CC BY
14
УДК 544.72:628.[39+472]
ОСОБЛИВОСТ1 РЕГЕНЕРАЦН БЕНТОН1ТУ З ВИКОРИСТАННЯМ НАДВИСОКОЧАСТОТНОГО ВИПРОМ1НЮВАННЯ (НА ПРИКЛАД1 Б1ОГЕННИХ 1ОН1В)
А.З. Концур1, О.Р. Карп'як2,Л.В. Сиса3
Розглянуто питання оптимiзацiï процес1в очищения природних i стiчних вод. Основ-ну увагу звернуто на розроблення нових методiв i методик пiдвищення ефективност регенерацп природного сорбенту бентонiту. Зокрема, запропоновано новий метод сти-муляцп та регенерацп цього сорбенту - дш на нього надвисокочастотного електромаг-нiтного випромшювання (НВЧ ЕМВ) у поеднанш з промиванням водою. Побудовано графiки змши параметрiв адсорбци бюгенних iонiв (амонiю, нiтритiв, штра™ та фос-фат1в) залежно вiд способу оброблення сорбенту. За рiвняннями iзотерм Ленгмюра роз-раховано вiдповiднi константи адсорбцiйних процесiв.
Ключовi слова: бюгенш юни, амонш, нiтрити, нiтрати, фосфати, спчш води, адсор-бцiя, очищення, бентонiт, регенерацiя, надвисокочастотне електромагнiтне випромшю-вання, iзотерма Ленгмюра.
Вступ. Бюгенш полютанти води, TaKi як амонш-, нiтрит- та нiтрат-iони ("азотистi" юни), е важливими об'ектами для спостереження та подальшого контролю за ïx вмiстом, оскшьки вони характеризують штенсивнкть окисно-вiдновниx процесiв у природних i спчних водах. Окрш цього, у спчних водах житлово-побутових шдприемств внаслiдок застосування мийних засобiв часто присутн фосфат-iони [1]. Для промислового очищення природних i стiчниx вод використовують мехашчш та бiологiчнi методи - аерацiя, вiдстоювання, фiльтрацiя, сорбщя синтетичними та природними матерiалами тощо.
Бентонiти - один з видiв природних глинистих сорбештв, якi напряму або пiсля xiмiчного модифiкування застосовують у багатьох виробничих процесах, зокрема, у водоочищенш, в харчових технолопях, медицинi тощо. За xiмiчною природою вони е складними алюмосилiкатами, у яких поряд з Л120з та Si02 присутнi також оксиди з^за, лужних та лужноземельних металш [2].
Для продовження термiну служби сорбенпв та отримання вiдчутного еконо-мiчного ефекту дедалi частiше застосовують 1х регенерацда [3]. Перспективним напрямком пiдвищення ефективностi регенерацiï сорбент е використання для ujeï мети надвисокочастотного електромагшгного випромiнювання (НВЧ ЕМВ). На цей час таю дослщження проведено на прикладах окремих синтетичних сорбештв [4, 5 та ш], тод як природнi сорбенти у цьому планi вивчено мало.
Мета дослвдження - оптимiзацiя окремих параметрiв процесу пiдготовки бентонiту до очищення водних систем вщ бiогенниx компонештв (iонiв амонда, нiтритiв, нiтратiв та фосфатш) та його регенерацп з використанням НВЧ ЕМВ.
Методики виконання дослвдження. Концентрацп обраних для досль дження iонiв у модельних та робочих розчинах визначено фотоколориметрично за вщомими методиками: амонда - з реактивом Несслера; шгрштв - з реактивом Грка; нiтратiв - з салщилатом натрiю; фосфат1в - з комбшованим "молiб-деновим реактивом" та аскорбшовою кислотою [6].
1 слухач заочного вщдшення ад'юнктури А.З. Концур - Льв1вський ДУ безпеки життGдiяльностi;
2 шженер-х1м1к лабораторп О.Р. Карп'як - ВОДЧ-1 Львгвсь^ залiзнинi, м. Льв1в;
3 доц. Л.В. Сиса, канд. xím. наук - Льв1вський ДУ безпеки життeдiяльностi
Експериментальнi дослщження проведено у НДЛ екобезпеки ЛДУ БЖД (свщ. атест. № РЛ 097/14 вщ 28.07. 2014 р); зовшшньо-лабораторний контроль - у лабораторп ВОДЧ-1 Львiвськоí залiзницi. Використано спектрофотометр Брекгошош 195Б, концентращйний фотоколориметр КФК-2 та фотометр иЪЛБ-102. Як джерело НВЧ ЕМВ використано генератор на магнетрош моделi М-105, який розробили та виготовили автори (рис. 1). Схема ушмкнення - стандартна, без импульсного модулювання; дiапазон випромшювання - 2,45 ГГц; вихщна потужнiсть - 790 Вт. Для кращого розподiлення та концентрування випромiнювання використано рупорну антену, розраховану згiдно з вщповщни-ми методиками [7].
Рис. 1. Схема установки для НВЧ-регенерацп сорбент1в: 1) магнетрон;
2) рупорна антена; 3) система охолодження магнетрона; 4) блок живлення магнетрона; 5) системарегулювання положення магнетрона; 6) лоток для проб;
7) захисний екран
Опрацювання експериментальних результапв - побудову i30TepM Ленгмю-ра, ïx гpафiчне та аналгтичне оброблення, розрахунки napaMeTpiB адсорбцп -здiйснено за класичними методиками [8], з використанням стандартних процедур пакету Microsoft Office Excel. Сорбентом слугував бентошт тонкого помолу, придбаний у загальнiй торпвельнш меpежi (мкомеpцiйнийм). Модельнi роз-чини ("моделГ') виготовлено iз стандартних зразюв pозчинiв вiдповiдниx iонiв.
Соpбцiйнi властивосл бентонiту вивчали у статичних умовах [3, 9, 10 та ш.]. У конiчнi склянi колби помщали 250 мл робочих pозчинiв, отриманих роз-бавленням вiдповiдного об'ему "моделГ' бiдистилатом; потiм вносили наважки бентошту масою 1,0 г. Отриману суспенз1ю пеpемiшували, а пiсля вщстоюван-ня з не'1 вiдбиpали алiквоту та анаизували на вмiст вiдповiдниx ютв.
Попеpеднiм xiмiчним аналiзом бщистилатно'1 витяжки з нативного зразка бентошту виявлено присутнють у ньому значно'1 кшькосл iонiв амонш (0,8 мг/г). Штрити та нiтpати у цiй витяжщ виявлено у слiдовиx кiлькостяx; рухливих фосфатiв на виявлено.
Враховуючи цей факт, дослщжували як нативний зразок, так i попередньо очищений комбшованим способом: промиванням його водою одночасно з дiею
НВЧ ЕМВ. Такий процес можна вважати i очищениям вiд природних забруд-нень, i активащею, i регенеращею, тому раиiше було запропоновано вживати термш "стимуляция" [10]. Для цього наважку нативного беитоиiту заливали малою кшькктю бiдистильоваиоí води та шддавали дií НВЧ ЕМВ. Пiсля ввдсто-ювання залишки промивно!' води зшмали зi сорбенту за допомогою вакуумно!' помпи. Регеиерацiю сорбенту пiсля контакту з робочими розчинами виконували за аналопчною схемою: пiсля вiдбору проб для аналiзу, зливали з наважки бен-тоиiту залишки сорбату, додавали у колби бiдистилат, дiяли на сорбент НВЧ ЕМВ та збирали промивну воду.
Результати та обговорення. Контакту з робочими розчинами шддавали таю серп наважок сорбенту:
• 1 - нативний зразок бентотту ("комерцшний", серiя "нат");
• 2 - промитий бщистильованою водою без використання НВЧ ЕМВ (сер1я "вод");
• 3 - промитий бщистильованою водою з одночасним опромшенням НВЧ ЕМВ уп-родовж 30 с (т. зв. "стимульований"; сер1я "ст30");
• 4 - "стимульований" 60 с (сер1я "ст60");
• 5 - зразки сорбенту сери "нат" тсля першо'1 "сорбцп" регенерували НВЧ ЕМВ уп-родовж 30 с (серк "нат_р30);
• 6 - зразки сорбенту сери "вод" тсля першо'1 "сорбцп" регенерували НВЧ ЕМВ уп-родовж 30 с (сер1я "вод_р30);
• 7 - зразки сорбенту сери "стим30" пiсля першо'1 "сорбцп" регенерували НВЧ ЕМВ упродовж 30 с (сер1я "ст30_р30);
• 8 - зразки сорбенту сери "стим60" тсля першо'1 "сорбцп" регенерували НВЧ ЕМВ упродовж 60 с (сер1я "ст60_р60).
Для кожно! серií сорбенту побудовано графiки залежностей величини ад-сорбцií А вiд концентрацií розчину (рис. 2-4) та вiдповiднi iзотерми Ленгмюра, з яких за формулами (1) i (2) розраховано Ат (гранична молекулярна адсорбцiя -емнкть моношару (табл.)) та К (константа адсорбщйно!' ршноваги).
А = ^ V;
(1)
с А
11
:-+ — с,
АхК Ах
(2),
де: с0 - початкова концетращя вiдповiдного iону у модельному розчиш; с -концентрация цього ж iону пiсля сорбцп; V- об'ем проби; т - наважка сорбенту.
Табл. Значення граничноI адсорбци (eмностi моношару) для бентотту у рiзних
№ з/п Сер1я Гранична адсорбц1я, мг/г
N0^ N0^ РО43-
1 "нат" 0,262 0,150 0,087 0,235
2 "вод" 0,220 0,180 0,150 0,360
3 "ст30" 0,210 0,220 0,210 0,390
4 "ст60" 0,207 0,261 0,251 0,486
5 "нат р30" 0,205 0,242 0,271 0,511
6 "вод р30" 0,200 0,230 0,295 0,620
7 "ст30 р30" 0,185 0,229 0,380 0,763
8 "ст60 р60" 0,180 0,245 0,375 0,740
т
0,50 1,00
Концентращя, мг/л
Рис. 2. Залежшсть величини адсорбци вiд концентраци бюгенних ютв для нативного зразка бентотту
Концентращя,
Рис. 3. Залежшсть величини адсорбци вiд концентраци бюгенних ютв для зразка бентошту, стимульованого НВЧ-випром1нюваннямупродовж 60 с
0,40 0,60 0,80 Концентращя, мг/л
Рис. 4. Залежшсть величини адсорбци вiд концентраци бюгенних ютв для зразка бентонту, стимульованого та регенерованого з використанням НВ Ч-випромтювання
На рис. 5 графiчно показано змiни параме^в адсорбцií бiогенних iонiв бентонiтом залежно вiд способу його оброблення (просте промивання, стимуля-ц1я, регенерац1я).
Рис. 5. Змти величины граничное адсорбци бюгенних юте для бентошту залежно вiд умов експерименту
Як видно з рис. 2-4, характер процесу адсорбци юшв амонш на зразку бентошту мало змшюеться вщ методу оброблення. Значення параметра сорбцп А зростае за малих концентрацш амонiй-iонiв, виходить максимум за величини бл. 0,2 ммоль/г, а попм починае спадати. З наростанням концентрацп нiтритiв у розчинах збтьшуеться параметр сорбцп А, виходить на максимум (бл. 0,12 ммоль/г для нативного зразка) i за подальшого зростання концентрацп змь нюеться мало. У випадку регенерованого зразка зростае сам максимум насичен-ня (бл. 0,22 ммоль/г), але характер криво'' адсорбци практично не змшюеться.
Подiбну ситуацш спостережено i з параметром адсорбци нират-юшв у ви-падках нативного та "стимульованого" зразкiв - зростання та плавний вихiд на максимум. Однак у випадку регенерованого зразка виходу на максимум адсор-бцшно'' рiвноваги не досягнуто - очевидно, обрана для дослщження концентра-щя робочого розчину е замалою.
Зростання параметра адсорбци фосфапв вiдбуваеться рiвномiрно i плавно у всiх варiантах пiдготовки зразкiв цього сорбенту. При цьому варто зауважити, що максимум адсорбцшно'1 рiвноваги чiтко зростае вщ нативного до "стимульованого" зразка, а у випадку НВЧ-регенерованого бентошту рiвноваги не досягнуто. Тобто, пщбравши вiдповiднi параметри "стимуляци" та регенераци бен-тонiту з використанням НВЧ-випромiнювання, можна ще покращити сорбцшш властивостi цього матерiалу. Висновки:
1. Опромшення природного сорбенту бентошту НВЧ ЕМВ одночасно з проми-ванням водою у процесi регенераци значно покращуе його сорбцiйнi власти-востi.
2. Сорбцiя нiтрит- та нгграт-юшв на попередньо опромiнених та регенерованих зразках бентошту вщбуваеться ефектившше, нiж на природному матерiалi.
3. Настання адсорбцшно'1 рiвноваги фосфат-iонiв у цьому експеримент не досягнуто, тобто е змога покращити сорбцшш параметри бентошту за цими юнами, шдбираючи вiдповiдну потужнiсть та тривалють НВЧ-опромiнення.
Лiтература
1. Запольський А.К. Водопостачання, водовщведення та яюсть води / А.К. Запольський. -К. : Вид-во "Вища шк.", 2005. - 671 с.
2. Дистанов У.Г. Природные сорбенты СССР / У.Г. Дистанов, А.С. Михайлов, Т.П. Конюхова и др. - М. : Изд-во "Недра", 1990. - 208 с.
3. Лукин В.Д. Регенерация адсорбентов / В.Д. Лукин, И.С. Анципович. - Л. : Изд-во "Химия", 1983. - 256 с.
4. Срмолаева М.С. Синтез та дослщження сорбцшних властивостей дюксиду титану суб-мжронного розмiру / М.С. Срмолаева, О.1. Юрченко, К.М. Белков, С.Ю. Брильова // Вюник Хар-ювського национального ушверситету iм. В.Н. Каразша : зб. наук. праць. - Сер.: Хiмiя. - Харкв : Вид-во ХНУ. - 2010. - № 895, вип. 18(41). - С. 107-113.
5. Рымарь С.И. Установка для регенерации сорбентов в электромагнитном поле / С.И. Ры-марь // Вюник Нащонального техшчного ушверситету "Харювський полтехшчний шститут" : зб. наук. праць. - Сер.: 1нформатика та моделювання. - Харкiв : Вид-во НТУ "ХП1". - 2013. - № 33 (1066). - С. 66-70.
6. Дмитриев М.М. Санитарно-химический анализ загрязняющих веществ в окружающей среде. Справочник / М.Т. Дмитриев, Н.И. Казнина, И. А. Пинигина. - М. : Изд-во "Химия", 1989. - 348 с.
7. Чернушенко А.М. Конструирование экранов и СВЧ-устройств / под ред. проф. А.М. Чернушенко. - М. : Изд-во "Радио и связь", 1990. - 456 с.
8. Фридрихсберг Д.А. Курс коллоидной химии / Д.А. Фридрихсберг. - С-Пб. : Изд-во "Химия", 1995. - 368 с.
9. Петрова М.А. Адсорбцшно-бар'ерш властивост бентошту Язiвського родовища як мате-рiалу протифшьтрацшних екрашв / М.А. Петрова, М.О. Постшкова, К.В. Степова // ВосточноЕвропейский журнал передовых технологий : сб. науч. тр., 2014. - С. 36-41.
10. Концур А.З. Сорбця бюгенних ашошв на бентонт, стимульованому надвисокочастот-ним електромагнiтним випромшюванням / А.З. Концур, Л.В. Сиса // Вюник Льв]вського державного ушверситету безпеки життедiяльностi : зб. наук. праць. - Львгв : Вид-во Львгвського ДУ БЖД. - 2016. - № 13. - С. 87-92.
Надтшла до редакцп 22.11.2016р.
Концур А.З., Карпяк А.Р., Сыса Л.В. Особенности регенерации бентонита с использованием сверхвысокочастотного излучения (на примере биогенных ионов)
Рассмотрены вопросы оптимизации процессов очистки природных и сточных вод. Главное внимание уделено разработке новых методов и методик повышения эффективности регенерации природного сорбента бентонита. В частности, предложен новый метод стимуляции и регенерации этого сорбента - воздействие на него сверхвысокочастотным электромагнитным излучением (СВЧ ЭМИ) совместно с промывкой водой. Построены графики изменения параметров адсорбции биогенных ионов (аммония, нитритов, нитратов и фосфатов) в зависимости от способа обработки сорбента. По уравнениям изотерм Ленгмюра рассчитаны соответствующие константы адсорбционных процессов.
Ключевые слова: биогенные ионы, аммоний, нитриты, нитраты, фосфаты, сточные воды, адсорбция, очистка, бентонит, регенерация, сверхвысокочастотное электромагнитное излучение, изотерма Ленгмюра.
KontsurA.Z, KarpyakA.R., SysaL.V. Some Peculiarities of Bentonite Regeneration by Means of Using High-frequency Emanation (on the Example of Biogenic Ions)
Several equations of optimization processes of purification natural and waste water are reviewed. The main attention is paid to the development of new methods and techniques for improving the efficiency of regeneration of natural sorbent bentonite. The new method of stimulation and regeneration of the sorbent - the effect on it of microwave electromagnetic radiation (EMR UHF) in combination with flushing water is proposed in particular. Graphs of pa-
rameters adsorption of biogenic ions (ammonia, nitrites, nitrates and phosphates) depending on the method of processing the sorbent are designed. Corresponding constants of adsorption processes are calculated according to Langmuir isotherms equations.
Keywords: biogenic ions, ammonia, nitrites, nitrates, phosphates, wastewater, adsorption, purification, bentonite, regeneration, microwave electromagnetic radiation Langmuir isotherm.
УДК 614.841.4
ВПЛИВ ЦЫЬОВИХ ДОБАВОК ДО ВОДИ НА ЕФЕКТИВШСТЬ ГАС1ННЯ ПОЖЕЖ ТВЕРДИХ РЕЧОВИН
О. О. СЫков1, Я.В. Балло2, В. С. Бенедюк3
Наведено результати експериментальних дослщжень з визначення впливу цшьових добавок на осжга силшату натрш та карбонату калш до води на ефектившсть гасшня пожежi твердих речовин системою спринклерного пожежогасшня у спещальному боки для проведения вогневих випробувань ВБК 280. Шд час дослщжень встановлено вщ-носну вогнегасну ефективнiсть водного вогнегасного розчину i3 вмiстом цiльових добавок на основi рiдкого натрieвого скла та карбонату калш у вод^ поршняно iз водою без добавок шд час натурних вогневих випробувань з гасшня дерев'яних стандартних мо-дельних вогнищ пожежi класу А.
Ключовi слова: гасшня дерев'яних модельних вогнищ, водний вогнегасний розчин, цiльовi добавки, вщносна вогнегасна ефективнiсть, система пожежогасшня.
Вступ. За результатами попередшх дослвджень [1], у лабораторних умовах, визначено ввдносну вогнегасну ефективнiсть водно!' вогнегасно!' речовини (да-лi - ВВР) з щльовими добавками, а саме з 1 %-м вмктом Na2SiO3 та K2CO3 у ршних пропорциях пiд час гасiння модельного вогнища пожежi з деревини, поршняно iз водою без добавок.
У житлових та громадських будинках, зокрема висотних, як техшчш засо-би пожежогаання використовують пожежнi кран-комплекти та спринклерн системи пожежогасiння [2-5]. Шдвищення ефективностi систем пожежогасiння для протипожежного захисту будинкш рiзного призначення е актуальною на-уково-технiчною задачею. Значний обсяг наукових робiт стосовно дослвдження щодо пiдвищення вiдносноí вогнегасно!' ефективносп ВВР та ii використання в системах пожежогасшня висвилено в роботах [6-9]. Проте щ роботи не врахо-вують особливостi застосування ВВР для ввдокремлених систем пожежогасiння ввд господарсько-питного водопроводу. Отже, основне завдання дослiджень по-лягае у наближенш до натурних умов дослiдження з гасшня вогнищ пожежi твердих речовин, а саме деревини, що за пожежною класифшащею належить до пожеж класу А.
Експериментальш дослiдження проведено шляхом моделювання умов гасшня пожежi системою спринклерного пожежогасiння у буд1м для визначення ввдносно! вогнегасно!' ефективносп дослщжувано! ВВР, порiвняно з водою без добавок. Критериями ввдносно! вогнегасно!' ефективностi ВВР шд час експери-
1 ст. наук. спгвроб., пров. наук. сп1вроб. О.О. Свков, канд. техн. наук - УкрНД1 цнв1льного захисту;
2 наук. сп1вроб. Я.В. Балло - УкрНД1 цившьного захисту;
3 наук. сп1вроб. В.С. Бенедюк - УкрНД1 цив1льного захисту
ментальних дослщжень прийнято: час гасiння (t, с) модельного вогнища пожежi твердих речовин дослщжуваною ВВР, та водою без добавок за однакових умов li подачi; загальна кiлькiсть ВВР (R, л) або води без добавок, що було витрачено пiд час гасшня модельного вогнища.
Мета дослщження полягае в експериментальному визначеннi впливу цшьових добавок до води на ефектившсть гасiння пожеж твердих речовин, по-рiвняно з водою без добавок системою спринклерного пожежогасшня тд час натурних вогневих випробувань.
Матерiали та методи дослщження. Застосовано методику пол^онних на-турних вогневих випробувань для дослiджень вщносно! вогнегасно! ефектив-ностi водних вогнегасних речовин. Результати дослiджень оброблено методами обчислювально! математики iз використанням програмного комплексу "Microsoft Office".
Результати дослщження. Експериментальш дослiдження здiйснювали у спещальному боксi для проведення вогневих випробувань ВБК 280 на випробу-вальному стендi (що моделюе спринклерну систему пожежогасiння), до складу якого входять: горизонтальний насос вiдцентрового типу Д160-112 з витратою води Q - 160 м3/год та максимальним напором води Н - 112 м, резервуар об'емом 1,4 м3, обладнаний байпасною лiнiею для можливосп регулювання тис-ку за допомогою крана 14. На рис. 1 зображено схему випробувального стенда для проведення натурних вогневих випробувань.
Рис. 1. Схема випробувального стенда для проведення натурних вогневих випробувань: 1) наливний mpy6onpoeid; 2) резервуар; 3) тдикатор об'ему води в pesepeyapi; 4) байпасна лiнiярегулювання тиску; 5) блок управлтня насосною станщею; 6) насос; 7) манометр; 8) подавальний трубопровiд; 9) спринклерний зрошувач; 10) модельне вогнище пожежi класу 13А; 11) деко для палива;
12) тдставка; 13) випробувальний бокс ВБК 280; 14) кран
Ыд час експериментальних дослщжень використано стандарты модельш вогнища пожежi класу А, що за класифжащею [10] вщповщають моделi 13 А. Як горючий матерiал для цього модельного вогнища використано сосновi бруски з поперечним перерiзом 40±2 мм на 40±2 мм та довжиною 500±5 мм. Штабель складаеться iз 12 шарiв, у кожному шарi по шшть брусмв. Площа горшня стан-
