CC BY
9
УДК 628.162.1
doi: 10.55287/22275398_2022_1_32
ОСВЕТЛЕНИЕ И ОБЕСЦВЕЧИВАНИЕ ПРИРОДНЫХ ВОД В УЛЬТРАЗВУКОВОМ ПОЛЕ
П. Д. Викулин
Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ), г. Москва
Ключевые слова
ультразвук, реактор, ультразвуковое поле, кавитация, цветность, мутность, коагуляция, фильтрация
Аннотация
К физическим методам очистки воды относятся поля - импульсное, магнитное, высокочастотное, рентгеновское, ультрафиолетовое. Приведены литературные источники, в которых отмечается начало изучения различных химических эффектов, возникающих в ультразвуковом поле.
В водной среде с участием ультразвука возможны реакции:
• синтез и распад органических и неорганических соединений;
• с макромолекулами и ультразвуковыми колебаниями ускоряются процессы деполимеризации или полимеризации:
• кристаллизация;
• дегазация.
Актуальность работы заключается в исследовании ультразвукового поля в режиме кавитации для интенсификации процессов водоочистки, которая находится в рамках научной проблемы использования физических полей в технологических производственных циклах.
Предоставлена информация о схеме лабораторного устройства и порядке определения качества воды с экспозицией ультразвуком.
Получены и описаны результаты экспериментальных работ на установке «Струя» совместно с ультразвуковым реактором в кавитационном режиме.
Дата поступления в редакцию
10.04.22
Дата принятия к печати
14.04.22
Ультразвуковые колебания определённой частоты аналогичны по воздействию на водную среду другим физическим полям. Многообразие проявления свойств кавитационных полостей в различных средах способствует их использованию для интенсификации технических процессов. Постановка вопросао применения ультразвукового поля в технологии водоподготовки является актуальной задачей.
Начало изучения различных химических эффектов, возникающих в ультразвуковом поле, относится к двадцатым-тридцатым годам 20 века [1, 2]. В работах [3, 4. 5, 6, 7] приводятся теоретические и экспериментальные результаты воздействия ультразвукового поля на вещество, позволяющие объяснить механизм ускорения реакций. При наложении ультразвукового поля
на среду энергия упругих колебаний переходит в механическое и химическое действие [7, 8]. В зависимости от свойств среды и параметров ультразвука проходят реакции аналогичные радиолизу [8, 9], тлеющему разряду в электрическом поле и фотолизу [10, 11]. В водной среде наблюдаются молекулярные перегруппировки, связанные с частотой и интенсивностью ультразвуковых колебаний [6, 12].
При рассмотрении коллоидных структур с наложением ультразвука наблюдаются реакции полимеризации, с изменением частоты ультразвука при постоянной интенсивности возникают реакции деполимеризации.
На протекание кавитации оказывает влияние состав воды, а именно, минерализация, растворённые газообразные вещества, концентрация ионов водорода и гидроксила. Растворенные в воде вещества диссоциированы, и в результате воздействия кавитации они активизируются. Активизированные ионы обладают повышенной реакционной способностью с ускорением химических реакций. В положительной фазе давления возникает разрыв водной среды, что вызывает возникновение вторичных ультразвуковых эффектов. С образованием интенсивных, белее 0,1 Вт/см2, акустических колебаний в жидкости происходит разрыв сплошности среды. Жидкость превращается в двухфазную систему.
Согласно одной теории в воде разрываются шарообразные полости, приводящие к свечению воды. Предполагается при достигающих температурах и давлении появление дополнительных активированных диссоциированных ионов. Доказано в результате взрыва появление электронов и радикалов. Потенциалы, возникающие на поверхности полости границы раздела фаз, связаны с электрическими зарядами. Противоположные по знаку заряды способствуют разрыву полости в воде с местным давлением 104 атм.
Напряжение электрического поля в шарообразной полости имеет следующую зависимость:
Е = —Жб ,
п ЧИП
г
03
г
м О
-I
м
Э СО
где Еп — электрическая напряженность поля, в/см.; 8п — ширина раздела фаз, А; Ып — количество диссоциированных молекул в единице объема; гп — радиус шарообразной полости, см.; ё — заряд электрона.
Согласно принятой модели в кавитационной полости могут осуществляться процессы по следующей схеме:
н20
уз
Н2О
уз
уз
Н2О ОН • +ОН' Н' +Н'
*Н2О++ё >Н' +ОН-+е
юн ' +н-+е ^2
В ультразвуковом поле в режиме кавитации появляются активные радикалы, дополнительные электроны, водород, пероксид водорода. Схема образования приведена ниже.
н20
>ОН• ; Н •; е; Н2; Н202; Н02.
4 о и
X г
0
а ^
а с
<и
1
га и
Т
Щ
и
и (и ю I О 5 ^
с; Щ
* 5
и ° со н . щ а и
. о
С О
При схлопывании кавитационного пузырька происходит рассеивание радикалов в окружающую среду. Время существование шарообразной полости является функцией ультразвуковых колебаний и составляет 10-2-10-4 с.
Работа, в которой описана возможность применения физического метода водоподготовки с использованием ультразвукового поля, является исследование Н. К. Лопырева. Воздействием ультразвукового поля на воду обуславливается возникновение ассоциаций молекул. При этом обнаруживается эффект ориентации молекул. Ультразвуковые волны при распространении в водной среде образуют области «сжатия» и «растяжения», что приводит к разделению групп ассоциированных молекул. В работе показано возникновение дополнительных центров кристаллизации в ультразвуковом поле. Исследования Н. К. Лопырева согласуются и дополняют работы по влиянию ультразвука на вещество.
Поверхностные воды рек характеризуются присутствием в воде органических полимеров — гу-миновые кислоты С18Н1508Ы, фульвокислоты С14И19012К, и неорганических примесей, подлежащих изъятию. Используя действия ультразвукового поля на водную среду с органическими полимерами, можно оказать влияние на интенсификацию процессов обесцвечивания и коагуляция мелкодисперсной взвеси с последующим фильтрованием.
Применение физического метода — ультразвукового поля в режиме кавитации — для интенсификации процессов водоочистки находится в рамках научной проблемы использования физических полей в технологических производственных циклах. Актуальность работы состоит в применении ультразвукового поля в технологии водоподготовки.
Цель работы состоит в определении экспозиции ультразвуковой кавитации и снижении дозы коагулянта для очистки воды. Задача заключается в получении экспериментальных данных с использованием модульной полупроизводственной установки «Струя» и встроенного в технологический цикл ультразвукового генератора УЗГ-2-4 для создания ультразвукового поля в режиме кавитации с помощью преобразователя ПМС6-22.
Экспериментальная лабораторная модель состоит из полупроизводственной установки «Струя» заводского изготовления, ультразвукового генератора УЗГ-2-4 в комплекте с преобразователем ПМС6-22 и реактором. Принципиальная схема установки «Струя» представлена на рис. 1.
7
Рис. 1. Принципиальная схема установки типа «Струя»:
1 — ввод исходной воды из реки Сходня; 2 — насос подачи воды; 3 — трубопровод подачи реагентов; 4 — расходный бак коагулянта; 5 — обратный клапан; 6 — операционная запорная арматура; 7 — обводная линия; 8 — трубчатый отстойник; 9 — напорный фильтр; 10 — резервуар чистой воды
Основные элементы заводского изготовления и комплектации установки «Струя»:
• отстойник — 1;
• фильтр песчаный — 1;
• песок кварцевый, м3 — 1,25;
• бак реагента винипластовый — 1;
• электромешалка — 1;
• манометры — 2;
• водомер — 1.
Схема полупроизводственной установки «Струя» с использованием ультразвукового поля показана на рис. 2.
03
г
м О
-I
м
Э СО
Рис. 2. Схема полупроизводственной установки «Струя» с использованием ультразвукового поля: 1 — подающий насос; 2 — обрабатываемая жидкость; 3 и 3а — излучающие поверхности (первый и второй вариант); 4 — реактор для озвучивания воды; 5 — ультразвуковой генератор УЗГ-2-4; 6 и 7 — расходные баки реагентов; 8 и 9 — насосы-дозаторы; 10 — насос; 11 и 12 — трубопроводы подачи реагентов; 13 — камера хлопьеобразования; 14 — трубчатый отстойник; 15 — напорный фильтр; 16 — резервуар чистой воды
В экспериментах применялось оборудование ультразвукового назначения марки УЗГ-2-4 и ПМС-6-22.
Ультразвуковой генератор УЗГ-2-4 с техническими характеристиками:
мощность генератора выходная, кВт 4,5 ± 0,5
напряжение выходное, В 360 ± 80
частота выходная (регулируемая), кГц 20,5 - 23,5
коэффициент полезного действия, % 75
габариты, мм 720 х 580 х 1350
4 о и
X г
0
а ^
а с
<и
1
га и
Т
Щ
и
и (и ю I О 5 ^
с; Щ
* 5
* I И О со н
. щ а и
. о
С О
Преобразователь магнитострикционный ПМС-6-22 с техническими характеристиками: потребляемая мощность, не более — 2,5 кВт; напряжение питание — 360 ± 80 В; рабочая частота — 22 ± 1,65 кГц; масса, не более — 11 кг; габариты — 300x300x191 мм.
Экспериментальные исследования по кавитационному влиянию на воду проводились с использование ультразвуковой ёмкости (реактор). Реактор изготовлен из стали марки Х18Н1СТ. В ёмкость встраивается ультразвуковая мембрана марки ПМС-6-22. Форма реактора прямоугольная с размерами в плане 400x400 мм.
Режим кавитации в воде осуществлялся со следующими подготовительными мероприятиями:
• встраивание в технологическую схему водоочистной установки «Струя» ультразвукового оборудования с реактором;
• выведение ультразвукового оборудования на режим кавитации в принятых условиях.
Насосный агрегат расходом 100 м3/сут в равномерном режиме подаёт воду на установку «Струя».
При встраивании ультразвукового реактора в технологическую схему очистки воды подача воды насосом переключается на подачу воды через реактор с последующей передачей воды на установку «Струя». В начальный момент технологическая схема может работать без использования ультразвукового поля, а в последующем — с обработкой воды ультразвуковым полем в режиме кавитации.
Параметры кавитационного режима — интенсивность ультразвука — 1,5Вт/см2, частота — 22 кГц. Регистрацию кавитационного режима осуществляем по эрозии полотна фольги (размер полотна фольги 300x400 мм.). Для регистрации кавитации полотно фольги располагалось в реакторе перпендикулярно излучателю, а верхняя часть полотна — перпендикулярно свободной поверхности воды.
На рис. 3 представлена фотография кавитационной эрозии фольги от ультразвукового воздействия. Разрушение полотна фольги подтверждает наличие кавитационного режима в воде.
Целесообразно осуществить экспериментальные исследования в двух вариантах:
Рис. 3. Подтверждение кавитационного режима в воде: ток подмагничивания А - 10; { = 22 кГц, I = 2,0 Вт/см2
Вариант № 1 (без ультразвукового поля).
Введение в исходную воду расчётной дозы коагулянта 10 мг/л по А1203 и последующая подача на установку «Струя».
На выходе осуществлялся отбор проб, и производилось определение качества воды по следующим показателям:
• мутность;
• цветность;
• щёлочность;
• рН.
Определение указанных показателей осуществлялось по стандарту.
Вариант № 2 (с применением ультразвукового поля).
Продолжительность воздействия ультразвукового поля на исходную воду составляла tозв от 0,5 до 4 с. Далее производилось введение в озвученную воду коагулянта дозой 1 мг/л по А1203 и последующая подача на установку «Струя». Оценка качества обработанной воды осуществлялась по методикам стандарта.
Для изучения влияния ультразвукового поля на интенсификацию процессов обесцвечивания и коагуляции мелкодисперсной взвеси с последующим фильтрованием выбран режим кавитации в водной среде. Под действием кавитационных явлений в водной среде происходит деструкция органических полимеров, к которым относятся гуминовые кислоты С18Н1508Ы и фульвокислоты С14Н19012Ы. В результате происходит образование активных радикалов и активация процесса последующей коагуляции.
На экспериментальной установке проведены лабораторные исследования по влиянию ультразвукового поля на процессы обесцвечивания и удаления взвешенных веществ методом коагуляции в ультразвуковом поле (рис. 2). Эксперименты проводились на воде реки Сходня. Качество исходной воды: мутность М—55,7 мг/л; цветность Ц—45,0 градус платиновой шкалы; щёлочность Щ—2,5 мг-экв/л; рН—7,8.
Полученные экспериментальные результаты по влиянию ультразвукового поля приведены в табл. 1.
03
г
м О
-I
м
Э СО
Результаты экспериментальных исследований
Таблица 1
Время Доза по Фильтрат
№ п.п экспозиции, с Al2Oз, мг/л М, мг/л Ц, град Щ, мг-экв/л рН Расход, м3/сут Прим.
1 2 3 4 5 6 7 8 9
1 0 10,0 8,0 10,0 1,6 7,5 100,0 1 вариант
2 0,5 1,0 0,55 1,2 2,3 7,5 100,0
3 1,0 1,0 0,50 1,0 2,4 7,5 100,0 2 вариант
4 2,0 1,0 0,50 1,0 2,4 7,5 100,0
5 4,0 1,0 0,50 1,0 2,4 7,5 100,0
6 5,0 0 55,7 45,0 2,5 7,5 100,0
о и
X г
0
а ^
а с
<и
1
га и
Т
Щ
и
и (и ю
0
<и
1
Щ
г ¡5
. (и а и
. о
С О
с; >
Во втором варианте экспериментов без добавления коагулянта ультразвуковое поле не оказывает влияние на исследуемые параметры воды.
Введение коагулянта дозой 1 мг/л по А1203 и времени экспозиции 1 с приводит к следующим показателям фильтрата:
• мутность М — 0,5 мг/л;
• цветность Ц — 1,0 градус;
• щёлочность Щ — 2,4 мг-экв/л;
• рН — 7,5.
В первом варианте эксперимента с добавлением коагулянта 10 мг/л по А1203 без ультразвукового поля качество воды следующее:
• мутность М — 8,0 мг/л;
• цветность Ц — 10,0 градус;
• щёлочность Щ — 1,6 мг-экв/л;
• рН — 7,5.
Выводы
1. Анализ литературных источников показал необходимость использования ультразвукового поля в кавитационном режиме в технологии водоподготовки.
2. Экспериментально подтверждена адекватность выбранной модели.
3. Экспериментальные исследования показали, что без добавления коагулянта ультразвуковое поле не оказывает воздействие на мутность и цветность.
4. В результате исследований при продолжительности экспозиции от 0,5 с до 4 с отрицательный десятичный логарифм концентрации ионов водорода (рН) снизился до значения 7,5.
5. При воздействии ультразвукового поля на воду с последующим ведением коагулянта дозой 1,0 мг/л по А1203 мутность снижается с 55,7 мг/л до 0,5 мг/л, экспозиция составила 1 с в режиме кавитации.
6. При воздействии ультразвукового поля на воду с последующим ведением коагулянта дозой 1,0 мг/л по А1203 цветность снижается с 45,0 град до 1,0 град, экспозиция составила 1 с в режиме кавитации.
Заключение
1. Основной проблемой коагуляции природных вод являются высокие дозы реагентов, зависящие от цветности и мутности в исходной воде.
2. Применение ультразвукового поля в кавитационном режиме расширяет использование физических методов для интенсификации процессов водоочистки.
3. Необходимым условием использования ультразвукового поля является предварительная обработка воды с последующим введением коагулянта.
4. Экспозиция ультразвукового поля зависит от исходного качества воды.
5. Для процессов обесцвечивания и осветления исходной воды предварительная обработка ультразвуковым полем в кавитационном режиме снижает дозы коагулянта в 10 раз со снижением мутности и цветности на 94%.
Библиографический список
1. Викулин П. Д. Физико-химические проявления акустического поля в технологиях кондиционирования воды. М.: АСВ. 2004. 251 с.
2. Zhou, Y., Zhai, L., Simmons, R. and Zhong, P. Measurement of high intensity focused ultrasound fields by a fiber optic probe hydrophone. J. Acoust. Soc. Am. V. 120, № 2. 2006. pp. 676 - 685.
3. Маргулис М. А. Сонолюминесценция. М.: Успехи физических наук. Т. 170, № 3. 2000. c. 263 - 287.
4. Сиротюк М. Г. Акустическая кавитация. М.: Наука. 2008. 271 с.
5. Голямина И. П. Ультразвук. Маленькая энциклопедия—М.: Советская энциклопедия. 1979. — c. 45 - 125.
6. Хилл, К., Бэмбер и Дж., тер Хаар, Г. Ультразвук в медицине. Физические основы применения. Пер. с англ. Москва, М.: Физматлит. 2008. 544 с.
7. Под редакцией Розенберга Л. Д. (1967). Физика и техника мощного ультразвука, т. 1 - 3. М.: О Наука. 1967. 380 c.
8. Khan, Y. Adewuyi. Modeling the Ultrasonic Cavitation-Enhanced Removal of Nitric Oxide from Flue Gases in a Bubble Column Reactor // American Institute of Chemical Engineerings, Annual Meeting. 2008.
9. Зубрилов С. П. Микрозагрязнители в питьевой воде городов. Вода и экология: проблемы и решения, №3 (75). 2018. с. 9 - 18.
10. Багров В. В., Графов Д. Р., Десятое А. В. Возможность интенсификации окислительно-восстановительных процессов при очистке воды за счет использования эффекта кавитации // Вода: химия и экология, № 12, 2013. с. 35 - 37.
11. Маргулис М. А. Основы звукохимии: химические реакции в акустических полях. М.: Высшая школа, 1984. 272 с.
12. Сиротюк М. Г. Акустическая кавитация. М.: Наука, 2008. 271 с.
Û
CÛ
CLARIFICATION AND DISCOLORATION OF NATURAL WATERS IN THE ULTRASONIC FIELD
P. D. Vikulin
Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU), Moscow
Abstract
Physical methods of water purification include fields — pulsed, magnetic, high-frequency, X-ray, ultraviolet. The literature sources are given, in which the beginning of the study of various chemical effects
The Keywords
ultrasound, reactor, ultrasonic field, cavitation, chromaticity, turbidity, coagulation, filtration
4
0 ffi
X
1
0 a s a с
<D
5
1
ra ш s
T
<u ffi J
и <U Ю
I О S S
Ç <u
> 5
s j»
CÛ p
. <u a U . о С О
arising in the ultrasonic field is noted. Date of receipt in edition
In an aqueous environment with the participation of ultrasound, 12.04.22 reactions are possible: Date of acceptance for printing
17 04 22
• synthesis and decomposition of organic and inorganic compounds;
• with macromolecules and ultrasonic vibrations, depolymerization or polymerization processes are accelerated:
• crystallization;
• degassing.
The relevance of the work lies in the study of the ultrasonic field in the cavitation mode for the intensification of water treatment processes, which is within the framework of the scientific problem of using physical fields in technological production cycles.
Information is provided on the scheme of the laboratory device and the procedure for determining the quality of water with ultrasound exposure.
The results of experimental work on the "Jet" installation together with an ultrasonic reactor in cavitation mode are obtained and described.
Ссылка для цитирования:
П. Д. Викулин. Осветление и обесцвечивание природных вод в ультразвуковом поле. — Системные технологии. — 2022. — № 42. — С. 32 - 40.
