Чипрякова Анастасия Павловна. Гибридный реагентно-ультразвуковой метод очистки воды

brief description

Чипрякова Анастасия Павловна. Гибридный реагентно-ультразвуковой метод очистки воды: диссертация ... кандидата технических наук: 05.17.08 / Чипрякова Анастасия Павловна;[Место защиты: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Российский химико-технологический университет имени Д.И.Менделеева"].- Москва, 2015.- 156 с.

Российский химико-технологический университет имени Д. И. Менделеева
На правах рукописи
Чипрякова Анастасия Павловна
Гибридный реагентно-ультразвуковой метод
очистки воды
05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий
Диссертация
на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научный руководитель:
доктор технических наук, профессор
Кулов Николай Николаевич
Москва - 2015 год
Содержание
Введение 6
Глава 1. Литературный обзор 12
1.1. Кристаллизация 12
1.1.1. Механизм и кинетика кристаллизации 12
1.1.2. Г омогенная нуклеация 15
1.1.3. Индукционный период 17
1.1.4. Межфазное натяжение 21
1.1.5. Экспериментальная часть 23
1.1.6. Г етерогенная нуклеация 25
1.1.7. Способы интенсификации процесса кристаллизации 25
1.2. Жёсткость воды 28
1.2.1. Основные промышленные способы умягчения воды 30
1.3. Методы очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов 35
1.3.1. Химическое осаждение 36
1.3.2. Адсорбция 38
1.3.3. Ионный обмен 40
1.3.4. Коагуляция и флокуляция 40
1.3.5. Другие методы 41
1.4. Ультразвук и его применение для интенсификации 42
1.4.1. Воздействие ультразвука на процессы разделения 43
1.4.2. Воздействие ультразвука на процесс кристаллизации 44
1.5. Аппаратурное оформление 45
1.5.1. Процесс умягчения воды 45
1.5.2. Очистка воды от ионов тяжелых металлов 46
Выводы из литературного обзора 49
Глава 2. Установка и методика проведения экспериментов. Исходные растворы, реагенты, материалы 52
2.1. Установки для изучения процессов 52
2.1.1. Установка для изучения процесса кристаллизации 52
2.1.2. Установка для процесса микрофильтрации 53
2.1.3. Ультразвуковая установка 54
2.2. Методы измерения 55
2.3. Методика определения концентрации рабочих растворов 55
2.3.1. Определение общей жесткости 55
2.3.2. Определение кальциевой жесткости 56
2.3.3. Определение концентрации ионов никеля 56
2.3.4. Определение концентрации ионов меди 57
2.3.5. Определение концентрации ионов свинца 57
2.3.6. Оценка погрешности экспериментального определения
концентраций 58
Глава 3. Очистка воды от ионов жесткости 59
3.1. Методика проведения экспериментов 59
3.1.1. Реактивы 59
3.1.2. Приготовление модельных растворов 59
3.2. Изучение кристаллизации на модельных растворах 60
3.2.1. Эксперименты по кристаллизации карбоната кальция 60
3.2.2. Эксперименты по кристаллизации гидроксида магния 64
3.2.3. Исследование кристаллизации карбоната кальция и гидроксида
магния 64
3.3. Кристаллизация в реальных растворах 64
3.4. Результаты экспериментов и их обсуждение 65
3.4.1. Исследование процесса кристаллизации карбоната кальция 65
3.4.2. Исследование кристаллизации гидроксида магния 80
3.4.3. Исследование кристаллизации карбоната кальция и гидроксида
магния 81
3.4.4. Умягчение образцов артезианской воды 82
3.4.5. Исследование кинетики фильтрования 83
Глава 4. Определение энергетических характеристик процесса 86
4.1. Основные расчетные формулы 86
4.2. Процесс кристаллизации карбоната кальция 86
4.2.1. Исследование кинетики кристаллизации карбоната кальция при
различных пересыщениях и постоянной температуре 86
4.2.2. Исследование кинетики кристаллизации карбоната кальция при
различных температурах и постоянном пересыщении 89
4.3. Процесс кристаллизации гидроксида магния 90
4.3.1. Исследование кинетики кристаллизации гидроксида магния при
различных пересыщениях и постоянной температуре 90
4.3.2. Исследование кинетики кристаллизации гидроксида магния при
различных температурах и постоянном пересыщении 92
Глава 5. Очистка воды от ионов тяжелых металлов и ионов фтора 94
5.1. Интенсификация процесса кристаллизации солей тяжелых металлов 94
5.1.1. Очистка воды от ионов никеля 94
5.1.1.1. Методика проведения эксперимента 94
5.1.1.2. Анализ результатов очистки от ионов никеля 95
5.1.2. Очистка воды от ионов меди 97
5.1.2.1. Методика проведения экспериментов 98
5.1.2.2. Анализ результатов удаления ионов меди 98
5.1.3. Очистка от ионов свинца 100
5.1.3.1. Методика проведения экспериментов 100
5.1.3.2. Анализ результатов 101
5.1.4. Очистка от ионов фтора 103
5.1.4.1. Методика проведение экспериментов 103
5.1.4.2. Анализ результатов 103
5.2. Ультразвуковая интенсификация очистки воды с использованием
мелкодисперсных адсорбентов 104
5.2.1. Адсорбционная очистка воды 105
5.2.1.1. Методика проведения эксперимента 105
5.2.1.2. Анализ результатов 106
5.2.2. Кристаллизационно-адсорбционная очистка 113
5.2.3. Седиментационная стадия процесса 116
Глава 6. Технология очистки сточных вод 125
6.1. Алгоритм расчета кристаллизатора 125
6.2. Технико-экономические расчеты очистки сточных вод от ионов тяжелых
металлов 134
Выводы 142
Список обозначений 144
Список литературы 146

bibliography

Выводы
1. Изучены различные способы интенсификации процесса кристаллиза-ции карбоната кальция. Получены и сопоставлены кинетические кривые для го-могенной кристаллизации, сонокристаллизации, гетерогенной кристаллизации с применением различных частиц-затравок, в том числе активированных ультра-звуковой обработкой. Показано, что использование активированных ультразвуком частиц позволяет получить максимальное увеличение скорости в 10 - 20 раз по сравнению с гомогенной кристаллизацией.
2. Исследовано влияние природы и концентрации добавляемых частиц на кинетику кристаллизации карбоната кальция. Показано, что максимальную ин¬тенсификацию процесса обеспечивает гетерогенная кристаллизация на частицах силиката кальция при их концентрации 0.5-1 г/л.
3. Проведено умягчение образцов артезианской, водопроводной и коло¬дезной воды с общей жесткостью от 4.5 до 20 мг-экв/л. Во всех образцах в про¬цессе гетерогенной кристаллизации на активированных частицах общая жест¬кость в течение нескольких минут снижена до 1.5-2 мг-экв/л.
4. Показано, что механизм ультразвукового воздействия на частицы- затравки не сводится только к увеличению их удельной поверхности, а также свя¬зан с активацией этой поверхности и снижением энергетического барьера для нуклеации.
5. Определены энергетические характеристики для кристаллизации кар¬боната кальция и гидроксида магния. За счет применения затравочных частиц, предварительно обработанных ультразвуком, удалось снизить поверхностное натяжение о и энергию активации Еа в случае CaCO3 - в 1.48 раза, а в случае Mg(OH)2 - величину о в 3.17 раза, а Еа - в 2.8 раза.
6. Исследована кинетика удаления ионов тяжелых металлов. Показано, что способы интенсификации, использованные при умягчении воды также приме¬нимы для ее очистки от ионов тяжелых металлов (Ni2+, Cu2+, Pb2+) и аниона F-, ускоряя процесс их осаждения примерно в 5 раз.
7. Предложен совмещенный кристаллизационно-сорбционный процесс очистки воды от ионов тяжелых металлов (Ni2+, Cu2+, Pb2+) и аниона F-, который позволяет ускорить седиментацию твердой фазы в 3-5 раз и повысить эффектив-ность очистки в 10-30 раз.
Сравнение эксплуатационных, приведенных и капитальных затрат пока¬зало, что при использовании гибридного (комбинированного) метода очистки во¬ды с использованием активированных добавок затраты по сравнению с обычным реагентным осаждением снижаются до 40 %.