней окружности металлическими пластинками, концы которых двигаются между пластинками фильтрующего элемента, позволяет эффективно очищать фильтрующий элемент от механических примесей, далее имеющих высокую адгезию к материалу фильтрующего элемента, без использования промывной жидкости. Движение поршня происходит без прерывания процесса фильтрования, что также повышает производительность фильтра. Пластинчатый самоочищающийся фильтр может быть использован в химической, нефтеперерабатывающей и других отраслях промышленности. Прототипами рассмотренного фильтра авторы [81] считают фильтры описанные в источниках [82, 83].
Самоочищающийся фильтр описан в патенте [84] (рис. 1.2). Фильтр работает следующим образом: исходная жидкость подается под давлением через входной патрубок 7 (стрелка «І») в камеру 3 исходной жидкости. Далее исходная жидкость поступает на одну фильтрующую перегородку 2, на которой происходит отложение загрязнений, и затем в камеру очищенной жидкости 4, из которой через выходной патрубок 12 подается потребителю (стрелка «II»). При этом в камере исходной жидкости 3 происходит «закручивание» потока жидкости по касательной к цилиндрической поверхности корпуса 1 (показано стрелкой), а лопасть 8 (лопасти) и полый вал 10 приводятся во вращательное движение. В месте контакта открытой полости лопасти 8 с фильтрующей перегородкой 2 направление потока жидкости изменяется за счет разности давлений в камере очищенной жидкости 4 и полого вала 9, связанного через отверстие 10 с полостью лопасти 8. В результате этого загрязнения смываются с фильтрующей перегородки 2 и удаляются из фильтра по полому валу 9 (стрелка «III»).
Предполагается, что в этом самоочищающемся фильтре одновременно с очисткой исходной жидкости обеспечивается непрерывный отвод загрязнений, что повышает эффективность работы фильтра. При этом не требуется специального привода для приведения во вращение элементов очистки, а используется энергия потока жидкости. В качестве материала для фильтрующих перегородок в зависимости от требований к степени очистки может использоваться как тканый материал, так и нетканый типа АНП-8П, обеспечивающий номинальную тонкость фильтрации 40 мкм. Отмечается, что устройство прошло испытания в системе очистки масла в силовых установках тепловозов, показало высокую надежность и эффективность в эксплуатации и находится в серийном изготовлении. Прототипами своего изобретения авторы [84] считают источники [85 - 87].
Фильтр, описанный в патенте [88], содержит корпус с опорными плитами, в которых установлены трубчатые фильтрующие элементы. В фильтр встроено вращающееся вокруг оси золотниково-распределительное устройство промывки, которое приводится во вращение передаточным механизмом от приводной турбинки. Это устройство позволяет при вращении создавать турбулентный поток концентрата загрязненной жидкости последовательно внутри каждого фильтрующего элемента во время их регенерации при одновременном оттоке из этих же элементов концентрата загрязнений в патрубок стока. Регенерация фильтрующих элементов осуществляется обратным током фильтрата с одного конца при одновременном воздействии с другого конца на внутреннюю поверхность этого же элемента тангенциально-динамического воздействия струи загрязненной жидкости, причем направление потока концентрата загрязненной жидкости внутри фильтрующего элемента при регенерации изменяется, по меньшей мере, дважды за один оборот золотни-ково-распределительного устройства промывки.
Определение массы свежеосажденного гидрогеля железа (III), необходимого для тонкой очистки воды от соединений железа
Второй результат, полученной в этой части работы, связан с анализом структуры тензора проницаемости пористой среды. Он сводится к тому, что показана правомерность постановки «обратной задачи динамики» фильтрации жидкости через пористые среды. Формулировка и решение подобного рода обратной задачи преследует цель разработки такой методики расчета, которая позволила бы по данным эксперимента, полученных при исследовании макрообъекта (например, фильтра), оценить микроструктуру объекта — изменение структуры пористой среды при кольматации. Поскольку «обратная задача динамики», также как и «обратная задача кинетики», не может иметь однозначного решения, то цель ее постановки и решения сводится к проверке «рабочих гипотез», т.е. ответа на вопросы, которые ставятся в ходе конкретного исследования путем введения тех или иных предположений при формулировке математической модели.
Определенные возможности для исследования процессов кольматации и суффозии представляет структура тензора проницаемости, которая в осредненном виде задается компонентами R,, (3.95),R21 (3.97), Rn (3.118) и R22 (3.120). Как видно из этих выражений, знакопеременные ряды являются сходящимися, поэтому взаимосвязь кольматацион-ных процессов и структуры пористой среды должна (в рамках предположений модели) в то из этого преобразования видно, что это выражение подобно огношению расхода (по Пуазейлю) к площади фильтрационной поверхности пор. Как было показано выше, отношение расхода (по Пуазейлю) к площади сечения поровой структуры определяет среднюю скорость фильтрационного потока, тем самым характеризует не просто проницаемость пористой среды, а удельную проницаемость. Однако отношение (3.125) задает некоторую фиктивную величину, которая представляет собою отношение расхода (по Пуазейлю) через площадь поверхности скелета пористой среды к площади сечения порой струкіурьі. В связи с этим требуется дальнейшая отработка методики расчетов с использованием экспериментальных данных.
Следует также отметить, что определенная информация о фильтрационном процессе заложена в множителях 64 и 16 в (3.95), (3.97), (3.118) и (3.120). Эти множители могут интерпретироваться следующим образом: расход и скорость фильтрации по потоку в четыре раза превосходит колебания расхода и скорости фильтрации поперек потока. С позиций описания кольматации и суффозии пористой среды это означает, что вероятность отложения осадка между зернами фильтрующей загрузки больше в поровых полостях, находящихся в «гидродинамической тени» зерен. Через эти области порового пространства происходят колебания расхода и скорости поперек основного направления фильтрационного потока. Соответственно, вероятность отложения и закрепления частиц осадка -кольматации, в этих областях будет выше, а срыва и уноса частиц осадка из них - суффозии. будет ниже. Обратная ситуация в отношении вероятности отложения и уноса осадка будет наблюдаться в полостях, которые расположены вдоль основного направления фильтрационного потока и которые образуют некоторую канальную структуру. Такая канальная структура организована статистически. Естественно предположить, что эта статистическая канальная структура по мере кольматации будет все больше эволюционировать к канальной структуре правильной геометрии.
Таким образом, проведенное исследование дало «эталонный» образец фильтрующей загрузки, представляющий собою пористую среду, из которой исключен скелет, а вместо него остались только поверхности, имеющие простую геометрию, например, ка 96 нальную структуру, и на этих поверхностях принимаются условия прилипания. Дальнейшая проработка вопросов теоретического описания фильтрации через пористые среды требует рассмотрения канальной геометрии пористой среды.
Обобщенная формулировка «обратной задачи динамики», о которой говорилось выше, сводится к следующему: 1) по следствию установить правомерность предполагаемой причины (исходной посылки); в эюм случае реализуется ситуация, когда возможность доказательства утверждения отсутствует, оно принимается в качестве постулата, а его доказательсгво заменяется обоснованием в силу непротиворечивости и правомерности вытекающих из него следствий (например, согласование с результатами эксперимента); так обстоит дело с первым и вторым законами термодинамики; 2) в развитие этой постановки - проверка нескольких возможных (априори предполагаемых) причин, т.е. «рабочих гипотез» на предмет их вклада в осредненный результат - результат эксперимента, в заданных условиях эксплуатации объекта, в частности фильтра; 3) по данным эксперимента, которые в силу функционирования инженерного объекта являются осредненными. и их сопоставлению с данными осреднения, полученными для нескольких «гипотетических» вариантов микроструктуры изучаемого объекта, выбрать наиболее подходящий вариант (по согласованию со следствием; т.е. здесь микроструктура принимается за одну из причин, дающих вклад в следствие); 4) далее этот «гипотетический» вариант микроструктуры подвергается проверке методами, которые именно этим целям служат; этот аппарат поэтапного исследования путем нисхождения от крупной структуры к более мелкой позволяет согласовать исследования разных по масштабу объектов: макрообъектов, микрообъектов, нанообъектов и объектов атомно-молекулярного размера. «Обратная задача динамики», кроме такой обобщенной формулировки и ее основной ценности для организации эффективной работы в области «сквозных» научных исследований (исследований - от физического явления до технологии) имеет и утилитарное назначение. Тогда она сводится к следующему: по описанию «гипотетической» микроструктуры имеется возможность рассчитывать осредненный результат. Данный подход был использован при обработке результатов экспериментальных исследований (Глава 4). 1. На математической модели в форме уравнений Навье-Стокса для фильтрующей среды зернистой структуры показано, что полученное решение позволяет оценить уровень достигаемых градиентов давления на масштабе размера зерна или поры фильтрующей загрузки, что. в свою очередь, дает возможность оценить сдвиговые напряжения и флуктуации скорости течения в первоначальной и вторичной поровых структурах и, соответственно, оценить прочность коагуляционных структур, формирующихся при отложении осадка взвеси при фильтровании. 2. Анализ структуры тензора проницаемости пористой среды показал правомерность постановки «обратной задачи динамики» фильтрации жидкости через пористые среды, которая может быть использована при проверке «рабочих гипотез», касающихся эволюции пористой среды при захвате взвеси пористой средой при фильтровании. 3. Анализ математической модели показал, что вероятность отложения осадка между зернами фильтрующей загрузки больше в поровых полостях, находящихся в «гидродинамической тени» зерен; через эти области порового пространства происходят колебания расхода и скорости поперек основного направления фильтрационного потока, соответственно, вероятность отложения и закрепления частиц осадка - кольматации, в этих областях будет выше, а срыва и уноса частиц осадка из них - суффозии, будет ниже. Обратная ситуация в отношении вероятности отложения и уноса осадка будет наблюдаться в полостях, которые расположены вдоль основного направления фильтрационного потока и которые образуют некоторую канальную структуру; такая канальная структура организована статистически и по мере кольматации будет эволюционировать к канальной структуре правильной геометрии.
Анализ структуры тензора проницаемости пористой среды зернистой структуры на основе асимптотического решения системы уравнений Навье-Стокса для ползущего течения
Таким образом, для того чтобы получить значение пористости гидрогеля гидроксида железа III порядка ms =0,1 необходимо задаться структурой частицы гидроксида включающей вторую или даже третью координационную сферу из молекул воды.
Проанализируем правомерность оценок, полученных исходя из коллоидно-химических представлений, сравнением их с экспериментальными данными, которые имеются в классических монографиях, где рассматриваются данные вопросы [11, 110].
Для этого будем полагать, что весь осадок сформирован из коллоидных частиц (мицелл), радиус которых определяется 2-м энергетическим минимумом в теории ДЛФО (Дерягина-Ландау-Фервея-Овербека). Объем осадка в конце цикла фильтрования воды с содержанием железа 6.0 мг/л составил Vs = 0,95 /0 J м3, если исходить из толщины осадка hs=4-10 3M и площади поверхности фильтрования А = 0,238-10 2м2. Принимаем, что частицы сферические: г, = 500 А0 =0,5 -10 м, и одна такая частица будет иметь объем
Данное значение является вполне приемлемым, поскольку согласуется с экспериментальными данными, но рассчитано для нулевой пористости и поэтому информацию о структуре осадка, имеющую смысл для процесса фильтрования и фильтрации, не несет. Тем не менее, приведем некоторые экспериментальные данные, которые также должны считаться оценочными.
В монографии [11] сообщается (стр. 86-91), что имеются сведения, подтвержденные вискозиметрическими исследованиями, о том, что структурообразование в гидрозолях алюминия и железа может рассматриваться как образование на первом этапе сплошное пространственно сетки и ее разрыв под влиянием гидродинамических воздействий и процессов старения на втором этапе. В результате разрыва образуются микрохлопья, укрупняющиеся в ходе дальнейшего объединения. Частицы взаимодействуют участками, на которых произошло полное устранение причин их агрегативной устойчивости. Поэтому свойства структур в первую очередь определяются степенью дестабилизации частиц. При неполной дестабилизации структуры образуются рыхлые, а их внутренние полости заполнены дисперсионной средой. Образованию рыхлой структуры способствуют высокая дисперсность и анизодиаметрия частиц. Гели Л1{ОН%, Fe(OH)3, суспензии глин с удлиненными частицами-чешуйками образуют рыхлые коагуляционные структуры. Ориентация и плотность упаковки частиц в коагуляционных структурах могут быть неодинаковыми в разных участках. Установлено, что в золях Fe(OH)3 имеется, по крайней мере, две группы частиц, отличающихся по механическим свойствам. Предполагается, что это явление связано со способностью анизодиаметрических частиц Fe(OH)3 к построению тактоидов - агрегатов с ясно выраженной периодичностью расположения первичных частиц. Исследования формирования гидроксида алюминия показали, чго первоначально образуются очень мелкие аморфные шарики, размером около 0,2 мкм, но скоро происходит их перегруппировка, слипание и возникают ячеистые структуры. В узлах ячеек начинается кристаллизация.
Отмечается также [11], что существуют три формы малорастворимых продуктов гидролиза алюминия: 1) мономерные соединения А1и с ОН -группами: 2) полиядерные образования, включающие от 20 до 400 атомов алюминия (подчеркнем, что порядку величины это значение совпадает со сделанной нами выше оценкой); 3) микрокристаллические частицы. Все три формы одновременно присутствуют в геле, причем со временем вторая форма переходит в третью. При наличии затравки в виде ранее сформированного гидроксида Аі(ОН)3 кристаллизация в осадках развивается быстрее, о чем свидетельствует улучшение их фильтрационных свойств. Отмечается также [11], что сведения, приводимые разными авторами о структуре гидроксида железа, противоречивы. По одним данным кристаллизация Fe(OH)3 начинается только через несколько недель, по другим - сразу же или через 30 мин с момента образования. В некоторых исследованиях показано, что ядра мицелл свежеосажденного гидроксида железа имеют неустойчивую полимерную структуру, которая в результате дегидратации и оксоляции постепенно распадается на отдельные молекулы Fe203 пН20. Распад приводит к сильному пересыщению объема первичных частиц по концентрации таких молекул и благоприятствует кристаллизации.
Приводятся сведения [И], что при рН = 4,2 - 8,0 частицы гидроксида алюминия имеют в основном размер 2,0 - 2,5 мкм, но наряду с ними содержатся частицы размеров 4 - 6 и 10-30 мкм. С понижением температуры от 20 до 5С количество мелких частиц уменьшается, а крупных возрастает. При рН около 8 доля мелких частиц больше, чем при рН = 4.2 - 6,2. При рН = 8,5 - 9,3 в гидроксиде алюминия преобладают частицы размером 0,1 - 0,05 мкм. В гелях Fe(OH), первичные частицы имеют размер 10 - 30 мкм.
В монографии [110] приводятся следующие данные (стр. 177): зависимость удельного сопротивления осадков от их пористости и среднего размера твердых частиц исследована на водных суспензиях частиц кварца, галенита, глинозема и оксида железа; разность давлений до 105Па; средний размер частиц 30 -130 мкм; пористость осадков из частиц глинозема и оксида железа составляет 0, 696 - 0, 771.
Таким образом, относительно экспериментальных данных о структуре и размере частиц, образующихся при гидролизе соединений алюминия и железа III, можно говорить только как об оценочных, поскольку на формирование осадков гидрогелей влияют большое число факторов. Кроме того, структура этих осадков постоянно эволюционирует во времени, т.е. зависит не только от времени, но от скорости происходящих процессов.
Сделанные оценки и их анализ позволяют предположить, что структура гидрогеля гидроксида железа 111 является достаточно сложной. Возможно, что высокая насыщенность гидрогеля водой связана с тем, что молекулы гидроксида образуют полимерную структуру из линейных цепей, которые могут быть в отдельных участках сшиты или быть ветвящимися. Между этими цепями неорганического полимера расположены достаточно большие блоки водной фазы, что напоминает полимер, набухший в растворителе.
Из проанализированных методов оценки пористости осадка гидрогеля гидроксида железа III ни один не дал требуемых результатов, так как использование априорных оценок дает разброс значений пористости ms от близких к нулю до близких к единице. Выполненный анализ позволяет заключить, что необходимо сделать попытку построить метод оценки гидравлического сопротивления осадка гидрогеля гидроксида железа III, исходя непосредственно из фильтрационного эксперимента. Этот метод будет приближенным, но позволит охарактеризовать свойства осадка, исходя из конкретного эксперимента, т.е. будет применим только к исследованному объекту.
Оценка технологических параметров процесса обезжелезивания воды фильтрованием с предварительной аэрацией
Интенсивность воздействия газовой окислительной смеси можно изменять за счет различной скорости циркуляции, устанавливая разную производительность насоса. При сильном загрязнении воды существует возможность подключения второй системы, также состоящей из насоса, эжектора и кавитатора. В этом случае удается достичь эффективного удаления из воды железа даже при его высоком содержании - 10 - 15 мг/дм3. Если вода одновременно с железом содержит органические примеси (фенолы, гумусовые вещества, нефтяные углеводороды и т.д.), то обезжелезивание традиционными способами затруднено. Проведенные исследования показали, что предлагаемая технология с интенсификацией окисления и в этом случае эффективна. При окислении двухвалентного железа, в том числе освободившегося из связанных форм (коллоидных и комплексных соединений) после их разрушения под действием окислительных и кавитационных процессов, образуются хлопья Fe{OH)3. Их большая удельная поверхность и имеющийся заряд создают
благоприятные условия для адсорбции загрязнителей (ионов тяжелых металлов, органических молекул). Таким образом, при фильтровании вода освобождается не только от железа, но и от других вредных примесей.
После достижения необходимого эффекта аэрирования и озонирования система с помощью гидравлических клапанов и затворов переключается на перекачивание воды насосом для выполнения других стадий очистки (например, для фильтрования железосодержащего осадка, сорбции). В этой работе [19] в единой системе реализованы преимущества кавитации и эжекционного диспергирования воздуха и озона.
Озонированию посвящена работа [20], в которой приведены результаты экспериментальных исследований по очистке модельных растворов, имитирующих подземные воды, от железа и марганца. Отмечается, что озон, мощный окислитель, был использован в данном исследовании для окисления железа и марганца, ионов Fe2+ до Feu и Мп2 до Мп4+. но в то же время окисление ускоряет как гидроксид железа (III), так и оксид марганца (IV). Начальными концентрациями Fe2+ и Мп2+ в исследуемых модельных растворах были 2,6 мг/л и 1 мг/л, соответственно. Было установлено влияние на степень очистки от железа и марганца дозы озона, рабочей температуры и рН. Для оптимального удаления железа и марганца доза озона составляет 3 мг/л при температуре 20 С, что позволяет удалять железо и марганец более чем на 96 % и 83 %, соответственно. На процесс очистки влияет изменение рН в диапазоне от 5 до 12; максимальная очистка от железа и марганца наблюдается в интервале рН от 9 до 10. В экспериментах также изучали эффективность типа коагулянта и влияние концентрации бикарбонатов в очищаемой воде; было установлено, что оптимальная концентрация коагулянта сульфата алюминия составляет 30 мг/л, а подщелачивающего реагента -10 мг/л в пересчете на Са2 .
Интенсификации процессов, которыми сопровождается удаление железа из воды, (окисление, формирование фазы осадка при коауляции) посвящена работа [21]. Изучалось влияние звукохимических окислительных процессов и ультразвуковой коагуляции на удаление железа в ионизированной форме (ионов Fe2+), а также органических комплексов железа в ионной или коллоидной форме. В статье описываются исследования по влиянию ультразвука различной частоты (22 и 24 кГц), амплитуды и времени экспозиции (1-5 мин). Исследования проводились на дистиллированной воде и природной речной воде с высокой цветностью, в которые были дозированы соединения железа (II), а также сульфат аммония. Последствия удаления железа были исследованы при низкой и высокой интенсивности кавитационных процессов. Было установлено, что параметры, определяющие интенсивность ультразвука влияют на эти процессы.
Исследованию интенсификации массообменных процессов при удалении железа из воды посвящена работа [22]. В ней отмечается, что подземные воды Приморского края отличаются большим содержанием железа и железобактерий и повышенным содержанием углекислоты и сероводорода. Высокое содержание углекислоты препятствует переходу двухвалентного железа Fe2+ в трехвалентное Fei+ и выпадению соединений железа в осадок. Наличие железобактерий в воде ведет к быстрому разрушению металлических труб, зарастанию труб колониями железобактерий и вторичному загрязнению железом перед их подачей на очистные сооружения до концентрации 30-40 мг/л. Отмечается, что в связи с этим, традиционные методы обезжелезивания (аэрация и известкование) не позволяют достичь требуемого качества воды.
Для подземных вод с высоким содержанием железа, в том числе органического происхождения и углекислоты, республиканский проектный институт «Волгоградагро-промпроект» при участии кафедры водоснабжения Московского государственного строительного университета (МИСИ), разработал метод обезжелезивания воды с применением вакуум-эжекционных аппаратов. Метод обезжелезивания с применением вакуумно-эжек-ционньгх аппаратов применяется при содержании общего железа до 30 мг/л, рН не менее 6,2, свободного диоксида углерода до 100 мг/л, сероводорода до 10 мг/л, общей щелочности не менее 1,5 мэкв/л. Схема обработки воды следующая: вода, подлежащая обезжеле-зиванию, под напором повысительных насосов подается на эжекторы, которые являются главным элементом схемы и устанавливаются вертикально над загрузкой осветлительных фильтров. Количество агрегатов и количество ступеней определяются экспериментально -расчетным путем в зависимости от качества исходной воды.
Метод основан на использовании двух процессов: мгновенного объемного вскипания воды в вакууме, сопровождаемого десорбцией растворенных газов (С02, H2S и др.) и повышением за счет этого рН воды, и последующего беспрерывного дробления капель воды в потоке эжектируемого воздуха до мелкодисперсного эффекта абсорбции кислорода с одновременным достижением высоких скоростей окисления двухвалентного железа в трехвалентное. Первый процесс протекает в вакуумной камере, второй - в эжекци-онных камерах смешения. Источником возникновения вакуума в вакуумной камере является энергия струи. На основе данного метода в 1987 гг. институтом «Союздальгипрорис» были выполнены проекты для ряда сел Приморского края и реконструкция действующей станции обезжелезивания в с. Сташевка Спасского района. При расчете вакуумно-эжек-щюнных аппаратов определяют величину вакуума в вакуумной камере, размеры насадки Вентури при заданной величине давления перед аппаратом, размеры вакуумной камеры, количество эжекционных камер смешения (ступеней эжектора), размеры окон для подсоса воздуха. Минимальная величина вакуума в камере 0,6 МПа. Метод рекомендуется авторами для природных вод Приморского края, в которых железо входит в состав органических соединений. Принципиальная схема и состав основных сооружений вакуумно-эжек-ционной установки обезжелезивания воды приведены в приложении 1.
