Совершенствование технологии обесфторивания подземных вод хозяйственно-питьевого назначения (стр. 2 )

Апробация работы. Основные положения работы, результаты теоретических, вычислительных и экспериментальных исследований докладывались и обсуждались на V Всероссийской НПК «Красноярск. Энергоэффективность: достижения и перспективы» (Красноярск, 2004); IX Всероссийской НПК «Социальные проблемы инженерной экологии, природопользования и ресурсосбережения» (Красноярск, 2005); XXIII Региональной НТК «Проблемы архитектуры и строительства» (Красноярск, 2005); Всероссийской НПК и выставке «Проблемы и перспективы энергообеспечения города» (Красноярск, 2005); Всероссийской НПК с международным участием «Социально-экологические проблемы природопользования в Центральной Сибири» (Красноярск, 2006); Всероссийской НПК «Проблемы строительства, экологии и энергосбережения в условиях Западной Сибири» (Тюмень, 2006); Всероссийской НПК студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и наука. Третье тысячелетие» (Красноярск, 2007); 61, 65-67 Всероссийских НТК НГАСУ (Сибстрин) «Актуальные проблемы строительной отрасли» (Новосибирск 2004, 2009-2011).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 научных работ, из них: 4 статьи в рецензируемых научных журналах из перечня ВАК РФ, 9 – в сборниках научных трудов и материалах Всероссийских научно-технических конференций.

Структура и объем работы. Материалы диссертации изложены на 135 страницах основного текста, включающих 25 рисунков и 42 таблицы. Работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов и рекомендаций, списка использованных источников из 120 наименований и приложений.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы, определяющая цель и задачи исследований, сформулирована научная новизна и практическая значимость, а также основные положения диссертации, выносимые на защиту.

В первом разделе даны характеристики природно-климатических условий и состава фторсодержащих вод из подземных источников на территории Красноярского края, приводятся описание и анализ существующих методов обесфторивания подземной воды.

Анализ традиционных технологий обесфторивания воды в работах , , и др. выявил следующее:

– применение традиционных схем обесфторивания воды ограничено для подземной воды с исходной концентрацией фтора более 5 мг/л вследствие не достаточной эффективности удаления фтора;

– отсутствуют практические рекомендации по выбору схемы обесфторивания для конкретного состава воды;

– использование фторселективных материалов не получило широкого распространения вследствие низких технических и эксплуатационных характеристик;

– отсутствуют данные по обработке и утилизации промывных вод, элюатов, выделенного фторсодержащего осадка.

На основании проведенного обзора и анализа литературных данных определены основные направления исследований по интенсификации процессов и разработке экономически эффективной технологии обесфторивания воды подземных источников, результаты которых изложены в последующих разделах.

Анализ литературных источников, нормативных и справочных документов позволил сделать вывод, что при высоких концентрациях фтора в воде более эффективным и доступным способом обесфторивания является реагентная обработка. Другие способы обесфторивания при исходных высоких концентрациях фтора в воде требуют значительных затрат на реализацию технологии.

Во втором разделе изложены экспериментальные исследования и основные предложения по совершенствованию и разработке комплексной реагентной технологии обесфторивания подземных вод с содержанием фтора более 5 мг/л.

Традиционная схема реагентного обесфторивания воды предполагает обработку сульфатом алюминия с подщелачиванием известью, при этом механизм извлечения фтора заключается в образовании алюмофторидных комплексов и сорбции их на поверхности Al(OH)3. По литературным данным для извлечения фтора до требуемых норм требуются 8-12 моль Al/моль F. Но исследования показали, что реагентная обработка воды с концентрацией фтора более 5 мг/л по традиционной схеме приводит к несоответствию качества воды санитарным нормам по солесодержанию, жесткости, остаточному алюминия.

Для обоснования возможности снижения дозы реагентов и уточнения механизма извлечения фтора проведены исследования эффективности использования ионов алюминия по соотношению количества ионов алюминия, участвующих в извлечении фтора (связанных в осадке) и количества ионов алюминия вводимых с реагентом (табл. 1). Исследования на модельной воде проводились при различных: исходном содержании фтора в воде (5-9 мг/дм3), видах и дозах алюмосодержащего реагента.

Таблица 1 – Определение эффективности использования ионов алюминия в процессе реагентной обработки.

Количество вводимого реагента, моль Al/моль F*	Содержание в обработанной воде** после отделения осадка, мг/дм3	Соотношение Al : F в осадке моль Al/моль F	Коэффициент использования ионов алюминия
фтора	алюминия
2	4,12	0,14	1,95	0,98
4	3,11	0,18	3,86	0,97
6	2,41	0,29	5,61	0,94
8	1,87	0,54	7,23	0,90
10	1,46	1,06	8,62	0,86
12	1,18	1,84	9,88	0,82

* 1 моль Al – 27 г-экв; 1 моль F – 19 г-экв

** усреднённые значения из серии опытов

При проведении серии экспериментов на модельной воде было установлено, что более полный расход ионов алюминия с коэффициентом использования ~ 1 наблюдается при меньшем количестве алюмосодержащего реагента (2-4 моль Al/моль F). Тогда как при рекомендуемых дозах реагента 8-12 моль Al/моль F, коэффициент использования ионов алюминия снижается и в обработанной воде наблюдается избыток солей и остаточного алюминия.

Механизм извлечения фтора в процессе комплексообразования и сорбции подтверждён серией опытов по оценке степени устойчивости межмолекулярной связи АФК с гидроксидным осадком при различном соотношении доз алюмосодержащего реагента (2-12 моль Al/моль F). Эксперимент проводился по методике отмывки осадка (рис. 1).

Рисунок 1 – Кривые десорбции алюмофторидного комплекса, осажденного

на гидроксиде алюминия, при различных дозах алюмосодержащего реагента (Al:F),

с учётом исходной концентрации фтора

Анализ результатов эксперимента, представленных на рисунке 1, свидетельствует о том, что при значительном избытке алюмосодержащего реагента (8-12 моль Al/моль F) образуется сорбционный комплекс, структура которого характеризуется нестабильным состоянием, обусловленным низким поверхностным натяжением внутри структурных компонентов. Это объясняется быстрым распределением АФК по поверхности частиц гидроксидного осадка с образованием мономолекулярного диффузного слоя, что приводит к снижению сорбционной способности сорбента и прочности связи между АФК и гидроксидным осадком.

При меньших дозах алюмосодержащего реагента сорбционный комплекс более устойчив с насыщенным, концентрированным мономолекулярным слоем. На поверхности гидроксида алюминия происходит более равномерное распределение АФК, приводящее к уменьшению свободной поверхностной энергии и концентрированию алюмофторидных комплексов в процессе адсорбции. Адсорбционные процессы происходят с меньшим межфазным натяжением и межмолекулярными взаимодействиями, что приводит к проникновению сорбируемых комплексов и образованию димерного диффузного слоя.

Природа и полнота насыщения связей Al – F, Al – O, а также наличие ОН-ионов в образованных сорбционных комплексах подтверждается данными ИК-спектрометрии (рис. 2), полученными в области 400-4000 см-1 в таблетках KBr на ИК-Фурье спектометре Nicole 6700.

Рисунок 2 – ИК-спектры гидроксидных осадков, полученных при разных соотношениях Al/F (проба 1 – 12 моль Al/моль F, проба 2 – 4 моль Al/моль F)

На основании проведенных исследований предложено дробное трёхразовое дозирование реагентов с оптимальным соотношением 4 моль Al/моль F при каждой подаче в зависимости от содержания фтора. Предложенный режим дозирования снижает расход алюмосодержащего реагента на 40-50 % и обеспечивает получение воды хозяйственно-питьевого качества (таблица 2).

Таблица 2 – Качество воды после обесфторивания при одно - и трехразовом дозировании алюмосодержащего реагента

Режим реагентной обработки	Удельный расход алюмосодержащего реагента, мольAl/мольF	Доза реагента, моль Al3+	Остаточное содержание, мг/дм3	Расход реагента %
F–	Al3+
Одноразовая подача реагента	8 - 10	2,44 - 4,63	1,2	1,32 - 2,1	100
Трёхразовая подача реагента	4 (при каждой подаче с учетом концентрации фтора)	0,78 - 1,01	3,3 - 5,2	0,05 - 0,08
0,36 - 0,67	1,6 - 2,0	0,05 - 0,08
0,17 - 0,19	0,8 - 1,1	0,05 - 0,08
Результат трехразовой подачи реагента
1,31 - 1,87	0,8 - 1,1	0,05 - 0,08	40 - 54

Для разработки технологической схемы обесфторивания подземной воды определенного состава проведены ряд исследований и составлены рекомендации: