CC BY
78
В робот1 приведет результати дослгджень пом'якшення шахтних вод з одночасним вилученням атотв - хлоридов та сульфатов. Задача виршуеться тим, що {они жорсткостг видаляються з води за рахунок утворення та висадження нероз-чинних ггдроксиду магню та карбонату кальщю при тдлужнент води на ан1ошт1 без використання в процесс пом'якшення води катюнообмшних фгльтргв та основ-них реагент1в
Ключовг слова: демтералгзащя шахтних вод, юнообмшне очищення, пом'якшення
води, сульфати, хлориди
□-□
В работе приведены результаты исследований по умягчению шахтных вод с одновременным извлечением анионов - хлоридов и сульфатов. Задача решается тем, что ионы жесткости удаляются из воды за счет образования и осаждения нерастворимых гидрооксида магния и карбоната кальция при подщелачивании воды на анионите без использования в процессе умягчения катионообменных фильтров и основных реагентов
Ключевые слова: деминерализация шахтных вод, ионообменная очистка, сульфаты, умягчение воды, хлориды
УДК 628.1.034.2
исследование
процессов умягчения при деминерализации шахтных вод на
анионите ав-17-8
Г. В. Кучери к
Преподаватель* Е-mail: [email protected] Ю. А. Омельчук
Кандидат химических наук, доцент, руководитель института Институт экологической и информационной
безопасности** Е-mail: [email protected] Н. Д. Гомеля Доктор технических наук, профессор* Е-mail: [email protected] *Кафедра Радиоэкологии и экологической безопасности **Севастопольский национальный университет ядерной
энергии и промышленности ул. Курчатова, 7, г. Севастополь, Украина, 99033
1. Введение
Украина по водным ресурсам из расчета объема водных запасов на душу населения или на единицу площади территории относится к государствам с ограниченными водными ресурсами. Однако, главные проблемы в водоснабжении населения и предприятий Украины связанны не столько с количеством, сколько с качеством природной воды и неравномерным её распределением.
Наибольшие объемы воды потребляются в Восточном и Южном регионах, где сосредоточено основное количество промышленных предприятий. В то же время в этих регионах, за исключением Днепропетровской, Херсонской и Николаевской областей отсутствуют мощные источники водоснабжения. Более того, в данных регионах поверхностные водоемы и подземные воды характеризуются высоким уровнем минерализации воды, которая превышает допустимые значения в полтора а то и более раз. Главной причиной засоления природных вод является сброс сточных вод предприятий, электростанций, сброс шахтных вод. На сегодня сложилась такая ситуация, что большая часть населения Украины потребляет некачественную питьевую воду, а на востоке и юге Украины в системах централизованного водоснабжения подается вода с недопустимо высокими уровнями жесткости и минерализации.
Умягчение и обессоливание воды являются необходимыми этапами и в процессах водоподготовки для нужд промышленности и энергетики [1]. Поэтому проблема очистки воды от минеральных солей и солей жесткости является весьма актуальной.
2. Анализ литературных данных и постановка проблемы
Традиционно для стабилизационной обработки воды в целях предотвращения солеотложения используют различные стабилизационные добавки-антик-саланты на основе полифосфатов или фосфонатов [2, 3], реагентное умягчение воды [4] и натрий-катион-ное умягчение воды [5]. Недостатками этих методов является то, что антискаланты эффективны лишь при значениях карбонатного индекса ниже 37 (мг-экв/дм3)2. В шахтных водах данный показатель значительно выше. При реагентном и натрий катионном умягчении шахтных вод из них удаляются катионы кальция и магния, но концентрация сульфатов и хлоридов остается высокой, что обуславливает высокую коррозионную активность воды к металлам.
Современный подход к решению проблемы уменьшения жесткости и солесодержания основан на том, что при ионообменной деминерализации воды на первой стадии используют катионит в кислой форме - для выделения катионов, а на второй стадии на анионите в
у5
©
основной форме связываются образовавшиеся в воде кислоты [6, 7, 8].
К недостаткам метода [6] следует отнести то, что при использовании катионита в аммонийной форме в очищенной воде накапливаются ионы аммония, кроме того, при данном подходе необходимо регенерировать катионит и анионит, что приводит к образованию значительных объемов регенерационных растворов, которые необходимо утилизировать.
В работе [9] дано описание Сапх-процесса частичного обессоливания воды ионитами, при котором фильтрующая загрузка составляется из смеси слабокислотного катионита и анионита средней силы, которая регенерируется газообразным углекислым газом. Процесс особенно эффективен для умягчения и денитрификации питьевой воды. Для регенерации ионообменных фильтров смешанного действия рекомендуется использовать углекислый газ вместо традиционных реагентов [10].
К другим методам, которые позволяют интенсифицировать процесс умягчения воды, относят процессы, в которых в воду вносят затравочные материалы, такие как предварительно сформированные зерна СаСО3 [11-12], CaS04 [12, 13], кристаллы аргонита [14], кристаллы кварца [11], кристаллы граната (силикаты, которые содержат железо, магний, алюминий) [11], песок [15].
3. Цель и задачи исследования
Целью данной работы было умягчение шахтных вод с одновременным извлечением анионов - хлоридов и сульфатов.
Шахтные воды, помимо ионов жесткости содержат сульфаты в концентрациях до 900 мг/дм3 (~ 18 мг-экв/дм3), хлориды до 350 мг/дм3 (~ 10 мг-экв/дм3). Жесткость воды при этом составляет ~ 16 мг-экв/дм3. Поэтому при умягчении воды целесообразно на первом этапе пропускать её через анионит в основной форме (ОН-), что обеспечит извлечение хлоридов и сульфатов с одновременным подщелачиванием воды за счет перехода в раствор ОН- анионов. При подщелачивании воды ионы магния гидролизуются и отделяются в виде осадка Mg(OH)2, а ионы кальция осаждаются в виде карбонатов. Карбонаты кальция образуются из гидрокарбонатов при подщелачивании среды. Анионит регенерируется щелочью [16], содой или известью. При этом расход основных реагентов близок к их расходу при реагентом умягчении воды. Однако, в данном случае из воды извлекаются не только ионы жёсткости, но и хлориды и сульфаты.
В работе решались следующие задачи: изучение процессов сорбции хлорид и сульфат анионов на анионите АВ-17-8 в ОН- форме, определение емкости ионита; исследование процесса умягчения воды при выделении хлоридов и сульфатов с помощью анио-нита АВ-17-8 в ОН- форме, определение эффективного соотношения объема очищенного через анионит раствора к исходному для снижения уровня минерализации и жесткости шахтных вод до допустимых значений.
4. Экспериментальные данные и их обработка
В качестве рабочего раствора использовали модельный раствор шахтной воды со следующими характеристиками: жесткость - 17,5 мг-экв/дм3; щелочность -4,5 мг-экв/дм3; содержание ионов Са2+ - 5,5 мг-экв/дм3; Mg2+ - 12 мг-экв/дм3; С1- - 300 мг/дм3; S042- -800 мг/дм3.
Раствор фильтровали через анионит АВ-17-8 в ОН- - форме объемом V=20 см3, со скоростью 15 см3/ мин, отбирали пробы по 200 см3. При этом из воды извлекались сульфаты и хлориды, а рН воды повышалось за счет перехода в воду ОН- ионов. При высоких значениях рН при отстаивании воды происходит гидролиз ионов магния, переход гидрокарбонатов в карбонаты, образование карбоната кальция и его осаждение с гидрооксидом магния. После осветления воды отстаиванием и фильтрованием в ней определяли содержание сульфатов, хлоридов, жёсткость, щелочность, концентрацию кальция и магния. Оценить очистку воды данным способом можно по результатам, приведенным в табл.1.
Емкость ионита по хлоридам достигла 344 мг-экв/дм3, сульфатам - 1369 мг-экв/дм3, суммарная по хлоридам и сульфатам - 1713 мг-экв/дм3. При использовании ионита в объеме 20 см3 удалось снизить жесткость в 800 см3 воды до 0,1 мг-экв/дм3 при снижении концентрации сульфатов до 32,95 мг/дм3, хлоридов - до 48,74 мг/дм3. При этом достаточно высокой остается щелочность первых четырех проб: рН превышает 11. Это можно использовать для снижения жесткости исходной воды, смешивая в определенных соотношениях исходную и очищенную на ани-оните воду до проскока воду сульфатов. За проскок были приняты следующие условия: жёсткость - менее 1 мг-экв/дм3, содержание сульфат-ионов - менее 10 мг/дм3. Таким образом, пропущенным до проскока раствором считали первые 400 см3, профильтрованные через ионит. Очищенная вода имела следующий состав: щелочность общая - 8 мг-экв/дм3, жёсткость -0,1 мг-экв/дм3, С[Са2+]=0,1 мг-экв/дм3, С^2+] = =0 мг-экв/дм3, С[С1-]=35,45 мг/дм3, С^042-]=10 мг/дм3.
Для определения необходимого объема добавляемой исходной воды, использовали формулу (1):
V =
V! ■ к ■ (|^о2- ,а-]-жНаЧ)
(1)
где VI - объем очищенной воды, см3;
V2 - рассчитанный добавляемый объем исход-ной воды, см3;
Жнач - жесткость исходной воды, мг-экв/дм3;
^042-; С1-] - содержание сульфатов и хлоридов в исходной воде, мг-экв/дм3;
к - коэффициент, принимаемый 1; 0,9; 0,8.
Таким образом, на 100 см3 очищенной пробы, при к=1 необходимо добавить 47 см3 исходного раствора, содержащего сульфатов - 16,6 мг-экв/ дм3, хлоридов -5,46 мг-экв/дм3, Ж=17 мг-экв/дм3, при к=0,9 - 42 см3, при к=0,8 - 37 см3. Пробы нагревали до 40 °С и выдерживали в течение 30 мин., отстаивали, фильтровали и анализировали на остаточное содержание С1-, S042-, щелочность, жёсткость, С[Са2+], C[Mg2+], измеряли
рН. Результаты проведенного эксперимента приведе- Во всех трех случаях общая щелочность воды со-
ны в табл. 2. ставила 4,0 мг-экв/дм3. При этом жёсткость в пер-
вом случае (к=1) достигла 3,5, втором (к=0,9) - 3,1, третьем (к=0,8) - 2,8 мг-экв/дм3. Остаточное содержание хлоридов -131-159 мг/дм3, сульфатов - 230280 мг/дм3.
Умягчение воды не решает задачи обеспечения данных систем качественной водой, так как хлориды и сульфаты резко повышают коррозионную активность воды. Снижения же их суммарных концентраций ниже 500 мг/дм3 вполне достаточно, для того чтобы воду использовать в системах охлаждения и для других потребностей.
5. Выводы
1. Изучены процессы сорбции хлорид и сульфат анионов на ани-оните АВ-17-8 в ОН- форме.
2. Определена емкость иони-та по хлоридам (344 мг-экв/дм3), сульфатам (1369 мг-экв/дм3) и суммарная емкость иони-та по хлоридам и сульфатам (1713 мг-экв/дм3).
Показано, что при сорбции хлоридов и сульфатов на анио-ните АВ-17-8 в основной форме, происходит увеличение щелочности воды, что в присутствии ионов жесткости обеспечивает её эффективное умягчение.
Определено эффективное соотношение очищенного раствора к исходному для снижения уровня минерализации и жесткости шахтных вод до допустимых значений.
Литература
1. Гончарук, В.В. Экологические аспекты современных технологий охраны воды [Текст] / В.В. Гончарук. - К.: Наукова думка, 2005. - 399 с.
2. Monofluorophosphate for calcium carbonate scale control and iron and manganese stabilization [Текст]: пат. 5182028 США: МКИ5 C02F5/08 / Boffardi Behrett P., Shelondy Ann M.; патентообладатель Calgon Corporation. - №07/676,625; заявл. 28.03.91; опубл. 26.01.93. - 5с.
3. Verhinderung und Auflosung von Kalkablagerungen in Wasserkreislaufen [Текст] // Galvanotechnik. - 2003. - Т. 94, № 12. - С. 311.
4. Способ и устройство для умягчения воды. Осв^лювач для зм'якшення води [Текст]: пат. 70457 Украша: МПК7 C02F1/52, В01Д21/00/ Косцов 6.М., Чапля М. О., Муха В. I., Музиюна З. С., Гуданець В. I., Скобелкш Г. I., брак В. М., Васильев 1.М.; патентообладатель Закр. акцюнер. товариство «Енергосталь». -№ 2003098687; заявл. 24.09.2003; опубл. 15.10.2004.
5. А.с. 1638125 СССР, МКИ5 C02F1/42. Способ умягчения воды [Текст] / Яковлев А.А., Петин В.С., Нохрина Н.Д. (СССР). - 4623061; заявл. 20.12.1988; опубл, 30.03.91. - 2 с.
6. Способ обессоливания воды [Текст]: пат. 2072325 Рос. Федерация: МПК6 СО2F1/42, В0Ц49/00/ Мамченко А.В.; Якимова Т.И.; Новоженюк М.С.; Сур С.В.; Пилипенко И.В.; Кравец Е.Д.; Жеребилов Е.И.; заявитель и патентообладатель Институт коллоидной химии и химии воды им. А.В. Думанского. - № 4940643/26; заявл. 03.06.1991; опубл, 27.01.97. - 5 с.
7. Мамченко, А.В. Обессаливание воды ионитами [Текст] / А.В. Мамченко, Т.И. Якимова, В.Г. Кривдик и др. // Химия и технология воды. - 1989. - Т. 11, №11.-С. 990-1011.
Таблица 1
Зависимость остаточного содержания SO42-, О-, щелочности (Щ), рН, жесткости (Ж), Ca2+, Mg2+ от пропущенного объема модельного раствора через анионит АВ-17-8 (объем 20 см3) в ОН- форме
V, см3 Щ, мг- экв/дм3 рН Ж, мг- экв/дм3 C[Ca2+], мг-экв/дм3 C[Mg2+], мг-экв/дм3 с[С1-] мг/дм3 C[S042-] мг/дм3
нач 4,5 8,12 17,0 5,5 11,5 319,05 792,62
200 8,0 11,22 0,1 0,1 0,0 35,45 8,79
400 8,0 11,80 0,1 0,1 0,0 35,45 13,18
600 7,5 11,33 0,1 0,1 0,0 53,17 39,54
800 6,0 11,14 0,1 0,1 0,0 70,90 70,30
1000 4,5 9,82 5,4 0,4 5,0 265,87 242,53
1200 4,5 9,47 12,0 0,6 11,4 230,42 359,40
1400 4,5 9,20 12,3 1,0 11,3 319,05 386,64
1600 4,5 9,12 12,6 1,1 11,5 319,05 417,40
1800 4,5 8,85 13,1 1,7 11,4 319,05 421,79
2000 4,5 8,94 13,3 1,8 11,5 319,05 439,37
2200 4,5 8,87 13,9 2,4 11,5 319,05 471,00
2400 4,5 8,95 14,3 2,8 11,5 319,05 518,45
2600 4,5 8,50 14,5 3,0 11,5 319,05 562,39
2800 4,5 8,50 15,5 4,0 11,5 319,05 623,90
3000 4,5 8,50 16,0 4,5 11,5 319,05 746,92
3200 4,5 8,50 16,5 5,0 11,5 319,05 792,62
3400 4,5 8,50 17,0 5,5 11,5 319,05 792,62
Таблица 2
Зависимость остаточного содержания SO42-, О-, щелочности (Щ), рН, жесткости (Ж), Ca2+, Mg2+ в пробах, пропущенных до проскока через анионит АВ-17-8 в ОН- форме от объема добавленного исходного модельного раствора
Показатель Значение коэффициента k
k=1,0 k=0,9 k=0,8
рН 9,00 9,16 9,00
Щ, мг-экв/дм3 4,00 4,00 4,00
Ж, мг-экв/дм3 3,50 3,10 2,80
C[Ca2+], мг-экв/дм3 0,30 0,25 0,15
C[Mg2+], мг-экв/дм3 3,20 2,85 2,65
C[C1-], мг/дм3 159,00 141,00 131,00
C[S042-], мг/дм3 280,00 255,00 230,00
8. Джалилов, М.Ф. Малоотходная технологическая схема обессаливания воды [Текст] / М.Ф. Джалилов, А.М. Кулиев, Э.А. Сафиев и др. // Химия и технология воды. - 1992. - Т.14, №2. - С. 140-147.
9. Dorher Wolf, G. Carix Teilentsalzung von Trinkwasser mit Ionenaustauschern [Текст] / G. Dorher Wolf // Getranke.-Ind. - 1989.
- 43, №10. -P. 26-28.
10. Hagen, K. C02 statl Chemikalien [Текст] / K. Hagen, V. Mayer // Umweltmagazin. - 1990. - 19, №8. - P. 96-97.
11. Water softening process [Текс]: пат. 5152904 США: МКИ5С 02 F 1/52/ Kedem Ora, Ben Dror Jonothan; патентообладатель Yeda research and development Co. Ltd, Sor-van radiation Ltd. - №642207; заявл. 16.01.91; опубл. 06.10.92. - 11 с.
12. Dirken, P. J. Innoedvan eutmaterial op waterontharding in korrelreactoren, cen kristallografische benadering van kiemvorming tn kristallisatic [Текст] / P. J. Dirken, E. T. Baars, A. Graveland, C. F. Wocusdregt // Tijdschr. watervoorz. en afvalwater be handel.
- 1995. - №16. - Р. 497- 502.
13. А. с. 1175878 СССР, МКИ С 02 F 5/00. Способ удаления сульфата кальция из воды [Текст] / Будека Ю. Ф. (СССР). -5721439/29; заявл. 8.05.84; опубл. 30.08.85, Бюл. №32. - 2 с.
14. Lasar, B. The carbonate system in hypersaline solutions: alkalinity and CaCO3 solubility of evaporated [Текст] / B. Lasar, A. Starinsky, A. Katz et at. // Limnol. аЫ Oceanogr. - 1983. - №5. - Р. 978-986.
15. Van Dijr, J. C. Water treatment without waste material - fundamentals and state of the art of pellet softening [Текст] / J. C. Van Dijr, D.A. Wilms // Aqua. - 1991. - №5. - Р. 263-280.
16. Кучерик, Г.В. Ионообменное выделение хлоридов и сульфатов из воды [Текст] / Г.В. Кучерик, Ю.А. Омельчук, Н.Д. Гомеля // Збiрник наукових праць СНУЯЕтаП. - 2010. - Т. 3, № 35. - С. 129-136.
-□ □-
В данш роботi експериментальним шляхом було дослгджено вм^т оксидiв в димо-вих газах, що утворюються в процеЫ випалу заготовок. Для зменшення кiлькостi СО була запропонована установка для конверсп моно оксиду вуглецю, яка дозволяв винести процес допалу за межi камер, тсля чого повернути газо-повтряний потт в наступну по ходу руху потоку камеру для продовження випалу
Ключовi слова: газо-повтряний потт, моно оксид вуглецю, теплообмтник-утилiзатор, конверЫя, газоаналiзатор, пересипка, склетння, тепловий регламент печi
□-□
В данной работе экспериментальным путем было исследовано содержание оксидов в дымовых газах, образующихся в процессе обжига заготовок. Для уменьшения количества СО была предложена установка для конверсии моно оксида углерода, которая позволяет вынести процесс дожига за пределы камер, после чего вернуть газо-воз-душный поток в следующую по ходу движения потока камеру для продолжения обжига
Ключевые слова: газо-воздушный поток, моно оксид углерода, теплообменник-утилизатор, конверсия, газоанализатор, пересыпки, свод, тепловой регламент печи -□ □-
УДК 621.365.32
зниження концентрацп со за рахунок установки конверсп
монооксиду вуглецю
А. Я. Карвацький
Доктор техшчних наук, профессор* E-mail: [email protected] I. Л. Шилович Кандидат техычних наук, доцент* E-mail: [email protected] Л. В. Крутоус* E-mail: [email protected] С. В. Кутузо в Генеральний директор ПАТ «Укрграф^»
вул. ^вшчне шосе, 20, м. Запорiжжя, УкраТна, 69600 E-mail: [email protected] *Кафедра хiмiчного, полiмерного та сил^атного машинобудування КиТвський нацюнальний техшчний ушверситет УкраТни «КиТвський пол^ехшчний шститут» пр. Перемоги, 39, м. КиТв, УкраТна, 03056
1. Вступ серед яких найбшьш еколопчно шк 1длив1 - моно оксид
вуглецю (СО) i дюксид арки ( SO2 ). Основне джерело В процес випалу графиових заготовок утво- !х утворення - матерiали теплоiзоляцiйноl шихти i пе-рюеться значна юлькють газоподiбних компоненпв, ресипки, в складi яких м^тяться вуглецевi матерiали,
