CC BY
461
ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ФИЛЬТРУЮЩИХ ЗАГРУЗОК ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОДЫ ОТ ЖЕЛЕЗА
Братилова Мария Михайловна
студент МГТУ им. Н.Э. Баумана,
РФ, г. Москва
Гречушкин Андрей Николаевич
канд. техн. наук, доцент МГТУ им. Н.Э. Баумана,
РФ, г. Москва
RESEARCH THE PROPERTIES OF FILTER LOADS FOR WATER PURIFICATION FROM IRON
Maria Bratilova
student of Bauman Moscow State Technical University,
Russia, Moscow
Audrey Grechushkin
Candidate of Engineering Sciences, associate professor of Bauman Moscow State Technical University,
Russia, Moscow
АННОТАЦИЯ
Исследованы фильтровальные характеристики зернистой загрузки «Сорбент АС» и кварцевого песка. Изучена теория моделирования технологического процесса фильтрования суспензий, описанная Д.М. Минцем. Проведены опыты для определения параметров фильтрования и времени защитного действия загрузок. В результате эксперимента установлено, что «Сорбент АС» является более эффективной загрузкой для очистки воды от железа по сравнению с кварцевым песком.
Братилова М.М., Гречушкин А.Н. Исследование свойств фильтрующих загрузок для очистки воды от железа // Universum: Химия и биология : электрон. научн. журн. 2015. № 6 (14) .
URL: http://7universum.com/ru/nature/archive/item/2185
ABSTRACT
The filtering characteristics of the grain loads Sorbent AS and quartz sand were researched. The theory of modeling filtering process for slurries described D.M. Mints was studied. For determination of the filtration parameters and time of protective action grain loads experiments were performed. The experiment established that the Sorbent AS is more effective than quartz sand for water purification from iron.
Ключевые слова: зернистые загрузки, обезжелезивание, параметры фильтрования.
Keywords: grain loads, iron removal, filtration parameters.
Проблема повышенного содержания железа в природной воде — одна из самых распространенных. C такой водой возникает целый ряд проблем как при бытовом, так и коммерческо-промышленном использовании. Уже при концентрациях в воде свыше 0.3 мг/л железо придает ей буроватую окраску, неприятный металлический привкус, вызывает зарастание водопроводных сетей и водозаборной арматуры, является причиной брака в текстильной, пищевой, химической и других отраслях промышленности. Повышенное содержание железа в питьевой воде вредно для здоровья человека. При продолжительном введении в организм железа его избыток накапливается в печени в коллоидной форме оксида железа, получившей название гемосидерина, который вредно воздействует на клетки печени, разрушая их [2]. Кроме того, избыточное количество железа неблагоприятно воздействует на кожу человека, влияет на морфологический состав крови, может быть причиной возникновения аллергических реакций, а также способствует накоплению осадка в системе водоотведения. Все это делает задачу по очистке воды от железа очень актуальной как для питьевого и хозяйственно-бытового применения, так и для промышленного использования.
Длительное время применяется множество зернистых загрузок для очистки воды от железа, например, кварцевый песок, дробленый керамзит, полистирол, антрацит, горные породы — все они прошли длительную лабораторную и технологическую проверку. Не более 10 лет назад была разработана новая фильтрующая загрузка «Сорбент АС», свойства которой, на наш взгляд, были изучены недостаточно полно. В частности, при обзоре литературных источников не удалось получить достоверных сведений о ресурсных характеристиках данной загрузки применительно к процессу очистки от железа (III). В таблице 1 представлены характеристики исследуемых загрузок: кварцевый песок и Сорбент АС.
Таблица 1.
Технические характеристики загрузок
Фракция, мм Измель- чаемость, % Истирае -мость, % Коэф- фициент неодно- родности Насыпная плотность, кг/м3 Плот- ность, кг/м3 Порис- тость, %
Сорбент АС 0,7—1,4 0,04 0,06 1,2—1,4 450—480 1350—1450 46—52
Кварцевый песок 0,5—1,0 0,1 0,01 1,24 1,50-1,59 2,63 40—46
Из сравнения характеристик загрузок можно сделать вывод, что «Сорбент АС» относительно кварцевого песка обладает рядом преимуществ: меньшая скорость взрыхляющей промывки, меньшая измельчаемость и большая пористость. «Сорбент АС» можно признать перспективной загрузкой, а исследования ее фильтровальных свойств — актуальной задачей.
Опытные исследования были проведены на учебной установке, схема которой представлена на рис. 1.
1, 3, 6, 7,12 — шаровые краны; 2 — бак с исходной водой; 4 — регулирующий вентиль; 5 — ротаметр; 8 — насос; 9 — шланговый насос;
10,13 — мерные баки; 11 — фильтр с засыпной загрузкой; 14 — дренаж.
Для опыта использовалась вода Московского городского водопровода с искусственным добавлением железа концентрацией С=3 мг/л по Fe3+.
Содержание железа в данной воде определялось с помощью колориметра DR/890 Portable Colorimeter фирмы Hach.
Необходимые вещества и материалы:
1. Сульфат железа (III);
2. Мерные цилиндры;
3. Стеклянная палочка для перемешивания;
4. Засыпной фильтр;
5. Колориметр.
Эксперимент проводился следующим образом. Предварительно готовился раствор с концентрацией С = 3 мг/л по Fe3+. Полученный раствор подавался на фильтрующую колонку с зернистой загрузкой. На выходе из фильтра проводился отбор проб с замером концентрации железа. На рис. 2
представлены результаты экспериментов по очистке воды от железа на двух видах зернистых загрузок.
С/Со
Изменение концентрации суспензии во
времени
^-Сорбент АС,106см
Кварцевый песок,72 см (1)
'--'Кварцевый песок, 72 см
(2)
Кварцевый песок, 72 см
(3)
t,4
Рисунок 2. Изменение концентрации суспензии по времени
Очистка воды является одной из таких областей техники, для которых применение методов моделирования необходимо. Здесь до сих пор господствует эмпирический подход к решению различных задач. Требуемые эксперименты зачастую громоздки, поэтому их избегают, и проектирование ведется без необходимых предварительных технологических изысканий. В то же время хорошо известно, что свойства испытываемой воды различных источников водоснабжения существенно различны.
Задача определения времени защитного действия фильтрующих загрузок с учетом основных влияющих факторов была решена с помощью теории моделирования технологического процесса фильтрования суспензий, описанной Д.М. Минцем и его коллегами [1].
Принципы теории технологического моделирования и критерии подобия вытекают из анализа основного дифференциального уравнения осветления воды [1, с. 78]:
д2С , дс , , дс
------+ а---+ b —
dxdt дх dt
(1)
Введем новые независимые безразмерные переменные:
Г
у = —, X = bx и T =at
С о
И дифференциальное уравнение примет вид:
д2у _|_£у_|_£у_о
дхдт ■ дх ■ дт (2
В исходное дифференциальное уравнение не входят параметры
фильтрования а и b, которые характеризуют конкретные условия протекания процесса. Поэтому в такой записи дифференциальное уравнение носит общий характер и пригодно для любых условий фильтрования. Новые переменные (X, T) отличаются от старых (x, t) только масштабом, и их использование позволяет обобщить результаты частных экспериментов. Безразмерные переменные X и T называются обобщенной длиной и обобщенным временем и являются критериями качества фильтрования:
С
Т = ПХ.Т)
L0
Решение практических задач требует, чтобы найденные критерии были выражены через величины, от которых зависит технологический процесс фильтрования. Для этого определим а и b.
Обработка опытных данных показала, что выражение для а и b не зависит от состава фильтруемой воды, останется неизменным в широком диапазоне изменения скорости фильтрации и размера зерен загрузки и будет выглядеть как:
1
^ @ v0’7d1,7
v
а = а-
d
(3)
(4)
где: а — коэффициент, учитывающий совокупное влияние всех физических и физико-химических свойств воды и взвеси;
Р — коэффициент, учитывающий совокупное влияние всех физических и физико-химических свойств воды и взвеси; v — скорость фильтрации, м/ч;
d — диаметр зерен, мм.
При исследовании процесса фильтрования конкретной воды
с определенными значениями коэффициентов а, в их можно не учитывать при конструировании фильтров с различной крупностью загрузки,
различающихся по толщине фильтрующего слоя и работающих при разных скоростях фильтрования. Для этого взамен критериев X и T вводятся критерии X' = X/в и T = T/ а. На рис. 3 представлена зависимость между X' и T', полученная при обработке экспериментальных данных.
Можно констатировать, что при С/С0 = const, между
критериями X' и T существует однозначная связь. Такая связь подтверждается экспериментально и носит линейный характер:
X' = К' Т' + Х'0 (5)
Умножим правую и левую части уравнение на параметр в, а правый член правой части умножим и разделим на параметр а. Получим:
X'р = К'в а Т' + Х'0Р (6)
Или
Х = КТ + Х 0 (7),
Так как
Получим:
X = рх
Т = аТ’
Р = ^°
' У'
л О
£ = £
а К'
(8)
(9)
(10)
По опытным прямым определяем угловой коэффициент (тангенс угла наклона прямой) K’ и отрезок, отсекаемый на оси ординат Х0’, которые являются параметрами фильтрования и при данном значении С/С0 зависят только от физико-химических свойств воды и взвеси. А значения Х0 и К для различных значений С/Со приведены на диаграммах Х-Т.
Подставляя значения Х’ и T’ в выражение (5), получим
где: t3 — продолжительность защитного действия;
х — толщина слоя загрузки;
Х0 и К — константы, значения которых зависят только от требуемого эффекта осветления С/С0 и принимаются по таблице Х-Т - диаграммы.
Параметр ^ характеризует скорость проникновения осадка в толщу
загрузки, b — параметр, характеризующий интенсивность прилипания.
Для расчета продолжительности защитного действия по формуле (11) при различных скоростях фильтрации и различных размерах зерен загрузки нет необходимости каждый раз экспериментально определять а и b. Достаточно один раз определить эти значения для данной обрабатываемой воды на модели фильтра при определенных скорости фильтрации и крупности зерен. Расчетным путем определяют значения параметров для нового фильтра по следующим формулам в соответствии с (3) и (4):
а = а
b = b*
0,7 т*
а (й
1,7
Здесь звездочкой помечены величины, относящиеся к модели фильтра.
По результатам экспериментов были получены параметры фильтрования
и время защитного действия, представленные в таблице 2.
Таблица 2.
Опытные данные
а b b Высота загрузки, м £3
Кварцевый песок 1,86 0,18 0,72 2,7
Сорбент АС 0,35 1,89
0,36 25,39 0,53 9,55
1,06 32,52
Выводы
1. Выполнены исследования на опытной учебной установке на растворе сульфата железа (III) и проведено сравнение «Сорбента АС» и кварцевого песка.
2. По экспериментальным данным получены параметры фильтрования а и b и продолжительность защитного действия загрузки.
3. Был сделан вывод, что «Сорбент АС» более эффективен для очистки воды от железа по сравнению с кварцевым песком.
Список литературы:
1. Минц Д.М. Теоретические основы технологии очистки воды. — М.: Стройиздат, 1964. — 263 с.
2. Фрог Б.Н., Левченко А.П. Водоподготовка: Учебное пособие для вузов. — М.: Издательство МГУ, 1996. — 680 с.
