CC BY
9Новые возможности для интенсификации процессов обработки жидких электропроводных сред
Вертинский Алексей Павлович,
к.т.н, доцент, кафедра промышленной экологии и безопасности жизнедеятельности, Иркутский национальный исследовательский технический университет
Введение. В РФ, в том числе и в Иркутской области проблема совершенствования методов очистки сточных вод является как никогда актуальной. Постоянно ведется поиск новых устройств и технологий очистки сточных вод. Цель настоящей работы - оценить эффективность и области применения серии индукционных электрокоагуляторов. Материалы и методы исследований. В работе описаны теоретические предпосылки к созданию индукционных электрокоагуляторов. Общим свойством всех индукционных электрокоагуляторов является их принцип действия - индуцирование токов в электропроводящих жидких средах. Результаты. Подробно описаны конструктивные и эксплуатационные особенности индукционных электрокоагуляторов, запатентованных автором и области их применения. Заключение. Использование индукционных токов обусловило возникновение технологий очистки сточных вод, позволяющих ускорить процесс очистки, снизить затраты, уменьшить объем производственных площадей, исключить из употребления дорогостоящие реагенты и электроды. Ключевые слова: сточные воды, индукционные токи, обеззараживание воды, угольная пульпа, электрообработка молока, спектрофотометрический мониторинг природных вод.
ВВЕДЕНИЕ
Среди различных видов загрязнений окружающей среды химическое загрязнение природных вод имеет особое значение. Любой водоем связан с окружающей его внешней средой . Загрязнения, поступающие в водную среду классифицируют по разному, в зависимости от критериев.
Большинство загрязнителей попадает в воду в результате антропогенной деятельности, поэтому основными источниками загрязнения поверхностных вод являются бытовые и производственные сточные воды. Последствиями этого загрязнения являются внесение в водную среду не свойственных ей веществ, ухудшающих качество воды. Вредные вещества, сбрасываемые со сточными водами в открытые водоемы нарушают биологическое равновесие и тормозят процессы самоочищения.
В 2015 г. величина загрязненных сточных вод, сброшенных в водные объекты РФ составила 14, 4 млрд. м3. Доля загрязненных стоков в общем объеме водоотведения составила 34 % [1].
В 2016 г. в Иркутской области было сброшено 794,15 млн. м3 сточных вод, в том числе загрязненных 515,27 млн.м3, из них- без очистки-87, 2 млн.м3, недостаточно очищенных -427,07 млн.м3 [2].
Загрязнение химическими веществами приводит к изменению естественных свойств воды за счет увеличения в ней как неорганических (минеральные кислоты, щелочи, глинистые частицы), так и органических ( нефть и нефтепродукты, органические остатки ПАВ, пестициды) загрязнений.
Промышленные производства на обширной территории Иркутской области сконцентрированы вдоль р.Ангары и образованных на ней водохранилищах.
В бассейн р. Ангары поступают хлориды, сульфаты, нитраты, взвешенные вещества, азот аммонийный, фосфор общий, фтор, металлы: бериллий, ванадий, железо, кальций, кобальт, калий, кадмий, медь, магний, марганец, натрий, никель, олово, ртуть, свинец, хром, цинк, органические соединения ( в том числе жиры и мас-
0 55 I» £
55 П П
о ы
а
а
«
а б
ла: легкое и талловое), метанол, нефтепродукты, СПАВ.
В настоящее время для очистки сточных вод применяют механические, химические, физико-химические и биологические методы. Большинство из них являются энергоемкими, сложными в исполнении и ориентируются на применение импортного оборудования и дефицитные реагенты.
Применение реагентных методов приводит к повторному засолению очищенной воды. Микробиологические методы отличаются громоздкостью в аппаратурном оформлении, а также не обеспечивают полной очистки стоков по тяжелым металлам, сульфатам, хлоридам и др. анионам кислот.
Сорбционная емкость активного ила по основной группе тяжелых металлов не превышает 80%. Недостатками сорбционных методов являются высокая стоимость и низкая избирательность сорбентов по отношению к конкретному компоненту раствора, а также сложности, связанные с регенерацией использованных сорбентов.
К недостаткам электрохимических методов (электрокоагуляция, электрофлотация) относится необходимость относительно сложного выпрямительного оборудования, пассивация электродов, значительный расход электроэнергии и листового металла.
Пути решения проблемы очистки промышленных сточных вод должны отвечать как критерию обеспечения необходимого качества очистки сточной воды, так и обеспечивать высокую интенсивность процесса обезвреживания, экономию ресурсов и энергии. Одной из важнейших задач отечественных прикладных разработок является совершенствование способов очистки сточных вод .
Актуальность описанных выше проблем предопределила цель работы - оценку авторских разработок усовершенствования различных индукционных электрокоагуляторов, область применения которых весьма обширна: очистка сточных вод, обеззараживание воды, электрообработка молока, электрохимическое воздействие на угольную пульпу, спектрофотометри-ческий мониторинг природных вод.
В 1996 году в Государственном докладе «Об охране окружающей среды в Иркутской области» в разделе «Научные исследования» было объявлено, что в ИрГТУ применили индукционные токи для очистки промышленных сточных вод [3]. С тех пор разработано и запатентовано 9 индукционных электрокоагуляторов [4-11].
Теоретические предпосылки к созданию индукционных электрокоагуляторов
Первым общим свойством всех индукционных электрокоагуляторов является их принцип
действия - электромагнитная индукция в электропроводящей среде.
Теоретическими предпосылками к созданию безэлектродного индукционного электрокоагулятора явились следующие накопленные факты:
Электролиты характеризуются высоким электрическим сопротивлением [13]. Электропроводность их на 5-6 порядков ниже, чем металлических проводников. По этой причине до сих пор не предпринимались попытки индуцирования в них токов.
Анализируя закон Ома для участка цепи переменного тока:
I = и/г (1)
можно сделать вывод, что повышение тока в электролите с высоким г возможно путем повышения напряжения.
Широко распространенные на практике трансформаторы основаны на известном законе электромагнитной индукции Фарадея:
е = - ДФ/ Д1,
(2)
при этом предполагается, что магнитный поток распределен равномерно во всем объеме трансформатора.
Анализ механизма электромагнитной индукции, показывает нелинейную зависимость величины э. д. с. индукции во вторичной обмотке, от расстояния до первичной обмотки. Эта зависимость имеет вид:
е = а • I / г • Д1 / Д1 + Ь • 1/г 2 • Дг /Д1, (3)
где а и Ь - некоторые постоянные коэффициенты;
I - величина первичного тока по обмотке; г -расстояние от обмотки до областей электролита, в которых индуцируются вторичные токи.
Если в выражении закона электромагнитной индукции Фарадея раскрыть величину магнитного потока:
Ф =В •Б, (4)
где В = ц • цо • Н, (5)
то в силу закона Био-Савара-Лапласа: Н =1/2лг (6)
можно общее выражение закона Фарадея переписать как
е =А • Д(1/г)/Д1, (7)
где А вбирает в себя все постоянные коэффициенты предыдущих промежуточных выражений.
Правомочность применения закона Био-Савара-Лапласа обусловлена тем, что рассматривается область электролита непосредственно вблизи обмотки, когда пренебрежимо малое расстояние до обмотки позволяет считать участок любого ее витка за участок прямого провода (см. рис. 1).
Дифференцируя уравнение (7) получаем е = - (А • Ы • Д1 /Д1 + А • I • 1 /г2 • (Д г/ Д1)), (8)
т. е. величина э. д. с. индукции является суммой двух составляющих. Первая часть:
е1 = - А • Ы • Д1 /М (9)
возникает при изменении тока в первичной обмотке и порождает в электролите вторичный ток. Взаимодействие же вторичного индукционного тока в электролите с первичным током в обмотке приводит к образованию второй части э. д .с.:
е2 = А • I • 1/Г • (Д Г/ At) .
(10)
Рис. 1 Схема ориентации магнитного поля вблизи прямого провода
Таким образом, рассматривая систему двух обмоток, одна из которых - первичная обмотка трансформатора, погруженная в электролит, а вторая - короткозамкнутый виток электролита вокруг первичной обмотки, можно сделать вывод о том, что в близлежащих областях к виткам первичной обмотки индуцируется высокая э. д. с., так как г^-О (практически г равна толщине изоляции провода).
Экспериментально установлено, что индуцирование токов в электролите возможно при больших значениях вторичного тока, при этом, вследствие конвекции в ванне электролита и диффузионных процессов, происходит перемешивание электролита, что позволяет подвергать его обработке индукционными токами во всем объеме, эта идея и реализована в патентах РФ [4-12].
Преимущества и конструктивные особенности индукционных электрокоагуляторов
Проточный индукционный электрокоагулятор [7] представляет собой электрокоагулятор проточного типа без магнитного сердечника. Эта конструктивная особенность повышает cos ф, но небольшие зазоры между обмотками создают высокое гидравлическое сопротивление, снижая производительность устройства. Обеспечить заданную производительность такими электрокоагуляторами можно путем параллельной работы большого их количества.
Проточный индукционный электрокоагулятор состоит из цилиндрического корпуса 1 с входом 2 и выходом 3 (рис.2). Внутри корпуса 1 установлены коаксиально друг в друге стаканы 11 с катушками 12 и боковыми отверстиями 13. Все катушки 12 соединены между собой электриче-
ски согласно направлениям своих магнитных потоков. Вывод 14 первой катушки 12 и вывод 15 последней катушки 12 подключены к сети электропитания с помощью типовой коммутационной аппаратуры. Количество стаканов 11 с катушками 12 может быть произвольным, и определяется заданной степенью очистки, и производительностью электрокоагулятора.
При протекании переменного тока по катушкам 12, в сточных водах, протекающих по стаканам 11, индуцируются вторичные токи, воздействие которых вызывает коагуляцию компонентов стоков, которые уносятся ими через патрубок 3.
Рис. 2. Проточный индукционный электрокоагулятор. Соединение половины вида с половиной разреза: 1 -корпус; 2
- штуцер входа; 3-штуцер выхода; 11 - стакан; 12 - катушка; 13 - боковое отверстие; 15 - вывод; 16 - днище; 17
- крышка.
В способе и устройстве для электрокоагуляции молока [8], реализована способность электрохимического воздействия индукционных токов повышать кислотность водной среды. В данном устройстве за счет повышения кислотности обеспечивается свертываемость молочных белков без предварительного сквашивания. Применение индукционных токов для изготовления кисломолочных продуктов сокращает по времени процесс сквашивания молока, снижает расходы на получение кисломолочных продуктов, поскольку не нужна сыворотка для сквашивания, позволяет значительно сократить производственные площади.
Устройство для электрохимического обеззараживания природных вод [9] реализует бактерицидное действие индукционных токов в водных средах. Вместе с тем, эффективность такого бактерицидного действия можно указывать только после сравнения количества микроорганизмов на входе и выходе устройства. Обеззараживание природных вод индукционными токами позволяет сэкономить на приобретении
О R
I»
£
55 т П
о ы
а
s
«
а б
хлора, озона, других реагентов, позволит сократить производственные площади, задействованные для ведения технологического процесса.
Способ и устройство электрохимической переработки углей [10] реализует отмеченную выше способность индукционных токов создавать высоко щелочную среду, в которой при высоких температурах протекает разложение высокомолекулярных соединений (сапропелитов) на газообразные, жидкие и твердые фрагменты углеводородов. Малые зазоры в индукторе создают высокое гидравлическое сопротивление. Поэтому, достижение высокой производительности возможно путем параллельной работы большого числа данных устройств. Применение индукционных токов для обработки угольной пульпы позволяет с большей степенью, чем применение существующих технологий извлекать из угольной пульпы ценные компоненты.
Способ и устройство спектрофотометриче-ского мониторинга природных вод [11] реализует свойство индукционных токов ионизировать в процессе электролиза все компоненты водного раствора. В результате такого возбуждения компонентов водных растворов повышается интенсивность спектров поглощения соответствующих элементов. Этот эффект положен в основу определения содержания примесей по месту нахождения датчика с таким индуктором. Спектрофотометрический мониторинг природных вод с помощью индукционных токов позволяет интенсифицировать аналитический процесс обнаружения различных веществ в воде, поскольку сокращается время и расходы, необходимые для соответствующих анализов.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Использование способа очистки сточных вод индукционными токами позволило разработать многопрофильные технологии очистки промышленных стоков, позволяющие интенсифицировать процесс очистки, сократить объем производственных площадей, снизить расходы на очистку, поскольку не требуется применение реагентов и электродов.
Литература
1. Государственный доклад «Об охране окружающей среды в Российской федерации в 2015 году» (электронный ресурс). иР1:Ь11р://шшш.тпг.доу.ги/геди!а1огу/!1з1.рЬр?ра|1 =1996. (дата обращения 17.11.2017).
2. Государственный доклад «О состоянии и об охране окружающей среды в Иркутской области в 2016 году» (электронный ресурс). иР1:.Ь11р//шшш.1гкоЬ!ги/з11ез/есо!оду/рю1иге. (дата обращения 14.11.2017).
3. Государственный доклад «О состоянии окружающей природной среды Иркутской области в 1996 году». Иркутск. 1997. с.230
4. Патент 2061659 РФ. Электрокоагулятор / Вертинский А.П. Опубл. 27.03.1997. Бюл. № 9.
5. Патент 2076074 РФ. Электрокоагулятор / Вертинский А.П. Опубл. 27.03.1997. Бюл. № 9.
6. Патент 2077964 РФ. Многофазный индукционный электрокоагулятор / Вертинский А.П. Опубл. 27.04.1997. Бюл.№ 12.
7. Патент 2098357 РФ. Плавающий индукционный электрокоагулятор / Тимофеева С.С., Вертинский А.П. Опубл. 10.02.1997. Бюл.№ 34.
8. Патент 2146229 РФ. Проточный индукционный электрокоагулятор /Леонов С.Б., Тимофеева С.С., Вертинский А.П. Опубл. 10.03.2000. Бюл.№ 33.
9. Патент 2211573 РФ. Способ и устройство для электрокоагуляции молока / Вертинский А.П. Опубл. 10.09.2003. Бюл. №25.
10. Патент 2264992 РФ. Устройство для электрохимического обеззараживания природных вод / Вертинская Н.Д.,Вертинский А.П., Герасимова Н.П. Опубл.27.11.2005. Бюл. №3.
11. Патент № 2272825 Способ и устройство для электрохимической переработки углей. / Вертинская Н.Д., Вертинский А.П., Герасимова
H.П. Опубл.27.03.2006. Бюл. №9.
12. Патент 2405134 РФ. Устройство спектро-фотометрического мониторинга природных вод / Вертинский А.П. Опубл.27.11.2010 Бюл. № 33.
13. Рогов В.М. Электрохимическая технология изменения свойств воды.- Киев: Наукова думка.-1989.-237с.
New opportunities for the intensification of processing of
liquid electrowire environments Vertinsky A.P.
Irkutsk national research technical university
Abstract. Introduction. In the Russian Federation, including in the Irkutsk region the problem of improvement of methods of sewage treatment is as relevant as ever. Constantly searching for new devices and technologies for wastewater treatment. The aim of this work was to evaluate the efficacy and application of series inductive electrocoagulation. Materials and methods. The paper describes the theoretical background to the creation of the induction electrocoagulator. The common feature of all induction electrocoagulator is their principle of action is the induction of currents in the electrically conductive liquid media. Results. Design and operational features of the induction electrocoagulators patented by the author and the fields of their application are in detail described. Conclusion. Use of induction currents has caused emergence of the technologies of sewage treatment allowing to accelerate cleaning process, to lower expenses, to reduce the volume of floor spaces, to exclude expensive reagents and electrodes from the use. Key words: wastewaters, induced currents, water disinfection, panina pulp, elektrobreak milk, spectrophotometric monitoring of natural waters. References
I. The state report "About environmental protection in the Russian Federation in 2015" (an electronic resource). URL:http://www.mnr.gov.ru/regulatory/list.php? part=1996. (date of the address 11/17/2017).
2. The state report "About a state and about environmental protection in the Irkutsk region in 2016" (an electronic
resource). URL:.http//www.irkoblru/sites/ecology/picture. (date of the address 11/14/2017).
3. The state report "About a condition of the surrounding environment of the Irkutsk region in 1996". Irkutsk. 1997. page 230
4. Patent 2061659 Russian Federation. Electrocoagulator / Vertinsky A.P. Opubl. 3/27/1997. Bulletin No. 9.
5. Patent 2076074 Russian Federation. Electrocoagulator / Vertinsky A.P. Opubl. 3/27/1997. Bulletin No. 9.
6. Patent 2077964 Russian Federation. Multiphase induction electrocoagulator / Vertinsky A.P. Opubl. 4/27/1997. Bulletin No. 12.
7. Patent 2098357 Russian Federation. Floating induction electrocoagulator / Timofeev of S.S., Vertinsky A.P. Opubl. 2/10/1997. Bulletin No. 34.
8. Patent 2146229 Russian Federation. Flowing induction electrocoagulator / Leonov S.B., Timofeeva S.S., Vertinsky A.P. Opubl. 3/10/2000. Bulletin No. 33.
9. Patent 2211573 Russian Federation. A way and the device for
electrothermic coagulation milk / Vertinsky A.P. Opubl. 9/10/2003. Bulletin No. 25.
10. Patent 2264992 Russian Federation. The device for electrochemical disinfecting of natural waters / Vertinskaya N.D., Vertinsky A.P., Gerasimova N.P.Opubl.27.11.2005. Bulletin No. 3.
11. The Way patent No. 2272825 and the device for electrochemical processing of coals. / Vertinskaya N.D., Vertinsky A.P., Gerasimova N.P.0publ.27.03.2006. Bulletin No. 9.
12. Patent 2405134 Russian Federation. The device of spektrofotometrichesky monitoring of natural waters / Vertinsky A.P.0publ.27.11.2010 Bulletin No. 33.
13. Rogov V.M. Electrochemical technology of change of properties of water. - Kiev: Naukova thought.-1989. - 237 pages.
