Исследование процесса очистки воды при воздействии постоянного электрического тока Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

© В.В. Сснкус, Б.М. Стсфанюк, Вит.В. Сснкус, 2007

УДК 622.22.08

В.В. Сенкус, Б.М. Стефанюк, Вит.В. Сенкус

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОЧИСТКИ ВОДЫ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ПОСТОЯННОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА

При использовании электрофизического способа очистки шахтных вод в отстойнике с подачей 1200 м3/ч потребуется затратить ~480 кВт-ч/час или около 20 тыс. кВт-ч/сутки на 28,8 тыс. м3 воды в сутки.

При расчёте отстойников осветителей использующих электрофизический способ необходимо учитывать:

- зависимость конечной скорости осаждения частиц от их величин и плотности;

- сопротивление статической вязкости гравитационному осаждению частиц, существенным для частиц - 50 мкм;

- максимальный путь осаждения и необходимое для этого время;

- возможную разность температуры воды в отстойнике осветлителе и воды, подаваемой на осветление.

Осветление воды следует разделить на два этапа (схема отстойника-осветлителя представлена на рис. 1):

1. Гравитационное осаждение частиц с сокращенным путём осаждения. Сокращение путей достигается за счёт установки верховых плавающих перегородок, которые обеспечивают переток воды по принципу сообщающихся сосудов.

2. Обработка воды физикоэлектрическим способом обеспечивает сокращение времени осаждения микронных частиц в десятки раз.

На первом и втором этапах образуется придонное горизонтальное течение со скоростью, которая не существенно влияет на конечную скорость осаждения частиц, т.е. значительно меньше 0,01 м/с.

Компенсация температурной разницы подаваемой воды и воды отстойника, т.е. устранения теплых течений в отстойнике, особенно в зимнее время, обеспечивается за счёт установки вертикальных перегородок Скорость движения воды вниз равна

V = Я/а1ь (1)

где Q - подача воды в отстойник, м3/с; а - ширина отстойника, м; 11-расстояние до перегородки, м.

Скорость понижения уровня принимаем в пределах 0,3- 0,5 мм/с, средняя VI = 0,4 мм/с = 4-10-4 м/с.

Расстояние до первой перегородки равно

1= Q/aV1, (2)

Например, если сброс воды в отстойнике составляет О = 1200 м3/час = 0,334 м3/с, а ширина отстойника а = 25 м, то расстояние до первой перегородки должно быть не менее

11=0,334/4-10-4-25=3,34-101=33,4 м.

Время оседания частиц (максимальное для частиц породы Я„=5-10-6 м или Оп = 10-5 м = 10 мкм, для частиц Яу= =2-10-5 м или Эу = 4-10-5 м = 40 мкм)

- н г V,! м. ’ у: V і

1

и

380 В

Рис. 1. Общая схема отстойника- осветлителя

Т1= (Ь^^л), с, (3)

где Ь - глубина отстойника, м; Vk, VI -конечная и начальная скорости, м/с.

Для примера V1 = Vk (для 0= 10 мкм) тл = (5/0,4^10-3 м/с) = 12,5^103 с = 3,5 часа.

Зазор между первой перегородкой и дном отстойника ДЬл должен быть не менее 1,6 м, т.е. ДЬл = 1,6 м. Поток воды разворачивается на 90° и через щель Бл

Бл= а ДЬл, (4)

набирает горизонтальную скорость V2

V2= Q/Sl= Q/а АЬЛ, (5)

Для примера

V2= 0,334 м3/с /25-1,6 м2 =

=8,35-10-3 м/с = 8,35 мм/с.

Боковая скорость составляет

VБ= V2 = 8,35 мм/с, т.е.

УБ<10,0 мм/с.

Для осаждения частичек угля 50 мкм на глубину 1,6 м потребуется время

т2 = АЬЛ/Уку (50)= 1,6 м /10-3 м/с = =1,6^103 с = 27 мин,

для угольных частиц 30 мкм потребуется время

Т2 = ДЬл^ку (30)= 1,6 м/2,5 •ю-4 м/с= = 6,4^103 с = 107 мин,

для угольных частиц 10 мкм потребуется время

т2 = ДЬЛ/Уку (10)= 1,6 м / 6^10-5 м/с = =26,7^103 с = 445,0 мин = 7,4 часов,

для угольных частиц 5 мкм потребуется время

т2 = ДЬЛ/Уку (5)= 1,6 м /10-5 м/с= 160^103 с = 2667 мин = 44,7 часов.

длина отстойника в зависимости от величины разделённого зерна определяется из уравнения

12=Г2^Б (6)

для О = 50 мкм 112

12 = 8,35-"3-1,6-103 = 13,3 м

для О = 30 мкм

12 = 8,35-"3-16,4-103 = 53,6 м

для О = 10 мкм

12 = 8,35--3-26,7^103 = 222 м

для О = 5 мкм

12 = 8,35-"3-160-103 = 1336 м

На первом этапе целесообразно осаждать угольные частицы размером до 30 мкм, а расстояние от первой до второй перемычки устанавливать на расстоянии около 55 м.

Физико-электрический способ изменения структуры воды предусматривает воздействие на воду электрическим потенциалом величиной 1,52,6 В/см в течение часа постоянного пульсирующего тока скважностью не ниже 0,4.

Осаждение частиц происходит со сдвигом (с задержкой) на время Но~ начало осаждения, величина которого зависит от напряжённости электрического поля Е, которым была обработана вода.

Ы = к (Бо/Б)2 = 6,8/Е2, (7)

где Но - время сдвига начала осаждения твёрдых частиц, час; К - коэффициент, равный 1 часу; Ео - напряжённость электрического поля, Бо= 2,6 В/см; Е - напряжённость электрического поля, которой фактически обработана вода, В/см.

Е = и/1, (8)

где и- напряжение на полюсах электродов, В; 1 - расстояние между электродами, см.

Время сдвига начала охлаждения твёрдых частиц прямо пропорционально квадрату расстояния между электродами и обратно пропорционально квадрату напряжения на электродах

тн, = 6,8/Е2 = 6,8-?/и2. (9)

Расчётное время сдвига начала охлаждения

Напряжённость Е, В/см Время сдвига тн. о, часов

0,65 16,0

0,82 10,0

0,88 9,0

1,00 6,8

1,06 6,0

1,50 3,0

1,84 2,0

2,00 1,7

2,13 1,5= 90 мин

2,50 1,1= 66 мин

2,60 1,0= 60 мин

3,00 0,75= 45 мин

4,00 0,42= 25 мин

5,00 0,27= 20 мин

Расчётное время сдвига начала охлаждения приведена в таблице и на рис. 2.

Мощность, необходимая для изменения структуры воды без изменения её температуры, равна N = Ю = Ю2/,г, (10)

где N - мощность, Вт; Ю - напряжение, В; I - ток, А; г - электрическое сопротивление, Ом.

Ю = Б1; г= р-1/Б,

где 1 - длина проводника, м; S - сечение проводника, м2; р - удельное электрическое сопротивление, Ом • м N = Б2Б1/р= Б^/р.

Согласно справочным данным, удельное сопротивление воды равно: химически чистой воды 106 Ом^м; дистиллированной воды 104 Ом^м; морской воды 0,3 Ом^м; шахтной воды 5- 20 Ом^м.

Удельная мощность составляет

дм = М/У = Б2/р. (12)

При средней напряжённости 1,0 В/см = 100 В/м и р = 10 Ом^м. дМ = =104/10 = 103 Вт/м3 = 1 кВт/м3, время обработки 1 час.

Затраченная энергия составляет

дW=дN•t . (13)

Учитывая каталитический эффект, который сопровождает физикоэлектрическую обработку воды, которые снижает затраты не менее, чем в 2,5 раза, то средняя удельная затрата энергии составляет

дШ= 1/ 2,5д^^ (14)

что даёт следующую величину затрат энергии

дИ=1/2,5-1 кВт-1 ч/м3 = 0,4 кВт-ч/м3.

Для обеспечения осаждения частиц 30 мкм необходимо выполнить физико-электрическую обработку воды, т. е. перейти к следующему этапу осветления.

Обработку воды осуществляют в третьем отсеке первого осветлителя, где вода от придонного горизонтального движения переходит к восходящему вертикальному движению. Площадь зеркала воды этого отсека целесообразно выбирать в пределах 600 -650 м2.

Это значит, что длина третьего этапа 13

1з = Sз/a, (15)

где S3 - площадь зеркала, м2; а - ширина бассейна, м.

При а = 25 м, S3 = 625 м2,

1з = 625/25 = 25 м.

Общая длина первого отстойника

Ьл=1л+ 12 +1з . (16)

В примере Ьл= 35+ 55 +25=115 м. Восходящая скорость воды в

третьем отсеке

Vз = Q/Sз = ^/ а13, (17)

В примере она равна

Vз = 0,334 м2/с / 625 м2 =

=0,00054 м/с = 0,54 мм/с.

Время поднятия воды на высоту Ь-АЬ равно

тз = Ь-АЬ/Уз, (18)

(11)

Рис. 2. Диаграмма напряжённости и времени до начала осаждения в шкале «напряжение- расстояние между электродами»

где И - глубина бассейна, м; ДИ - глу-

Вода между пластинами электро-

бина придонного течения (глубина дов должна проходить в течении часа-щели от нижнего края плавающей пе- времени необходимого для обработ-ремычки до дна бассейна), м. ки.

В примере тз = (5-1,6)/0,54^10-3=

=6,3 •103 с = 105 мин = 1,75 часа.

Высота электродов должна быть Иэ = И-АИ/ тз. (19)

В примере высота электродов равна Ьэ = 3,4/ 1,75 = 1,95 = 2,0 м.

Обработанная вода переливом (не насосами, которые могут изменить за счёт теплоты, выделяемой при низком КПД, структуру воды) подают во второй отстойник микродисперсных фракций угля и породы.

Длину электродов выбирают из расчёта, чтобы их расстояния до борта и перемычки были больше чем расстояние между электродами. Электроды размещают вдоль отстойника.

Длина электродов равна

1э = 1з - 2 ■ 2 м, (20)

В примере 1э = 25- 2^2 = 21 м.

При подводимом на электроды выпрямленном напряжении 220 В и выбранной напряжённости Е=1,4 В/см, расстояние между электродами должно быть

Даэ=Ю/Б. (21)

В примере Даэ = 220 В/1,4 В/см= = 155 см =1,5 м.

Пластины электродов «+» и «-» должны чередоваться. При ширине отстойника а = 25 м и расстоянии крайних электродов от бортов примерно 2 м количество электродов должно быть 14 штук. В качестве электродов используются алюминиевые листы толщиной 2-3 мм. Их общая площадь равна 14^21= 575 м .

Во втором отстойнике вода движется с одинаковой скоростью на исходящей, горизонтальной и восходящей ветви через сечение S2 = 50 м2.

Для этого в начале и в конце отстойника на расстоянии от торца на 2-3 м устанавливают плавающие перемычки на глубину до 2 м от дна отстойника.

Скорость движения составляет

Q/S2. (22)

В примере

^4=0,334 м3/с /50 м2 =6,7-10-3 м/с= = 6,7 мм/с.

Время пребывания воды в бассейне должно состоять из времени до начала осаждения ґно с учётом тно: Тос=1:1,8. (23)

т2эт = 3,3 ч+6,0 ч = 9,3 часа.

Ь2= V* Т20 - 2(И - ДИ2). (24)

В примере Б2 = 6,7^10-3-9,3-3600- 2^3 = 218 м.

Для безопасности бассейн первого отстойника, где расположены электроды, должен быть ограждён сеткой, предотвращающей попадание в него посторонних металлических предметов и людей.

Общая площадь зеркала отстойника- осветлителя равна

5 = а (Ь1+І2). (25)

В примере 5 = 25(115 + 218) = =8325 м2 = 0,83 га.

С учётом подъездных путей шириной до 6 м, земельный отвод составит 5 = 1,0 га.

Моделирование и расчет осаждения шлама показывают, что отстойник в обычных условиях должен иметь большой объем и протяженность, даже при дополнительной обработке воды постоянным пульсирующим током.

Основная причина длительного осаждения шлама заключается в большой глубине отстойника и наличие расслоения воды по температурному градиенту и боковых течений в верхних слоях воды. Подобная система не пригодна для использования в подземных условиях, где требуются небольшие габариты отстойников и высокая скорость осаждения шлама, поэтому необходима разработка специальных устройств и технологий, обеспечивающие указанные требования..

1. Стефанюк Б.М. Структура воды и осветление шламовых вод физико-электрическим способом. // Теоретические и практические аспекты создания наукоёмких технологий новых уровней эффективности для сложных горно-геологических условий: Сб. докл. - Новокузнецк: СМИ, 1992.

2. Стефанюк Б. М. Структура воды и

осветление шламовых вод физико-электрическим способом/ Современная технология разработки месторождений полезных ископаемых. - Новокузнецк: СибГИУ,

1998.

3. Патент РФ №2031857 С02Р 1/46, В03С 5/00 / Стефанюк Б.М. заявл. 16.07.91, опубл.16.07.1995 Б.И. №19

4. Стефанюк Б.М. Снижение энергозатрат гидравлической технологической добычи угля. // Диссертация на соискание докт. техн. наук Институт Угля и Углехимии СО РАН, 1998. гл.7 «Физические процессы осаждения частиц в воде и пути снижения энергозатрат на осветление технологической воды».

5. Стефанюк Б.М. Структура воды и осветление шламовых водошахт, 6с. : Деп. в Научной библиотеке ЛНУ. Отдел рукописных, старопечатных и редкостных книг. №3595, 1998.

6. Стефанюк Б.М. Физика интенсификации осветления шламовой воды, 11 с. : Деп. в Научной библиотеке ЛНУ. Отдел рукописных, старопечатных и редкостных книг. №3596, 1998.

7. Синюков В.В. Вода известная и неизвестная. - М.: Знание, 1989. - 175 с.

8. Сокольский Ю.М. Омагниченная вода : правда и вымысел. - Л.: Химия, 1990.

- 144 с.

9. Мэано Н. Наука о льде (пер. с японск.). - М.: Мир, 1988. -232 с.

10. Кузов К. Мир без форм (пер с болг.).

- М.: Мир, 1976. -246 с.

11. Фридрихсберг Л.А. Курс коллоидной химии. - М.: Химия.1984. - 368 с.

12. Адамсон А. Физическая химия поверхностей (пер. с англ.0. - М.: Мир, 1976.

- 568 с. и.ы=1

— Коротко об авторах--------------------------------------------------------

Сенкус В.В., Стефанюк Б.М., Вит.В. Сенкус - Новокузнецкий филиал-институт Кемеровского государственного университета, г. Новокузнецк,