Теоретичні основи технологій очищення рідинних середовищ природними сорбентами

Постановка проблеми. Разом із невпинним збільшенням обсягів господарської діяльності людини зростають також обсяги скидання забруднених вод. Хоча за останні десятиліття на підприємствах країни введено в дію велику кількість очисних споруд, проте технології, які використовуються сьогодні, здебільшого морально застарілі та малоефективні, а недостатньо очищені стоки, які потрапляють у гідросферу, створюють істотну екологічну небезпеку. Тому постала нагальна потреба в розробленні сучасних високоефективних технологій комплексного очищення стічних вод від небезпечних для довкілля забруднень за умови мінімальних затрат, але з досягненням максимального ступеня очищення. Повною мірою це стосується і стоків, забруднених барвниками, органічними розчинниками та радіонуклідами, які є одними із найнебезпечніших для гідросфери. До того ж мінерально-сировинна база України представлена багатьма мінералами (природні цеоліти, глауконіти, бентоніти, палигорськіти), які мають розвинену пористу структуру, володіють адсорбційними та іонообмінними властивостями і можуть з успіхом використовуватись у природоохоронних технологіях для сорбційного очищення стоків. Перспективність використання природних адсорбентів у технологічних процесах очищення стоків  зумовлена не тільки їх достатньо високою адсорбційною ємністю, але й існуванням ефективних методів покращення адсорбційних властивостей мінералів та природи їх поверхні модифікуванням, широким розповсюдженням в надрах України та промисловим розробленням великої кількості родовищ природних адсорбентів, невисокою вартістю мінералів. Використані природні адсорбенти доволі часто не потребують регенерації (насичені вилученим компонентом сорбенти отримують нові якісні характеристики і часто можуть використовуватись в інших технологіях). Однак ефективне адсорбційне очищення стоків, забруднених сумішшю органічних розчинників, унеможливлює забезпечення необхідного ступеня очищення, оскільки у цьому випадку відбувається селективна адсорбція, яка залежить від адсорбційної активності адсорбенту щодо забрудника, що у підсумку знижує ефективність очищення стоків. Перспективним у цьому випадку є використання промислової рідинної хроматографії (селективної сорбції), яка дає змогу очищати полікомпонентні стоки з виділенням окремих компонентів-забрудників (зокрема, органічних розчинників).

Мета роботи.  Розробити високоефективні технології очищення стоків від забрудників 2-4 класу небезпеки (синтетичних прямих барвників, органічних розчинників,  радіонуклідів).
Матеріали та результати досліджень. Провівши детальний аналіз основних забрудників рідинного середовища за такими параметрами як токсичність, масштабність їх утворення та накопичення, основна увага була зосереджена на органічних барвниках, органічних розчинниках та рідких радіоактивних відходах з вмістом 90Sr та 137Cs.
На основі моніторингового аналізу утворення забруднених рідинних систем, структурної будови, властивостей та методів модифікації природних дисперсних матеріалів, нами запропонована структурно-логічна схема утворення забруднених рідинних систем та можливі шляхи їх очищення з використанням природних та модифікованих дисперсних сорбентів (рис. 1), яка базується на розгляді ньютонівських і неньютоновських рідини, з забрудниками, які знаходяться в іонній формі так і в молекулярній формі. За суттю побудови – це дві класифікації, об’єднані лініями можливих та оптимальних зв’язків. Верхня частина класифікації відображає можливі шляхи утворення забрудненого середовища, тобто фактично «розкладає» досліджуване середовище на складові. Нижня частина відображає перспективні шляхи використання природних дисперсних сорбентів в нативній та модифікованій формі, які можуть використовуватись в адсорбційних процесах.
На основі експериментальних досліджень запропонована методика порівняння експериментальних значень з теоретичними у разі внутрішньодифузійного процесу сорбції на основі ефективних коефіцієнтів внутрішньої дифузії, яка ґрунтується на загальноприйнятій у адсорбційних процесах методиці, і полягає у тому, що адсорбція відбувається в об’ємі рідини, який у масовому співвідношенні значно перевищує вміст твердої фази (сорбенту). Відповідно на початку процесу можна прийняти її постійною на поверхні зерна адсорбенту, а математичну задачу записати як задачу дифузії з граничними умовами першого роду.
Розв’язком цієї задачі для внутрішньодифузійного процесу адсорбції за початкової (τ=0; С0=0)  та граничної умов першого роду, із прийняттям допущення, що форма частинок – сферична, для сорбції компонента в апараті з мішалкою  є рівняння, що визначає зміну концентрації компоненту у рідкій фазі з часом:
,                                                             (1)
де С0  - початкова концентрація  компонента в розчині г/дм3; С1 – концентрація компоненту у певний момент часу г/дм3 ;  – додатні корені характеристичного  рівняння;  α  – коефіцієнт заповнення пор.
Параметр τ – безрозмірна величина, яка є аналогом числа Фур’є  –  та враховує фізичні і сорбційні параметри:
,                                                                          (2)
де t – час сорбції, с; Dвн– коефіцієнт внутрішньої дифузії, м2/с; R – радіус частинки, м; ρs – густина твердої пористої фази, кг/м3; εp – пористість частинки.

Рис.1. Структурно-логічна схема утворення забруднених рідинних систем та можливі шляхи їх очищення

З тангенса кута нахилу прямої можна визначити ефективний коефіцієнт внутрішньої дифузії  Dвн :
.                                                                  (3)
Для визначення параметрів зовнішньодифузійного процесу адсорбції забруднювача природними та модифікованими сорбентами нами запропонована модель, яка ґрунтується на теорії локальної ізотропної турбулентності  для апаратів з механічними перемішуючими пристроями при розчиненні твердих частинок, розміри яких перевищують товщину дифузійного пограничного шару, згідно якої розрахований теоретичний коефіцієнт масовіддачі [1]:
,                                                                       (4)
де eо – питома енергія дисипації; n - кінематична в’язкість рідини, м2/с;  – число Шмідта;

D – коефіцієнт дифузії забрудника в розчині, м2/с.
Коефіцієнт дифузії забрудника у розчині розраховували за залежністю Уілкі і Чанга. Потужність на перемішування визначали згідно з залежністю:
 ,                                                                     (5)
де  – коефіцієнт перемішування, який залежить від числа Рейнольдса; ρ – густина рідини,  кг/м3 ; – діаметр мішалки, м; n – кількість обертів мішалки, 1/с.
Величину питомого значення енергії дисипації в одиниці маси рідини (ε0 ) визначали за залежністю:
 .                                                                                   (6)
Висновок. Запропоновано класифікацію об’єктів очищення та застосовуваних для цієї мети природних дисперсних сорбентів, яка дала змогу в подальшому розробити теоретичні та методичні основи процесів очищення рідинних систем сорбційними методами із застосуванням природних дисперсних сорбентів, включаючи підбір сорбентів та методи їх модифікування для досягнення необхідного ступеня очищення при встановлених оптимальних умовах. Розроблено теоретичні основи моделювання процесів очищення стічних вод природними та модифікованими сорбентами. Запропоновані математичні моделі дають змогу встановити лімітуючу стадію процесу сорбції на основі теорії локальної ізотропної турбулентності шляхом розрахунку зовнішньодифузійних параметрів та ефективних коефіцієнтів внутрішньої дифузії для внутрішньодифузійних параметрів, що дозволяє спрогнозувати ефективність очищення стічних вод від забрудників.

Список літератури

  • Брагинский Л.Н., Бегачев В.И., Барабаш В.М. Перемешивание в жидких средах. Ленинград: Химия, 1984.
  • Петрушка І.М. Природні мінерали для використання в природоохоронних технологіях. Ефективні шляхи модифікування / Петрушка І.М., Мальований М.С.//Хімічна промисловість України. – 2012. – №5(112). – С. 64-67. 
  • Петрушка І.М. Теорія локальної ізотропної турбулентності при адсорбції барвника активного алого 4ЖТ на глауконіті / Петрушка І.М. // Східно-Європейський журнал передових технологій. – 2011. – №6/6(54). – С. 39-42.
  • Петрушка И. М. Внешнедиффузионная кінетика адсорбции красителя аніонного красного 8С на глауконите  / И.М. Петрушка,  Я. М. Гумницкий,  М.С. Мальований // «Теоретические основы химической технологий». Т. 47, №2 . – 2013. – С. 191-195.

Теоретичні основи технологій очищення  рідинних середовищ  природними сорбентами [Електронний ресурс]  / [Мальований М.С., Петрушка І.М.] // Режим доступу: http://eco.com.ua/content/teoretychni-osnovy-tehnologiy-ochyshchennya-ridynnyh-seredovyshch-pryrodnymy-sorbentamy

 

Оцінка: 
0
No votes yet