Исследование процессов очистки воды от техногенных загрязнений углеродными волокнистыми сорбентами
На правах рукописи
Давлятерова Роксана Автандиловна
«ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ОЧИСТКИ ВОДЫ ОТ ТЕХНОГЕННЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ УГЛЕРОДНЫМИ ВОЛОКНИСТЫМИ СОРБЕНТАМИ»
05.23.04 - «Водоснабжение, канализация,
строительные системы охраны водных ресурсов»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва 2007
Работа выполнена в Открытом Акционерном Обществе «Ордена Трудового Красного Знамени комплексный научно-исследовательский и конструкторско-технологический институт водоснабжения, канализации, гидротехнических сооружений и инженерной гидрогеологии «НИИ ВОДГЕО» (ОАО «НИИ ВОДГЕО»)
Научный руководитель: доктор технических наук
Смирнов Александр Дмитриевич
Научный консультант: доктор химических наук, профессор
Ткаченко Сергей Николаевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Пономарев Виктор Георгиевич
кандидат технических наук
Непаридзе Рауль Шалвович
Ведущая организация: ООО «РОСЭКОСТРОЙ»
Защита состоится «31» октября 2007 г. в 10-30 на заседании диссертационного совета Д 303.004.01 при ОАО «НИИ ВОДГЕО» по адресу: Комсомольский проспект, 42, стр.2, г. Москва, Г-48, 119048.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО «НИИ ВОДГЕО», тел. (495) 245-95-53, (495) 245-95-56, факс (495) 245-96-27
Автореферат разослан «___» __________2007г.
| Ученый секретарь диссертационного совета, канд. техн. наук |  | Ю.В.Кедров |
ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
| ГАУ | - гранулированный активированный уголь |
| УВС | - углеродный волокнистый сорбент |
| УВС-А | - углеродный волокнистый сорбент активированный |
| УВС-К | - углеродный волокнистый сорбент карбонизированный |
| ПАУ | - порошкообразный активированный уголь |
| ПДК | - предельно допустимая концентрация |
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Проблема очистки поверхностных вод от техногенных загрязнений является одной из наиболее важных и одновременно трудно решаемых задач современности.
В последние годы техногенное воздействие на водные источники приняло глобальный характер, в т.ч. на территории России (1986 - 2005 гг.) имело место ряд чрезвычайных ситуаций, в ходе которых происходили экстраординарные загрязнения водоемов - источников водоснабжения крупных городов.
Увеличивающиеся масштабы производства, высокая вероятность аварийных, залповых загрязнений воды, повышение барьерной роли очистных сооружений и ужесточение требований к качеству воды делают необходимым поиск более эффективных способов удаления загрязнений из поверхностных вод, которые позволяют глубоко извлекать токсичные техногенные примеси и получать воду в соответствии с требованиями СанПиН. К таким технологиям относится сорбционная очистка воды, а также сорбционные методы очистки с использованием озона.
Наиболее часто встречаемыми, токсичными и одновременно трудноудаляемыми из техногенных загрязнений являются нефтепродукты и фенолы. Именно соединения этих групп чаще определяются в воде, как выходящие за нормы предельно допустимых концентраций (ПДК).
В последнее время появились новые, альтернативные гранулированным и порошкообразным активированным углям, высокоэффективные сорбенты - углеродные волокнистые материалы, которые еще не нашли широкого применения в очистке воды. Указанные материалы имеют весьма высокие показатели сорбционной активности, высокий потенциал потребительских характеристик, и поэтому представляют научный и практический интерес для изучения эффективности применения их в процессах очистки воды от техногенных загрязнений.
Целью диссертационной работы является исследование и разработка процессов очистки поверхностных вод от техногенных загрязнений с использованием новых углеродных волокнистых сорбентов (УВС) с изучением их основных характеристик и особенностей свойств.
Основные поставленные задачи:
1. Исследование и выявление особенностей сорбционных свойств и характеристик углеродных волокнистых сорбентов.
2. Изучение основных закономерностей процесса сорбционной очистки воды на углеродных волокнистых сорбентах.
3. Определение эффективности применения УВС в условиях экстраординарного загрязнения воды нефтепродуктами.
4. Исследование процессов очистки воды с применением углеродных волокнистых сорбентов в комбинации с озонированием.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
1. Определены основные сорбционные характеристики активированных (УВС-А) и карбонизированных (УВС-К) углеродных волокнистых сорбентов, как новых типов сорбентов для очистки воды. Получены константы сорбции и значения сорбционной емкости углеродных волокнистых сорбентов.
2. Выявлены основные отличия сорбционных характеристик углеродных волокнистых материалов от традиционных гранулированных активных углей (ГАУ), заключающиеся в высокой начальной скорости сорбции, что позволяет удалять из воды органические загрязнения при малом времени контакта.
3. Определены значения удельной динамической емкости углеродного волокнистого сорбента и коэффициента защитного действия слоя УВС.
4. Выявлена высокая химическая устойчивость УВС к воздействию озона в воде.
5. Получены новые данные о ходе процесса сорбции на УВС в комбинации с озонированием воды. Достигнут высокий эффект удаления фенола при реализации сорбции на УВС в комбинации с озонированием воды.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
- по результатам исследований разработаны методические рекомендации по применению углеродного волокнистого сорбента в процессах очистки воды от растворенных органических соединений;
- замена сорбционной загрузки ГАУ на углеродный волокнистый сорбент позволяет значительно уменьшить объем и массу сорбционной загрузки и, как следствие, уменьшить габариты сорбционных аппаратов при сохранении производительности и эффективности очистки воды;
- показана целесообразность замены фильтров с ГАУ на фильтры с УВС. Расчетный годовой экономический эффект от замены одного сорбционного фильтра составит около 0,7 млн. рублей.
Внедрение результатов работ. Результаты работ внедрены при создании очистных сооружений подготовки воды на Лианозовском молочном комбинате в г. Москве, а также использованы при подготовке:
- рекомендаций на проектирование сооружений противоаварийной защиты Южного водопровода и Северного ковшового водозабора г. Уфы;
- рекомендаций для проектирования сооружений очистки поверхностных вод на фильтрах с загрузкой УВС.
Достоверность и обоснованность полученных результатов подтверждается большим объемом и длительностью экспериментальных исследований на лабораторных и пилотных установках с реальными водами, сходимостью расчетных и экспериментальных результатов, применением стандартных методов измерения и точного измерительного оборудования.
Апробация работы. Результаты исследований и основные положения диссертационной работы доложены автором на Международных конференциях студентов и аспирантов по фундаментальным наукам Секция «Химия» «ЛОМОНОСОВ-2004» (г. Москва, 12-15 апреля 2004 г.), «ЛОМОНОСОВ-2005» (г. Москва, 12-15 апреля 2005 г.), на Международном конгрессе «ЭТЭВК-2005» (г.Ялта, 24-27 мая 2005 г.), на Первой Всероссийской Конференции «Озон и другие экологически чистые окислители. Наука и технологии» (г. Москва, 7-9 июня 2005 г.), на Четвертой Международной конференции «УГЛЕРОД: фундаментальные проблемы науки, материаловедение, технология» (г. Москва, 26-28 октября 2005 г), на Международной конференции молодых ученых по фундаментальным наукам «ЛОМОНОСОВ-2006 (г. Москва, 12-15 апреля 2006 г.).
Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 14-ти печатных изданиях, включая 6 статей, 8 тезисов докладов. Из них в изданиях, включенных в «Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, выпускаемых в Российской Федерации, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертации на соискание ученой степени кандидата наук» - 2 статьи.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, выводов, списка использованной литературы и приложений. Общий объем работы 179 страниц, включая 57 рисунков, 39 таблиц, 4 фотографии, 110 литературных ссылок и 7 приложений.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении приведено обоснование актуальности темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи работы, научная новизна и практическая значимость.
Первая глава посвящена анализу современного состояния проблемы загрязнения поверхностных вод и возможности использования существующих схем очистки воды.
Показано, что к основным техногенным загрязнениям поверхностных водоемов относятся: нефтепродукты, фенолы, СПАВ, тяжелые металлы, пестициды и биогенные вещества. Распространение химических загрязнений техногенного происхождения и их специфика в источниках питьевого водоснабжения обычно коррелируют с расположенными в данных районах производственными объектами. В поверхностных водоисточниках нефтепродукты и фенолы присутствуют, в основном, в истинно растворенном состоянии в концентрациях на уровнях 1-15 ПДК.
Анализ публикаций выявил преимущества сорбционных методов удаления органических веществ различных типов. Появились новые сорбенты, углеродные волокнистые материалы, которые имеют уникальные свойства; их развитая специфическая поверхность, обеспечивает сочетание значительной сорбционной емкости с высокими кинетическими характеристиками.
Рассмотрены теоретические аспекты сорбционного извлечения органических веществ из водных растворов.
Анализ литературных данных позволил сформулировать ряд выводов:
1. Сорбция - один из наиболее эффективных методов очистки воды от растворенных органических веществ. Комплексное использование озонирования и сорбции дает дополнительный положительный эффект очистки.
2. Создан новый класс углеродных сорбентов (УВС), имеющих высокий потенциал использования в водном хозяйстве, однако, области и возможности рационального и эффективного использования этих сорбентов еще недостаточно определены.
3. Наиболее перспективным и массовым является применение методов и технических решений очистки и доочистки воды, обладающих компактностью и не требующих постоянного обслуживания.
Вторая глава посвящена изучению сорбционных свойств и характеристик углеродных волокнистых сорбентов.
Для изучения были использованы 2 разных вида углеродного волокнистого сорбента (УВС): активированное углеродное волокно (УВС-А) и карбонизированное углеродное волокно (УВС-К), их свойства сравнивали с ГАУ марки АГ-3.
Проведение рентгенофазового анализа показало, что исследуемые сорбенты в основном аморфны, имеют однотипный углеродный скелет, но различные структурные особенности: дисперсность (размер углеродных блоков), дефекты упаковки и микроискажения решётки, а также имеют графитоподобные структуры с разной степенью упорядоченности. Получено, что активированный углеродный волокнистый сорбент УВС-А имеет более упорядоченную структуру.
Поэтому определение сорбционных характеристик в основном проводили на УВС-А и ГАУ (таблица 1).
Таблица 1
Характеристики сорбентов
| Сорбент | S, м2/г по N2 | Суммарный объем пор Vпор, см3/г | Объем микропор Vмкпорсм3/г, (d<2 нм) | Объем мезопор Vмз пор см3/г | Средний диаметр пор dсрпор, нм |
| УВС-А | 723 | 0,28 (d<64нм) | 0,25 | 0,03 | 1,87 |
| ГАУ | 771 | 0,42 (d<40 нм) | 0,12 | 0,30 | 2,16 |
Полученные результаты показывают, что удельная поверхность углеродного волокна УВС-А составляет почти 90% величины поверхности ГАУ, но по сравнению с ГАУ углеродное волокно УВС-А является более микропористым: пористая структура УВС-А по объему на 90% состоит из микропор (рис.1), тогда как в ГАУ содержание микропор порядка 30% (рис.2).
 Рис.1 Распределение пор по размерам в углеродном волокнистом сорбенте УВС-А | |
 Рис.2 Распределение пор по размерам в гранулированном активированном угле | |
Этот вывод подтвердили результаты исследований по определению сорбционной активности сорбентов по метиленовому голубому и йоду, представленные в таблице 2.
Таблица 2 Сорбционная активность
сорбентов по йоду и метиленовому голубому
| Сорбционная активность по йоду на УВС-А в 2,2 раза выше, чем у ГАУ, хотя сорбционная активность УВС-А по метиленовому голубому, в 2 раза ниже. Следовательно, на УВС-А предпочтительна сорбция низкомолекулярных веществ, таких как нефтепродукты, фенол и их производные. | ||||||||||||||
В третьей главе приведены результаты исследований основных параметров процесса сорбционной очистки воды от органических загрязнений углеродными волокнистыми сорбентами.
В связи с тем, что растворимость углеводородов в воде невелика и нефтепродукты в воде обладают большой адгезией к контактирующим поверхностям, вследствие этого изменяется количественный и качественный состав модельных растворов по сравнению с расчетным. Поэтому сделан вывод о некорректности использования методики статической адсорбции для оценки эффективности применения различных сорбентов в процессах извлечения углеводородов из воды, особенно в области низких концентраций. Поэтому основные экспериментальные исследования по определению равновесной сорбции, динамики и кинетики сорбции органических веществ на углеродных сорбентах проводились на модельных растворах фенола в воде, имеющего высокую растворимость в воде.
 Рис.3 Эффективность удаления фенола (Снач=5 мг/л) в статических условиях (12 ч) в зависимости от массы сорбента,% |
Показано, что для достижения эффективности очистки воды порядка 80 % в диапазоне концентраций фенола от 0,5 мг/л до 5 мг/л, сорбента УВС-А требуется в 12 раз меньше по массе, чем ГАУ (рис.3).
При массе сорбента УВС-А всего 0,05 г эффективность извлечения фенола им достигает 83 %, в то время как для ГАУ – это всего 25-37 %. При этом эффективность сорбции фенола на карбонизированном сорбенте УВС-К не превышала 60-80%. На рис. 4 представлены изотермы сорбции фенола из водных растворов на УВС-А и ГАУ. Крутизна изотермы сорбции фенола на УВС-А характеризует большое наличие микропор, в т.ч. супермикропор, в то время как изотерма сорбции фенола на ГАУ имеет двояковыпуклый характер, что характеризует наличие в этом сорбенте микропор и мезопор.
Изотермы адсорбции фенола на УВС были обработаны в 
соответствии с моделями, предложенными Лэнгмюром и Фрейндлихом.
Уравнение Лэнгмюра:  Уравнение Фрейндлиха:А= КF Cn, |
где А– количество сорбированного фенола; b = Аm*KL –произведение предельного заполнения монослоя (Аm) на кажущуюся сорбционную константу KL;
КF и n – сорбционные параметры уравнения Фрейндлиха (n< 1).
Спрямление полученных изотерм в координатах уравнения Лэнгмюра и в координатах уравнения Фрейндлиха представлено на рис.5. Как видно, в изученном интервале концентраций фенола, для УВС-А хорошо выполняется уравнение Лэнгмюра, коэффициент корреляции равен R2=0,9994, а для уравнения Фрейндлиха R2=0,9596. Полученные результаты позволили рассчитать предельные заполнения фенолом поверхностей УВС-А, определить сорбционные константы, а также оценить размеры площадки, занимаемой молекулой фенола () на поверхности УВС-А. Рассчитанные данные приведены в таблице 3.
 Рис. 4 Изотермы сорбции на углеродных сорбентах |
  Рис.5. Изотермы сорбции фенола на УВС-А в координатах уравнения Лэнгмюра (а) и в координатах уравнения Фрейндлиха (б). |
Таблица 3. Параметры сорбции фенола на УВС и ГАУ
| Сорбент | Параметры уравнения Лэнгмюра | Параметры уравнения Фрейндлиха | ||||
| Аm, г/г | Аm, ммоль/г | KL | , нм2 | n | KF | |
| УВС-А | 0,36 | 3,86 | 2,39 | 0,31 | 0,39 | 0,22 |
| ГАУ | 0,35 | 3,72 | 1,94 | 0,34 | 0,38 | 0,20 |
Определенные в ходе работы значения сорбционной емкости (Аm) и сорбционных констант оказались незначительно выше у углеродного волокнистого сорбента УВС-А.
Кривые кинетики сорбции, полученные при различных начальных концентрациях фенола, представлены на рис. 6.
Результаты изучения кинетики сорбции показали, что на сорбенте УВС-А за первые 5-15 мин эффективность удаления фенола составляет 61-88%, а за это же время контакта на ГАУ удалялось всего 2-13%. Сорбционное равновесие на сорбенте УВС-А наступает в течение 1 часа, а для ГАУ требуется более 6 ч.
 Рис. 6 Кривые кинетики сорбции фенола на УВС-А и ГАУ в статических условиях |
В ходе работы, показано, что УВС-А обладает значительно большей начальной скоростью сорбции, превышающей скорость сорбции на ГАУ более чем в 3 раза.
Динамика сорбции фенола на углеродных сорбентах изучалась на специальной лабораторной установке с неподвижным слоем сорбента. Фильтрование осуществлялось в восходящем режиме. Расход искусственно загрязненной воды фенолом, подаваемой на установку насосом в ходе экспериментов, составлял 6 л/ч. Скорость фильтрования составляла 8,5 м/ч.
Начальная концентрация фенола на входе в фильтр составляла 0,5 мг/л. Масса сорбента УВС-А составляла 3,5 г (Нсл=25 мм), масса сравнительного сорбента ГАУ составляла 7,2 г (Нсл=25 мм) и 29 г (Нсл=100 мм).
Выходные кривые динамики сорбции (рис.7), позволили определить время проскока фенола: для слоя УВС-А 25 мм время проскока фенола в фильтрат составило 11 ч, в то время как проскок фенола после ГАУ наблюдался сразу же после запуска установки. Определена удельная динамическая емкость сорбентов при концентрации фенола 0,5 мг/л, которая составила для УВС-А 25мг/г (для ГАУ 4 мг/г).
За первые 10 ч фильтрования через УВС-А было достигнуто извлечение фенола из воды с 500 ПДК до 20 ПДК, в то время как на ГАУ – до 420 ПДК, а при слое загрузки ГАУ в 4 раза выше – лишь до 160 ПДК.
Экспериментально определена величина коэффициента защитного действия слоя
,
где А0 – предельная динамическая сорбционная емкость сорбента при концентрации с0, мг/г; с0 – исходная концентрация веществ, мг/г; w – скорость фильтрования, м/ч.
Для УВС-А к=5880 ч/м, а для ГАУ к=940 ч/м
Таким образом, установлено, что сорбционная емкость и коэффициент защитного действия слоя УВС-А по фенолу в 6 раз превышает значения для ГАУ и при массе УВС-А в 9 раз ниже, его эффективность очистки выше, на 10-20%, чем на ГАУ.
 Рис. 7 Динамические кривые сорбции фенола (500 мкг/л) на УВС-А и ГАУ |
Четвертая глава диссертационной работы посвящена исследованиям эффективности применения углеродных волокнистых сорбентов в комбинации с озонированием, как перспективному направлению очистки воды от токсичных техногенных загрязнений. Экспериментальные исследования озонирования проводили в проточной установке с барботажным реактором при скорости подачи озоно-кислородной смеси 5, 7 и 12 л/ч.
Поскольку известно о реакциях углеродных сорбентов с озоном, предварительно было изучено взаимодействие ГАУ и УВС-А с озоном в водной среде. Количество поглощенного озона определяли по разности концентраций озона в озоно-кислородной смеси на входе и выходе из реактора.
На рис. 8 представлены выходные кривые взаимодействия озона с сорбентами в водном растворе. Показано, что при озонировании УВС в водном растворе озоном наблюдается лишь незначительное окисление УВС с выделением диоксида углерода, в то время как озонирование водных суспензий ГАУ сопровождается существенным окислением угля с разложением и поглощением до 7,5% от исходного озона. Таким образом, выявлено, что углеродный волокнистый сорбент химически весьма устойчив к воздействию озоном в водной среде.
Кривые озонирования раствора фенола в присутствии сорбентов в зависимости от скорости потока озоно-кислородной смеси, представлены на рис. 9 и рис. 10. Получено, что при скорости подачи озона 5 л/ч время стабилизации его концентрации на выходе из реактора в присутствии УВС в 2 раза меньше, чем при ГАУ.
На рис. 11 представлены кривые окисления фенола в водном растворе в присутствии сорбентов ГАУ и УВС. Показано, что присутствие сорбента УВС практически не влияет на время стабилизации концентрации озона. В присутствии ГАУ это время увеличивается, что наиболее вероятно связано, с более низкой скоростью сорбции фенола на этом сорбенте. Расход озона до стабилизации его концентрации возрастает на сорбенте ГАУ в 1,5 раза.
Таблица 4 Содержание фенола после стадии озонирования (2 об.%) и озоно-сорбции (УВС 0,3 г) при Сисх=200 мг/л
|
Данные таблицы 4 показывают высокую эффективность удаления фенола при комбинировании процессов сорбции и озонирования на УВС. Концентрация остаточного фенола в модельном растворе после озоно-сорбционной обработки на УВС от 7 до 23 раз меньше, чем при процессе озонирования без УВС. Использованием метода хромато-масс-спектрометрии показано, что образование побочных продуктов при озонировании раствора фенола в присутствии УВС за счет деструкции фенола на сорбенте определяется только на уровне следовых количеств.
 Рис.8 Выходные кривые взаимодействия озона с сорбентами. Масса сорбента 0,3 г, V=5л/ч, 3% об. О3 |  Рис 9 Кривые поглощения озона при окислении фенола (конц. 200 мг/л) в присутствии сорбента УВС (0,3 г), 2 об. % O3 | |
 Рис. 11 Кривые озонирования фенола (конц. 200 мг/л) в присутствии сорбентов ГАУ и УВС (масса 0,3 г), 2 об.% O3, v=5 л/ч. |  Рис. 10 Кривые поглощения озона при окислении фенола (конц. 200 мг/л) в присутствии сорбента ГАУ (0,3 г)., 2 об. % O3 | |
Пятая глава посвящена испытаниям эффективности применения углеродных волокнистых сорбентов в условиях экстраординарных загрязнений воды нефтепродуктами.
Предварительно в лабораторных условиях проведены исследования процессов извлечения нефтепродуктов на углеродных волокнистых сорбентах УВС-А и УВС-К, с целью выбора их оптимальных параметров: скорости фильтрования, расположения загрузки УВС – горизонтальное и вертикальное (направления фильтрования).
Фильтрование модельного раствора проводилось на колонне, загруженной углеродным волокнистым материалом. Скорости фильтрования изменялись в диапазоне 10 до 135 м/ч, высота слоя загрузки составляла 46 мм.
Результаты испытаний представлены на рис. 12 – 13.
Сравнительным вариантом было фильтрование воды на механическом фильтре с песчаной загрузкой. Остаточное содержание нефтепродуктов в фильтрате после сорбции на УВС составляло 0,6 – 1,5% от исходного, а после мехфильтра до 14%, т.е. в 24 раза выше.
 1 – горизонтальное, 2 – вертикальное Рис. 12 Концентрация нефтепродуктов в модельном растворе после фильтрования через УВС и мехфильтр (V=13 м/ч,Сисх=17 мг/л) |
Увеличение скорости фильтрования с 10 м/ч до 135 м/ч уменьшает эффективность очистки на 5-10%.
Полученные данные показали высокую эффективность удаления нефтепродуктов при малом времени контакта.
Эффективность применения углеродных волокнистых сорбентов была апробирована на Северном ковшовом водозаборе (СКВ) г.Уфы с целью выработки технических решений защиты сооружений и дополнительной очистки воды на СКВ в случаях аварийного загрязнения водоисточника нефтепродуктами.
 Рис. 13 Изменение эффективности удаления нефтепродуктов из воды на УВС-А от скорости фильтрования |
Испытания по определению эффективности УВС проводились с моделированием повышенного уровня загрязнения речной воды нефтепродуктами.
 Рис.14 Эффективность очистки загрязненной нефтепродуктами воды СКВ г.Уфы на углеродных волокнистых сорбентах, Q=600 л/ч | Фильтрование велось в восходящем режиме со скоростями от 9 до 95 м/ч. Высота уплотненного слоя загрузки составляла 40 мм и 70 мм. Получено, что по общим и техногенным показателям эффективность очистки при фильтровании через УВС-А на 10-20% выше, чем на УВС-К (рис.14). При этом эффективность очистки воды на предварительно подготовленном УВС выше на 10-30% по |
сравнению серийным волокном (рис.15). Более того, увеличение высоты слоя загрузки сорбента УВС-А в 2 раза не дало существенного прироста эффекта очистки (рис. 16). Зависимости потерь напора от скорости фильтрования при высоте слоя 40 мм представлены на рис.17.
Таким образом, обработка воды на УВС возможна в эпизодическом режиме при появлении данных, указывающих на наличие повышенных концентраций загрязнений, а также в постоянном режиме для улучшения качества воды в отношении фоновых загрязнений.
 Рис.15 Эффективность очистки речной воды по общим показателям и нефтепродуктам после предподготовки УВС-А, Q=600 л/ч |
 Рис. 16 Эффективность очистки загрязненной нефтепродуктами речной воды СКВ г.Уфы на УВС-А при разной высоте слоя загрузки, Q=600 л/ч |
 Рис. 17 Зависимость потерь напора от скорости фильтрования на УВС-А |
Шестая глава диссертационной работы посвящена испытаниям эффективности применения углеродного волокнистого материала на реальных объектах с целью повышения барьерных функций очистных сооружений.
Апробация УВС была проведена на Южном водозаборе (ЮВ) г.Уфы.
Целью экспериментальных испытаний явилось определение эффективности применения углеродного волокнистого материала для повышения барьерных функций очистных сооружений ЮВ г. Уфы по отношению к возможным химическим загрязнениям (среднелетучим органическим соединениям, и нефтепродуктам).
В качестве органических загрязнений были приняты – углеводороды нонан (С9), ундекан (С11), кумол (изопропилбензол), трихлорфенол (ТХФ).
Результаты экспериментальных испытаний, представленные на рис. 18, подтверждают высокую (до 99%) эффективность удаления органических веществ на углеродном волокнистом сорбенте УВС-А.
А)  | Б)  |
| Рис. 18 Снижение концентраций органических загрязнений при фильтровании инфильтрованной воды через УВС-А на ЮВ г.Уфы: А) Q=100л/ч (16 м/ч), Б) Q=300 л/ч (48м/ч) | |
В связи с тем, что углеродный волокнистый сорбент имеет высокую начальную скорость сорбции, представлялось целесообразным провести сравнительные испытания с порошкообразными активированными углями (ПАУ), имеющими также высокие кинетические характеристики.
На ВОС-3 г. Череповца были проведены пилотные испытания по повышению барьерных функций очистных сооружений по отношению к возможным техногенным загрязнениям. В качестве сорбентов применялись порошкообразный активированный уголь и углеродный волокнистый сорбент.
Принципиальная технологическая схема пилотного испытательного комплекса, представленная на рис. 19, позволяла подавать воду в параллельных режимах как на фильтр с УВС с расходом 80 л/ч (v=13 м/ч), так и дозировать ПАУ на механический фильтр с расходом 60 л/ч (v=8 м/ч).
Для моделирования вероятного обнаружения нефтепродуктов и фенола в водозаборе проводилось искусственное загрязнение воды указанными токсикантами. Концентрация нефтепродуктов и фенола в исходной воде составляла 5-10 ПДК. Результаты испытаний представлены на рис. 20.
В результате испытаний было определено, что дозой ПАУ, при которой достигались предельно допустимые значения концентраций и фенола и нефтепродуктов, является доза 15 мг/л.
Результаты испытаний сорбента УВС-А при фильтровании в течение 10 ч (рис.21) показали высокую эффективность очистки воды от органических загрязнений. За этот период фильтрования очищенная вода по нефтепродуктам и фенолу соответствовала нормам СанПиН 2.1.4.1074-01.
Рис. 19. Принципиальная технологическая схема пилотного испытательного комплекса на ВОС-3 г.Череповца
 Рис. 20 Эффективность удаления нефтепродуктов и фенола при введении ПАУ на мех.фильтр |  Рис. 21 Эффективность очистки воды на УВС-А в условиях ВОС-3 г.Череповца |
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ
- Установлено, что эффективность очистки поверхностных вод от нефтепродуктов и фенолов существенно повышается за счет применения углеродных волокнистых сорбентов (УВС), и применения их в сочетании с озонированием. Технология очистки с использованием УВС значительно снижает капитальные и эксплуатационные расходы на очистку воды.
- В ходе исследований изучены характеристики активированных и карбонизированных сорбентов (УВС-А и УВС-К) в сравнении с гранулированными активированными углями (ГАУ). Показано, что УВС имеют ряд преимуществ перед ГАУ за счет более высокой дисперсности и высокой степени упорядоченности графитоподобных структур, повышенного (до 90%) содержания микропор.
- Определены показатели сорбционной активности УВС. Показано, что активность УВС-А по йоду в 2,2 раза выше, чем у ГАУ, хотя по метиленовому голубому ниже, чем у ГАУ. Поэтому, на УВС лучше проходит сорбция низкомолекулярных веществ.
- Определены значения сорбционной емкости и сорбционных констант УВС. Выявлено, что скорость сорбции на УВС-А в начальный период времени превышает скорость сорбции на ГАУ примерно в 3 раза. Сорбционное равновесие при использовании УВС-А наступает за 0,5-1 ч, а при использовании ГАУ требуется более 6 ч.
- Определены значения удельной динамической емкости и коэффициент защитного действия слоя активированного углеродного волокнистого сорбента (УВС-А) по фенолу, которые в 6 раз превышают значения на ГАУ.
- Установлено, что углеродный волокнистый сорбент УВС-А химически более устойчив к окислению озоном, чем ГАУ. Получены кинетические зависимости окисления фенолов в комбинации с сорбцией на УВС. Установлено, что скорость окисления фенола при использовании УВС-А выше, а расход озона на окисление фенола в 1,5 раза ниже, чем при использовании ГАУ.
- Проведение испытаний УВС на реальных объектах водоснабжения (СКВ и ЮВ г.Уфы, ВОС-3 г.Череповца) подтвердили высокую эффективность использования УВС для очистки поверхностных (р.Уфа, р.Шексна) и подземных инфильтрационных (подрусловые воды р.Уфы) вод, содержащих экстраординарные уровни нефтепродуктов и токсичных среднелетучих соединений.
- Результаты работ внедрены при создании сооружений подготовки питьевой воды Лианозовского молочного комбината г.Москвы, а также использованы при подготовке:
- рекомендаций на проектирование сооружений противоаварийной защиты ЮГВ и СКВ г. Уфы от органических токсикантов;
- рекомендаций для проектирования сооружений очистки поверхностных сточных вод на фильтрах с загрузкой УВС;
- методических рекомендаций по применению углеродного волокнистого сорбента в процессах очистки воды.
- Технико-экономическое сравнение, выполненное для сорбционных фильтров производительностью 60 м3/ч показывает, целесообразность замены фильтров с ГАУ на фильтры с УВС. Расчетный годовой экономический эффект от замены одного сорбционного фильтра составит около 0,7 млн. рублей.
Основные положения диссертационной работы опубликованы в следующих работах:
- Домнин. К.В., Архипова Е.Е., Самчук И.С., Алешко Д.С., Дунаевская Е.В., Кузьминова Ю.А., Герасимов М.М., Смирнов А.Д., Давлятерова Р.А. Обеспечение населения качественной питьевой водой в условиях чрезвычайной ситуации // Водоснабжение и санитарная техника. - Москва, 2007, №6, 28-31.
- Гайдамака С.Н, Давлятерова Р.А., Ткаченко И.С. Физико-химические свойства углеродных // ЛОМОНОСОВ-2006. Сборники. Материалы Международной конференции молодых ученых по фундаментальным наукам.– Москва, 2006, Том.1. с.129.
- Герасимов М.М., Смирнов А.Д., Беляк А.А., Давлятерова Р.А., Гусева О.А., Задоянный А.Г., Домнин К.В. Проблемы обеспечения населения качественной питьевой водой в условиях работы водоканалов крупных городов. Материалы региональной научно-практической конференции «Проблемы и пути развития водопроводно-канализационного хозяйства в современных условиях». – Ижевск, 2006, с.32-33.
- Домнин К.В., Архипова Е.Е., Давлятерова Р.А., Герасимов М.М., Гусев Е.Е, Талалаев С.А, Смагин В.А., Шибаева О.А., Смирнов А.Д. Повышение барьерной роли очистных сооружений водопровода г.Хабаровска // Обезвоживание, реагенты, техника.— Москва, 2005, №13-14.
- Ткаченко С.Н, Ткаченко И.С, Свердликов А.А., Давлятерова Р.А. Озоно-осмо-сорбционная технология подготовки артезианской воды из московского региона //ЭТЭВК-2005:Экология, Технология, Экономика, Водоснабжение, Канализация. Материалы международного конгресса и технической выставки. - Украина, г.Ялта. 2005, с.182-186.
- Давлятерова Р.А., Герасимов М.М., Смирнов А.Д., Кантор Л.И. Испытания углеродного волокнистого материала на водозаборе г.Уфы в условиях загрязнения речной воды нефтепродуктами //ЭТЭВК-2005:Экология, Технология, Экономика, Водоснабжение, Канализация. Материалы международного конгресса и технической выставки.— Украина, г.Ялта. 2005, с.186-190.
- Ткаченко С.Н., Свердликов А.А., Хаханов С.А., Тумасов П.В., Ткаченко И.С., Давлятерова Р.А., Лунин В.В. Разработка озоно-осмотической технологии подготовки воды из артезианских источников московского региона // Озон и другие экологически чистые окислители. Наука и технологии. Первая всероссийская конференция, посвященная 250-летию МГУ им.М.В.Ломоносова. Москва, 2005, с.247.
- Свердликов А.А., Ткаченко С.Н., Светланов Н.Г., Пузенков Е.М., Давлятерова Р.А., Ткаченко И.С., Смирнов А.Д. Проектирование озоно-осмо-сорбционных станций водоподготовки в контейнерном исполнении // Озон и другие экологически чистые окислители. Наука и технологии. Первая всероссийская конференция, посвященная 250-летию МГУ им.М.В.Ломоносова. Москва –2005, с.248.
- Давлятерова Р.А., Талалаев С.А., Гусев Е.Е., Смирнов А.Д., Волков С.В., Ильин С.Н. Глубокое удаление техногенных загрязнений сорбентами с высокими кинетическими свойствами // Проблемы инженерной геоэкологии: сборник трудов, вып.9. — Москва, 2005, с.71.
- Давлятерова Р.А., Ткаченко И.С, Гайдамака С.Н. Удаление нефтепродуктов из модельных растворов углеродными волокнистыми материалами и перспектива использования УВМ в озоно-сорбционной технологии // ЛОМОНОСОВ-2005. Материалы Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам. – Москва, 2005, с.142.
- Давлятерова Р.А., Ткаченко С.Н., Смирнов А.Д., Гайдамака С.Н., Лунин В.В. Свойства углеродных волокнистых сорбентов. Материалы Четвертой Международной конференции УГЛЕРОД: фундаментальные проблемы науки, материаловедение, технология. – Москва, 2005, с.90.
- Жестков Н.В., Кабанов Б.В., Бивалькевич А.И., Герасимов М.М, Давлятерова Р.А., Талалаев С.А. Подготовка питьевой воды на станциях с речными водозаборами применительно в Восточной Сибири. Материалы II Международной научно-практической конференции «Решение водохозяйственных проблем в Сибирском регионе». – Новосибирск, 2005, с.12-13.
- Давлятерова Р.А., Смирнов А.Д. Исследование процессов очистки ливневых вод от взвешенных веществ и нефтепродуктов // ЛОМОНОСОВ-2004. Материалы Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам. – Москва, 2004, с.118.
- Шевчук С.В., Смагин А.Д., Беляк А.А, Смирнов А.Д., Хохлова А.Д., Давлятерова Р.А., Пинчук С.В., Кантор Л.И. Оценка возможностей повышения барьерной роли инфильтрационных водозаборов г.Уфы // Водоснабжение и санитарная техника, №4, Часть 2, 2004, с.38-40.
Автор выражает благодарность за сотрудничество специалистам
ОАО «НИИ ВОДГЕО»: коллективу лаборатории глубокой очистки воды, заведующему лабораторией технологии химической очистки и анализа вод, к.т.н. Белевцеву А.Н., к.т.н., с.н.с. Жаворонковой В.И., к.т.н. Свердликову А.А.;
сотрудникам кафедры физической химии химического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова профессору, д.х.н Ткаченко С.Н., доценту, к.х.н. Емельяновой Г.И., с.н.с., к.х.н. Горленко Л.Е, н.с. Ткаченко И.С. и м.н.с. Гайдамаке С.Н., а также своей семье – за поддержку и любовь.
