WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

Имеющаяся технология очистки вод поверхностных источников водоснабжения, основанная на традиционных методах коагулирования сульфатом алюминия, оказывается недостаточно эффективной и, кроме того, приводит к повышению содержания в очищенной воде остаточного алюминия (Аl+3).

Е, В/м 4016 18 20 22 24 26 28 Т, °С Рис. 2. Зависимость напряженности электрического поля, соответствующей минимальной удельной проводимости воды, от температуры.

Концентрация остаточного алюминия (Аl+3) отнесена к санитарнотоксикологическим показателям вредности и при уровне жесткости (8,0 - 6,3) мг-экв/дм3 ее безвредное значение колеблется в интервале А1ост = (0,1 - 0,5) мг/дм3. При жесткости менее 1,8 мг-экв/дм3 предельно допустимая концентрация (ПДК) остаточного алюминия (Аl+3) не должна превышать 0,1 мг/дм3.

Алюминий и его соединения, попадая в организм человека с питьевой водой в количествах, превышающих ПДК, оказывают отрицательное воздействие на нервную систему, обмен веществ и развитие клеток. Избыток железа в коллоидной окиси железа гемосидирина разрушает клетки печени.

В связи с этим в процессе экспериментов определяли содержание в воде алюминия, железа и марганца (см. табл.2).

Таблица Величины концентраций ионов железа, марганца и алюминия в зависимости от изменения напряженности постоянного электрического поля Е, В/см 0 30 35 40 45 50 55 (исх. вода) СFe, мг/дм3 1,21 0,83 0,61 0,43 0,21 0,19 0,18 0,(ПДК = 0,3) СMn, мг/дм3 0,2 0,15 0,12 0,11 0,09 0,09 0,08 0,(ПДК = 0,1) СAl мг/дм3 0,35 0,25 0,22 0,21 0,19 0,18 0,18 0,(ПДК = 0,5) Процессы, происходящие при напряженности электрического поля Е = 45 В/см обеспечивают концентрации Fe и Mn ниже значений ПДК.

Температурная зависимость удельной проводимости хорошо описывается уравнением Аррениуса:

W (3) = exp - RT со средними значениями энергии активации (W), лежащими в диапазоне от 20 до 42 кДж/моль, что достаточно хорошо совпадает со значением энергии водородной связи для таких систем (см. табл. 3).

Таблица Коэффициенты уравнения Аррениуса Напряженность Предэкспоненциальный Энергия Коэффициент электрического множитель (о, 1/(Ом. м)) активации детерминации поля ( Е,В/см) (W,кДж/моль) 0 8,148·102 23,941 0.30 4,865·105 42,323 0.35 2,147·105 40,528 0.40 1,714·104 34,412 0.45 4,350·103 31,113 0.50 1,984·103 29,176 0.55 2,806·102 24,290 0.60 5,032·102 25,703 0. Современная теория устойчивости и коагуляции лиофобных дисперсных систем Дерягина – Ландау – Фервея – Овербека (теория ДЛФО) рассматривает агрегативную устойчивость как результат баланса сил молекулярного (ван-дер-ваальсового) притяжения и сил электростатического отталкивания между дисперсными частицами.

Двойной электрический слой (ДЭС) частиц при их сближении и возникновении электростатических сил отталкивания увеличивается с ростом электрохимического потенциала частиц (толщины ДЭС). Теория ДЛФО позволяет рассчитать энергию взаимодействия частиц, находящихся в ближнем потенциальном минимуме.

Баланс сил притяжения и отталкивания между частицами твердой фазы является сложной функцией расстояния между ними (концентрации дисперсных частиц) и характеризуется двумя минимумами, соответствующими двум равновесным состояниям системы (минимум свободной энергии), - так называемыми ближней и дальней потенциальными ямами с потенциальным барьером между ними. При взаимодействии двух частиц толщина равновесной гидратной пленки составляет от 5 до 50 нм (меньшее значение соответствует состоянию системы в ближней потенциальной яме). Незначительные величины силы взаимодействия обусловливают обратимый характер их образования и разрушения.

Следует отметить, что если глубина потенциальной ямы ближнего минимума уменьшается с ростом концентрации электролита, то значение дальнего потенциального минимума несколько увеличивается. При этом исчезает потенциальный барьер между ними. Однако в работе А. А. Веденова показано, что свободная энергия системы не ограничивается наличием двух минимумов, а носит осциллирующий характер, меняясь по абсолютной величине в равной мере между положительными и отрицательными значениями. Она уменьшается с увеличением расстояния между пластинами, т. е. эффект регулярной укладки молекул жидкости между пластинами ослабевает и сила взаимодействия между ними приближается к обычному значению ван-дерваальсовой силы между двумя толстыми пластинами.

Таким образом, осциллирующий характер сил взаимодействия между частицами дисперсной фазы позволяет предположить наличие и более дальних энергетических минимумов взаимодействия этих частиц, т.

е. наличие более дальних потенциальных ям.

Это имеет принципиальное значение для электрокоагуляционных процессов при очистке воды. Вопрос только заключается в том, какова величина такого энергетического минимума. Если она сопоставима с энергией теплового движения частиц kТ (k - постоянная Больцмана, Т – температура), то какие процессы необходимы для увеличения глубины такой потенциальной ямы, чтобы не произошло ее "размывание" за счет исчезновения энергетического барьера, предотвращающего термическую деструкцию коагуляционных структур.

В работе анализируются теории ван-дер-ваальсовых сил межмолекулярного взаимодействия, которые привели к представлениям о дипольных составляющих этих сил: на основе теории Бора - между постоянными диполями (силы Кеезома), постоянным и наведенным диполями (силы Дебая); на основе квантовой механики - между мгновенными диполями (силы Лондона) дисперсионной составляющей (в результате флуктуации электронной плотности).

Существует предположение, что дальнодействующее притяжение между молекулами определяют лондоновские дисперсионные силы.

Действительно, индукционная составляющая для газов равна 5%, ориентационная составляющая достаточно велика для полярных молекул (например, для Н2О), но в отличие от других составляющих обратно пропорциональна температуре. Дисперсионная составляющая для слабополярных молекул достигает 100%. Расчет показывает, что в воде энергию обусловливают в основном водородные и дипольные взаимодействия ( 50 мДж/м3), а дисперсионные - только около 30 % (~ 20 мДж/м3).

Для расчета потенциальной энергии притяжения воспользовались уравнением Гамакера, характеризующим притяжение между двумя сферами радиуса (r) и рассчитали номинальное расстояние между поверхностями частичек (Но) при условии H<< r: допустим, что r = 120 нм.

Тогда при расстоянии Н0 = 1 нм U 10 kТ, а при H0 = 5 нм U 2 kТ. Таким образом, между частичками должно произойти притяжение на расстояние 5 нм, так как потенциальная энергия взаимодействия заметно превышает энергию теплового движения (3/2 kТ) для трех степеней свободы движения. Следовательно, можно предположить, что для дисперсных систем (без учета адсорбционных слоев и возникновения ДЭС) ван-дерваальсово притяжение распространяется на (5 – 10) нм, т.е. при разработке методов стабилизации таких систем лондоновское притяжение играет существенную роль, как по величине, так и по масштабу действия.

Следовательно, для водных суспензий, обусловленных образованием ДЭС в результате гидратации обменных ионов, толщина слоя характеризуется дебаевской длиной (1/к). Оценочный расчет 1/к для водных суспензий дает значение 34,2 нм, т. е. на этом расстоянии (для двух частиц - 1/к 70 нм) возможно дальнее взаимодействие частичек, отвечающее второму минимуму (2h 102 нм, h – расстояние между частицами).

Полученные в ходе исследований результаты согласуются с данными, приведенными в литературе, и позволяют сделать вывод о возможности применения при разработке установок и методов оптимизации электрокоагуляционных процессов для получения питьевых вод, данные исследования экстремума ( ) по уравнению (1) и анализа уравнения (2).

В четвертой главе приведены результаты электрохимических исследований воды, прошедшей электрокоагуляционную доочистку.

Для обоснования и уточнения оптимизации процесса электрокоагуляционной очистки водопроводной воды в установке «Водолей-50» при изменении напряженности постоянного электрического поля от 30 до 60 В/см, проведены исследования по изучению процессов изменения равновесного водородного потенциала воды ().

В работе рассматриваются электрохимические методы оценки термодинамического состояния таких систем, которые позволяют путем измерения равновесных потенциалов (измерение ЭДС в цепях без переноса) рассчитать значения химических потенциалов (Р = const, Т = соnst) и изменения этого состояния в процессе изменения температуры (Р = соnst).

Измерения ЭДС () гальванического элемента осуществляли по схеме:

Стеклянный Исследуемый Хлорид Хлорсеребряный pH – метрический раствор калия электрод электрод Экспериментальные значения ЭДС приведены на рис. 3.

Проведенные исследования показали нелинейное изменение от напряженности постоянного электрического поля (Е), которое описывается уравнением полиномы в виде: = в0 + в1Е + в2Е2, (см рис. 3).

, мВ Е, В/см 35 40 45 50 55 Рис.3. Зависимость равновесного водородного потенциала воды от напряженности электрического поля для различных значений температуры:

1 - Т = 17 0С, 2 - Т = 20 0С, 3 - Т = 23 0С, 4 - Т = 26 0С, 5 - Т = 29 0С Значение коэффициентов в0, в1 и в2 представлены в таблице 4.

Таблица Коэффициенты уравнения полиномы функции = f (Е) для различных значений температуры Температура, Коэффициенты уравнения полинома Коэффициент С в0 в1 в2 детерминации 17 -61.414 2.556 -0.028 0.20 -74.145 3.006 -0.033 0.23 -83.081 3.296 -0.037 0.26 -76.905 2.770 -0.030 0.29 -75.745 2.406 -0.026 0. Зависимость рН воды как функции рН (Е) представлена в таблице 5.

Таблица Зависимость рН воды, прошедшей электрокоагуляционную обработку, от напряженности электрического поля при различных значениях температуры (рН = hо + h1Е +h2Е2) Температура, Коэффициенты уравнения полинома Коэффициент С детерминации h0 h1 h17 7.063 -0.014 1.783.10-4 0.20 7.182 -0.016 1.955.10-4 0.23 7.370 -0.022 2.491.10-4 0.26 7.398 -0.017 1.802.10-4 0.29 7.736 -0.026 2.707.10-4 0.() Исследования функции (Е) на экстремум ( = 0) показало, что напряженность электрического поля, соответствующего максимуму и минимуму водородного показателя рН описывается линейными уравнениями: E = с1 T + d1; (с1 = 0,143, d1 = 42,282) – для и E = с2 T + d2 ; (с2 = 0,706, d2 = 27,798) – для рН, что позволяет использовать эти соотношения для выбора оптимального значения напряженности электрического поля при различных температурах.

Температурная зависимость описывается уравнением Аррениуса (3) со значениями энергии активации (W), превышающими энергию водородной связи.

Температурная зависимость рН воды также описывается экспоненциальным уравнением (3) со значениями W от 2 до 5 кДж/моль (см. табл. 6).

Следовательно, процессы депротонизации могут приводить к развитию коагуляционных взаимодействий и формированию пространственной структуры уже при незначительных концентрациях дисперсной фазы, что подтверждается данными по изменению электрокинетических параметров таких систем. Однако глубина дальней потенциальной ямы незначительна (G (3 4 кДж/моль), что сопоставимо с энергией теплового движения частиц (RT 2,5 кДж/моль), и при увеличении температуры структурообразование системы затрудняется.

Таблица Зависимость рН воды, прошедшей электрокоагуляционную обработку, от температуры при различных значениях напряженности электрического поля Напряженность Предэкспоненциальный Энергия Коэффициент электрического множитель активации детерминации поля ( Е, В/см) (рН)о (W, кДж/моль) 0 60.582 5.194 0.30 24.361 3.058 0.35 25.534 3.199 0.40 23.831 3.041 0.45 24.167 3.083 0.50 23.477 3.008 0.55 20.947 2.717 0.60 16.962 2.169 0.Для изучения величины стабилизации свойств обработанной в электрическом поле воды были проведены исследования по релаксации этих свойств. Оказалось, что стабилизация свойств, по удельной электропроводности, равновесного водородных потенциала и рН, сохраняются в течение 4 суток, что вполне достаточно для сохранения стабильности этих свойств.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 1. Исследованы электрокинетические и электрохимические явления в процессах электрокоагуляционной доочистки водопроводной питьевой воды. Показано, что удельная электрическая проводимость воды, прошедшей обработку в постоянном электрическом поле, претерпевает резкое снижение, выходя на стационарное изменение при параметрах напряженности поля в 40-45 В/см, что свидетельствует об успешности прохождения процесса электрокоагуляционной доочистки воды и оптимизации величины напряженности поля в этих пределах в границах безопасной разности потенциалов на электродах.

2. Установлены математические зависимости удельной электропроводности и равновесного водородного потенциала воды, обработанной в постоянном электрическом поле, от напряженности этого поля и температуры. Показано, что в исследованном температурном интервале энергия активации процесса лежит в пределах от 5 до кДж/моль, что является характерным для энергии водородной связи и дает возможность в дальнейшем априори определять параметры электрического поля по данным температурной зависимости.

3. Установлены математические зависимости по оптимизации напряженности постоянного электрического поля в исследованных процессах.

4. Предложена методика определения критерия достаточности (оптимизации) процесса электрокоагуляционной доочистки питьевой воды в зависимости от напряженности постоянного электрического поля в границах безопасного напряжения на электродах. Показано, что в области температур от 17 до 26 С в качестве критерия достаточности (оптимизации) процесса электрокоагуляционной полноты очистки питьевой воды возможно использование стабилизации изменений ее удельной электрической проводимости и равновесного водородного потенциала.

5. Установлено, что сочетание исследований по сопоставлению электрокинетических и электрохимических явлений, развивающихся в воде при ее обработке в постоянном электрическом поле, дает возможность принятия решения об успешности прохождения процесса электрокоагуляционной доочистки воды и оптимизации величины напряженности поля в пределах (40 – 45) В/см в границах безопасной разности потенциалов на электродах.

6. Установлено, что степень стабилизации изменения свойств обработанной в электрическом поле воды может быть определена по исследованию времени релаксации в течение одних суток с устойчивыми показателями электрокинетических и электрохимических показателей в течение 4-х суток.

Список публикаций по теме диссертации 1. Шантарин В.Д. Электрокоагуляционный метод доочистки питьевой воды. / Шантарин В. Д., Воробьева С. В., Завьялов В. В. и др.

Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»