CC BY
164Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies 5 (2014 7) 605-614
УДК 532.528
Features of Influence of Cavitation Effects on the Physicochemical Properties of Water and Wastewater
Vladimir A. Kulagin*a, Ekaterina S. Sapoghnikovaa, Olesya P. Stebelevaa, Ludmila V. Kashkinaa, Zhi-Ying Zhengb, Qian Lib and Feng-Chen Lib
aSiberian Federal University 79 Svobodny, Krasnoyarsk, 660041, Russia bSchool of Energy Science and Engineering Harbin Institute of Technology 92 West Dachi, Nangang District, Harbin, 150001, China
Received 10.04.2014, received in revised form 21.05.2014, accepted 03.08.2014
The results of studies of distilled and tap water after exposure to hydrodynamic cavitation at different time regimes. The changes of the temperature, conductivity, pH value, redox potential, oxygen content depending on the exposure time of cavitation. Rational set duration cavitation treatment for activated water. The experimental results showed the possibility of using technology to treat wastewater.
Keywords: cavitation technology, activated water, sewage, supercavitation, physico-chemical characteristics of water.
Введение
Вода играет уникальную роль в существовании всего живого на Земле. Начиная с 1991 г. ежегодно по инициативе Стокгольмского международного института воды (Швеция) проводится Всемирная неделя воды. В резолюции этого мероприятия, проведенного в августе 2011 г., предложено обратить особое внимание на поиск высокотехнологичных решений водоочистки и водоподготовки для достижения требуемых стандартов качества воды, поскольку проблема обеспечения населения чистой пресной водой становится все более актуальной.
В настоящее время достаточно широкое распространение получили устройства для высокопроизводительной очистки воды от любых видов загрязнений на базе гидродинамических генераторов. Использование кавитационных генераторов для эффективной очистки воды - это новая перспективная, энергетически малозатратная, безотходная кавитационная технология [1]. Во многих исследованиях последних лет показана ее эффективность [2, 3]. На выходе таких устройств получают чистую, обеззараженную воду.
© Siberian Federal University. All rights reserved Corresponding author E-mail address: v.a.kulagin@mail.ru
*
В процессе работы гидродинамических генераторов в воде возникают высокоэнергетические эффекты (холодное кипение или кавитация), которые не только способствуют эффективной очистке воды, но приводят к изменению ее структуры, усилению физико-химической и биологической активности. В этой связи тщательные исследования свойств получаемой «активированной» воды, несомненно, необходимы, поскольку вода является простым, но во многих отношениях малоизученным веществом. Немаловажным представляется установление оптимальных режимом работы гидродинамического генератора для получения активированной воды.
Задачи и методы исследования
Ряд работ указывают на выгодность применения гидродинамической обработки в качестве альтернативного безреагентного метода очистки различных стоков. Применение гидродинамического генератора не только малозатратный, но и эффективный способ очистки на заключительном этапе технологической схемы очистных сооружений [3-6].
В настоящей работе на примере водопроводной и дистиллированной воды была исследована динамика изменения ее физико-химических характеристик в зависимости от различных факторов: режимов гидродинамической обработки, времени отстаивания, начальных параметров: водородного показателя рН, окислительно-восстановительного потенциала (ОВП), удельной электропроводности S, концентрации растворенного кислорода (КРК). Кроме того, было выяснено время релаксации полученных после обработки параметров воды и установлены новые значения. Результаты позволяют использовать гидродинамический кавитатор с определенными режимами обработки для получения воды с конкретными характеристиками.
Обработка воды производилась в кавитационном реакторе роторного типа с мощностью электродвигателя 1 кВт; объемом рабочей камеры 2,5-10-4 м3; с числом кавитации х = 0,05. Специально спроектированный блок питания электропривода позволяет плавно изменять число оборотов ротора в диапазоне 0-15-103 об/мин. Обработка воды объемом 1 л проходила с помощью суперкавитационного стенда со следующими параметрами: мощность электродвигателя 4 кВт, объем рабочей камеры 3-10"3 м3; скорость вращения четырехлопастного клиновидного кавитатора 2880 об/мин с числом кавитации х = 0,01.
Результаты и их обсуждение
Физико-химические параметры дистиллированной
и водопроводной воды
Для чистоты исследования влияния кавитационного воздействия на свойства воды были определены ее начальные параметры: ОВП, электропроводность и рН. Выяснено, что и у дистиллированной воды после ее получения, и у водопроводной после ее набора происходят флуктуации этих параметров. Для исследований воздействия кавитационной обработки необходимо использовать стабилизированную воду, так как колебания значений ОВП, электропроводности и рН могут привести к неоднозначным результатам. В работах [7-8] также сообщается о влиянии «возраста» воды (время после получения дистиллята, или отстоя водопроводной воды) на качественные показатели электропроводности при воздействии постоянного магнитного поля, электромагнитного поля и механических колебаний.
На рисунке 1а,в представлены результаты измерений ОВП, электропроводности и рН дистиллированной воды в течение шести суток после ее получения; на рис. 1г,е - результаты измерений водопроводной воды в течение пяти суток после ее получения. Методом регрессионного анализа были определены уравнения зависимости этих параметров от времени. Из представ-
Дистиллированная вода
Водопроводная вода
а) у = -380,83ехр(-х/0,66) + 211,20
г) у = 113,57 + 21,26х - 2,22х2
б)
¿0 у = 128,55 - 1,93х - 0,28х2 + 0,13х3
'jjt.ii ■■ ■ Щччимл» вЪ» -.-."f—л—■ mi. «ш
в) у = 5,23 - 0,63ехр(-х/0,90) е) у = 7,44 + 0,36х - 0,04х2
Рис. 1. Изменение физико-химических параметров дистиллированной воды в течение шести суток после ее получения и водопроводной воды в течение пяти суток после ее набора
ленных графиков видно, что в первые четыре дня происходят флуктуации значений, затем вода принимает более стабильное (уравновешенное) состояние.
Таким образом, для исследований влияния кавитации на физико-химические свойства воды необходимо учитывать «возраст» воды, т.е. в данном случае использовать дистиллированную воду на четвертые сутки после ее получения, а водопроводную - на пятые сутки после ее набора.
Физико-химические параметры кавитационно-активированной
дистиллированной воды
В работах [2, 3] было установлено, что оптимальные параметры обработки дистиллированной воды соответствуют числам кавитации х = 0,05. Поэтому в опытах обработка производилась в режиме суперкавитации (х = 0,05) при постоянной частоте вращения ротора n = 10 000 об/мин. Обрабатываемый объем воды был равен 100 мл. На рисунках 2 и 3 представлены результаты измерений в виде графических зависимостей физико-химических свойств дистиллированной воды от времени кавитационной обработки.
» I» Ч» Mi 3» Mi
EJ|V-H * ÜMI'ÜUH^IIGH MUHJJ«
а) у = 24,99 + 0,04x
б) у = 8,35 - 0,01х
Рис. 2. Изменение КРК дистиллиров анной воды в зависимости от времени кавитационной обработки и времени релаксации
Время кавитационно йобработки, секунды Время кавитационной обработки, секунды
а) у = 1,08ехр(-х/57,12) + 5,95 б) у = 15,34ехр(-х/106,36) + 149,24ехр(-х/21,28) + 141,43
т--г -■- -1 - г -■- - — 1
О 50 tOD ISO 2 DO 250 300
Время кавитационной обработки, секунды в)
Рис. 3. Изменение физико-химических параметров дистиллированной воды в зовисимости от времени кавитационной обработси
При кавитации с увеличением времени обработки наблюдается повышение температуры воды более чем на 40 %. Это связано с пульсацией! и последующим коллапсом кавитацион-ных пузырьков [1, 2]. Зависимость температуры от времени обработки ливейная, интенсивность изменения тдмпзратуры характеризуется тангенсом угла наклона прямой tga = 0 ,04 (рис. 2а). Полученные экспериментальные данные также хорзшо со гласу ются с розуььтатами работы [2,И].
Экспериментальная зависимость изменения КРК воды от времени иавитационнооо воздействия представлена на рис. 26. Каждая точка построена по усредненному значению пяти измерений. Относительная ошибка определения КРК - 2,5 %. Концентрация кислорода в воде линейло бменвшается при у величении времени воздействия кавитации. Интенсивность изменения КРК характеризуется тангенсом угла наклонл прямо й tga = 0,01 .
Измерения значений КРК активированной воды в течение ~ 200 мин с шагом в 5 мин на образцох со временем обработки 30, 60, 90 и 3е0 с помазали, что повышение значений КРК до значений? близких к значениям дистиллированкой воды, наблюддло сь в течение первых 100 ман, но и при 200 мин не достигло иоходноео злаче ния КРК (рис. 2е).
- би9 -
На рисунке 3a представлена зависимость pH от времени обработки. Водородный показатель pH увеличивается с увеличением времени кавитационного воздействия. При времени обработки 180 с разница между максимальным значением pH активированной воды и pH исходного дистиллята (ДрНшах) составила 1,1. Наиболее интенсивное изменение pH соответствует интервалу 3090 с. В этом диапазоне pH повышается на 15 %, тогда как максимальное повышение pH составляет 18 %. Скорость изменения pH при кавитационном воздействии в диапазоне 3090 с почти в два раза превышает скорость изменения pH при воздействии в диапазоне 90 300 с.
После кавитационного воздействия проводились измерения значений pH активированной воды в течение ~ 200 мин с шагом в 5 мин на образцах со временем обработки 30, 60, 90 и 300 с. В течение этого времени показатели pH для всех образцов не вернулись к первоначальному значению.
Динамика поведения ОВП в процессе кавитационной обработки воды представлена на рис. 4е. Относительная ошибка определения ОВП - 2 %. На графике наблюдается участок наиболее интенсивного изменения ОВП в интервале 3090 с. ОВП понижается на 43 %, тогда как максимальное понижение ОВП составляет 47 %, но не принимает отрицательных значений. Скорость изменения ОВП при кавитационном воздействии в диапазоне 309)0 с почти в три раза
Нрсчл мнмчшюнноП cflfufoiKii. t«5 HJU
б) г)
Рис. 4. Зависимости физико-химических параметров водопроводной воды неотстоявшейся и отстоявшейся в течение 1 и 5 сут от времени кавитационной обработки
превышает скорость изменения ОВП при воздействии в диапазоне 90 300 с. Следует отметить, что в работе [9] при воздействии ультразвуком на воду обнаружено, что оптимальное изменение pH воды наблюдается при обработке в течение 1 мин. Проводились измерения значений ОВП активированной воды в течение ~ 200 мин с шагом в 5 мин на образцах со временем обработки 30, 60, 90 и 300 с. Повышение ОВП до значений близких к значениям дистиллированной воды наблюдалось в первые 40 мин.
В серии экспериментов по выявлению воздействия на дистиллированную воду кавита-ционных эффектов различной продолжительности (30 300 с) было установлено повышение электропроводности (рис. 3в). Значение электропроводности исходного дистиллята составляло 0 мкОм-1/см, что связано с низкой чувствительностью прибора. Электропроводность активированной воды в течение ~ 200 мин с шагом в 5 мин на образцах со временем обработки 30, 60 и 90 с не изменялась и оставалась равной 1 мкОм-1/см [10].
Физико-химические параметры кавитационно-
активированной водопроводной воды
Исследования физико-химических параметров водопроводной воды проводили аналогично исследованиям для дистиллированной воды: число кавитации х = 0,05; частота вращения ротора n = 10 000 об/мин; обрабатываемый объем воды составлял 100 мл. В эксперименте была использована водопроводная вода с различным временем отстаивания (время после ее набора): 0, 1 и 5 сут. Результаты экспериментов представлены графически на рис. 4, а уравнения регрессии приведены в табл. 1.
При кавитации с увеличением времени обработки наблюдается повышение температуры воды примерно на 30 % для трех образцов (рис. 4а). Зависимости температур от времени обработки линейные, по мере увеличения времени отстаивания воды интенсивность изменения температур уменьшается: tga = 0,020,04. Из графических зависимостей можно выделить общую точку для трех прямых при кавитационном воздействии на воду в течение 180 с.
Значение электропроводности воды при кавитационной обработке увеличивалось при увеличении времени действия кавитации и времени отстаивания. Наиболее интенсивное изменение электропроводности наблюдалось для неотстоявшейся воды (рис. 46).
Таблица 1. Уравнения полиномов, аппроксимирующие зависимости физико-химических параметров активированной водопроводной воды неотстоявшейся и отстоявшейся в течение 1 и 5 сут
Уравнения регрессии Время отстаивания, сутки
0 1 5
Т y = 20,91 + 0,04 х y = 24,67 + 0,02х y = 23,13 + 0,02х
ОВП y = 155,20 ехр(- х/680,85) + + 20,78 ехр(- х/34,46) + 50,81 y = 154,66 - 0,19х - 2,98х2 + 2,81х> y = 23,11 ехр(- х/30,31) -- 994,39 ехр(х/24933,15) + 1154,38
S y =133 + 7654,22 (211,92/(4(х -- 280,48)х2+211,922)) y = 125,70+0,23х - 0,004х2 + +3,67х3 - 1,16х4 + 1,24х5 y = 120,94 + 0,13х - 7,36х2 + 1,69х3
рН y = 7,22+0,02х - 1,7х2 + + 7,10х3 -1,01х4 y = - 0,36 ехр(- х/56,90) + 8,07 y = - 0,29 ехр(- х/37,37) + 8,36
Динамика поведения ОВП в процессе кавитационной обработки воды представлена на рис. 4e. Относительная ошибка определения ОВП составила 35 %. На графике наблюдается участок наиболее интенсивного изменения ОВП в интервале 30 220 с для неотстоявшейся воды и 3090 с для отстоявшейся в течение 1 и 5 сут. ОВП понижается на 23,9 и 20 % соответственно, но не принимает отрицательных значений. Скорость изменения ОВП при кавитационном воздействии в диапазоне 3090 с почти в три раза превышает скорость изменения ОВП при воздействии в диапазоне 90 300 с для отстоянной воды.
На рисунке 4г показана зависимость pH от времени обработки. Водородный показатель pH увеличивается с увеличением времени кавитационного воздействия. Наиболее интенсивное изменение pH, как и в случае с дистиллированной водой, соответствует интервалу 3 090 с. В этом диапазоне pH повышается на 4 %, что совпадает с его максимальным повышением. В диапазоне 90 300 с значение рН принимает постоянное значение.
Кроме того, для водопроводной воды проведен ряд исследований параметров при другом режиме кавитации: число кавитации х = 0,01; частота вращения ротора n = 2 880 об/мин; обрабатываемый объем воды составлял 1000 мл. Результаты измерений физико-химических свойств воды, отстоянной в течение одних суток, отражены на рис. 5. Также для сравнения действия кавитации при двух режимах кавитации приведены зависимости параметров воды, описанных выше. По уравнениям регрессии (табл. 2) видно, что полиномы для параметров ОВП и рН имеют подобную структуру и отличаются лишь коэффициентами. Более интенсивное изменение всех параметров наблюдалось для режима кавитации с х = 0,01.
Для режима кавитации х = 0,01 проводились измерения значений ОВП, рН и электропроводности активированной неотстоявшейся воды в течение ~ 200 мин с шагом в 5 мин и в течение 4 сут с шагом 1 сут на образцах со временем обработки 30, 60 и 150 с. При этом наблюдалось интенсивное понижение ОВП в течение 2 сут, после чего ОВП приняло постоянное значение. Значение электропроводности и рН в течение 12 сут принимает постоянное значение, но даже и через 5 сут не возвращается к исходной величине до воздействия кавитации.
Заключение
Проведено экспериментальное изучение реакции воды на гидродинамическое ка-витационное воздействие при числах кавитации х = 0,05; 0,01 и числах оборотов ротора n = 10000 и 2880 об/мин в зависимости от времени воздействия. Выявлены изменения физико-химических свойств воды (электропроводность, водородный показатель (pH), окислительно-
Таблица 2. Уравнения полиномов, аппроксимирующие зависимости физико-химических параметров активированной водопроводной воды, отстоявшейся в течение 1 сут
Уравнения регрессии V = 100 мл.; х = 0,05 V = 1000 мл.; х = 0,01
Т y = 25,37 - 0,02х + 2,13Х + 1,77х3 - 2,23х4 y = 23,69 + 0,22х - 8,25х2
ОВП y = 154,66 - 0,19х - 2,98х2 + 2,81Х y = 144,44 - 2,85х + 0,05х2 - 2,07k3
S y = 125,70 + 0,23х - 0,004х2 + 3,67х3 - 1,16х4 + 1,24Х y = 122,56 + 0,67х - 0,002k2
рН y = - 0,36 ехр(- х/56,90) + 8,07 y = - 0,58 ехр(- х/40,81) + 7,95
б)
г)
Рис. 5. Зависимости физико-химических параметров в одопроводной воды, отстоявшейся в течение 1 сут, от времени кавитационной обработки и обрабатываемого объема
восстановительный потенциал, кислородосодержание и др.), установлена рациональная продолжительность кавитационной обработки воды. При этом наблюдается увеличение Тя рН и электропроводности, уменьшение ОВП и КРК. Выявлен временной диапазон с наиболее интенсивным изменением рН и ОВП - 3 090 с. Скорость изменения величины рН и ОВП в интервале 3 090 с в три и два раза выше, чем в интервале 90 300 с. Эти результаты достаточно хорошо коррелируют с результатами исследования влияния ультразвука (44 кГц) на воду.
Обнаружено, что максимальное значение рН достигается при кавитационном воздействии в течение 180 с. Минимальное значение ОВП принимает при 300 с кавитационной обработки, но остается в области положительных значений.
Показано, что за время релаксации активированная вода после обработки в течение 200 мин при используемых режимах гидродинамической кавитационной обработки по всем измеряемым параметрам (Т, КРК, рН, ОВП, электропроводность) не возвращается в исходное состояние.
Список литературы
[1] Ивченко В.М., Кулагин В.А. Немчин А.Ф. Кавитационная технология. Красноярск: Изд-во КГУ, 1990. 200 с.
[2] Демиденко Н.Д., Кулагин В.А., Шокин Ю.И. Моделирование и вычислительные технологии распределенных систем. Новосибирск: Наука, 2012. 424 с.
[3] Dubrovskaja O.G., Yevstigneev V.V., Kulagin V.A. // Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies, 6 (2013 6) 680-689;
[4] Кулагин В.А., Евстигнеев В.В. // Вестник Международной академии наук экологии и безопасности жизнедеятельности. 2009. Т. 14. № 6. С. 242-245.
[5] Дубровская О .Г., Кулагин В.А. // Вестник КрасГАУ 2007. № 2 (17). С. 146-153.
[6] Дубровская О.Г., Евстигнеев В.В., Кулагин В.А. // Безопасность жизнедеятельности. 2012. № 3. С. 26-30.
[7] Степанян Р.С., Айрапетян Г.С., Аракелян А.Г. и др. // Биофизика. 1999. Т. 44. Вып. 2. С. 197-202.
[8] Дерпгольц В.Ф. Мир воды. Л.: Недра, 1979. 254 с.
[9] Букатый В.И., Нестерюк П.И. // Ползуновский вестник. 2010. № 2. С. 60-65.
[10] Стебелева О.П., Сапожникова Е.С., Криволуцкий А.С. // Вестник ассоциации выпускников КГТУ. Красноярск: ПИК «Офсет», 2011. С. 78-83.
Особенности влияния эффектов кавитации на физико-химические свойства воды и стоков
В.А. Кулагина, Е.С. Сапожниковаа, О.П. Стебелеваа, Л.В. Кашкинаа, Чжи-Ин Чжэнб, Цянь Либ, Фэн-Чэнь Либ
аСибирский федеральный университет, Россия, 660041, Красноярск, пр. Свободный, 79 бШкола энергетических наук и техники Харбинский технологический институт Китай, 150001, Харбин
Представлены результаты исследований дистиллированной и водопроводной воды после воздействия гидродинамической кавитации при различных временных режимах. Выявлены изменения температуры, электропроводности, водородного показателя, окислительно-восстановительного потенциала, кислородосодержания в зависимости от времени воздействия кавитации. Установлена рациональная продолжительность кавитационной обработки для получения активированной воды. Результаты экспериментов показали возможность использования технологии для очистки сточных вод.
Ключевые слова: кавитационная технология, активированная вода, стоки, суперкавитация, физико-химические характеристики воды.
