Очистка радиоактивных сточных вод в электрическом поле
На правах рукописи
ДОБРЯКОВ АНДРЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ
ОЧИСТКА РАДИОАКТИВНЫХ СТОЧНЫХ ВОД
В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ
| 05.23.04 | Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов |
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Волгоград - 2011
Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Волгоградском государственном техническом университете.
| Научный руководитель доктор технических наук, профессор | ГОЛОВАНЧИКОВ АЛЕКСАНДР БОРИСОВИЧ |
| Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор | МОСКВИЧЕВА ЕЛЕНА ВИКТРОВНА ГОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет» |
| кандидат технических наук | ИВАНОВА НАТАЛЬЯ ВАЛЕРЬЕВНА ООО «Лукойл-Волгограднефтепереработка» |
| Ведущая организация | ГОУ ВПО «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)» |
Защита состоится 27 мая 2011г. в 1100 на заседании диссертационного совета ДМ212.026.05 при ГОУ ВПО Волгоградском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 400074, г. Волгоград, ул. Академическая, 1, ауд. Б-203.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО Волгоградского государственного архитектурно–строительного университета.
Автореферат разослан 27 апреля 2011г.
| Ученый секретарь диссертационного совета | Юрьев Ю.Ю. |
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. В настоящее время одной из серьезных экологических проблем является проблема очистки сточных вод предприятий ядерного топливного цикла, содержащих радиоактивные изотопы. Главным «поставщиком» таких отходов можно считать предприятия атомной электроэнергетики – атомные электростанции. С каждым годом в мире доля электрической энергии, вырабатываемой атомными электростанциями, повышается, а, следовательно, и растет количество радиоактивных отходов, в том числе и жидких. Ежегодно в России на атомных электростанциях образуется около 2,5-3 млн. м3 жидких радиоактивных отходов, при этом стоимость переработки и захоронения 1 м3 жидких отходов составляет от 30 до 300 тыс. рублей, в зависимости от их активности. В настоящее время все имеющиеся хранилища радиоактивных отходов практически заполнены. Свободный объем позволяет обеспечить эксплуатацию всех российских АЭС по жидким радиоактивным отходам в течение 6-8 лет.
Существующие в настоящее время в нашей стране предприятия по переработке и утилизации радиоактивных отходов большей частью были спроектированы и построены во второй половине прошлого века. Конструкция аппаратов и методы, применяемые на них, не позволяют в настоящее время справиться с существенно возросшим с того времени объемом радиоактивных отходов. Разработка новых методов переработки, очистки и утилизации жидких радиоактивных отходов и модернизация существующих является единственным выходом из сложившейся ситуации.
Анализируя современное состояние методов очистки сточных вод от радиоактивных изотопов, следует отметить, что одним из основных методов их очистки является метод ионного обмена с использованием селективных органических и неорганических ионитов. Поэтому на сегодняшний день сохраняется актуальность работ, посвященных оптимизации существующих технологий ионообменной очистки сточных вод. Согласно проведенному в данной работе исследованию, применение электрического поля совместно с движущимся слоем ионита позволит значительно повысить эффективность извлечения радиоактивных изотопов из сточных вод, а также снизить экономические затраты на весь процесс очистки.
Целью работы является разработка ионообменного метода очистки сточных вод, содержащих радиоактивные изотопы, в электрическом поле, а также промышленной технологии и оборудования для ее осуществления.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
- провести анализ существующих методов обезвреживания, переработки и утилизации жидких радиоактивных отходов и оборудования, в которых они осуществляются;
- разработать способ интенсификации процесса очистки сточных вод методом ионного обмена при воздействии электрического поля;
- провести математическое моделирование процесса одновременной очистки сточных вод, содержащих несколько радиоактивных изотопов, методом ионного обмена в электрическом поле;
- провести экспериментальное исследование влияния электрического поля на процесс ионного обмена;
- разработать аппарат и сорбент, позволяющие проводить очистку сточных вод методом ионного обмена под воздействием электрического поля в движущемся слое сорбента.
Основная идея работы – совершенствование методов очистки сточных вод, содержащих радиоактивные изотопы.
Методы исследований включали: аналитическое обобщение известных научных и технических результатов, математическое моделирование, лабораторные исследования, обработку экспериментальных данных методами математической статистики.
Достоверность результатов исследований подтверждается применением классических методов исследования, принятых в аналитической и физической химии, применением известных методов обработки экспериментальных данных с помощью ЭВМ. Разработанная математическая модель процесса ионного обмена в постоянном электрическом поле подтверждена на практике лабораторными исследованиями.
Научная новизна работы состоит в том, что:
- предложена и проверена экспериментально методика интенсификации процесса ионного обмена в электрическом поле, выявлены основные ее параметры и условия;
- разработана математическая модель процесса одновременной очистки сточных вод, содержащих радиоактивные изотопы, методом ионного обмена в постоянном электрическом поле.
Практическое значение работы:
Разработана установка для проведения очистки сточных вод методом сорбции в движущемся слое сорбента или ионита под действием электрического поля и проведены лабораторные исследования этого процесса. Разработана оболочка для сорбента из трикотажа или тканевого материала с ворсом, который позволяет сократить на два порядка измельчение и истирание зерен или гранул сорбента.
Реализация результатов работы:
Материалы диссертационной работы использованы кафедрой ПАХП ГОУ ВПО Волгоградского государственного технического университета в учебном процессе при подготовке инженеров по специальности 241000.62 «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии».
На защиту выносятся:
- метод одновременной очистки сточных вод от нескольких радиоактивных изотопов в постоянном электрическом поле;
- результаты математического моделирования процесса одновременной очистки сточных вод от нескольких радиоактивных изотопов методом ионного обмена при воздействии постоянного электрического поля;
- результаты лабораторных исследований влияния электрического поля на процесс ионного обмена;
- конструкция нового аппарата для очистки сточных вод под действием электрического поля и оболочка для сорбента из трикотажа или тканевого материала с ворсом.
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на: III Всероссийской конференции «Ресурсо-энергосбережение и эколого-энергетическая безопасность промышленных городов» (г. Волжский, 2010г.); XLVIII Международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс» (г. Новосибирск, 2010г.); 3-ей Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Технологии и оборудование химической, биотехнологической и пищевой промышленности» (г. Бийск, 2010г.); XIV Международной экологической студенческой конференции «Экология России и сопредельных территорий» (г. Новосибирск, 2009г.); XIII Межрегиональной научно-практической конференции с международным участием (г. Апатиты, 2010г.); I Всероссийской научно-практической заочной конференции «Научное наследие В.И. Вернадского и современные проблемы науки» (г. Чебоксары, 2010г.); 45-48-ой научных конференциях ВолгГТУ (г. Волгоград, 2008-2011г.г.); 5-ой Международной конференции по химии и химическому образованию «Свиридовские чтения 2010» (г. Минск, 2010г.); II Межрегиональной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Актуальные проблемы государственной молодежной политики» (г. Волгоград, 2008г.); Тринадцатой межвузовской научно-практической конференции молодых учёных и студентов (г. Волжский, 2007г.); Круглом столе молодых химиков и представителей предприятий Волгоградской области в рамках заседания Волгоградского отделения Российского химического общества им. Д.И. Менделеева (г. Волгоград, 2010г.).
Публикации.
Основные результаты исследований по теме диссертации изложены в 25 работах, в том числе в 6 статьях, опубликованных в изданиях, рекомендованных ВАК России, и 8 патентах.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Общий объем работы 165 страниц, в том числе: 124 страницы – основной текст, содержащий 8 таблиц на 11 страницах, 32 рисунка на 23 страницах; список литературы из 151 наименования на 21 странице, 2 приложений на 19 страницах.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, определены цель работы, научная новизна, практическая значимость и сведения об апробации результатов работы.
В первой главе приведена классификация сточных вод, а также дан краткий обзор атомных реакторов, которые применяются на атомных электростанциях в настоящее время в России и в мире. Приведена характеристика и объемы радиоактивных отходов, образующихся в процессе деятельности предприятий ядерного топливного цикла.
Особое внимание в первой главе уделено жидким радиоактивным отходам, образующимся на АЭС. Выделены основные источники образования данного вида отходов, к которым можно отнести в первую очередь воду, используемую для продувки атомного реактора, промывки и дезактивации контуров, парогенераторов, помещений и одежды. К ним же относят и воды бассейнов выдержки и перегрузки, воды опорожнения реакторных петель, характеризующие наибольшей чистотой и наибольшей активностью.
Далее приведены основные методы очистки, концентрирования и хранения жидких радиоактивных отходов, даны их характеристики, достоинства и недостатки. Согласно существующей классификации эти методы можно разделить на три группы: термические, сорбционные и мембранные. Сорбционные методы, как наиболее используемые в настоящее время на предприятиях ядерного топливного цикла, рассмотрены более подробно. Для всех методов проведен патентный обзор существующих перспективных моделей и изобретений.
В связи с широким применением для очистки сточных вод методов ионного обмена и, соответственно, ионообменных материалов, в данной главе рассмотрены основы теории ионного обмена, приведена классификация ионитов, их характеристики, проведен анализ их применимости в процессах очистки сточных вод различных производств и переработки жидких радиоактивных отходов, а также приведены характеристики и конструкции ионообменных аппаратов.
Анализ технической литературы показал, что наиболее приоритетным направлением в очистке сточных вод от радиоактивных изотопов в настоящее время является применение ионообменной технологии с использованием синтетических сорбентов.
Во второй главе теоретически обосновано применение электрического поля для интенсификации процесса ионного обмена, а также приведены результаты математического моделирования процессов очистки сточных вод методами ионного обмена.
На первом этапе исследования проводилось компьютерное моделирование процесса очистки сточных вод в ионообменной колонне с неподвижным слоем ионита от содержащегося в них одного радиоактивного изотопа (без учета остальных примесей и химических аналогов). Моделирование проводилось для двух радиоактивных изотопов: 137Cs и 90Sr на катионообменной смоле КУ-2-8, высота слоя которой составляла 0,5 метра. В качестве начального уровня активности был выбран уровень в 1 Ки, соответствующий сточным водам высокой активности. Конечный уровень активности был взят равным 1·10-5 Ки, что соответствует уровню сточных вод низкой активности.
В основу модели были положены уравнения равновесной линии и материального баланса. Элементарный материальный баланс для слоя ионита, находящегося на высоте h, толщиной dh между сечениями I-I и II-II, и момента времени, когда концентрация поглощенного компонента в ионите c (рис.1):
Рис. 1. Схема для расчета элементарного баланса по первому компоненту для момента времени за время d для элементарного слоя dh на высоте h.
 , | (1) |
где левая часть – приход компонента в выделенный элементарный объем (Sdh); первое слагаемое в правой части – уход компонента из выделенного элемента объема через сечение II-II; второе слагаемое в правой части – поглощение компонента гранулами ионита в процессе ионообмена. Последнее уравнение после преобразования приобретает вид:
 , | (2) |
где с* определяется как функция приведенной концентрации xn или при переходе к конечным значениям 
:
 | (3) |
Аналогичный баланс внутри выделенного слоя ионита 
будет иметь вид:
 | (4) |
или после преобразований:
 | (5) |
Результаты моделирования процесса очистки в неподвижном слое ионита были следующие. Время цикла очистки сточной воды, содержащей ионы цезия 137Cs, от начальной до конечной концентрации составляет 242,89 часа. При этом степень использования динамической емкости ионита составляет всего лишь 7,69%. Для ионов стронция 90Sr время цикла составляет 131,81 часа, а степень использования обменной емкости ионита равна 12,7 %.
На основе полученных данных можно сказать, что использование для очистки ионообменной колонны с неподвижным слоем ионита не дает реальной экономической выгоды из-за очень низкого коэффициента использования самого ионообменного материала. Для увеличения данного показателя необходима интенсификация процесса ионного обмена каким-либо внешним воздействием. Использование существующих методов интенсификации внешней диффузии, прежде всего, связано с увеличением скорости обтекания поверхности гранул ионита потоком очищаемой жидкости за счет вибрации или псевдоожижения, что вызывает измельчение гранул ионита при их механических столкновениях. Применение в качестве интенсифицирующего воздействия постоянного электрического поля позволяет значительно повысить эффективность процесса очистки. В этом случае коэффициент внешней массоотдачи может быть представлен в виде:
E=+ve (6)
Скорость дрейфа ионов под действием электрического поля можно записать в следующем виде:
, (7)
Графики изменения рабочей концентрации х ионов цезия 137Cs и стронция 90Sr по высоте неподвижного слоя ионита в конечный момент времени для разной напряженности поля E приведены на рис.2. Площадь под графиками характеризует обменную емкость ионита и, как видно из результатов моделирования, обменная емкость увеличивается с увеличением напряженности электрического поля: для цезия 137Cs с 7,69% (E=0 В/м) до 15,56% (E=100 В/м), для стронция 90Sr с 12,73% (E=0 В/м) до 39,27% (E=100 В/м).
Известные методы расчетов ионообменных аппаратов с неподвижным слоем ионита позволяют определять основное время цикла, когда в сточной воде присутствует один компонент. Если в сточной воде присутствуют несколько компонентов, приходится сначала выбирать один основной, производить по нему расчет рабочего времени цикла очистки, затем повторять аналогичные расчеты для каждого следующего компонента, а после этого из локальных рабочих времен цикла выбирать наименьшее время. Однако при совместной одновременной очистке сточной воды от двух или нескольких компонентов в ионообменной колонне необходимо учитывать суммарное влияние этих компонентов на обменную емкость ионита.
Рис. 2. Изменение рабочей концентрации х ионов цезия 137Cs и стронция 90Sr по высоте неподвижного слоя ионита в конечный момент времени для разной напряженности поля E (В/м)
Для изучения процесса очистки сточных вод одновременно от двух компонентов было проведено компьютерное моделирование процесса для двух радиоактивных изотопов цезия 137Cs и стронция 90Sr. В основу моделирования было положено уравнение равновесной линии, которое при одновременной очистке воды от ионов двух компонентов можно записать в виде системы двух уравнений, а также уравнение материального баланса.
Для двух компонентов, одновременно участвующих в ионном обмене, общая степень использования обменной емкости ионита может быть записана в виде:
(8)
В этом случае для каждого компонента можно рассчитать приведенную относительную концентрацию в ионите, обеспечивающую такую же степень использования обменной емкости ионита, которая имеет место для обоих компонентов:
(9)
или с учетом предыдущего уравнения:
. (10)
Тогда при одновременной очистке воды от ионов двух компонентов уравнение равновесной линии запишется в виде системы:
(11)
Уравнения материального баланса для первого и второго компонентов будут иметь вид, аналогичный уравнениям материального баланса для одного компонента (3) и (5).
Расчеты показали, что электрическое поле существенно влияет на поверхностный коэффициент массоотдачи E (происходит увеличение с 1,11·10-5 до 1,45·10-5 м/с для 137Cs и с 1,33·10-5 до 2,83·10-5 м/с для 90Sr) и объемный коэффициент массоотдачи (происходит увеличение с 4,46·10-2 до 5,82·10-2 1/с для 137Cs и с 5,31·10-2 до 11,37·10-2 1/с для 90Sr). Как видно, это влияние возрастает с ростом заряда иона и уменьшением его диаметра.
На рис.3 представлены графики зависимости основного времени цикла и степени использования обменной емкости ионита от напряженности электрического поля. Анализ графиков показывает, что при напряженности электрического поля E=100 В/м для цезия 137Cs степень использования ионообменной емкости увеличивается с 7,69% до 15,56%, для стронция 90Sr с 12,73% до 39,27%, а в случае одновременной очистки воды от ионов стронция 90Sr и цезия 137Cs – с 10,03 % до 25,01%. Так же стоит отметить, что напряженность электрического поля в 100 В/м увеличивает рабочее время цикла для цезия 137Cs с 242,9 часов до 491,9 часов и для стронция 90Sr с 131,8 до 408,1 часов, т.е. в 2,03 раза для цезия 137Cs и 3,1 раза для стронция 90Sr. При одновременной очистке воды от ионов цезия 137Cs и стронция 90Sr это увеличение составляет 2,49 раза (с 78,31 часа до 195,4 часа), да и само рабочее время цикла всегда меньше, чем рабочее время цикла для удаления из воды ионов одного компонента. Расчеты показали уменьшение в 2,52 раза времени цикла очистки при одновременном извлечении по сравнению с извлечением одного изотопа при сохранении высокой степени использования обменной емкости ионита.
Результаты математического моделирования позволяют сделать вывод, что напряженность электрического поля существенным образом влияет на рабочее время цикла и на степень использования обменной емкости ионита как при очистке воды от ионов отдельных компонентов, так и при одновременной ее очистке от двух компонентов.
I) 
II)
Рис. 3. Зависимость рабочего времени цикла (фрагмент I) и степени использования обменной емкости ионита (фрагмент II) от напряженности электрического поля при высоте слоя H=0,5 м: 1 – для ионов цезия, 2 – для ионов стронция, 3 – для цезия и стронция при одновременном извлечении.
Степень использования обменной емкости и рабочее время существенно увеличиваются с увеличением высоты слоя ионита, но в любом случае рабочее время цикла при одновременном удалении ионов двух компонентов всегда меньше, чем при удалении из воды ионов только одного компонента. Для каждого иона в отдельности при одновременном удалении ионов двух компонентов существуют минимальная высота, при которой проскок ионов допускаемой концентрации происходит с первым потоком очищаемой воды, выходящей из этого слоя.
Целью третьей главы являлось экспериментальное исследование влияния постоянного электрического поля на процесс ионного обмена. Для проверки результатов математического моделирования процесса ионного обмена при воздействии на ионит электрического поля и без него, был проведен ряд экспериментов. Проведение экспериментов на радиоактивных изотопах сопряжено с высокой опасностью получить дозу активного излучения, и в случае непредвиденных ситуаций эксперимент может привести к радиоактивному загрязнению. Поэтому проще, дешевле, быстрее и безопаснее провести опыты на модельных элементах и полученные результаты затем распространить на реальные изотопы, используя теорию подобия и критериальное уравнение. Известно, что аналогами изотопа стронция 90Sr являются кальций и магний, а натрий и калий проявляют свойства, аналогичные свойствам изотопа цезия 137Cs.
Первая часть экспериментов заключалась в построении равновесной кривой ионного обмена для ионов кальция и натрия на катионите КУ-2-8 при воздействии внешнего электрического поля, а так же без него. На графике (рис. 4а) приведены равновесные линии ионного обмена для кальция при нулевой напряженности электрического поля (верхняя линия) и при напряженности электрического поля 150 В/м. Вторая часть экспериментов заключалась в исследовании влияния электрического поля на процесс ионного обмена в динамических условиях на лабораторной установке, в которой очищаемый раствор проходил очистку в ионообменной ячейке. На графике рис. 4б приведена зависимость концентрации ионов кальция в растворе после очистки от концентрации ионов в ионите.
а)
б)
Рис. 4. Зависимость концентрации ионов в растворе от концентрации извлекаемых ионов в ионите
Из данных графиков видно, что воздействие электрического поля на систему в процессе ионного обмена опускает равновесную линию ионного обмена. При этом видно, что под воздействием электрического поля ионит может поглотить большее количество ионов из раствора (на 5-15%).
В четвертой главе представлена разработанная технологическая схема (рис. 5а) очистки сточных вод методом ионного обмена в электрическом поле. Схематически ее можно представить в виде блоков, наиболее важным из которых является аппарат непрерывного действия 1 (рис 5а), в котором производится непосредственно ионообменная очистка.
а) 
б)
Рис. 5. а) Блок-схема очистки радиоактивных отходов: 1 – аппарат непрерывного действия, 2 – блок очистки от дисперсной фазы, 3, 4 – резервуары-накопители, 5- измельчитель, 6 – блок капсулирования. б) Аппарат непрерывного действия для очистки жидкостей в электрическом поле.
На рис.5б представлен общий вид предлагаемой конструкции аппарата. Аппарат состоит из цилиндрического корпуса 1 диаметром Dа, верхнего днища 2 с патрубком 3 для подачи свежего сорбента и штуцера 4 для отвода очищенной жидкости, нижнего днища 5 с патрубком 6 для отвода отработанного сорбента и штуцером 7 для подачи очищаемой жидкости. Внутри корпуса 1 соосно с ним и между собой установлены внешний перфорированный цилиндр 8 диаметром Dн, внутренний перфорированный цилиндр 9 диаметром Dв и стержень-электрод 10 диаметром Dс, при этом эти диаметры соответствуют соотношению:
Dа-Dн= Dн-Dв= Dв-Dс, (12)
где Dа, Dн, Dв, Dс – соответственно диаметры корпуса, внешнего и внутреннего цилиндров и стержня-электрода, поверхности которых покрыты диэлектрическим материалом для предотвращения утечки тока из электродов.
Внутри корпуса 1 находятся зерна или гранулы сорбента 11. Аппарат установлен на диэлектрических опорах 12, корпус и внутренний цилиндр подключены к отрицательному полюсу источника постоянного тока 13, а внешний цилиндр 8 и стержень-электрод 10 присоединены через диэлектрическую пробку 14 к положительному полюсу источника постоянного тока 13. Диэлектрическое покрытие корпуса, цилиндров и электрода препятствует протеканию электрического тока через очищаемый раствор, что позволяет при малом токе и напряжении создать электрическое поле высокой напряженности.
Экономический расчет показал, что применение электрического поля для интенсификации процесса ионного обмена позволяет получить экономическую выгоду в сумме приблизительно 795 тыс. руб. в год при высоте слоя ионита в аппарате 0,5 метра, диаметре аппарата 1,6 метра и производительности аппарата 10 м3/час. При этом внутри аппарата создается электрическое поле 75 В/м, а подводимое напряжение не превышает 35 В.
Для предотвращения процесса истирания и разрушения гранул было разработано специальное покрытие гранул сорбента или ионообменного вещества, выполненное из текстильного или трикотажного материала с ворсом, элементы которого обращены наружу и их длина не превышает 0,4 – 1,5 мм. На рис. 6 показан общий вид гранул с предлагаемым покрытием, на фрагменте II показан общий вид гранул сорбента с покрытием из текстильного материала с ворсом в виде трубки.
В процессе движения по колонне гранулы сорбента не соприкасаются друг с другом, т.к. этому препятствуют элементы ворса и сама поверхность текстильного или трикотажного материала, но в то же время эта поверхность практически не создает диффузионного сопротивления для молекул вредных веществ, которые свободно проходят в поры гранул адсорбента (установлено опытным путем).
При регенерации гранул сорбента паром или горячей жидкостью данное покрытие практически не препятствуют процессам десорбции уловленных молекул вредных веществ из микропор гранул. Наоборот, зазор между гранулами, который обеспечивают элементы ворса, препятствует прилеганию поверхности гранул друг к другу и облегчает движение пара или горячей жидкости около их поверхности. Это уменьшает время десорбции и в целом увеличивает производительность всего процесса. Опытным путем установлено, данная оболочка позволяет сократить истирание гранул сорбента на 2 порядка.
I)
II) 
Рис 6. Вид гранул сорбента: I) гранулы сорбента с покрытием из текстильного материала с ворсом, II) гранулы сорбента с покрытием из текстильного материала с ворсом в виде трубки: 1 – гранула, 2 – покрытие, 3 – ворс, 4 – перетяжка
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В диссертационной работе дано решение актуальной проблемы: интенсификации электрическим полем процесса очистки сточных вод, содержащих радиоактивные изотопы методом ионного обмена.
Основные выводы по работе:
- Анализ существующих способов и методов переработки, обезвреживания и утилизации жидких радиоактивных отходов показывает, что приоритетным в данной области направлением является применение ионообменной технологии.
- Для интенсификации этого процесса предлагается электрическое поле, которое позволяет повысить в зависимости от заряда и размера иона поверхностный и объемный коэффициенты массоотдачи на 30-115%, и степень использования обменной емкости ионита на 8-25% при напряженности электрического поля в 100 В/м.
- Математическое моделирование процесса одновременной очистки сточных вод, содержащих радиоактивные изотопы цезия 137Cs и стронция 90Sr, в ионообменной колонне при постоянном электрическом поле показывает, что при одновременном извлечении из воды нескольких изотопов время цикла очистки уменьшается в 2,52 раза по сравнению с извлечением одного изотопа при сохранении высокой степени использования обменной емкости ионита.
- Лабораторными исследованиями подтверждается, что происходит увеличение обменной емкости ионита в электрическом поле на 5-15% при напряженности электрического поля в 150 В/м.
- Разработана конструкция аппарата непрерывного действия для проведения процесса сорбционной очистки в постоянном электрическом поле сточных вод, содержащих радиоактивные изотопы или другие вредные вещества, и покрытие гранул сорбента, позволяющее на два порядка продлить срок их эксплуатации и повысить производительность процесса сорбционной очистки сточных (защищено патентом Российской Федерации).
- Предложена технологическая схема для одновременной ионообменной очистки радиоактивных сточных вод от нескольких изотопов в электрическом поле.
- Разработан и защищен патентами Российской Федерации ряд вспомогательных аппаратов, которые можно использовать в предложенной технологической схеме для ионообменной очистки радиоактивных сточных вод в постоянном электрическом поле.
- Экономический расчет показал, что применение электрического поля для интенсификации процесса ионного обмена позволяет получить экономическую выгоду в сумме приблизительно 795 тыс. руб. в год при высоте слоя ионита в аппарате 0,5 метра, диаметре аппарата 1,6 метра и производительности аппарата 10 м3/час.
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
qv – производительность по раствору; – время; сH, ck – начальная и конечная концентрации; G – масса слоя ионита; E и - коэффициенты массоотдачи с учетом напряженности электрического поля и без него; ve - скорость дрейфа ионов в электрическом поле напряженностью E; n – заряд иона; e – величина единичного заряда; - вязкость раствора; d – диаметр ионов.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ОТРАЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ:
Публикации в ведущих рецензируемых научно-технических журналах и
изданиях определенных ВАК РФ
1. Добряков, А.В. Моделирование процесса ионообмена в электрическом поле [Текст] / А.Б. Голованчиков, М.Ю. Ефремов, Н.А. Дулькина, А.В. Добряков // Экологические системы и приборы. – 2010. – № 3. – C. 6-8.
2. Добряков, А.В. Очистка сточных вод от радиоактивных изотопов цезия и стронция в неподвижном слое ионита и постоянном электрическом поле [Текст] / А.В. Добряков, А.Б. Голованчиков // АНРИ. Аппаратура и новости радиационных измерений. – 2010. – №2(61). – C. 39-44.
3. Добряков, А.В. Очистка сточных вод от радиоактивных изотопов [Текст] / А.В. Добряков, А.Б.Голованчиков// Безопасность жизнедеятельности. – 2010. – №9. – С. 22-26.
4. Добряков, А.В. Радиационная обстановка на территории Волгоградской области и факторы, влияющие на ее формирование [Текст] / А.В. Добряков // Вестник Волгогр. гос. арх.-строит. ун-та. Сер.: Строительство и архитектура. 2008. – Т. 28. – № 9. – С. 130-133.
5. Добряков, А.В. Влияние электрического поля на одновременную очистку сточных вод от радиоактивных ионов цезия и стронция / А.Б. Голованчиков, А.В. Добряков, М.Ю. Ефремов, Н.А. Дулькина // Энергосбережение и водоподготовка. - 2010. - № 5 (октябрь). - C. 17-22.
Патенты
6. Пат. 2361662 РФ, МПК В 01 J 20/28. Адсорбент для очистки газов и жидкостей от вредных примесей [Текст] / А.Б. Голованчиков, А.В. Добряков, М.Ю. Ефремов, Ю.Л. Беляева, А.Э. Караева, Б.А. Дулькин; ВолгГТУ. – 2009.
7. П. м. 78099 РФ, МПК B 08 B 7/02. Установка для вибрационной обработки крупногабаритных изделий [Текст] / А.Б. Голованчиков, Н.А. Дулькина, Ю.Л. Беляева, А.В. Добряков, А.С. Коваль, Б.А. Дулькин; ГОУ ВПО ВолгГТУ. – 2008.
8. П. м. 88286 РФ, МПК B 01 F 13/00, B 01 F 7/18. Смеситель [Текст] / А.Б. Голованчиков, Н.А. Дулькина, А.В. Владимцев, А.В. Добряков, А.Е. Салмова; ВолгГТУ. – 2009.
9. П. м. 86896 РФ, МПК В 08 В 7/02. Установка для вибрационной обработки крупногабаритных изделий [Текст] / А.Б. Голованчиков, А.В. Владимцев, А.С. Коваль, А.В. Добряков, Б.А. Дулькин; ВолгГТУ. – 2009.
10. П. м. 88290 РФ, МПК В 02 С 19/22. Устройство для измельчения материалов [Текст] / А.Б. Голованчиков, Ю.А. Анцупов, Е.С. Комарова, А.В. Добряков, Е.В. Федосеева, А.А. Третьякова; ВолгГТУ. – 2009.
11. П. м. 97995 РФ, МПК C 02 F1/463. Электролизер для очистки сточных вод от тяжелых металлов [Текст] / А.Б. Голованчиков, Т.В. Хохлова, Ю.В. Аристова, А.О. Бондаренко, Н.А. Дулькина, А.В. Добряков; ВолгГТУ. – 2010.
12. П.м. 99353 РФ, МПК B 01 J 20/28. Адсорбент для очистки газов и жидкостей от вредных примесей [Текст] / А.Б. Голованчиков, Ю.В. Аристова, Н.А. Дулькина, М.Ю. Ефремов, А.В. Добряков, П.А. Комкин; ВолгГТУ. – 2010.
13. П. м. 101940 РФ, МПК B 01 D 53/02. Адсорбер [Текст] / А.Б. Голованчиков, А.В. Добряков, М.Ю. Ефремов, Н.А. Дулькина, А.А. Решетников, В.Н. Лебедев; ВолгГТУ. – 2011.
Отраслевые издания и материалы конференций
14. Добряков, А.В. Обеспечение контроля состояния радиац. обстановки на территории Волгогр. обл. методами и средствами автоматизир. системы контроля Волго-АСКРО в целях обеспеч. радиац. безопасности [Текст] / А.Б. Голованчиков, А.В. Добряков // Экологический навигатор. – 2007. – №3. – C.32-39.
15. Добряков, А.В. Анализ динамики уровня гамма-фона на территории Волгоградской области [Текст] / А.В. Добряков // Тринадцатая межвузовская научно-практическая конференция молодых учёных и студентов, г. Волжский, май 2007 г.: тез. докл. / ВПИ (филиал) ВолгГТУ [и др.]. – Волгоград, 2008. – Т. 1. – C. 155-156.
16. Добряков, А.В. Очистка сточных вод от радиоактивных изотопов стронция в неподвижном слое ионита [Текст] / А.В. Добряков, А.Б. Голованчиков // Студент и научно-технический прогресс: матер. XLVIII междунар. науч. студенческой конф. Секция "Химия" (10-14 апр. 2010 г.) / Новосибирский гос. ун-т [и др.]. - Новосибирск, 2010. - C. 10.
17. Добряков, А.В. Проблема радиоактивных отходов АЭС на территории Волгоградской области [Текст] / А.В. Добряков, А.Б. Голованчиков // Экология России: на пути к инновациям: межвуз. сб. науч. тр. Вып. 1 / Астраханский гос. ун-т. - Астрахань, 2009. - C. 139-142.
18. Добряков, А.В. Мониторинг радиационной обстановки на территории Волгоградской области [Текст] / Ан.В. Добряков, Г.В. Савельев, Ал.В. Добряков // Научное наследие В.И. Вернадского и современные проблемы науки: матер. I всерос. науч.-практ. конф. / ООО "НИИ геологических и геоэкологических проблем" [и др.]. - Чебоксары, 2010. - C. 95-96.
19. Добряков, А.В. Добряков, А.В. Влияние АЭС на радиационную обстановку на территории Волгоградской области / А.В. Добряков, А.Б. Голованчиков // Экология России и сопредельных территорий: матер. XIV междунар. экологической студ. конф. МЭСК-2009 / Новосиб. гос. ун-т [и др.]. - Новосибирск, 2009. - C. 103-104.
20. Добряков, А.В. Исследование влияния электрического поля на процессы очистки сточных вод методом ионного обмена [Текст] / А.В. Добряков, А.Б. Голованчиков // Технологии и оборудование химической, биотехнологической и пищевой промышленности: матер. 3-й всерос. науч.-практ. конф. студ., аспир. и молод. учёных с междунар. участ. (28-30 апр. 2010 г.). В 2 ч. Ч. 1 / ГОУ ВПО "Алт. гос. техн. ун-т им. И.И. Ползунова", Бийский технол. ин-т (филиал) АлтГТУ. - Бийск, 2010. - C. 52-56.
21. Добряков, А.В. Sewage treatment from radioactive isotopes of strontium in motionless ionite layer [Текст] / А.В. Добряков // 5th International Conference of Chemistry and Chemical Education. Sviridov Readings 2010 (Minsk, Belarus, 6-9 April 2010) / Belarusian State University. – Minsk, 2010. – P. 41. – Англ.
22. Добряков, А.В. Ионообменная очистка воды в электрическом поле / А.В. Добряков, А.Б. Голованчиков, М.Ю. Ефремов [Текст] // Ресурсо-энергосбережение и эколого-энергетическая безопасность промышленных городов : сб. матер. третьей всерос. науч.-практ. конф. (г. Волжский, 28-30 сент. 2010 г.) / Филиал "МЭИ (ТУ)" в г. Волжском. - Волжский, 2010. - C. 381-383.
23. Добряков, А.В. Очистка сточных вод атомных электростанций [Текст]/ А.В. Добряков // Актуальные проблемы безопасности жизнедеятельности : матер. всерос. заоч. науч.-практ. конф. (апрель 2010 г.) / Башкирский гос. ун-т. - Уфа, 2010. - C. 16-17.
24. Добряков, А.В. Использование электрического поля для подготовки воды в пароэнергетических установках [Текст] / М.Ю. Ефремов, А.Б. Голованчиков, А.В. Добряков // Изв. ВолгГТУ. Серия «Реология, процессы и аппараты химической технологии». Вып. 4: межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2011. - № 1. - C. 114-117.
25. Добряков, А.В. Электроионообменный аппарат непрерывного действия / А.В. Добряков, В.Н. Лебедев, А.Б. Голованчиков // XV региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области (Волгоград, 9-12 ноября 2010 г.): тез. докл. / ВолгГТУ [и др.]. - Волгоград, 2011. - C. 16-17
ДОБРЯКОВ АНДРЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ
ОЧИСТКА РАДИОАКТИВНЫХ СТОЧНЫХ ВОД
В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ
| 05.23.04 | Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов |
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Подписано в печать 20.04.2011г. Заказ № Тираж 100 экз. Печ. л. 1,0
Формат 60 х 84 1/16
Бумага офсетная. Печать офсетная.
Типография ИУНЛ
Волгоградского государственного технического университета
400131, г. Волгоград, просп. им. В.И. Ленина, 28, корп. №7
