CC BY
80
Науки о Земле
УДК 622.464
Герасимов Виктор Михайлович Victor Gerasimov
ПРИМЕНЕНИЕ ВОЛОКНИСТЫХ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ В ФИЛЬТРОВАНИИ ОБОРОТНЫХ И СТОЧНЫХ ВОД НА ГОРНЫХ ПРЕДПРИЯТИЯХ
APPLICATION OF THE FIBROUS POLYMERIC MATERIALS IN FILTERING TURNAROUND AND SEWAGE AT THE MOUNTAIN ENTERPRISES
Представлены теоретические зависимости процесса фильтрования волокнистыми полимерными материалами загрязненных вод горных предприятий, а также результаты натурных испытаний трубчатых фильтров
Ключевые слова: оборотные и сточные воды, фильтрование
Theoretical dependences of process of filtering by fibrous polymeric materials of the polluted waters of the mountain enterprises, and also results natural test of tubular filters are presented
Key words: turnaround and sewage, filtering
Разработка месторождений полезных ископаемых открытым способом на горных предприятиях производится с использованием горно-гидротехнических сооружений, возводимых из местных материалов и вскрышных пород. К таким сооружениям относят дамбы, плотины, с помощью которых создаются отстойники, хвостохранилища. При гидромеханизированной и дражной разработках россыпных месторождений каскад отстойников позволяет осаждать взвешенные твердые частицы гравитационным способом, тем самым осветляя промышленные стоки. Очищенная вода из пионерного отстойника возвращается в оборотный цикл или сбрасывается в естественные водотоки.
Эксплуатация отстойников показывает, что концентрация взвешенных грубо-дисперсных частиц размерами 5...80 мкм
в водах пионерного отстойника превышает допустимые природоохранные нормы [1; 2; 3]. Введение в воды отстойников коагулянтов и флокулянтов интенсифицирует процесс осаждения взвешенных частиц, но требует значительного расхода дорогостоящих химических реагентов [4].
В соответствии с требованиями природоохранного законодательства крупность взвешенных частиц, сбрасываемых в природные водотоки, не должна превышать 20.25 мкм. Поэтому в технологический цикл целесообразно вводить дополнительную очистку оборотных и сточных вод способом механического фильтрования, что эффективно способствует осветлению воды и снижает затраты на возведение многочисленных отстойников.
Из большого спектра фильтровальных материалов [5] волокнистые полимерные
материалы, изготовленные иглопробивным способом, в последнее время нашли широкое распространение благодаря высокой прочности, задерживающей способности, технологичности и небольшой стоимости [6]. Синтетические волокна диаметром 10... 30 мкм образуют пористую структуру полимерного материала с размерами пор 40.100 мкм в одном слое. Многослойное объемное строение волокнистой среды способствует уменьшению размеров капилляров. Вследствие этого струя жидкости при проходе сквозь волокнистый слой разбивается на мелкие, которые движутся по многократно меняющим направление траекториям, что ведет к отложению твердых частиц крупностью более 20 мкм как за счет механического заклинивания в капиллярах, так и за счет адсорбции [7].
Под действием сжимающей нагрузки волокнистые полимерные материалы упруго деформируются до 75 % деформации с повышением плотности в 4 раза и
уменьшением размеров пор в 2 раза и более. Изменяя степень сжатия волокнистых полимерных материалов в упругой зоне деформации, можно регулировать плотность, пористость и размеры пор [8].
Учитывая потребность промышленности в волокнистых полимерных материалах, разработан ассортимент фильтров для жидкостей, суспензий и аэрозолей с использованием как волокон одного типа, так и смесей волокон (табл. 1) [9].
Объемная плотность фильтровальных материалов находится в диапазоне 50.200 кг/м3, что позволяет подобрать фильтры с различной влагопроницаемостью.
Коэффициент фильтрации волокнистых полимерных материалов в продольном направлении составляет 0,003 м/с (250 м/ сут), а в поперечном направлении (в плоскости полотна) — 0,0002 м/с (20 м/сут), что объясняется направленностью расположения волокон [10].
Таблица 1
Фильтры на основе полимерных волокнистых материалов
Наименование фильтровального материала Структурный состав Поверхностная плотность, кг/м2 Высота слоя, мм Назначение
вид волокон содержание, %
Полотно иглопробивное (артикул 934403) Полиэфирные Полиамидные 50 50 0,35...0,7 2...3 Разделение суспензий, аэрозолей
Полотно иглопробивное (артикул 934403) Полиакрило-нитрильные 100 0,35...0,7 2...3 Разделение суспензий, аэрозолей
Полотно иглопробивное (артикул 934403) Лавсан 100 0,33 6,5.7 Разделение суспензий, аэрозолей
№ 330/1 (с пропиткой) Лавсан 100 0,33 1,3 Жидкостный
СЮНТ-120Ф Нитрон, капрон, вискоза 30 40 30 0,12 1,5.2 Жидкостный
СЮНТ-160Ф Нитрон, капрон, вискоза 30 40 30 0,16 2.2,2 Жидкостный
В направлении, перпендикулярном плоскости фильтровального материала, коэффициент фильтрации близок к значениям в продольном направлении. Вследствие этого волокнистые полимерные материалы в фильтровальных устройствах можно
размещать поперек тока жидкости и вдоль тока жидкости. В первом случае создается фильтровальная перегородка, во втором — фильтровальный рулон.
Фильтровальные перегородки (мембраны) по форме контура могут быть круг-
лыми или прямоугольными, по типу опира-ния — без опоры, с нижней сетчатой опорой, с верхней и нижней перфорируемыми опорами. Расположение фильтровальных перегородок в устройствах горизонтальное или вертикальное. Фильтровальные перегородки могут устанавливаться в съемную рамку, что позволяет оперативно производить замену использованной фильтровальной перегородки.
Конструкции фильтров с фильтровальными рулонами по форме контура могут быть круглыми, прямоугольными, овальными. Фильтровальные рулоны размещаются без зазоров в жестком или гибком корпусах, образуя трубчатые, коробчатые устройства, которые выполняются сплошными или разъемными. Расположение таких фильтров относительно уровня промышленных стоков в отстойниках позволяет выделить три типа движения жидкости: напорный, безнапорный, капиллярный [11].
Испытания волокнистых материалов на скручивание в рулоны показали, что происходит сжатие слоев в упругой стадии деформации, так как при разгрузке наблюдается полное восстановление начальных размеров.
Эффективность очистки стоков в фильтровальных рулонах трубчатых фильтров зависит от объемной плотности волокнистого полимерного материала, геометрических размеров фильтров и типа движения жидкости.
Результаты натурных исследований в напорном режиме, проведенных с использованием трубчатого фильтра на гидромеханизированном месторождении «Спорный», показали эффективность очистки промышленных стоков из пионерного отстойника [11]. Содержание взвешенных веществ и химических элементов: ртути, меди, железа, сульфатов, хлоридов, алюминия снизилось в сточных водах в 1,5.2 раза. Создавая каскад трубчатых фильтров, можно добиться качества воды, соответствующей нормам ПДК.
Движущей силой процесса фильтрования является напор жидкости у входной части трубчатого фильтра. Для установив-
шегося потока жидкости вдоль волокнистого пористого материала коэффициент проницаемости Кпр определяется по формуле
(1)
к 6-И-Ь 2
где Q — объем фильтрата, м3;
^ — вязкость фильтрата, Нс/м2; Ь — длина волокнистого фильтра, м; х — время фильтрования, с; ^ — площадь сечения рулона, м2; АР — разность давлений, Н/м2. Коэффициент фильтрации Кф и коэффициент проницаемости Кпр связаны известным соотношением
К =
К -г
И
(2)
где у — объемный вес жидкости, Н/м3.
В зависимости от фазового состава взвешенных частиц в фильтрате и требований к очищаемым стокам в трубчатых фильтрах можно установить волокнистые рулоны из полимерного материала плотностью 70.150 кг/м3. Процесс отложения твердой фазы в волокнистом рулоне носит неравномерный характер, наибольшей задерживающей способностью обладает локальный участок, расположенный у входа фильтрационного потока, где осаждаются твердые частицы, близкие по размерам с размерами пор. По мере движения фильтрата к выходной части трубчатого фильтра объем осаждаемых частиц значительно снижается, поэтому большая часть рулона не участвует в фильтровании, в то же время создавая дополнительное сопротивление потоку жидкости.
Для повышения производительности трубчатых фильтров в напорном режиме целесообразно размещать волокнистые рулоны в каркасе фильтра не по всей длине, а на отдельных участках, что позволяет повысить эффективность фильтрования. Длину таких участков трубчатых фильтров следует принимать не более 0,3 м.
При глубинном заполнении твердыми частицами всего объема участка трубчатого фильтра длиной Ь объем фильтрата определяется по формуле
п _ ^ • Ь • П0(1 - пт) 3 (3)
Уф _ , м3, (3)
ло
где П0 — начальная пористость фильтровального материала;
ПТ — пористость твердого осадка в фильтровальном материале;
ХО — отношение объема осадка к объему фильтрата.
Время, затраченное на глубинное отложение твердых частиц до заполнения, можно определить по формуле
у Ь • Уф
тф =
2 АР • К
, с,
(4)
Ф
где у — объемный вес фильтрата, Н/м3.
После глубинного заполнения пор твердыми частицами появляется поверхностный слой осадка, скорость фильтрования при этом значительно снижается.
Так как каждый участок трубчатого фильтра длиной Ь. имеет сопротивление фильтрованию Я,, то при расчетах трубчатых фильтров следует учитывать снижение давления АР на каждом участке. Для момента глубинного заполнения пор во всех участках трубчатого фильтра общее сопротивление
8! L
КФ =
i=1
с/м3, (5)
! r 2 • пт • F
i=l
где т. — средний радиус пор, м.
Чтобы обеспечить непрерывность процесса напорного фильтрования, необходимую разность давления на входе и выходе
трубчатого фильтра следует определять по формуле
АР Яф , Н/м2, (6)
где — скорость фильтрования при заполнении пор, м3/см2.
Учитывая высокую заполняемость первого участка трубчатого фильтра взвешенными частицами, следует использовать фильтровальный волокнистый материал разной плотности на участках. Например, на первом участке фильтровальный рулон имеет плотность 70 кг/м3, на втором — 90 кг/м3, на третьем — 110 кг/м3 и т.д. При высоких давлениях напора на каждом участке трубчатого фильтра устанавливают опорные пластины.
В трубчатых фильтрах следует установить разъемы для смены заполненных твердыми частицами фильтровальных рулонов. В этом случае фильтровальный рулон размещается в кассете, которая позволяет производить быструю смену фильтровального материала.
Результаты натурных испытаний показали правомерность приведенных аналитических зависимостей и конструктивных особенностей трубчатых фильтров [11].
Комбинированная система очистки загрязненных вод включает трубчатые и мембранные фильтры, установленные последовательно.
Опытно-промышленные испытания показали высокую задерживающую способность фильтровальных материалов из полимерных волокон, поэтому их применение в очистке оборотных и сточных вод на горных предприятиях необходимо.
Литература
1. Зубченко Г.В., Сулин Г.А. Рациональное использование водно-земельных ресурсов при разработке россыпей. М.: Недра, 1980. 238 с.
2. Кисляков В.Е. Расчет отстойников оборотного водоснабжения при разработке россыпей. Красноярск: Изд-во Краснояр. ун-та, 1988. 176 с.
3. Герасимов В.М. Перспективные направления повышения экологической безопасности золотоносных россыпей: доклады науч.-практ. семинара «Добыча золота. Проблемы и перспективы» / Под ред. Ю.А. Мамаева, В.Г. Крюкова. Хабаровск: ИГД ДВО РАН, 1997. С. 41-45.
4. Шорохов С.М., Зуйков А.А., Зубченко Г.В. Предохранение рек от загрязнения при разработке россыпных месторождений. М.: Недра, 1980. 207 с.
5. Скобеев И.К. Фильтрующие материалы. М.: Недра, 1978. 200 с.
6. Нетканые текстильные полотна: справоч. пособие / Е.Н. Бершев, Г.П. Смирнов, В.В. Заметта [и др.]. М.: Легпромбытиздат, 1987. 400 с.
7. Герасимов В.М. Прогнозирование использования волокнистых материалов при очистке промышленных стоков горных производств с учетом механических свойств // Междунар. конф. «Забайкалье на пути к устойчивому развитию: экология, ресурсы, управление»: тез. докл. Чита: ЧитГТУ, 1997. Ч. 1. С. 20-22.
8. Герасимов В.М. Исследование деформирования волокнистых материалов при растяжении и сжатии // Вестник ЧитГТУ: вып. 7. Чита: ЧитГТУ, 1997. С. 116-123.
9. Герасимов В.М. Волокнистые полимерные материалы в геотехнологии: монография. Чита: ЧитГУ, 2010. 207 с.
10. Синтетические текстильные материалы в транспортном строительстве / В.Д. Казарновский [и др.] / Под ред. В.Д. Казарновского. М.: Транспорт, 1984. 159 с.
11. Рашкин А.В., Субботин Ю.В., Герасимов В.М. [и др. ]. Повышение экологической безопасности разработки россыпей Забайкалья // Горный журнал. 1996. № 9-10. С. 31-35.
Коротко об авторе_ Briefly about the author
Герасимов В.М., д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой механики, Забайкальский государственный университет (ЗабГУ) Служ. тел.: (3022) 41-72-57
Научные интересы: геотехнология, геоэкология, механика волокнистых сред
V. Gerasimov, Doctor of Engineering Sciences, professor, Head of mechanics department, Zabaikalsky State University
Scientific interests: geotechnology, geoecology, mechanics of fibred environments
