Рубай ольга іванівна



Pdf көрінісі
бет1/3
Дата13.10.2018
өлшемі298.95 Kb.
#85922
  1   2   3

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ 

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ 

«КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ імені ІГОРЯ СІКОРСЬКОГО» 

 

 



 

 

РУБАЙ ОЛЬГА ІВАНІВНА 



 

 

 

УДК 628.161.2:546.72 



 

 

 

 

 

 

 

ТЕОРЕТИЧНІ ОСНОВИ І ТЕХНОЛОГІЯ ДЕФЕРИЗАЦІЇ ПІДЗЕМНИХ 

ВОД КИСНЕМ ПОВІТРЯ В АБСОРБЕРІ З КОВШОПОДІБНИМИ 

ДИСПЕРГАТОРАМИ 

 

 

 

 

 

 

 

 

05.17.21 – технологія водоочищення 

 

 

 



 

 

АВТОРЕФЕРАТ 

дисертації на здобуття наукового ступеня 

кандидата технічних наук 

 

 

 



 

 

Київ – 2016 



Дисертацією є рукопис 

 

Робота виконана на кафедрі хімії і  технології неорганічних речовин Національного 



університету “Львівська політехніка” Міністерства освіти і науки України. 

 

 



Науковий керівник:  заслужений діяч науки і техніки України, 

доктор технічних наук, професор 



Яворський Віктор Теофілович 

 

 



 

 

Національний університет “Львівська політехніка”, 



 

 

 



 

завідувач кафедри хімії і технології неорганічних речовин 

 

 

 



 

  

Офіційні опоненти:  доктор хімічних наук, професор 

 

 

 



 

Мєшкова-Клименко Наталія Аркадіївна, 

 

 

 

 

Інститут колоїдної хімії та хімії води Національної академії  

наук України, 

заступник директора з наукової роботи 



 

 

 

 

 

кандидат технічних наук  

 

 

 



 

Сусь Марія Олександрівна, 

 

 



 

 

Товариство з обмеженою відповідальністю 



«Науково-виробниче об’єднання «Екософт»», 

менеджер з продуктів відділу технічної підтримки та  

розвитку продуктів 

 

 

 

Захист  відбудеться  “22”  лютого  2017  р.  о  14.30  годині  на  засіданні 

спеціалізованої  вченої  ради  Д  26.002.13  в  Національному  технічному  університеті 

України  “Київський  політехнічний  інститут  імені  Ігоря  Сікорського”  за  адресою: 

03056, Київ 56, пр. Перемоги, 37, корпус № 4, велика хімічна аудиторія 

 

 



 

З  дисертацією  можна  ознайомитися  у  бібліотеці  Національного  технічного 

університету України “Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського”. 

 

 



Автореферат розісланий “___” січня 2017 р. 

 

 



 

 

Учений секретар  



cпеціалізованої вченої ради Д 26.002.13 

кандидат технічних наук, доцент   

 

Т.І. Мотронюк 





 

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ 

Актуальність  теми.  Водопостачання  в  Україні  здійснюють  переважно  з 

поверхневих  джерел,  якість  води  яких  постійно  погіршується.  Водночас  Україна 

володіє  значним  ресурсом  підземних  вод,  які  за  основними  показниками 

відповідають  вимогам  ДСанПіН  2.2.4-171-10  (крім  твердості  та  вмісту  Феруму). 

Підвищений  вміст  сполук  Феруму  у  воді  надає  їй  бурого  забарвлення,  присмаку, 

зумовлює заростання водопровідних мереж, є шкідливим для здоров’я людей. Тому, 

очищення  питної  води  від  Феруму  є  гострою  необхідністю  як  центрального,  так  і 

індивідуального водопостачання. 

Аналіз  джерел  інформації  й  пошукові  дослідження,  виконані  нами,  дають 

підстави  вважати,  що  значний  практичний  інтерес  представляють  безреагентні 

методи деферизації підземних вод, що ґрунтуються на  окисненні іонів  Fe

2+

  до  Fe



3+

 

киснем  повітря  з  наступним  осадженням  важкорозчинного  Fe(ОН)



3

.  Однак  низька 

розчинність кисню повітря у воді є значною перепоною для їх застосування. Одним 

із  методів  усунення  цієї  перешкоди  є  пошук  ефективного  масообмінного 

обладнання,  яке  б  забезпечило  інтенсивний  процес  поглинання  кисню  водою  і 

відповідало сутності фізико-хімічних процесів, які відбуваються при тому. Саме на 

таких технологічних засадах ґрунтується досягнення мети цієї дисертаційної роботи. 

Викладене  дає  підстави  стверджувати,  що  дослідження,  спрямовані  на 

розроблення  ефективної  і  економічної  технології  деферизації  підземних  вод,  є 

важливими, актуальними і мають народногосподарське значення. 



Зв'язок  роботи з науковими програмами, планами,  темами. Дисертаційна 

робота  відповідає  науковому  напрямку  кафедри  хімії  і  технології  неорганічних 

речовин  Національного  університету  “Львівська  політехніка”  “Дослідження 

процесів  комплексного  перероблення  сірчаної  та  калійної  сировини,  відходів 

кольорових і рідкісних металів з розробленням екологічно чистих, ресурсоощадних 

технологій  мінеральних  добрив,  солей,  спеціальних  видів  сірки,  металів  та  їх 

сполук,  металевих  порошків  та  інших  продуктів”  та  науково-дослідній 

держбюджетній темі: “Технологія очищення природних вод від сполук Феруму” (№ 

держ. реєст. 0114U001696), в якій дисертант була виконавцем окремих етапів. 

Мета і задачі дослідження. Мета дисертаційної роботи полягає у розробленні 

ефективного  і  економічного  технологічного  процесу  деферизації  підземних  вод 

киснем повітря.  

Для досягнення зазначеної мети необхідно було вирішити такі завдання: 

 

обґрунтувати технологічні засади досягнення мети дисертаційної роботи та вибір 



основного масообмінного апарату; 

 



дослідити процес абсорбції кисню повітря водою в горизонтальному абсорбері з 

ковшоподібними диспергаторами (ГАКД); 

 

визначити  кінетичні  та  технологічні  характеристики  процесу  окиснення  іонів 



Fe

2+

 киснем повітря в ГАКД; 



 

дослідити процес віддувки СО



2

 у процесі диспергування води та зміну величини 

рН; 


 



провести апробацію визначених та рекомендованих умов здійснення деферизації 

води у ГАКД на реальних підземних водах; 

 

визначити технологічні умови відділення осаду Fe(OH)



3

 від води; 

 

обґрунтувати  основні  стадії  технологічного  процесу,  визначити  технологічні 



(раціональні)  умови їх здійснення та розробити технологічну схему деферизації 

води киснем повітря у ГАКД; 

 

виконати  матеріальні  та  енергетичні  розрахунки  з  метою  техніко-економічної 



оцінки розробленого технологічного процесу. 

Об’єкт  дослідження  –  технологія  деферизації  води  киснем  повітря  в  ГАКД  та 

відділення від води одержаного осаду Fe(OH)

3



Предмет  дослідження  –  фізико-хімічні  закономірності:  розчинення  у 



ферумвмісних  водах  кисню  повітря;  окиснення  розчиненим  киснем  іонів  Fe

2+



каталітичного  впливу  Fe(OH)

3

  на  процес  окиснення  іонів  Fe



2+

;  віддувки  СО

2

  у 


процесі  диспергування  води  та  зміни  величини  рН;  відділення  осаду  Fe(OH)

3

  від 



очищеної води. 

Методи дослідження. Концентрацію іонів  Fe

2+

  та  Fe



3+

  визначали  за  ДСТУ  ISO 

6332:2003  “Спектрометричний  метод  визначення  Феруму  із  використанням  1,10-

фенантроліну”, величину рН води – за допомогою іонометра И 160-М з відповідною 

парою  електродів  (вимірювальним  –  скляний  електрод  ЭС-10603  і  порівняння  – 

електрод  ЭСр-10103).  Визначення  концентрації  розчиненого  кисню  у  воді 

здійснювали методом йодометричного титрування за Вінклером (МВВ 081/12-0008-

01),  вмісту  СО

2

  –  волюмометричним  методом.  Катіоно-аніонний  склад  природної 



води  визначали  за:  “Методика  виконання  вимірювань”  МВВ  081-12-0006-01,  МВВ 

081/12-0004-01,  “Керівні  нормативні  документи”  КНД  211.1.4.026-95  та  ДСТУ  ISO 

6332:2003. Морфологію осаду Fe(OH)

3

 вивчали методом електронної мікроскопії, за 



допомогою  поляризаційно-інтерференційного  мікроскопа  BIOLAR,  комутованого  з 

процесором  Pentium-5.  Дослідження  проводили  методом  “роздавленої  краплі”, 

математичне  оброблення  результатів  –  за  допомогою  комп'ютерної  програми 

"Microsoft Exel", на базі процесора Pentium-5. 



Наукова 

новизна 

одержаних 

результатів 

полягає 


у 

виявленні 

закономірностей,  кількісних  залежностей  перебігу  процесів:  абсорбції  кисню 

повітря  ферумвмісною  водою  в  ГАКД;  окиснення  розчиненим  киснем  іонів  Fe

2+



каталітичного  впливу  Fe(OH)



на  процес  окиснення  іонів  Fe

2+

;  відділення  від  води 



осаду Fe(OH)

3

. До найважливіших результатів, що мають наукову новизну, належать 



такі: 

 



теоретичне  обгрунтовання  і  експериментальне  підтвердження  ефективності 

застосування ГАКД для процесу деферизації води киснем повітря; 

 

кінетичне  рівняння  окиснення  у  воді  іонів  Fe



2+

  розчиненим  киснем  повітря, 

константи  швидкості  реакції  залежно  від  температури,  порядки  реакції  за 

концентраціями іонів ОН

-

 і Fe


2+

 та енергії активації залежно від рН;  

 

виявлення та характер каталітичної дії осаду Fe(OH)



3, 

що утворюється, на процес

 

окиснення іонів Fe



2+

;  


 

закономірності  процесу  віддувки  із  води  під  час  її  диспергування  вуглекислого 



газу та підвищення рН; 

 



морфологія осаду Fe(OH)

3, 


що утворюється у процесі деферизації, та умови його 

осадження. 



Практичне  значення  одержаних  результатів.  У  результаті  комплексу 

теоретичних  і  експериментальних  досліджень  запропонований  і  розроблений 

ефективний  безреагентний  технологічний процес деферизації вод киснем повітря у 

ГАКД.  Застосування  дешевого  і  доступного  окисника  іонів  Fe

2+

  –  кисню  повітря, 



ефективного, конструктивно простого масообмінного апарата з низькими питомими 

енергозатратами та гідравлічним опором забезпечують низьку собівартість процесу 

деферизації  та  його  конкурентноспроможність.  Це  підтверджено  матеріально-

конструктивними  розрахунками,  які  виконані  для  установок  деферизації 

продуктивністю  100  і  500  м

3

  води  на  добу.  Запропонований  технологічний  процес 



деферизації пройшов успішну апробацію на ТзОВ “Галицька здоба” для деферизації 

підземної води, яку використовують у виробництві. ТзОВ “Зіко” прийнято рішення 

розробити  техніко-економічне  обґрунтування  для  будівництва  дослідної  установки 

на основі дисертаційної роботи. 

Основні  положення  дисертації  використано  в  навчальному  процесі  під  час 

викладання навчальної дисципліни  “Інноваційні процеси в технології неорганічних 

речовин”.  

Особистий  внесок  здобувача  полягає  у  критичному  аналізі  джерел 

інформації, самостійному проведенні експериментальних досліджень, аналітичному 

обробленні одержаних результатів, виконанні матеріальних, енергетичних і техніко-

економічних  розрахунків.  Формулювання  теми,  мети  та  завдань  дисертації, 

обговорення  результатів  дослідів,  їх  інтерпретація,  узагальнення  і  формулювання 

висновків  виконані  разом  з  науковим  керівником  д.т.н.,  проф.  Яворським  В.Т. 

Внесок  співавторів  спільних  публікацій  полягає  в  обговоренні  результатів 

досліджень та їх узагальненні.  



Апробація  результатів  дисертації.  Матеріали  дисертаційного  дослідження 

доповідали  і  обговорювали  на  таких  конференціях:  Всеукраїнській  науково-

практичній  конференції  молодих  учених,  аспірантів  і  студентів  “Вода  в  харчовій 

промисловості” (м. Одеса, 12-15 квітня 2011р.; 9 квітня 2015 р.); ІІІ Всеукраїнській 

науково-практичній конференції “Вода: проблеми і шляхи вирішення”. (м. Житомир 

21-22  грудня  2010  р.);  Десятій,  Тринадцятій  та  Чотирнадцятій  Міжнародній 

науково-практичній  конференції  “Ресурси  природних  вод  Карпатського  регіону. 

Проблеми охорони та  раціонального використання”. (м. Львів, 19-20 травня 2011р; 

30 травня 2014р; 29 травня 2015р.); VI Міжнародній науково-технічній конференції 

“Новітні енерго- та ресурсозберігаючі хімічні технології без екологічних проблем”. 

(м. Одеса, 9-13 вересня 2013 р.); V Міжнародній конференції студентів, аспірантів та 

молодих  вчених  з  хімії  та  хімічної  технології  (м.Київ,  9-11  квітня  2014р.);  VII 

Міжнародній  науково-технічній  конференції  студентів,  аспірантів  та  молодих 

вчених “Хімія та сучасні технології” (м. Дніпропетровськ,  27-29 квітня 2015 р.; 30 

вересня-2 жовтня 2015 р.); V Всеукраїнському з’їзді екологів з міжнародною участю 

(м. Вінниця, 23-26 вересня 2015 р.). 



Публікації.  За  результатами  досліджень  опубліковано  17  наукових  праць,  з 

них 5 у фахових наукових  виданнях (з яких 1 входить у наукометричну базу даних 

“SCOPUS”), 12 – у виданнях матеріалів конференцій. 




Структура  та  обсяг  дисертації.  Дисертаційна  робота  складається  зі  вступу, 

п’яти  розділів,  списку  використаної  літератури  (123  найменування)  та  додатків. 

Повний  обсяг  дисертації  становить  123  сторінки  друкованого  тексту,  з  яких  на 

основний текст припадає 106 сторінок. Робота містить 26 рисунків і 10 таблиць. 

 

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ 

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, визначені  її мета та завдання, які 

необхідно  вирішити  для  її  досягнення;  перелічено  найважливіші  теоретичні 

положення  та  закономірності,  одержані  автором,  що  мають  наукове  та  практичне 

значення. 

У  першому  розділі  “Огляд  джерел  інформації”  наведено  аналіз  складу  і 

властивостей  підземних  вод  України,  існуючих  методів  деферизації  води,  фізико-

хімічні  властивості  Феруму  та  кисню.  Показано,  що  всі  методи  деферизації  води 

можна поділити на дві групи, перша із яких базується на застосуванні мембранних 

технологій, іонного обміну, біопроцесів тощо, друга – на окисненні іонів Fe

2+

 до Fe


3+

 

з  наступним  осадженням  важкорозчинного  Fe(ОН)



3

.  На  основі  порівняльного 

аналізу  прийшли  до  висновку,  що  найбільший  практичний  інтерес  представляють 

методи другої групи. 

Важливим  питанням  застосування  методів  другої  групи  є  вибір  окисника, 

оскільки  його  вартість,  доступність  значною  мірою  визначають  собівартість 

деферизації. Серед  відомих окисників доступним і  найдешевшим є кисень повітря. 

Однак мала розчинність  кисню  у воді (9,1 мг/дм

3

  або  0,284  моль/м



3

) обмежує його 

використання. Так, у масообмінних апаратах, які використовують у промисловості, 

досягають насичення приблизно на половину. Відтак є необхідність збільшити вміст 

кисню  у  воді,  що  може  бути    досягнуто  підбором  відповідного  масообмінного 

апарату.  Враховуючи  зазначене,  критично  проаналізували  масообмінну  апаратуру, 

яку  застосовують  у  системі  газ-рідина,  на  основі  чого  обгрунтували,  що  таким 

масообмінним  апаратом  може  бути  ГАКД,  який  розроблений  на  кафедрі  хімії  і 

технології  неорганічних  речовин  і  має  промислове  застосування.  У  ньому 

створюється  велика,  активна  і  постійно  оновлювана  поверхня  контакту,  він 

характеризується низькими питомими витратами енергії на диспергування рідини та 

дуже малим гідравлічним опором. Унаслідок викладеного, прийняли цей абсорбер у 

ролі  основного  апарату,  який  забезпечить  високий  вміст  розчиненого  кисню,  а 

відтак й створення ефективного і економічного технологічного процесу деферизації 

вод. 

Наприкінці  розділу  сформульовано  мету  дисертаційної  роботи,  визначено 



завдання, які необхідно вирішити для її досягнення. 

Другий розділ присвячений опису лабораторної установки, методик виконання 

експериментальних  досліджень  та  аналізів.  Лабораторні  дослідження  насичення 

води киснем повітря та її деферизації виконували на установці, основним апаратом 

якої був горизонтальний абсорбер, у нижній частині якого на валу був встановлений 

ковшоподібний  диспергатор.  Об’єм  води  в  абсорбері  становив  3,1  дм

3

,  що 



забезпечувало занурення кінців диспергатора на глибину 20 мм, яка є  оптимальною 

для  ефективного  диспергування  води.  Модельну  воду  готували  з  дистильованої, 

попередньо  виділивши  з  неї  кисень  кип’ятінням,  з  добавленням  відповідної 


 

Рис. 1. Залежність вмісту розчиненого 



кисню (С

o

2



) від часу контактування (τ): 

1 – рівноважний вміст кисню для 

системи повітря-вода. 

 

кількості  розчину  FeSO



4

.  Необхідне  значення  рН  води  забезпечували  та 

підтримували  добавленням  0,1  н.  NaOH.  Початкову  концентрацію  іонів  Fe

2+

 



змінювали  у  межах  10…60  мг/дм

3

,  рН  води  –  5,5…8,5.  Досліди  проводили  за 



температур води 8…23 

о

С та атмосферного тиску. Необхідні аналізи здійснювали за 



стандартними  методиками.  Морфологію  осаду  Fe(OH)

3

  вивчали  методом 



електронної 

мікроскопії, 

за 

допомогою 



поляризаційно-інтерференційного 

мікроскопа  BIOLAR,  комутованого  з  процесором  Pentium-5.  Дослідження 

проводили методом “роздавленої краплі”. 

У  третьому  розділі  наведено  результати  визначення  основних  кінетичних 

характеристик  процесу  окиснення  іонів  Fe

2+

  розчиненим  у  воді  киснем  повітря,  їх 



оброблення та інтерпретація. 

Спочатку досліджували поглинання кисню водою у процесі  її диспергування в 

ГАКД.  Досліди  здійснювали  за  кімнатної  температури  та  рН  вод  5,7.  Проведені 

дослідження  показали,  що  у  цьому 

абсорбері насичення води киснем повітря 

відбувається  надзвичайно  інтенсивно 

(рис.  1).  Так,  за  180  с  насичення  води 

киснем 


досягає 

95…96% 


від 

рівноважного для системи повітря-вода. 

У  координатах  ln(1-α)=f(τ)  залеж-

ність,  наведена  на  рис.  1,  стає  прямою. 

Зазначене  дає  підстави  вважати,  що 

процес  абсорбції  кисню  повітря  водою 

описується 

рівнянням 

реакції 

І-го 


порядку.  Визначено  середнє  значення 

константи, яке становить 0,0183 с

-1



На  основі  одержаних  результатів 



можна заключити, що в абсорбері ГАКД, 

як  і  очікували,  забезпечується  високий 

вміст  розчиненого  кисню  у  воді.  Розрахунками  показано,  що  у  газовому  просторі 

абсорбера кількість кисню набагато (майже в 600 разів) перевищує стехіометрично 

необхідну  його  кількість  для  повного  окиснення  іонів  Fe

2+

,  які  містяться  у 



досліджуваному об`ємі води. Це означає, що концентрація кисню у газовому об`ємі 

ГАКД  буде  залишатись  практично  постійною  і  у  великому  надлишку.  Отже,  у 

випадку  застосування  абсорбера  ГАКД,  вміст  кисню  у  воді  не  є  гальмом  процесу 

окиснення іонів Fe

2+



Подальші  дослідження  були  спрямовані  на  визначення  кінетичних 



характеристик процесу деферизації води розчиненим киснем. 

Окиснення  іонів  Fe

2+

  розчиненим  у  воді  киснем  можна  виразити  такою 



реакцією: 

 

                    

.

4Fe(OH)



O

2H

8OH



O

4Fe


3

2

2



2







                         (1) 

 

 



Відповідно її швидкість (W) можна описати таким рівнянням: 



  

 

 

 

,

C



C

C

k



d

W



z

OH

m



O

n

Fe



Fe

2

2



2







       

 

         (2) 

де k – константа швидкості реакції; 

n, m, z – порядки реакції за відповідними компонентами; 



OH

O

Fe



C

,

C



,

С

2



2

– відповідно мольні концентрації реагентів, моль/м

3



 



Оскільки  в  ГАКД  забезпечується  постійний  вміст  кисню  у  воді,  то  у 

кінетичному  рівнянні  величину 

m

O

2



C

можна  вважати  постійною,  об’єднати  з 

константою  швидкості  та  назвати  уявною  константою  швидкості (k’=k 


Каталог: files
files -> 1 дәріс : Кіріспе. Негізгі түсініктер мен анықтамалар. Тиеу-түсіру жұмыстары жөніндегі жалпы түсініктер
files -> Қыс ең зақымданатын жыл мезгілі. Бірақ жаралану, сынық, тоңазу, үсіп қалу біздің қысқы тұрмыстың міндетті салдары емес
files -> Қазақ халқының ұлттық ойындары
files -> Тема: Детский травматизм. Травма мягких тканей лица и органов рта у детей. Особенности первичной хирургической обработки ран лица. Показания к госпитализации ребенка
files -> Тематичний план практичних занять


Достарыңызбен бөлісу:
  1   2   3




©stom.tilimen.org 2022
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет