CC BY
14
4/2008_М|ВЕСТНИК
ВЛИЯНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ПОЛЯ НА ПРОЦЕССЫ СЕДИМЕНТАЦИИ НЕРАСТВОРИМЫХ ПРИМЕСЕЙ
Козачук И.Н.
(МГСУ)
Применение ультразвуковых колебаний в технологиях обработки воды является частью научной проблемы использования в этой области народного хозяйства физических методов. В настоящее время ультразвуковые колебания находят широкое применение в различных отраслях и производствах: в металлургии, в химической и пищевой промышленности, в машиностроении, в медицине. Это объясняется многообразием физико-химических изменений в веществе при наложении звуковых полей. Ультразвуковые колебания вызывают диспергирование и эмульгирование определенных веществ, способствуют коагуляции и дегазации, оказывают влияние на процессы кристаллизации и растворения, известно, что ультразвуковые колебания вызывают разнообразные химические превращения вещества, в числе которых можно назвать реакции окисления, восстановления, полимеризации и деполимеризации.
Развитие промышленности и производств сопровождается увеличением количества сточных вод. В связи с этим уделяется большое внимание вопросам охраны водоемов от загрязнений, рациональному использованию водных ресурсов, улучшению санитарно-бытовых условий жизни населения. Важнейшими являются природоохранные мероприятия по совершенствованию водных производственных процессов, входящих в единый технологический комплекс.
Осуществлена постановка экспериментов, в которых рассматривалось воздействие ультразвукового поля на кинетику осаждения взвесей грубоди-сперсных систем в водной среде. Основу раздела составил эксперимент по осаждению минеральных примесей в водной среде, с исходной концентрацией частиц 120 мг/л. В ходе эксперимента, в исследуемую жидкость производилось добавление коагулянта, в виде Л12(804)3. Количественная характеристика доз коагулянта по Л1203 составляла: 2,5(мг/л); 5,0(мг/л); 10,0(мг/л). Содержание твердой фазы в пробах для исследований было смоделировано. В порцию поверхностной воды, взятой из р.Сходня в г.Москве, добавлялось такое количество тонкодисперсной глины, которое обеспечивало концентрацию глинистых частиц, в испытуемом образце, 120(мг/л). Объем обрабатываемой ультразвуком жидкости составлял 5,0(л). Основные параметры водного состава смоделированной пробы характеризовались следующими показателями:
ВЕСТНИК 4/2008
- мутность - 55,7 (мг/л);
- цветность - 45°;
- окисляемость - 7 (мг/л 02);
- жесткость - 3,4 (мг-экв/л);
- щелочность - 2,5 (мг-экв/л);
- рН ~ 7,8.
Подготовленный образец смоделированной пробы воды помещался в ультразвуковой реактор, где осуществлялось акустическое облучение всей пробы. Время ультразвуковой обработки в экспериментальных исследованиях составило: 0,17(мин.), 0,5 (мин.), 1 (мин.), 2 (мин.) и 5 (мин.). План выполнения исследований позволил сформировать три основных блока экспериментов, которые сгруппированы в зависимости от доз коагулянта по А1203. Результаты экспериментов, полученные в исследованиях с контрольными пробами, помещены отдельно от результатов с ультразвуковой обработкой воды. Это позволяет осуществить сравнительный анализ изменения эффективности осаждения глинистых загрязнений в воде под действием ультразвуковых колебаний. При этом необходимо подчеркнуть, что мощность генерируемого ультразвукового поля позволяет поддерживать в водной среде контролируемый режим развитой кавитации. Кроме того, постоянно осуществлялся контроль температурного режима в исследуемых пробах, так как известно, что значительная часть электрической энергии переходит в тепловую энергию.
Степень удельной эффективности процесса осаждения глинистых частиц, взвешенных в воде, определялась по формуле:
ДО и
-= Ь + а • г
О • д
где:
- ДО - количество частиц, выпавших в осадок, в мг/л;
- О - количество частиц загрязнений, в единице объема исходной воды, в мг/л;
- д - коэффициент, который связан с действием ультразвукового поля в водной среде и прямопропорционален дозе коагулянта;
- а и Ь - константы, определяемые экспериментальным путём для каждого конкретного случая.
Результаты исследований, представлены в таблице 1.
Для наглядности представленных результатов изобразим их на графике (рисунок 1), проанализируем характер кривых в зависимости от ультразвукового воздействия и доз коагулянта.
На рисунке 1 показаны графики эффекта осаждения глинистых частиц, при введении солей алюминия, в зависимости от времени ультразвуковой обработки.
4/2008_М|ВЕС"ТНИК
Таблица 1.
Концентрация частиц загрязнений Доза по А1203, мг/л
№ п./п. В исходной воде, мг/л, О В осадке, мг/л, ДО Время, мин., Т ДО • 100% О ДО О • д
1 2 3 4 5 6 7
1. 23 0,17 19,17 0,077
2. 29 0,5 24,16 0,096
3. 120 37 1,0 2,5 30,83 0,12
4. 49 2,0 40,83 0,16
5. 69 5,0 57,50 0,23
6. 51 0,17 42,50 0,085
7. 54 0,5 45,00 0,09
8. 120 63 1,0 5,0 52,50 0,10
9. 66 2,0 55,00 0,11
10. 86 5,0 71,66 0,14
11. 6 2,5 5,00 0,02
12. 120 34 0 5,0 28,33 0,056
13. 72 10,0 60,0 0,06
«♦» - кривая изменения эффективности осаждения глинистых частиц при введении солей алюминия с дозами по А1203 - 2,5 (мг/л);
« ■ »- кривая изменения эффективности осаждения глинистых частиц при введении солей алюминия с дозами по А1203 - 5 (мг/л).
Рисунок 1
50
30
эффект, %
0,5 1,0 1 , мин.
60
40
20
0
0
ВЕСТНИК МГСУ
4/2008
Результаты контрольных проб на рисунке 1 не представлены, так как эта вода не подвергалась акустическому воздействию. Эффективность осаждения глинистых частиц в контрольной пробе при введении солей алюминия:
- с дозами по А1203 - 2,5 (мг/л) составила - 5%;
- с дозами по А1203 - 5 (мг/л) составила - 28,33%;
- с дозами по А1203 - 10 (мг/л) составила - 60,0%.
В контрольных пробах степень удельной эффективности осаждения глинистых частиц при введении солей алюминия:
- с дозами по А1203 - 2,5 (мг/л) составила - 0,02;
- с дозами по А1203 - 5 (мг/л) составила - 0,056;
- с дозами по А1203 - 10 (мг/л) составила - 0,06.
Необходимо отметить, что в обычных условиях, для осаждения глинистых частиц, с концентрацией 120 (мг/л) в исходной воде, максимальная доза коагулянта, полученная методом пробного коагулирования, соответствует 12 (мг/л) по А1203. При этом эффект осаждения глинистых частиц составляет 75%, а степень удельной эффективности -0,062.
Математическая обработка полученных экспериментальных данных позволила рассчитать коэффициент корреляции [1], который равен 0,8. Это подтверждает линейный характер полученного уравнения.
= 0,08 + 0,02 • г
О • q
Построим график изменения степени удельной эффективности процесса коагуляции, рисунок 2.
0,5
0,4
0,3
0,2
г
с ф
0,1
Рисунок 2.
На рисунке 2 примем следующие обозначения:
- - прямая линия соответствует расчетным теоретическим данным степени удельной эффективности осаждения глинистых частиц, при введении солей алюминия, в зависимости от воздействия ультразвуковых колебаний;
0
4/2008_МГСУ™ИК
« ◊ » - точки изменения степени удельной эффективности осаждения глинистых частиц при введении солей алюминия с дозами по А1203 - 2,5 (мг/л);
« □ » - обозначение точек, степени удельной эффективности осаждения глинистых частиц при введении солей алюминия с дозами по А1203 - 5 (мг/л).
Приведённое доказательство, позволило установить взаимосвязь между случайными величинами X и У. Коэффициент корреляции равен 0,83, близок к 1. В данном примере, коэффициент корреляции характеризует линейную зависимость, которая заключается в том, что при возрастании одной случайной величины другая имеет тенденцию возрастать по линейному закону [2]. В нашем случае, линейная зависимость случайных величин X и У ярко выражена и становится функциональной зависимостью. Следовательно, с увеличением продолжительности ультразвукового воздействия на водную среду, в интервале от 0 до 5 минут, возрастает степень удельной эффективности хлопьеобразования и осаждения частиц загрязнений, что выражается линейной зависимостью.
Литература.
1. Мелентьев П.В. Приближенные вычисления. - М., Изд. физмат литературы, 1962, с.388.
2. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М., Наука, 1969, с.175-369.
3. Под ред. Розенберга Л.Д. Физика и техника мощного ультразвука. Том 1-3, Москва, Наука, 1967-70г.г.
Статья представлена Редакционным советом «Вестника МГСУ».
