ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
БУДІВНИЦТВА ТА АРХІТЕКТУРИ
МОВЧАН СЕРГІЙ ІВАНОВИЧ
УДК 628. 543. 563 : 681
УДОСКОНАЛЕННЯ МЕТОДІВ ОБРОБКИ І КОНТРОЛЮ ЯКОСТІ
СТІЧНИХ ВОД ГАЛЬВАНІЧНОГО ВИРОБНИЦТВА
(стосовно підприємств по ремонту сільськогосподарської техніки)
05. 23. 04 - водопостачання, каналізація
А В Т О Р Е Ф Е Р А Т
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
ХАРКІВ – 2003
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Таврійській державній агротехнічній академії (м. Мелітополь Запорізької обл.) на кафедрі “Гідравліка і теплотехніка”
Науковий керівник: доктор технічних наук, професор,
завідувач кафедрою “Гідравліка і теплотехніка” ТДАТА
Дідур Володимир Аксентійович
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор , зав. кафедрою
Міського будівництва і господарства Донбаської
Академії будівництва і архитектури
Найманов Аубекир Ягопірович
кандидат технічних наук, начальник кафедри “Пожежної профілактики технологічних процесів виробництва”
Академії пожежної бепеки України Міністерства внутрішніх справ України
Андронов Володимир Анатолійович
Провідна установа: Одеська державна академія будівництва і архітектури
Захист відбудеться 11.06.2003 р. о 11 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64. 056. 03 при Харківському державному технічному університеті будівництва та архітектури за адресою: 61002, м. Харків, вул. Сумська, 40.
З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури (61002, м. Харків, вул. Сум-ська, 40).
Автореферат розісланий 07.05. 2003 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Колотило М. І.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність роботи. Стічні води гальванічного виробництва є одним з найбільш поширених різновидів промислових стічних вод як в Україні, так і за кордоном. Виробничі стічні води, які забруднені кислотами, лугами і солями важких металів, утворюються при хімічній і електрохімічній обробці металів та їх сплавів, а також при нанесенні гальванічних покриттів. Вказані виробництва знаходяться у експлуатації в Україні близько на 4000 підприємств машинобудування, приладобудування, металообробки, чорної та кольорової металургії та інших галузей виробництва. Орієнтовний об’єм стічних вод, що скидаються вказаними виробництвами, сягає в Україні 500 млн. м3 на рік.
Стічні води гальванічного виробництва (здебільшого недостатньо очищені) скидаються до міської каналізаційної мережі або у найближчі річки та водні об’єкти, що ускладнює роботу системи каналізації, забруднює ріки і водоймища, виключає можливість використання осадів міських стічних вод як добрива сільськогосподарських полів. В кінцевому підсумку, осади міських очисних споруд спрямовують на збезводнення на мулових майданчиках і складування, відводячи для цього значні земельні ділянки. Це призводить до інтенсивного забруднення повітряного басейну і підземних водних джерел у районах улаштування мулових майданчиків і може перетворитися у справжню екологічну катастрофу.
Сказане в повній мірі відноситься до всіх великих міст України, включаючи Київ, Харків, Дніпропетровськ, Запоріжжя та ін., в яких працюють сотні промислових підприємств машинобудівного профілю. Не менш суттєві задачі мають місце і в порівняно менших містах країни, наприклад, у Сімферополі, Мелітополі, Нікополі, Бердянську, де поряд з гальванічними виробництвами машинобудівної галузі працює велика кількість підприємств з ремонту сільськогосподарської техніки. Останні мають суттєві особливості, які потребують вивчення і врахування при розробці методів удосконалення водного господарства цих підприємств.
Це свідчить про істотний внесок гальванічних виробництв у незадовільний екологічний стан водних об’єктів країни і обумовлює актуальність розробки методів і способів, спрямованих на удосконалення очищення і знешкодження стічних вод гальванічного виробництва підприємств по ремонту сільськогосподарської техніки.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася у відповідності з державною науково – технічною програмою 3. 12 “Енерго – та ресурсозберігаючі технології в сільськогосподарському виробництві”, тематикою міжвузівських наукових і науково – технічних програм щодо пріоритетних напрямків розвитку науки і техніки (Наказ міністерства Освіти № 37 від 13. 02. 96 р., п. 2), тематичного плану науково - дослідної частини (НДЧ) Таврійської державної агротехнічної академії (ТДАТА) на період 1996…2000 р. відповідно до програми № 2 “Застосування нетрадиційних джерел енергії в агропромисловому комплексі (АПК) України”, а також тематичного плану програми № 5 “Моделювання явищ та процесів в АПК” на період 2001...2005 рр. (державний реєстраційний номер 0102 V 000695), відповідно до планів науково дослідних робіт кафедр гідравліки і теплотехніки та фізики.
Мета і задачі роботи. Метою дисертаційної роботи є удосконалення технології обробки стічних вод гальванічного виробництва підприємств по ремонту сільськогосподарської техніки агропромисловому комплексі (АПК) шляхом використання хімічних компонентів, які містяться у відпрацьованих миючих розчинах (ВМР), а також за допомогою сучасних методів контролю процесів очищення.
Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:
1. Вивчити і узагальнити особливості гальванічного виробництва підприємств по ремонту сільськогосподарської техніки, умови утворення стічних вод, їх хімічного складу і фізико - хімічних властивостей.
2. Визначити можливість використання одних видів стічних вод (стічні води від миття виробів) для очищення та знешкодження інших (стічні води від гальванічних ванн).
3. Удосконалити реагентний спосіб очищення стічних вод, які виникають при нанесенні гальванічного покриття, за допомогою хімічних компонентів, які знаходяться у відпрацьованому миючому розчині (ВМР).
4. Розробити методику експериментальних досліджень, спрямованих на удосконалення реагентної обробки стічних вод гальванічного виробництва.
5. Застосувати оптичний спосіб вимірювання величини електрокінетичного дзета – потенціалу, електрофоретичної швидкості та діаметра частинок дисперсної фази, які утворюються в процесах коагуляції, флокуляції та седиментації при обробці стічних вод гальванічного виробництва.
6. Розробити методику, алгоритм і програму комп’ютерного дослідження форми доплерівського сигналу при визначенні гідромеханічних та фізичних параметрів частинок домішок методом лазерної інтерферометрії.
Об’єкт дослідження – технологія обробки та контролю якості стічних вод гальванічного виробництва.
Предмет дослідження – закономірності процесу очищення стічних вод гальванічного виробництва за допомогою хімічних речовин, що містяться у ВМР.
Методи дослідження. При проведенні теоретичних досліджень використовували методи математичної статистики та фізичної оптики. Експериментальні дослідження проводились як згідно з загально прийнятими, так і згідно із розробленими методиками, та передбачали використання планування багатофакторного експерименту. На діючому технологічному обладнанні перевіряли ефективність очищення і знешкодження стічних вод гальванічного виробництва за допомогою хімічних речовин, які містяться у ВМР, а саме: поверхнево - активні речовини, метасилікат, карбонат, триполіфосфат натрію.
Для визначення електрофоретичної швидкості руху частинок завислих речовин, їх ефективного діаметра та електрокінетичного дзета - потенціалу використовували лабораторну установку лазерної доплерівської інтерферометрії. При моделювання форми доплерівського сигналу за допомогою обчислювальної техніки розроблено алгоритм і програму для визначення гідромеханічних і фізичних параметрів частинок завислих речовин (гідравлічна крупність, гранулометричний склад та інші) при електрофорезі (горизонтальна складова швидкості) і седиментації (вертикальна складова швидкості).
Наукова новизна отриманих результатів:
1. На основі досліджень умов утворення всіх різновидів стічних вод гальванічного виробництва, вивчення їх хімічного складу і фізико - хімічних властивостей встановлено можливість використання хімічних речовин, що містяться у ВМР, для очищення і знешкодження стічних вод, які утворюються при нанесенні гальванічних покриттів. Отримані результати дають можливість удосконалити водне господарство гальванічних відділень і створюють передумови для припинення, або суттєвого скорочення скидання стічних вод.
2. Удосконалено реагентний спосіб обробки стічних вод, які утворюються при нанесенні гальванічних покриттів. При цьому запропоновано використання хімічних компонентів, що містяться у ВМР. Це дозволило підвищити ефективність очищення і досягти значної економії дефіцитних реагентів, які традиційно використовуються для цих цілей.
3. Експериментальним шляхом визначено співвідношення хімічних компонентів, що містяться у ВМР (ПАР, карбонат, фосфат і триполіфосфат натрію), до шестивалентного хрому, а також оптимізовано склад вище означених речовин відносно їх впливу на процес очищення стічних вод гальванічного виробництва.
4. Проведено дослідження на лабораторній установці оптичного способу вимірювання електрофоретичної швидкості руху і розміру частинок завислих речовин, величини їх електрокінетичного дзета - потенціалу в процесах електрофореза і седиментації, що створює умови для регулювання процесу очищення і знешкодження стічних вод, а також підвищує його ефективність.
5. Розроблено алгоритм і програму комп’ютерного моделювання форми доплерівського сигналу процесу вимірювання і визначення ефективного розміру (наприклад, діаметра) частинок завислих речовин, їх електрофоретичної швидкос-ті і електрокінетичного дзета - потенціалу методом лазерної доплерівської інтерферометрії.
Практичне значення роботи:
1. Розроблено технічне рішення для удосконалення реагентної обробки стічних вод гальванічного виробництва з використанням хімічних речовин, що містяться у відпрацьованому миючому розчині.
2. Визначено склад компонентів хімічних речовин, що містяться у ВМР, який рекомендовано використовувати в процесах очищення і знешкодження стічних вод гальванічного виробництва. Це дозволяє удосконалити водне господарство підприємств по ремонту сільськогосподарської техніки без їх реконструкції, з використанням діючого технологічного обладнання.
3. За допомогою проведеної математичної обробки результатів дослідження запропоновано здійснювати регулювання ефективного використання хімічних речовин, що містяться у ВМР, при обробці стічних вод гальванічного виробництва.
4. Результати дисертаційної роботи впроваджено у проекти очисних споруд гальванічного відділення ВАТ “Станкобудівний завод ім. 23 вересня” (м. Мелітополь), НВВО “Інновація” (м. Запоріжжя) при створенні замкнених систем оборотного водопостачання.
Особистий внесок автора:
1. Розроблено проект і здійснено монтаж лабораторної та промислової установок для обробки стічних вод гальванічного виробництва.
2. Виконано дослідження процесу очищення і знешкодження стічних вод гальванічного виробництва за допомогою хімічних компонентів, що входять до складу ВМР, на лабораторній та промисловій установках.
3. Використано планування багатофакторного експерименту, встановлено математичні залежності у вигляді рівнянь регресії, що дозволяють вирішувати техніко - економічну задачу: зменшити питомі витрати електричної енергії і підвищити ефективність очищення й знешкодження стічних вод гальванічного виробництва.
4. З використанням сучасного математичного апарату розроблено і запропоновано комп’ютерне моделювання форми доплерівського сигналу в процесі вимірювання гідромеханічних і фізичних параметрів частинок дисперсної фази методом лазерної доплерівської інтерферометрії.
Достовірність результатів роботи. Наукові положення, висновки та рекомендації, сформульовані в дисертаційній роботі, теоретично обґрунтовані, їхня достовірність підтверджена результатами експериментальних досліджень, проведених з використанням сучасних методів дослідження в лабораторних і виробничих умовах на промислових установках, а також чітким трактуванням отриманих результатів, які не суперечать відомим даним і широкою апробацією.
Апробація роботи. Основні результати роботи та положення дисертації доповідалися і обговорювались на щорічних науково - технічних конференціях професорсько – викладацького складу ТДАТА (1991 - 2003 рр.); першому Республіканському науково - технічному семінарі з покращення теплових двигунів та ресурсозбереження (ТДАТА, м. Мелітополь, вересень 1995 р.); працях ІІІ Міжнародного симпозіуму “Механика эластомеров – 99” (Дніпропетровський ІГМ, м. Дніпропетровськ, липень 1999 р.); науково - практичній конференції “Малі системи очищення стічних вод” (Кримський РЦНТІ, м. Сімферополь, листопад 2000 р.); науково - практичній виставці “Сучасне місто” (КДПУ, м. Кременчук, листопад 2001 р.); 57 – ій науково - технічній конференції Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури (ХДТУБА, м. Харків, квітень 2002 р.); ювілейній міжнародній науково – технічній конференції “Енергетика в АПК” (ТДАТА, м. Мелітополь, вересень 2002 р.); ювілейній міжнародній науково – технічній конференції “Актуальні проблеми водного господарства та природокористування” (УДУВГП, м. Рівне, жовтень - листопад 2002 р.); міжнародній науково – практичній конференції “Вода, экология, общество” (ХДАМГ, м. Харків, листопад 2002 р.).
Публікації. За результатами дисертаційної роботи опубліковано 15 статей та тез доповідей у різних виданнях України. Отримано два авторських свідоцтва (СРСР) і два патенти України. Сім статей, у тому числі 3 без співавторів, опубліковані у фахових виданнях, регламентованих ВАК України.
Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, п’яти розділів, загальних висновків, списку літератури із 191 найменувань, 6 додатків і містить 129 сторінок основного тексту, 16 таблиць, 24 рисунки і усього 197 сторінок.
ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обґрунтовано актуальність обраної теми, сформульовано мету й задачі дисертаційного дослідження, визначено об’єкт та предмет роботи, наукову новизну і практичну цінність, а також наведено методи дослідження.
У першому розділі дисертації виконано аналітичний огляд літературних та патентних джерел, надано аналіз досвіду досліджень, проектування та експлуатації в області обробки та використання основних категорій стічних вод машинобудівних та ремонтних підприємств і в першу чергу гальванічних відділень. Показано, що сучасне становище питання можна вважати близьким до техногенної катастрофи тому, що в водні об’єкти підприємствами машинобудівного комплексу України продовжується, а подекуди збільшується, скидання значної кількості екологічно небезпечних речовин, зокрема, нафтопродуктів, іонів важких металів, поверхнево - активних сполук та інше. Це переконало у необхідності розробки нових технічних рішень, спрямованих на удосконалення засобів і апаратів для доочищення стічних вод до якості, яка дозволяє використовувати їх в замкнених системах оборотного водопостачання, або скидати у водні об’єкти.
Аналіз прогресивних розробок обробки стічних вод гальванічного виробництва показав, що найбільш перспективним напрямком є методи і способи, які комплексно, з застосуванням фізико - хімічної та реагентної обробки, дозволяють ефективно знешкоджувати стічні води цих виробництв.
Зазначеними питаннями займалися в багатьох наукових організаціях країн СНД, зокрема, в інститутах ДНЦ НДІ ВОДГЕО (м. Москва), УкрВОДГЕО (м. Харків), НДПІ “Енергосталь” (м. Харків), Уральський Політехнічний Університет (м. Єкатеринбург), УДУВГП (м. Рівне) та ін. Над вирішенням цих питань пра- цювали відомі вчені, фахівці та інженери: Пушкарьов В. В., Рогов В. М., Кульский Л. А., Філіпчук В. Л., Вайнштейн І. А., Запольский А. К, Образцов В. В., Анопольский В. Н. та інші. Але не до кінця розробленими залишилися питання глибокої очистки цих різновидів стічних вод, що не дозволяє ефективно проводити знешкодження шкідливих речовин, які містяться у вказаних стічних водах.
Це обумовлено тим, що зараз стічні води гальванічних відділень містять суміш ВМР, синтетичних і мінеральних змащувальних речовин, розчинених неорганічних кислот, лугів, іонів важких металів, різноманітних солей та інше. Їх обробка пов’язана зі значними енерго- та ресурсовитратами. Крім того, ефективність роботи існуючих очисних споруд досить часто залежить від надійності та оперативності приладів автоматичного контролю. Наведеним вище недолікам відомі способи і технології не дозволяють отримати очищену воду, якість якої відповідає сучасним вимогам та нормативам.
Відзначено, що стічні води гальванічного виробництва ремонтних підприємств, зокрема АПК, мають суттєві відзнаки від подібних стічних вод машинобудівних заводів. Це пов’язано з тим, що деталі сільськогосподарських машин мають специфічні забруднення у вигляді густих змащувальних матеріалів (солідолів тощо), мінеральних і органічних добрив, отрутохімікатів, залишків рослин, землі, піску та інше. Вказане призводить до суттєвого збільшення витрати стічних вод, зокрема, від операцій миття внутрішніх і зовнішніх поверхонь деталей сільськогосподарських машин, що потребують ремонту і відновлення працездатності. Крім цього, вказане вище стосовно підприємств АПК є причиною ускладнення хімічного забруднення стічних вод, які отримують специфічні хімічні та фізико - хімічні властивості, що потребує врахування при розробці методів очищення і використання стічних вод.
Аналіз методів обробки стічних вод виявив перспективність очищення стічних вод від іонів важких металів шляхом використання існуючих на підприємстві хімічних речовин, що здатні відновлювати Cr6+ до Cr3+ і сприяють утворенню гідроксидів металів з подальшим їх осаджуванням у очисних спорудах.
Поряд з цим, при розробці технології, що пропонується, важливе значення набувають оптичні методи контролю якості очищеної стічної води, а також вимірювання швидкості руху частинок завислих речовин, їх розмірів та величини електрокінетичного дзета - потенціалу.
У другому розділі викладено теоретичні аспекти і обґрунтовано застосування оптичних методів для визначення гідромеханічних і фізичних параметрів (гідравлічна крупність, електрофоретична швидкість, розмір (наприклад, діаметр) і електрокінетичний дзета - потенціал) частинок дисперсної фази, які рухаються у рідині під дією сили тяжіння та електрофоретичної сили.
Розглянута теоретична залежність інтенсивності доплерівського сигналу, яка у подальшому використовується для розробки програми комп’ютерного моделювання процесу вимірювання швидкості, діаметра і дзета – потенціалу частинок дисперсної фази за допомогою лазерної доплерівської інтерферометрії.
У третьому розділі викладено технологію обробки і контролю якості стічних вод гальванічних відділень, описано лабораторні установки і технологічні схеми, наведено методики експериментальних досліджень.
На першому етапі було проведено лабораторні дослідження на діючому технологічному обладнанні і в промислових умовах (рис. 1).
Рис. 1. Принципова схема установки: 1 - корпус установки; 2 – камера відстоювання першого ступеня; 3 - камера флокуляції; 4 - камера реакції; 5 – камера відстоювання другого ступеня; 6 – камера електродна; 7 - електроди; 8 - відсвітлювач; 9 - перфораційна система скидання осадів
Запропоновано комбінований електрохімічний спосіб обробки і метод контролю якості стічної води, що містить у собі іони важких металів, блок - схема якого представлена на рис. 2.
Рис. 2. Блок – схема електрохімічного способу обробки і контролю якості стічної води гальванічного виробництва: 1 – камера змішування; 2 – електрохімічна камера; 3 – камера реакції; 4 – камера коректування дози ВМР
Обробка стічної води гальванічного виробництва відбувається в такій послідовності: спочатку в електрохімічну ячейку додається ВМР дозою 50…100 мг/дм3, при цьому встановлюється лужне середовище водного розчину, що дозволяє отримати високоактивний електроліт, який містить у собі залізо. Потім водний розчин змішується зі стічною водою і відбувається його електрохімічна обробка, внаслідок якої Cr6+ відновлюється до Cr3+. Далі утворюються гідроксиди важких металів, які за допомогою визначених хімічних компонентів ВМР сорбуються й виводяться з осадом і пінним продуктом.
Розроблена технологія має високу ефективність у інтервалі витрат електричного заряду (у межах від 100 до 600 Кл/дм3, а також від 600 до 4000 Кл/дм3), що дозволяє ефективно проводити процес очищення і знешкодження стічної води гальванічного виробництва. До переваг розробленого способу відноситься також утворення порівняно меншого об’єму осадів і зменшення його обсягу у 2,0…2,5 рази в порівнянні з відомими аналогами, оскільки переважає процес виключення іонів важких металів у вигляді гідроксидів за допомогою процесу флотації.
Застосування такого електроліту сприяє прискоренню окислювально - відновлюючих реакцій, формуванню флотокомплексів, здійсненню процесу флотації, який призводить до відділенню гідроксидів важких металів з пінним продуктом. Зокрема, відбувається відновлення шестивалентного хрому до тривалентного. Співвідношення хімічних компонентів, що містяться у ВМР, повинні бути такими:Cr6+:ПАР:Na2SiO3:Na2СО3:Na3Р5О10=1: 0,05…0,5:0,05…0,5:0,25…2,5:0,15…1,5.
Для аналізу контролю якості обробки стічних вод гальванічного виробництва розроблено і в лабораторних умовах апробовано оптичну схему вимірювання складових швидкостей руху частинки при дослідженні процесів електрофорезу й седиментації. Запропонований лазерний доплерівський спосіб вимірювання дозволяє визначити значення і напрямок швидкості руху завислих частинок. Потім, знаючи горизонтальну й вертикальну складові швидкості руху, розраховують дзета - потенціал та ефективний діаметр частинки.
Залежності витрат електричного заряду від дози ВМР наведено на рис. 3.
Рис. 3. Залежності витрат електричного заряду від дози ВМР: 1 - Cr6+; 2 – Cr3+; 3 – Fe3+; 4 – завислі речовини; 5 – ПАР
Експериментальні дані, які одержані в лабораторних і промислових умовах, свідчать про високу ефективність розробленого способу реагентної обробки стічних вод гальванічного виробництва, яка сягає 98,50...99,50 %.
Четвертий розділ містить результати експериментальних досліджень, аналіз основних закономірностей, режимів та параметрів, що впливають на процес очищення і знешкодження, а також на контроль якості обробки стічних вод гальванічного виробництва.
Дослідження з метою пошуку ефективних технологічних режимів і параметрів проводили у два етапи. Спочатку в лабораторних умовах стічні води обробляли, додаючи реагент, в основі якого були синтетичні миючі розчини. На другому етапі, в промислових умовах, використовували високотоксичні відходи гальванічного виробництва.
При обробці стічної води гальванічного виробництва до ВМР входять невеличкі домішки: поверхнево - активні речовини, метасилікат, карбонат і триполіфосфат натрію. У разі використання компонентів реагенту підвищується транспортуюча швидкість коагулянту, який містить у собі залізо, до хромової стічної води відбувається активація поверхні сталевих електродів. Використані при цьому домішки хімічних компонентів ВМР дозволили одержати концентрований розчин коагулянту, а також бульбашки газового середовища. Якщо й далі змішувати розчин коагулянту, що містить у собі залізо, посилюються реакції окислення та поновлення і відбувається подальше утворювання з’єднання флотокомплексів й підвищення ефективності флотації гідроксидів важких металів до пінного шару.
При співвідношенні концентрацій хімічних компонентів складу ВМР: ПАР : Na2SiO3 : Na2CO3 : Na3P5O10 менш ніж 0,05 : 0,05 : 0,25 : 0,15 до однієї частки шестивалентного хрому знижується ефективність очищення стічної води, оскільки зменшується ефективність флотації гідроксидів важких металів.
Якщо концентрація компонентів реагенту миючого розчину перевищує значення 0,5 : 0,5 : 2,5 : 1,5 до однієї частки шестивалентного хрому, зростає пасивація сталевих електродів, що у свою чергу веде до зростання витрат електричної енергії.
Крім того, при інших значеннях співвідношення хімічних компонентів реагенту знижується ефективність очищення стічної води при наявності зростання більшого об’єму флотошламу.
Аналізуючи результати експериментальних досліджень, слід відмітити, що найбільша ефективність очищення досягається при використанні певного співвідношення хімічних компонентів ВМР, у кількості 50…100 мг/дм3.
Якщо доза ВМР менше 50 мг/дм3, спосіб не дозволяє одержувати високу ступінь очищення і знешкодження від іонів хрому та заліза. Це пояснюється тим, що зменшується ефективність флотації гідроксидів цих компонентів, знижується рН стічної води, що у свою чергу призводить до зростання великих шарів газового середовища. При обробці стічної води гальванічного виробництва дозою ВМР більше ніж 100 мг/дм3 зростає обсяг пінного шару. Якщо і далі освітлювати стічну воду, що обробляють, відбувається неповне руйнування миючого розчину електрохімічним способом.
Ефективність очищення стічної води гальванічного виробництва, яка показана на рис. 4 і наведена в табл. 1, підтверджує, що обрана доза ВМР (50…100 мг/дм3) при вказаному вище певному співвідношенні хімічних компонентів до шестивалентного хрому є ефективною і раціональною. У цьому випадку ефективність очищення стічних вод сягає 98,50…99,50 %.
Рис. 4. Ефективність очищення стічної води гальванічного виробництва залежно від дози ВМР: 1 – Cr6+; 2 - Cr3+; 3 – Fe3+.
Примітка: використовували СМР “Лабомід - 203”
Для того, щоб отримати високі показники ефективності очищення стічної води і зменшити витрати електричного заряду, обробку проводили у інтервалі 600…4000 Кл/дм3 (рис. 3). При питомих витратах електричного заряду менше ніж 600 Кл/дм3 концентрація ВМР, який міститься в електроліті, та ступінь його насичення двовалентним залізом зменшує ефективність процесу очищення.
Таблиця 1
Ефективність очищення стічної води від гальванічного виробництва
Елек-
тричний
заряд,
Кл/дм3 | Співвідношення хімічних компонентів відпрацьованого миючого розчину до шестивалентного хрому | Ефективність очистки від іонів важких металів, %
ПАР | Na2SiO3 | Na2CO3 | Na3P5O10 | Хром
VI | Хром III | Залізо
III
50 | 0,00 | 0,00 | 0,00 | 0,00 | 18,00 | 12,00 | 30,00
0,05 | 0,05 | 0,25 | 0,15 | 48,00 | 62,00 | 60,00
100 | 0,05 | 0,05 | 0,25 | 0,15 | 99,50 | 98,15 | 96,00
300 | 0,25 | 0,25 | 1,20 | 0,25 | 99,50 | 99,25 | 98,00
600 | 0,50 | 0,50 | 2,50 | 0,50 | 99,50 | 99,30 | 98,50
700 | 0,60 | 0,80 | 3,20 | 1,80 | 99,50 | 96,25 | 91,30
0,75 | 0,85 | 3,25 | 1,85 | 99,50 | 98,25 | 92,30
При витратах електричного заряду більш ніж 4000 Кл/дм3 знижується економічність процесу очищення стічних вод, тому що концентрація оксидів заліза в коагулянті досягає максимуму і далі випадають осади, які пасивують поверхню електродів.
Аналізуючи отримані дані, можна помітити, що результати досліджень із визначення ефективних технологічних режимів дають можливість інтенсифікувати електрохімічні процеси очищення і знешкодження стічної води та зменшити питомі витрати електричної енергії на 20…30 %, економно використовувати миючі розчини і в цілому раціонально організувати й вести водне господарство гальванічних цехів та підприємств.
Однією із задач експериментальних випробувань була перевірка на відтворюваність дослідів за двома критеріями Кохрена, зроблено висновок, що дисперсії у моделях однорідні. Одержані математичні залежності у вигляді рівнянь регресії від зазначених факторів. Коефіцієнти залежностей розраховані за допомогою обчислювальної техніки, та їх числові значення наведені у четвертому розділі та додатках. Значимість коефіцієнтів регресії перевіряли за критерієм Стьюдента, при його довірливій вірогідності не менш як 95 %.
Дослідження з використанням планування багатофакторного експерименту проводили по двом напрямкам. Відповідно першого напрямку було визначено кількісний склад хімічних компонентів ВМР у певному їх співвідношенні до шестивалентного хрому. По другому напрямку вирішували техніко – економічну задачу: зменшення енергетичних витрат на обробку стічних вод гальванічного виробництва й підвищення, при цьому, ефективності усього технологічного процесу. Перетини поверхонь відгуку, у разі стабілізації фактора шестивалентного хрому, будуємо для двох варіантів: визначенню впливу режимів і параметрів на процес обробки стічної води та оптимізацію раціонального складу хімічних речовин, що містяться у ВМР (рис. 5).
Х5 = -1 Х5 = 0
Х5 = 0,5 Х5 = 1
Рис. 5. Двомірні перетини поверхонь відгуку у разі стабілізації фактора Х5 – кількість шестивалентного хрому на рівнях: - 1; 0; 0,5; 1
Адекватність отриманих рівнянь була перевірена за критерієм Фішера. Зроблено висновок, що гіпотеза про адекватність моделей при 5 % рівні значимості підтверджується. Отримані рівняння регресії дозволяють визначити витрати електричної енергії, які мають значення 8,5...9,5 кВт - год/м3, а ефективність при цьому досягає 99,50 %.
Розроблено ї в лабораторних умовах апробовано диференційну оптичну схему лазерного доплерівського анемометра. Для обґрунтування параметрів лазерної доплерівської установки і алгоритму процесу вимірювання швидкості руху та розмірів частинок була розглянута залежність амплітуди електричного сигналу з фотоприймача інтерферометра від часу. При цьому частота D доплерівського сигналу визначає швидкість руху частинки завислих речовин. Величина електричного сигналу (сила фотоструму або напруга) пропорційна інтенсивності світової хвилі у просторі реєстрації, яка утворюється внаслідок інтерференції двох когерентних хвиль, розсіяних частинкою, яка рухається. При русі частинки у зоні перетину двох зондуючих гаусових лазерних пучків кут розсіювання змінюється несуттєво. Тому інтенсивність розсіяного випромінювання залежить тільки від розташування частинки відносно вертикальної вісі гаусових зондуючих пучків.
Інтенсивність доплерівського сигналу у першому наближенні має слідуючу залежність від часу:
= , | (1)
де частота доплерівського сигналу, Гц; кут розсіювання, град; - початкова фаза; n – показник заломлення рідини, n = 1,33; ТD – період доплерівського сигналу, с;
= ,
де а – коефіцієнт, - половина тривалості доплерівського сигналу (t3 = t1 + t2), с; D – діаметр частинки, м; t1 – тривалість зростання амплітуди доплерівського сигналу, с; d – діаметр гаусового пучка, м.
Оскільки форма доплерівського сигналу симетрична, формула (1) визначає величину сигналу для першої його половини (рис. 6).
Рис. 6. Форма доплерівського сигналу (фотографія з екрану осцилографа С 9 - 8): TD = 13 мс – період доплерівського сигналу; t1 = 135 мс – час зростання амплітуди доплерівського сигналу; t2 – час максимального значення амплітуди доплерівського сигналу
Параметр j = 0…1 визначає положення частинки відносно горизонтальної вісі симетрії ОХ:
y =. |
(2)
Час зростання амплітуди доплерівського сигналу t1 визначається тривалістю руху частинки у граничній зоні, коли поверхня частинки двома пучками освітлена не повністю:
t1 = = . |
(3)
Розроблено алгоритм і програму математичного розрахунку з використанням обчислювальної техніки форми доплерівського сигналу з виходу фотоприймача інтерферометра. Ця програма дозволяє одержати форму сигналу I (t) для різних параметрів установки: d, , , Е (напруженість електричного поля) та параметрів частинок: D, (електрокінетичний дзета - потенціал). Вид сигналу, задані параметри характеристики руху частинки: V, у та доплерівського сигналу: D, TD, t1, t2, t3, max виводяться на екран монітора та друк (рис. 7).
Рис. 7. Форма доплерівського сигналу, яка отримана у результаті теоретичного розрахунку руху частинки за допомогою обчислювальної техніки: зверху наведені параметри, що задаються, а знизу – вихідні параметри у разі обробки сигналу
Час максимального значення амплітуди доплерівського сигналу визначається рухом частинки в освітленій зоні перетину двох лазерних пучків і залежить від положення частинки у = jуmax відносно горизонтальної вісі симетрії ОХ:
t2. |
(4)
Тоді тривалість доплерівського сигналу дорівнює:
=2t3 = 2(t1 + t2). | (5)
Детальний аналіз залежності форми доплерівського сигналу від параметрів вимірювальної установки дозволяє вибрати значення кута між двома зондуючими пучками і діаметра d гаусових пучків, а також розробити алгоритм вирішення зворотної задачі – за видом доплерівського сигналу визначити швидкість і розмір (наприклад, діаметр) частинок дисперсної фази.
Для визначення електрофоретичної швидкості V руху частинки вимірюємо період TD=1/D доплерівського сигналу, тоді:
. |
(6)
Для визначення діаметра частинки D необхідно виміряти час t1 зростання інтенсивності доплерівського сигналу:
. | (7)
Програма математичного розрахунку електрофоретичної швидкості, розміру (наприклад, діаметра) і електрокінетичного дзета - потенціалу частинок дисперсної фази дозволяє проводити оцінку відносної похибки алгоритму, який було використано. Максимально допустима похибка алгоритму вирішення зворотної задачі при визначенні ефективного діаметра частинки дорівнює 6 %. Тоді мінімально можливий діаметр частинки дорівнює Dmin = 7,5 мкм, якщо вимірювальна лазерна установка має такі параметри: d = 0,1 мм; = 8 та Е = 2 В/мм. Мінімальне значення дзета - потенціалу при цих же параметрах вимірювальної установки та допустимої відносної похибки дорівнює min = 0,8 мВ у разі, коли мінімально допустима частота доплерівського сигналу дорівнює D = 1 Гц і напруженість електричного поля Е = 10 В/мм.
Таким чином, у результаті моделювання процесу вимірювання гідромеханічних і фізичних параметрів частинок за допомогою комп’ютерного дослідження обрано основні параметри експериментальної установки, а також розроблено алгоритм вимірювань, при вирішенні зворотної задачі, і визначено межі чутливості методу лазерної доплерівської інтерферометрії.
У п’ятому розділі наводяться результати розробки технічних рішень, спрямованих на використання розробленого способу реагентної обробки стічної води і оптичного методу контролю якості очистки стічної води гальванічного виробництва процесів коагуляції й седиментації частинок дисперсної фази.
Запропонований комбінований електрохімічний спосіб реагентної обробки і оптичного методу контролю якості стічної води гальванічного виробництва, який сприяє фактичній економії водних ресурсів, зменшенню капіталовкладень на будівництво нового обладнання й запобіганням скиданню шкідливих речовин до навколишнього природного середовища.
Виконано еколого - економічне обґрунтування розроблених технологічних рішень. Економія при застосуванні визначеної дози ВМР складається з економії витрат води, електричної енергії й реагентів, які використовуються для очищення стічної води гальванічного виробництва.
Річний економічний ефект у разі використання запропонованих способів очищення та контролю якості стічної води НПВО “Інновація” (м. Запоріжжя) складає 27 128 грн. Еколого - економічна шкода, якої вдалося запобігти від скидання стічної води ВАТ “Станкобудівний завод ім. 23 жовтня” (м. Мелітополь), складає 110 681,33 грн / рік.
ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ
1. На основі досліджень умов утворення всіх різновидів стічних вод гальванічного виробництва, вивчення їх хімічного складу і фізико - хімічних властивостей встановлено можливість використання хімічних речовин, які містяться у відпрацьованому миючому розчині (ВМР), для очищення й знешкодження стічних вод, що утворюються при нанесенні гальванічних покриттів. Отримані результати дають можливість для удосконалення водного господарства гальванічних відділень і створюють передумови для припинення або суттєвого скорочення скидання стічних вод.
2. Удосконалено реагентний спосіб очищення стічних вод, які утворюються при нанесенні гальванічних покриттів. При цьому використовують хімічні компоненти, що містяться у ВМР. Вказаний спосіб дозволяє проводити знешкодження стічних вод гальванічного виробництва з високими початковими концентраціями шестивалентного хрому – 100...130 мг/дм3. Ефективність очищення при цьому сягає 99,00...99,50 %, а витрати електричної енергії складають 7,1...9,2 кВт - год/м3. Це підтверджується математичною обробкою результатів досліджень, яка показала з імовірністю 95 %, що ефективність використання запропонованого ВМР знаходиться у межах 97,75…99,50 %, а математичне очікування при цьому складає 98,78 %.
3. Розроблено і впроваджено комбінований спосіб знешкодження стічних вод гальванічного виробництва, котрий здійснюється у декілька етапів. На початку за допомогою ВМР, дозою 50...100 мг/дм3, встановлюється лужне середовище водного розчину, що дозволяє отримати високоактивний електроліт, який містить у собі залізо. Потім відбувається електрохімічна обробка водного розчину, внаслідок якої Сr6+ відновлюється до Сr3+. Далі утворюються гідроксиди важких металів, які за допомогою визначених хімічних компонентів ВМР сорбуюються й виводяться з осадом і пінним продуктом.
4. Розроблено технічне рішення щодо удосконалення реагентної обробки стічних вод гальванічного виробництва з використанням хімічних речовин, що містяться у ВМР. Встановлено дозу ВМР, що містить у собі поверхнево - активні речовини, метасилікат, карбонат і триполіфосфат натрію, яка знаходиться у межах 50...100 мг/дм3. Дослідження дозволили визначити наступні співвідношення хімічних компонентів, що містяться у ВМР, до шестивалентного хрому: Сr6+ : ПАР : Na2 Si O3 : Na2 CO3 : Na3Р5O10 = 1 : 0,05 ...0,5 : 0,05...0,5 : 0,25...2,5 : 0,15..1,5.
Визначений склад дози ВМР рекомендовано використовувати в процесах очищення й знешкодження стічних вод гальванічного виробництва.
5. За результатами лабораторних досліджень проведено пошук раціонального складу ВМР в залежності від двох показників: забезпечення необхідної ефективності очищення стічної води гальванічного виробництва й зменшення витрат електричної енергії. Отримані при цьому двомірні перетини поверхонь відгуку дозволяють вирішити техніко - економічну задачу: зменшити витрати електричної енергії й підвищити, при цьому, ефективність процесу очищення і знешкодження стічних вод гальванічного виробництва. Співвідношення хімічних компонентів, які містяться у ВМР, повинно бути таким:
ПАР : Na2 Si O3 : Na2 CO3 : Na3 Р5 O10 = 0,40 : 0,30 : 1,45 : 0,15.
6. Розроблені технічні рішення дозволяють удосконалити водне господарство промислових підприємств по ремонту сільськогосподарської техніки без їх реконструкції на діючому технологічному обладнанні з використанням одних категорій стічних вод (ВМР) для очищення і знешкодження інших (гальванічні стічні води).
7. Розроблено лабораторну установку вимірювання електрофоретичної швидкості руху і розміру частинок завислих речовин, величини їх дзета - потенціалу за допомогою методу лазерної інтерферометрії в процесах електрофореза і седиментації, що підвищує ефективність визначення гідромеханічних і фізичних параметрів частинок завислих речовин.
8. Розроблено оптичний спосіб (за допомогою лазерної доплерівської інтерферометрії) одночасного вимірювання у реальному часі з високою точністю швидкості, електрокінетичного дзета-потенціалу і розмірів завислих речовин, що пересуваються у рідині під дією сили тяжіння й електрофоретичної сили.
9. Розроблено алгоритм і програму математичного розрахунку форми доплерівського сигналу з використанням комп’ютерного моделювання процесу вимірювання і визначення гідромеханічних і фізичних параметрів частинок завислих речовин (наприклад, діаметра), електрофоретичної швидкості й електрокінетичного дзета - потенціалу методом лазерної доплерівської інтерферометрії, що дозволяє вибрати параметри розробленої оптичної схеми і визначити алгоритм процесу вимірювання.
10. Результати дисертаційної роботи впроваджено у проекти очисних споруд діючих підприємств: ВАТ “Станкобудівний завод ім. 23 жовтня” (м. Мелітополь); НВВО “Інновація” (м. Запоріжжя) при створенні замкнених систем оборотного водопостачання. Річний економічний ефект від використання запропонованого способу очищення стічної води складає 27 128 грн. Еколого - економічна оцінка шкоди, що наноситься навколишньому природному середовищу від скидання стічної води і якої вдалося запобігти, складає 110 681,33 грн / рік.
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
1. Мовчан С. І. Аналіз розрахунку параметрів головних камер апаратів очищення стічної води // Научно - технический сборник ХГАГХ. Вып. 33. - К.: Техника, 2001. - С. 142 - 145.
2. Мовчан С. І. Результати експериментальних досліджень по підвищенню ефективності очистки стоків і зменшенню питомих витрат електричного струму // Науковий вісник будівництва. Вип. 51, Харків, ХДТУБА – ХОТВ, 2002. - С. 191-196.
3. Мовчан С. І. Вимірювання швидкості, діаметра і дзета – потенціалу частинок домішок методом лазерної доплерівської анемометрії // Научно - технический сборник ХГАГХ. Вып. 38. - К.: Техника, 2002. - С. 136 – 139.
4. Мовчан С. И., Дидур В. А. Усовершенствование технологии очистки сточных вод с использованием моющих растворов, приготовленных на воде с повышенным содержанием солей кальция и магния // Науковий вісник будівництва. Вип. 20, Харків, ХДТУБА – ХОТВ, 2003. - С. 144 - 155.
5. Морозов М. В., Мовчан С. І. Визначення параметрів частинок сумішок в процесах електрофореза і седиментації методами лазерної інтерферометрії // Нау-
ковий вісник будівництва. Вип. 15, Харків, ХДТУБА – ХОТВ, 2001. - С. 166 - 170.
6. Мовчан С. І., Морозов М. В. Визначення швидкості, ефективного діаметра і дзета – потенціалу частинок домішок методом лазерної доплерівської інтерферометрії // Вісник УДУВГП. Рівне, 2002. – Ч. 6. – Вип. 5 (18). - С. 126 – 131.
7. Мовчан С. И., Морозов Н. В. Лазерные доплеровские методы измерения и контроля параметров частиц в сточных водах гальванического производства // Научно - технический сборник ХГАГХ. Вып. 45. - К.: Техника, 2002. - С. 87 – 95.
8. Патент Україна № 45077 А. МПК7 G 0І N 15/25. Спосіб вимірювання швидкості, дзета - потенціалу і розмірів частинок / М. І. Бунін, М. В. Морозов,
