CC BY
114
ТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ В СЕРВИСЕ
очередь, обеспечит повышение сроков службы окраски корпуса машины, повышение надежности узлов и деталей, включающие полимерные и композитные материалы, долговечность смазочных материалов, качественные показа-
тели топлив и параметры двигателя, а также других необходимых материалов, обеспечивающих комфортные условия отдыха автотуриста при изменении климатических факторов окружающей среды.
Литература
1. КохП.И. Климат и надежность машин. М.: Машиностроение, 1981. 175 с.
2. Защита радиоэлектронной аппаратуры от влияния климатических условий / Под ред. Г. Юбиша. М.: Энергия, 1970. 368 с.
3. Ерухимович С. В. Исследование пластмасс в процессе старения. М.: ВНИИЭМ, 1976.
4. Диметов Х. Н. Расчет солнцезащитного тента строительных и дорожных машин // Строительные и дорожные машины, 1976. № 12. С. 22—23.
5. Попель О. С., Прошкина И. П. Солнечная Россия // В мире науки. 2005. № 1.
6. Сучилин В.А. и др. Некоторые особенности разработки высокотехнологичных швейных изделий // Вестник ассоциации вузов туризма и сервиса. 2008. № 4 (7). С. 37—43.
УДК 628.161.1/546.72
I МЕДЛЕННЫЙ САМООЧИЩАЮЩИЙСЯ ФИЛЬТР ОБЕЗЖЕЛЕЗИВАНИЯ I ПРИРОДНЫХ ВОД
Лукашева Галина Николаевна, кандидат химических наук, доцент,
Юровский Александр Викторович, аспирант, [email protected],
ФГОУВПО «Российский государственный университет туризма и сервиса», г. Москва
This article describes the design and operation principle of slow self-cleaning filter of deironing natural waters. The authors gives the experimental data illustrating the effectiveness of the filter on the natural water imitators with iron concentrations from 6,0 to 16,0 mg /1. It’s established experimentally that the output of the filter on the operating mode is 1,5—2,0 hours.
В статье описаны конструкция и принцип работы медленного самоочищающегося фильтра обезжеле-зивания природных вод. Приведены экспериментальные данные, иллюстрирующие эффективность работы фильтра на имитатахприродной воды с концентрацией железа от 6,0до 16,0мг/л. Экспериментально установлено, что выход фильтра на рабочий режим составляет 1,5—2,0 часа.
Key words: filtering, self-cleaning filter, water, deironing
Ключевые слова: фильтрование, самоочищающийся фильтр, вода, обезжелезивание
Повышение эффективности технологических процессов очистки природных и сточных вод связано с решением большого числа задач в экологии и здравоохранении. Одним из процессов, находящих широкое применение в технологии водоподготовки, является процесс фильтрования через пористые среды различной структуры. Фильтрование природных и сточных вод успешно используют при очистке воды от соединений железа [1].
Медленный самоочищающийся фильтр предложенной нами [2] конструкции предна-
значен для очистки природных вод от соединений железа фильтрованием через слой фильтрующей загрузки. Эскиз фильтра представлен на рис. 1. Фильтр состоит из корпуса (1), фильтрующей загрузки (2), дренажной системы (3), отводящих патрубков чистой воды (4) и накопившихся загрязнений (5). В качестве загрузки использовали фильтрующий материал — Birm Regular. Он действует как катализатор на железо и марганец, вызывая реакцию окисления Fe2+ растворенным кислородом. Данный материал обладает высокой температурной устой-
56 научный журнал ВЕСТНИК АССОЦИАЦИИ ВУЗОВ ТУРИЗМА И СЕРВИСА 2010 / № 4
Медленный самоочищающийся фильтр обезжелезивания природных вод
чивостью, небольшой плотностью, незначительной растворимостью и низкой эксплуатационной стоимостью. Высота фильтрующей загрузки составляет 70 мм. Уровень загрузки горизонтальный. Габаритные размеры корпуса фильтра: высота/диаметр, мм — 350/55. Дренажная система фильтра для отвода загрязнений при регенерации представляет собой крестообразную вставку с отверстиями, расположенными сверху и с боковых сторон. Диаметр отверстия ~ 2 мм, количество отверстий ~ 60 шт.
Вода на фильтр подается со скоростью 0,1—0,3 м/ч (режим работы медленного фильтра) [3]. При такой скорости фильтрования загрязнения накапливаются на поверхности фильтрующей загрузки в виде пленки, а не проникают вглубь поровых каналов в объем фильтрующей загрузки. При фильтровании на поверхности материала образуется фильтрующая гелеобразная пленка. Толщина пленки увеличивается во времени и зависит от концентрации растворенного Fe2+ в воде и продолжительности фильтрационного цикла.
Рис. 1. Медленный самоочищающийся фильтр: 1 — корпус фильтра; 2 — слой фильтрующей загрузки; 3 — дренажная система; 4 — патрубок отвода фильтрата; 5 — патрубок отвода накопившихся загрязнений.
Дренажная система фильтра в разрезе
Сформировавшийся слой пленки из гидроксида железа (III) является эффективным фильтрующим материалом. Эффективность сформированной пленки определяется каталитической активностью свежеосажденного
Fe (OH)3, способствующего процессу окисления Fe2+ в Fe3+.
С течением времени под действием веса столба фильтруемой жидкости гель уплотняется, теряя часть жидкости, входящей в его структуру, т.е. стареет.
Поскольку продолжительность фильтрационного цикла составляет несколько суток, фильтрационный цикл разбивался на периоды. Обычно период цикла заканчивается при концентрации Fe3+ в фильтрате около 0,3 мг/л. После перерыва в несколько суток концентрация Fe3+ в первой пробе фильтрата составляет от 0,4 до 0,9 мг/л. Как показали результаты эксперимента, после двух часов работы эффективность фильтра полностью восстанавливается.
В фильтрационном цикле с увеличением толщины пленки растет гидравлическое сопротивление фильтра, следовательно, увеличивается высота уровня фильтруемой воды над поверхностью фильтрующей загрузки. Когда уровень воды достигает высоты патрубка (4, рис. 1), отводящего загрязнения, накопившийся слой загрязнений удаляется сифоном за счет неразрывности струи через дренажную систему вместе с водой. Объем сброса определяется геометрией фильтра и составляет 550 мл. Так происходит регенерация фильтра и его работоспособность восстанавливается.
На рис. 2 приведена схема лабораторной установки для испытания и определения технологических характеристик медленного самоочищающегося фильтра обезжелезивания воды. Установка состоит из емкости для фильтруемой воды (1) объемом 20 л, соединенной через краны регуляторы расхода с центральным водопроводом, системой аэрации и самоочищающимся фильтром (5). Система аэрации включает компрессор (2), регулировочный вентиль (3) и патрубок подачи воздуха (4). Скорость подачи воды на фильтр устанавливается с помощью регулировочного крана К1 в диапазоне 0,1—0,3 м/ч. Фильтрат отводится из нижней части фильтра, а скорость отвода фильтрата может регулироваться с помощью регулировочного крана К2. Фильтр регенерируется через дренажную систему (7) и патрубок отвода загрязнений (8).
Эксперимент по исследованию эффективности работы фильтра проводился следующим образом. В емкости исходной воды готовился модельный раствор — имитат. Для этого от-
57
ТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ В СЕРВИСЕ
градуированная по объему бутыль заполнялась водопроводной водой. Навеска семиводного сульфата железа (II), рассчитанная с учетом кристаллизационной воды для приготовления имитатов с концентрацией Fe2+ 6,0, 10,0 и 16,0 мг/л, растворялась в воде. В емкость компрессором подавался воздух. Имитат аэрировался на протяжении всего фильтрационного цикла. Регулировочными кранами К1 и К2 устанавливалась и поддерживалась требуемая скорость фильтрования. Фильтрат собирался в мерный цилиндр, и фиксировалось время заполнения цилиндра фильтратом. Концентрация Fe3+ в фильтрате через фиксированные промежутки времени и в воде, удаленной из фильтра при регенерации, определялась по стандартной методике [4]. При проведении эксперимента контролировалась скорость фильтрования, измерялись высота столба жидкости в емкости с имитатом и высота столба воды над фильтрующей загрузкой, толщина пленки осадка. Продолжительность фильтрационного цикла при скорости фильтрования 0,3 м/ч составляет более 12 часов, [поэтому фильтрационный цикл разбивался на этапы.
Перерывы между этапами составляли от 24 часов до нескольких суток.]
Анализ полученных экспериментальных данных для имитата загрязненной воды с концентрацией железа 16,0 мг/л позволил установить, что на первом этапе работы фильтра через 20 минут фильтрования концентрация Fe3+ в фильтрате уменьшилась с 16,0 до 0,9 мг/л, а через 1,5 часа — до 0,1 мг/л. ПДК по Fe3+ в питьевой воде — 0,3 мг/л [5].
Перерыв между этапами в эксперименте составлял от двух до четырнадцати суток, и вне зависимости от продолжительности перерыва выход фильтра на рабочий режим занимал не более двух часов. На восьмом, заключительном этапе работы концентрация Fe3+ в первой отобранной пробе фильтрата не превышала нормативное значение — 0,3 мг/л. Концентрация Fe3+ в «промывной» воде, удаленной с осадком при регенерации фильтра составляла 50мг/л.
Экспериментальные данные для каждой стадии фильтрационного цикла при концентрации Fe2+ в имитате 16,0 мг/л представлены на рис. 3.
Рис. 2. Схема лабораторной установки: 1 — емкость исходной воды; 2 — компрессор; 3 — регулировочный вентиль расхода воздуха; 4 — патрубок подачи воздуха; 5 — медленный самоочищающийся фильтр; 6 — дренажная система; 7— патрубок отвода накопившихся загрязнений; К1 и К2 — краны на линиях подачи исходной воды в фильтр и отвода
фильтрата соответственно
58 научный журнал ВЕСТНИК АССОЦИАЦИИ ВУЗОВ ТУРИЗМА И СЕРВИСА 2010 / № 4
Медленный самоочищающийся фильтр обезжелезивания природных вод
Рис. 3. Зависимость концентрации трехвалентного железа от времени фильтрации. Концентрация Fe2+ в имитате — 16,0мг/л
Рис. 4. Зависимость концентрации трехвалентного железа от времени фильтрации. Концентрация Fe2+ в имитате — 10,0 мг/л.
Фильтрационный цикл для имитата воды с концентрацией железа 10,0 мг/л состоял из 12 этапов. Продолжительность всего фильтрационного цикла составляла 38 часов. На первом этапе работы фильтра, после 25 минут
фильтрования, концентрация Fe3+ составляла 0,4 мг/л. На всех последующих этапах, независимо от перерыва между ними, Fe3+ в фильтрате составляла 0,4—0,3 мг/л. Полученные в этом эксперименте данные представлены на рис. 4.
59
ТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ В СЕРВИСЕ
Для примера, иллюстрирующего организацию эксперимента, в таблице приведены данные, полученные для фильтрационного цикла с концентрацией железа в имитате 10,0 мг/л. Эти данные и данные для других имитатов (6,0 и 16,0 мг/л) фиксировались, чтобы получить исходную информацию для разработки методики расчета и проектирования фильтров предложенной конструкции.
Как видно из представленных данных, самоочищающийся фильтр позволяет уда-
лять железо из воды до концентраций ниже ПДК. Однако этого удается добиться только в режиме непрерывной фильтрации. Перерывы в работе фильтра до нескольких суток приводят к тому, что в первые часы работы концентрация железа в фильтрате превышает ПДК. По-видимому, это происходит из-за старения гелевой коагуляционной структуры динамической мембраны, образующейся из свежеосажденного гидроксида железа (III).
Рис. 5. Зависимость концентрации трехвалентного железа от времени фильтрации. Концентрация Fe2+ в имитате — 6,0 мг/л
Таблица
Результаты эксперимента для имитата воды с концентрацией железа 10,0 мг/л
Время наблюдения, мин Высота слоя осадка, см Объем фильтрата, мл Железо (Fe3+), мг/л Скорость фильтра- ции, мл/мин Высота столба жидкости, см
Лок. Общ. Лок. Общ. Фильтр Бутыль
Этап I
25 25 0,1 250 1810 0,5 10,0 17,5 31,2
20 55 0,1 250 2060 0,45 8,3 17,0 30,6
35 90 0,1 250 2310 - 7,1 17,6 30,1
30 120 0,1 250 2560 0,45 8,3 18,0 29,7
30 150 0,1 250 2810 - 8,3 18,5 29,4
30 180 0,1 250 3060 0,4 8,3 18,1 28,8
30 210 0,1 250 3310 - 8,3 17,5 28,3
30 240 0,1 250 3560 0,4 8,3 16,1 28,0
60
научный журнал ВЕСТНИК АССОЦИАЦИИ ВУЗОВ ТУРИЗМА И СЕРВИСА 2010 / № 4
Медленный самоочищающийся фильтр обезжелезивания природных вод
Продолжение табл.
Время Объем Скорость Высота столба
наблюдения, мин слоя осад- фильтрата, мл (Fe3+), фильтра- жидкости,см
Лок. Общ. ка, см Лок. Общ. мг/л ции, мл/мин Фильтр Бутыль
Этап II
30 270 0,1 250 3810 0,5 8,3 15,0 27,0
30 300 0,1 250 4060 0,4 8,3 17,0 26,7
25 325 0,1 250 4060 - 10,0 18,5 26,3
30 355 0,1 250 4310 0,35 8,3 18,0 25,9
25 380 0,1 250 4560 - 10,0 18,0 25,3
25 405 0,1 250 4810 0,4 10,0 17,5 25,0
25 430 0,1 250 5060 - 10,0 17,3 24,5
Этап III
25 455 0,1 250 5310 0,4 10 16,5 23,2
25 480 0,1 250 5560 - 10 17,5 22,7
25 505 0,1 250 5810 0,45 10 17,5 22,3
30 535 0,15 250 6060 - 8,3 18,5 21,9
30 565 0,15 250 6310 0,4 8,3 17,5 21,3
25 590 0,15 250 6560 - 10,0 18,5 20,9
25 615 0,15 250 6810 0,4 10,0 19,8 20,5
25 640 0,15 250 7060 - 10,0 19,5 20,1
Этап IV
25 665 0,15 250 7310 0,35 10 18,0 19,5
25 690 0,15 250 7560 - 10 18,2 19,1
27 717 0,15 250 7810 0,35 9,3 18,2 18,6
27 744 0,15 250 8060 - 9,3 18,1 18,1
Этап V
23 767 0,15 250 8310 0,3 10,9 17,5 17,7
25 792 0,15 250 8560 - 10,0 17,3 17,3
26 818 0,15 250 8810 0,3 9,6 16,5 16,8
27 835 0,15 250 9060 - 9,3 16,5 16,4
25 860 0,15 250 9310 0,3 10,0 17,3 15,9
25 885 0,15 250 9560 - 10,0 17,5 15,4
24 909 0,15 250 9810 0,2 10,4 17,5 14,9
26 935 0,15 250 10060 - 9,6 17,4 14,2
25 960 0,15 250 10310 - 10,0 17,7 13,7
Этап VI
25 985 0,15 250 10560 0,4 10,0 17,7 13,3
30 1015 0,15 250 10810 - 8,3 17,7 12,7
25 1040 0,15 250 11060 0,4 10,0 16,5 12,3
30 1070 0,15 250 11310 - 8,3 17,7 11,9
25 1095 0,15 250 11560 0,5 10,0 18,3 11,3
30 1125 0,15 250 11810 - 8,3 17,7 10,6
25 1150 0,15 250 12060 0,4 10,0 17,8 10,2
25 1175 0,15 250 12310 - 10,0 17,2 9,8
28 1203 0,15 250 12560 0,3 8,93 14,4 9,1
28 1231 0,15 250 12810 - 8,93 14,8 8,7
29 1260 0,15 250 13060 0,3 8,62 15,0 8,0
29 1289 0,15 250 13310 - 8,62 14,4 7,5
61
ТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ В СЕРВИСЕ
Продолжение табл.
Время наблюдения, мин Высота слоя осадка, см Объем фильтрата, мл Железо (Fe3+), мг/л Скорость фильтра- ции, мл/мин Высота столба жидкости,см
Лок. Общ. Лок. Общ. Фильтр Бутыль
Этап VII
29 1318 0,15 250 13560 0,4 8,62 15,5 35,6
29 1347 0,15 250 13810 - 8,62 15,5 35,1
31 1378 0,2 250 14060 0,3 8,06 15,6 34,6
29 1407 0,2 250 14310 - 8,62 14,2 34,1
29 1436 0,2 250 14560 0,25 8,62 15,2 33,5
Этап VIII
30 1466 0,2 250 14810 - 8,3 14,0 33,1
31 1497 0,2 250 15060 0,25 8,06 17,7 32,6
30 1527 0,2 250 15310 - 8,3 17,4 32,3
30 1558 0,2 250 15560 0,3 8,3 16,5 31,7
28 1585 0,2 250 15810 - 8,93 18,2 31,1
Этап IX
29 1614 0,2 250 16060 0,3 8,62 16,1 30,6
30 1644 0,2 250 16310 - 8,3 17,1 30,2
31 1675 0,2 250 16560 0,3 8,06 16,4 29,9
30 1705 0,2 250 16810 - 8,3 14,8 29,6
Этап X
26 1731 0,25 250 17060 0,25 9,6 15,2 29,2
25 1756 0,25 250 17310 - 10,0 17,0 28,7
32 1788 0,25 250 17560 0,2 7,8 17,5 28,1
30 1818 0,25 250 17810 - 8,3 16,5 27,7
30 1848 0,25 250 18060 0,25 8,3 14,9 27,3
30 1878 0,25 250 18310 - 8,3 16,0 26,9
30 1908 0,25 250 18560 0,2 8,3 17,3 26,6
30 1938 0,25 250 18810 - 8,3 17,4 26,2
30 1968 0,25 250 19060 0,2 8,3 19,7 25,6
28 1996 0,25 250 19310 - 8,93 20,4 25,1
Этап XI
26 2002 0,25 250 19560 0,3 9,6 19,0 24,6
31 2053 0,25 250 19810 - 8,06 18,1 24,0
30 2083 0,25 250 20010 0,3 8,3 19,9 23,7
30 2113 0,25 250 20310 - 8,3 18,9 23,2
Этап XII
31 2144 0,3 250 20560 0,3 8,06 20,5 22,6
29 2173 0,3 250 20810 - 8,62 20,6 22,3
30 2203 0,3 250 21060 0,3 8,3 20,9 21,8
30 2233 0,3 250 21310 - 8,3 21,6 21,3
30 2263 0,3 250 21560 0,2 8,3 22,0 20,8
32 2295 0,2 250 21810 - 7,8 1,4 20,3
Продолжительность цикла 2295 мин (38,25 часа) Суммарный объем фильтрата — 21810 литров Объем сброса — 540 мл
Таким образом, фильтр рассмотренной конструкции с исследованной фильтрующей загрузкой в режиме непрерывной работы может
быть использован для получения воды с концентрацией железа, соответствующей воде питьевых кондиций. В режиме работы с перерыва-
62
научный журнал ВЕСТНИК АССОЦИАЦИИ ВУЗОВ ТУРИЗМА И СЕРВИСА 2010 / № 4
Модернизация установки очистки отходящих газов при производстве тетрахлорида циркония
ми фильтры предложенной конструкции и использованной фильтрующей загрузкой могут использоваться как фильтры предварительной очистки воды от железа. Использование фильтра данной конструкции для предварительной очистки воды от железа значительно снизит нагрузку на стадию окончательной сорбции железа, например, на катионитовых фильтрах. С другой стороны, можно предположить, что использование фильтрующей загрузки, имеющей меньший размер зерен, а следовательно, и меньший средний диаметр поровых
каналов, а также использование фильтрующих загрузок с другими сорбционными свойствами, например, активированных углей, может дать более высокий уровень очистки воды от железа даже в режиме фильтрования с большими перерывами. Подобная постановка технологической задачи требует дальнейших теоретических и экспериментальных исследований структуры пористых тел и потоков жидкости в них, а также процессов формирования коагуляционных структур, образующих вторичную пористую структуру в виде динамической мембраны.
Литература
1. Николадзе Г.И. Улучшение качества подземных вод. М: Стройиздат, 1987. 240 с.
2. Лукашева Г. Н., Юровский А. В. Медленный самоочищающийся фильтр для обезжелезивания воды. Свидетельство о демонстрации на выставке «Expopriority — 2009». Первый международный форум по интеллектуальной собственности. Москва, 8—10 декабря, 2009 г. Приоритет от 8.12.2009. Проспект выставки. М.: Экспоцентр. Международные выставки и конгрессы, 2009. 4 с.
3. Николадзе Г. И., Сомов М.А. Водоснабжение. М: Стройиздат, 1995. 688 с.
4. Лурье Ю. Ю. Аналитическая химия промышленных сточных вод. М.: Химия, 1984. 448 с.
5. Вода питьевая. Нормативы качества. Справочник / Сост. Ю. А. Рахманин, А. Б. Ческис. М.: НИИ Стандарт, 1993. 50 с.
УДК 574.
МОДЕРНИЗАЦИЯ УСТАНОВКИ ОЧИСТКИ ОТХОДЯЩИХ ГАЗОВ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ТЕТРАХЛОРИДА ЦИРКОНИЯ
Адливанкина Марина Александровна, кандидат технических наук, доцент,
ФГОУВПО «Российский государственный университет туризма и сервиса», г. Москва
The article is based on analysis of existing plant of flue gas cleaning in the production of zirconium tetrachloride from the baddelate concentrate. The authors propose its modernization on the basis of laboratory studies, in which the effectiveness of purification of exhaust gases from the chlorine, depending on its concentration, the linear velocity of the gas phase and changing the chemical composition of the absorbent on the time of its circulation in the system were examined.
На основе анализа действующей установки очистки отходящих газов при производстве тетрахлорида циркония из бадделеитового концентрата предложена ее модернизация. Были проведены лабораторные исследования, в которых изучалась эффективность очистки отходящих газов от хлора в зависимости от его концентрации, линейной скорости газовой фазы и изменения химического состава абсорбента от времени его циркуляции в системе.
Key words: zirconium, absorption, scrubber, cleaning, chlorine Ключевые слова: цирконий, абсорбация, скруббер, очистка, хлор
Цирконий входит в состав сплавов, используемых при изготовлении ядерных реакторов, ракет и летательных аппаратов, сверхпроводящих магнитов, коррозионно-стойких материалов и цирконистых огнеупоров.
Одним из наиболее распространенных способов получения циркония является хлорирование циркониевого и бадделеитового концентратов с получением тетрахлорида циркония и хлорсодержащих газов, выброс которых
63
