МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ВОДНОГО ГОСПОДАРСТВА ТА ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ

БЕРНАЦЬКИЙ МИКОЛА ВАСИЛЬОВИЧ

УДК 628.16.06

МАГНІТНО-РЕАГЕНТНЕ ОЧИЩЕННЯ ВОДИ В

МАГНІТНИХ ВІДСТІЙНИКАХ СОТОВОЇ СТРУКТУРИ

05.23.04 – водопостачання, каналізація

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Рівне - 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному університеті водного господарства та природокористування (НУВГП) Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор, заслужений винахідник України Гіроль Микола Миколайович, НУВГП, проректор з наукової роботи, завідувач кафедри водовідведення, теплогазопостачання та вентиляції.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Душкін Станіслав Станіславович, Харківська національна академія міського господарства, завідувач кафедри водопостачання, водовідведення та очистки води;

кандидат технічних наук, доцент Сівак Віктор Михайлович, НУВГП, доцент кафедри водопостачання і бурової справи.

Провідна установа – Київський національний університет будівництва та архітектури, кафедра водопостачання (м. Київ).

Захист відбудеться “_9__” ____червня______ 2006 р. о _1000__ год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д47.104.01 при Національному університеті водного господарства та природокористування за адресою:

33028, м. Рівне, вул. Соборна, 11, головний корпус.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного університету водного господарства та природокористування за адресою:

33014, м. Рівне, вул. Приходька, 75.

Автореферат розісланий “_6__” ______травня__________ 2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

кандидат техн. наук, доцент В.П. Востріков

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Системи комунально-побутового водяного опалення, в яких основним теплоносієм традиційно є вода, являються крупними споживачами паливно-енергетичних ресурсів і підвищення ефективності їх роботи може забезпечити значну економію палива. Рішення вказаної проблеми вимагають Закон України “Про енергозбереження” ст.№283, 1994 р., Постанова Кабінету Міністрів України №929 від 7.08.1996 р. “Про посилення контролю за режимами споживання електричної і теплової енергії”, Постанова Кабінету Міністрів України №148 від 5.02.1997 р. ”Про комплексну державну програму енергозбереження України.

На сучасному етапі велика кількість замкнутих теплообмінних систем, особливо локальних, працює на водопровідній воді без попередньої обробки, що приводить до утворення шламу (продукти накипоутворення і корозії). А це, в свою чергу, супроводжується перевитратами палива, появою прогарів на металевих трубах, підвищеним зносом котлів, зменшенням терміну міжремонтного періоду обладнання. Використання шламовловлювачів (“грязьовиків”) для вилучення шламу із теплових мереж не дає бажаного результату через низьку ефективності їх роботи. Враховуючи, що очисні установки повинні бути нескладними, компактними, а також забезпечувати високу якість очистки води, одним із варіантів вирішення цієї проблеми може бути впровадження магнітно-реагентної технології очистки води з використанням магнітних відстійників, яка ефективна при необхідності одночасно вести очищення від різних за своїми фізико-хімічними властивостями речовин.

Зв’язок роботи з науковими програмами. Робота виконана в лабораторії магнітної очистки рідин і газів Національного університету водного господарства та природокористування. У ній вирішені окремі задачі, внесені до планів таких госпдоговірних та держбюджетних робіт, в яких автор брав участь як співвиконавець:

1. ”Разработка, исследование и внедрение технологии очистки сточных вод промканализации на ПО "Коломенский завод”, виконувалась в 1990-1992 р.р., шифр 01900022137.

2. ”Розробка та дослідження технології магнітно-реагентної очистки природних і стічних вод”, виконувалась в 1996-1997р.р. шифр по УДАВГ 3-210(Українська державна академія водного господарства, тепер Нувгп), замовник - Держжитлокомунгосп України.

3. ”Науково-технічні аспекти фізико-хімічного та біологічного очищення води із застосуванням магнітоферополімерних композитів, полімерних і штучних матеріалів”, шифр PK 0101V005466, замовник – МОН України, виконувалась 2001-2003 р.р.

Мета та задачі досліджень. За мету в даній роботі було поставлено – забезпечити очищення циркуляційної води систем опалення від феро- і парамагнітних домішок з використанням реагентів і магнітного поля. Відповідно до вказаної мети були визначені такі задачі досліджень:

1. Розробити експериментальні установки для дослідження магнітно-реагентного очищення води від пара- та феромагнітних домішок і встановити закономірності цього процесу.

2. Дослідити вплив доз реагентів, силових характеристик магнітного поля, температури води, водневого показника pH та ін. на процес магнітно-реагентного очищення води.

3. Розробити конструктивні рішення установок для реалізації очищення води магнітно-реагентним способом і дати рекомендації щодо їх проектування.

4. Дослідити процес приготування та регенерації магнітного реагенту.

5. Визначити область раціонального використання магнітно-реагентної технології і установки очищення води.

Об’єкт досліджень – магнітні установки очистки води систем водяного опалення та води із значним вмістом пара і діамагнітних домішок.

Предмет досліджень – процес очищення води в магнітних відстійниках сотової структури.

Методи досліджень – при проведенні експериментів використовували сучасні методи досліджень та обладнання: оптична система контролю прозорості води, яка складалась із гелій-неонового лазера і фотодіода, фотоколориметр ЛМФ-72, генератор магнітного дисперсного матеріалу „Елемаг”. Дослідні дані обробляли за допомогою ПЕОМ, результати експериментів – відповідно до рекомендацій Міжнародного союзу чистої і прикладної хімії за методами визначення і формою позначення помилок, відхилень, одержуваних при масових аналітичних дослідженнях. Оцінку надійності і відтворення дослідних даних визначали в межах довірчого інтервалу.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:

· отримані нові експериментальні дані роботи магнітних відстійників сотової структури (ефект і інтенсивність процесу очистки) при очищенні води від пара- і феромагнітних домішок;

· отримані емпіричні залежності по визначенню ефекту очистки води магнітно - реагентним способом від пара- та феромагнітних домішок, які дозволяють оцінити та прогнозувати ефект магнітно-реагентної очистки води в магнітних відстійниках;

· встановлені залежності і визначені емпіричні константи ефективності очищення води від конструктивних (геометричні розміри, розміри сот і магнітних елементів, кут між магнітними елементами) і технологічних параметрів магнітного відстійника (дози реагентів, водневий показник рН, величина магнітного силового фактору HgradH, температура води, концентрація забруднень);

· визначені особливості регенерації магнетиту механічним способом.

Достовірність отриманих результатів. Достовірність результатів, що отримані, теоретично обгрунтована, підтверджена діючими методами планування експериментів і обробки експериментальних даних (при проведенні лабораторних досліджень для однієї із концентрацій домішок виконано повнофакторний експеримент), використанням сучасних методик та приладів проведення вимірювань – зміна прозорості води контролювалась лазерним променем, а отримана інформація фіксувалась самописним пристроєм, порівнянням емпіричних і експериментальних даних, порівнянням з результатами інших авторів.

Практичне значення отриманих результатів:

· на підставі аналізу процесу очищення води в магнітному відстійнику сотової структури обгрунтовані і розроблені технічні рішення та рекомендації щодо процесу вилучення із води пара-, діа- і феромагнітних домішок, які забезпечують високу ефективність роботи очисних установок;

· визначені конструктивні параметри (довжина і висота відстійника, кількість магнітних модулів, розміри сот в магнітному модулі, кут між магнітними елементами в окремо взятій соті, взаємне розміщення відстійника і фільтра у комбінованому варіанті установки) магнітного відстійника;

· розроблено ряд магнітних відстійників, комбінованих установок і технологічна схема магнітно-реагентного очищення води, конструкції яких захищені Авторськими свідоцтвами СРСР, патентом РФ, та патентами України;

· розроблені “Рекомендації на проектування, виготовлення і експлуатацію експериментальної установки магнітно-реагентної очистки води”, затверджені Держжитлокомунгоспом України.

Особистий внесок автора:

· виконано дослідження магнітно-реагентного очищення води від пара-, діа- і феромагнітних домішок в магнітних відстійниках та на комбінованих установках;

· проведені експериментальні дослідження з приготування і регенерації магнетиту;

· виконана математична обробка експериментальних даних і встановлені емпіричні залежності, що характеризують процес очищення води в магнітних відстійниках;

· встановлені конструктивні розміри магнітного відстійника та розроблені конструкції магнітних апаратів і комбінованих установок для реалізації манітно-реагентного методу очистки води;

· визначені умови використання магнітного відстійника і комбінованих установок в технологічних схемах очищення води, проведені розрахунки економічної ефективності технології магнітно-реагентного очищення води з використанням магнітних відстійників.

Апробація результатів дисертації. Окремі положення дисертації доповідались на:

· конференції з екологічних проблем, раціонального використання і охорони водних ресурсів РРФСР (м. Вологда, 1990 р.);

· 3-й республіканській науково-технічній конференції по замкнутих технологічних системах водокористування (м. Кишинів, 1990 р.);

· 3-й, 4-й, 5-й науково-технічних конференціях Української державної академії водного господарства (м. Рівне, 1997 р.,1998 р., 1999 р.);

· конференції з сучасних проблем підвищення екологічної безпеки та економічності роботи систем водопостачання і каналізації (м. Трускавець, 2000 р.);

· науково-методичному семінарі кафедри охорони праці і екології в будівництві УДУВГП (2001 р.);

· Міжнародній науково-практичній конференції “Вода, екологія, суспільство” (м. Харків, 2002 р.);

· Міжнародній науково-практичній конференції „Сучасні проблеми охорони довкілля, раціонального використання водних ресурсів та очистки природних і стічних вод” (м. Миргород, 2004 р.);

· на науково-методичному семінарі кафедр ВВіОВР і МБГ Донбаської національної академії будівництва і архітектури (м. Макіївка, 2004 р.);

· Міжнародному конгресі „ЕТЕВК - 2005” (Ялта, 2005 р.);

Публікації. За результатами досліджень опубліковано 14 праць (8 без співавторів), у тому числі 5 у фахових виданнях, отримано 2 авторських свідоцтва СРСР, патент РФ та 2 деклараційних патенти України на винаходи.

Структура дисертації. Дисертація складається з вступу, шести розділів, основних висновків, списку використаних літературних джерел із 147 найменувань і 6 додатків. Загальний обсяг роботи складає 219 сторінок, в тому числі 128 сторінок основного тексту, 20 таблиць, 76 рисунків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У першому розділі проаналізовано праці вітчизняних та зарубіжних вчених, в яких наведені результати теоретичних та експериментальних досліджень по недопущенню утворення забруднень в циркуляційних теплових мережах та практики магнітно-реагентного очищення води, висвітлюється сучасне розуміння їхньої природи і фізичної суті.

На сучасному етапі захист котлів і теплових мереж від утворення і накопичення відкладень шламу досягається в основному двома способами: а) вилученням утворювачів накипу та інших забруднень до подачі води в мережу (попередня обробка); б) створенням умов на внутрішніх поверхнях котла і мереж, при яких утворений шлам періодично або безперервно вилучається.

Водопідготовка перед подачею води у теплову мережу полягає в основному у зменшенні її твердості, для чого використовують такі методи як реагентний, фільтрування через спеціальні сорбенти, іонного обміну, що дає можливість досягнути ефект пом’якшення до 0,01 – 0,02 мг-екв./дм3 . Але через велику вартість вказаних технологій, досить часто (особливо це стосується локальних мереж малої потужності) вода взагалі не проходить ніякої обробки, що нерідко приводить до аварій обладнання. Крім цього, для захисту теплових мереж від продуктів шламоутворення в СНіП 2.04.07-86 “Тепловые сети” в деяких випадках рекомендується використовувати магнітну обробку води, антинакипний ефект якої (за даними Душкіна С.С., Лапотишкіної Н.П. і Тебеніхіна Є.Ф) може досягати 90 - 95%. Проте, як встановлено практикою експлуатації промислових магнітних установок, магнітну обробку води в багатьох випадках необхідно поєднувати з іншими способами водопідготовки. Аналізи стану води через певні періоди, а також у кінці опалювальних сезонів показують, що, незважаючи на виконану протинакипну і антикокорозійну обробку води, в ній досить часто присутня значна кількість шламових накопичень – 500 мг/дм3 і більше. В Україні проблема вилучення із теплових мереж продуктів шламоутворення здебільшого не вирішена по причині низької ефективності роботи шламовловлювачів, які найчастіше використовуються у цих випадках. Спроби використати з цією метою механічні фільтри здебільшого виявилися економічно невиправданими.

Враховуючи, що значну кількість шламових накопичень на внутрішніх поверхнях труб (до 75% від загальної кількості) складають магнетит (Fe3O4) і магемит (г-Fe2O3), які добре взаємодіють з магнітним полем, а також механічні домішки, перспективним способом захисту котлів і теплових мереж є використання магнітно-реагентної технології водопідготовки, що дає можливість одночасно вилучати із води домішки із феро-, пара- і діамагнітними властивостями, а також розчинні речовини. В нашій країні розробкою питань магнітно-реагентної очистки води і апаратів для її реалізації досить плідно займались відомі вчені О.В. Сандуляк, В.О. Терновцев, М.М. Гіроль та ін.

Реалізація магнітно-реагентного методу водопідготовки відбувається на магнітних апаратах (сепараторах, фільтрах, відстійниках), основною перевагою яких є здатність очищати великі об’єми води при власних малих габаритах з високою ефективністю процесу водоочистки і відносно невеликими експлуатаційними витратами.

Магнітні сепаратори використовуються в основному для вилучення із води грубодисперсних домішок з розміром частинок понад 100 мкм, а також, коли немає потреби в глибокому очищенні води і характеризуються значними розмірами, як правило рухомими робочими елементами, відсутністю феромагнітного фільтрувального завантаження, а ефективність їх роботи рідко перевищує 80 – 85%. Апарати такого типу впроваджені у виробництво з початку ХІХ століття і в основному використовуються для збагачення руди та очищення стічних вод у металургійній промисловості.

Значно ефективнішими є магнітні фільтри з гранульованими фільтруючими насадками, що використовуються для вилучення частинок мікронних і субмікронних розмірів, ефективність роботи яких досягає 99,5% при швидкості потоку води 100 – 1000 м/год., однак, як встановлено досвідом експлуатації, їх використання вигідне в основному при тонкій очистці води, коли вміст домішок не перевищує 2-2,5 мг/дм3, бо при очищенні середовищ з більш високим вмістом забруднень різко (на 1-2 порядки) зменшується тривалість фільтроциклу.

При використанні магнітно-реагентної технології очищення води доцільно впроваджувати магнітні апарати, які могли б поєднати переваги магнітних фільтрів (висока швидкість руху води і ефект очищення) та сепараторів (широкий діапазон концентрацій забруднень). Останнім часом для очищення висококонцентрованих стічних і природних вод використовують магнітні відстійники з ефектом очистки 90 - 99% при швидкості руху води 70 - 100 м/год. Однак, на даний час недостатньо інформації про результати їх досліджень та промислове застосування.

У другому розділі описані експериментальні установки, принцип їх роботи, наводиться методика проведення досліджень. На першому етапі досліджувався процес локалізації феромагнітних домішок в статичних умовах на експериментальній установці, схема якої показана на рис.1. До її складу входила трикутна кювета, яка після її заповнення дослідною рідиною поміщалась між двома нахиленими електромагнітами. Використання відстійника у вигляді непаралельних пластин дає змогу створити неоднорідне магнітне поле, коли його силовий фактор HgradH (H- напруженість, gradH- градієнт напруженості) зростає вздовж бісектриси кута до його вершини, забезпечуючи рух феромагнітних частинок в цьому ж напрямку. Динаміку зміни прозорості дослідної рідини контролювалась лазерним променем в точці “К” кювети, а отримана інформація фіксувалась самописним пристроєм. Модельні розчини готували шляхом введення до дистильованої води магнетиту, а при дослідженні локалізації немагнітних речовин – розчиненням у воді бентонітової глини.

Рис.1. Схема лабораторної установки для дослідження локалізації домішок у магнітному полі:

1- трансформатор; 2- випрямляч; 3– амперметр; 4- електромагніти;

5- кювета з дослідною рідиною; 6- гелій-неоновий лазер;

7- фотодіод; 8- самописний пристрій; т.K - контрольна точка.

Для забезпечення процесу коагуляції до модельного розчину вводили коагулянт Al2(SO4)318Н2О, а для створення умов взаємодії продуктів коагуляції з магнітним полем – магнетит. Раціональні дози реагентів визначали пробним коагулюванням за відомими методиками. Щоб оперативно контролювати динаміку зміни у воді концентрації забруднень, будувались графіки, на яких відображався зв’язок між оптичною густиною рідини і відповідною для неї концентрацією домішок, який періодично контролювався ваговим способом. На підставі даних, знятих з масштабно-координатної стрічки, будували графіки залежностей зміни відносної концентрації домішок у воді в часі.

Процес очистки води в динамічних умовах досліджувався на установці, схему якої показано на рис.2. До установки входив водоочисний пристрій, виготовлений у двох варіантах: перший – коли до його складу входив тільки магнітний відстійник і другий (комбінований), при потребі в подальшому доочищенні води - над магнітним відстійником розміщували фільтр ФПЗ. Магнітний відстійник складався із окремих модулів, розміщених один над одним по висоті, а самі модулі мали вигляд металевих сіток з квадратними вічками розміром 11 см . На систему модулів накладалось зовнішнє магнітне поле, силовий фактор HgradH величина якого в центральній їх частині була в межах 1,4108 - 1,6109 А2/м3. Процес регенерації магнітносприйнятливого реагенту досліджували на установці, до складу якої входив бак з модельним розчином, в якості якого використовувалась вода після промивки водоочисного пристрою (рис. 2). Модельний розчин надходив із швидкістю 100 – 200 м/год. на магнітний фільтр, з напруженістю магнітного поля всередині насадки 50 - 60 кА/м . Ефективність регенерації магнетиту визначали процентом втрат цього реагенту в процесі повного циклу відновлення і ефективністю процесу очистки при його повторному використанні. При дослідженнях процесу магнітно - реагентного очищення води вивчався вплив таких факторів як: доза коагулянту Al2(SO4 )3 , доза магнетиту Fe3O4 , температура води, pH води, силовий фактор магнітного поля HgradH, початкова концентрація забруднень Со. При математичній обробці експериментальних даних використовували метод найменших квадратів, а для оцінки отриманих емпіричних залежностей – коефіцієнт Стьюдента.

Рис. 2. Схема установки для локалізації феромагнітних домішок

у динамічних умовах:

1 - бак з модельним розчином; 2,3 - баки з розчинами коагулянту і магнетиту; 4 – змішувач; 5 – водоочисний пристрій. |

У третьому розділі викладено основні теоретичні уявлення щодо процесу локалізації феромагнітних речовин в магнітному полі. Введення в очищувану воду магнітносприйнятливого реагенту (магнетиту) і коагулянту або лугу дозволяє отримати агрегати, до складу яких входять феромагнітні частинки магнетиту і продукти коагуляції з феромагнітними властивостями. Якщо помістити очищувану воду з утвореними в ній феромагнітними агрегатами в магнітне поле, то їх гідравлічна крупність значно збільшується, причому швидкість направленого руху зростає при на-ближенні до поверхні магніту, тобто зростає з ростом магнітного силового фактора.

Основним показником ефективності очищення води вважається відносна кількість затриманих домішок:

, (1)

де і - вміст домішок у воді відповідно до і після очистки.

На графічній залежності, яка характеризує процес відстоювання води в магнітному полі (рис. 3), чітко простежуються три характерні етапи: І - зона початку зменшення концентрації феромагнітної фракції в контрольній точці “К” і визначається часом ; ІІ – зона найбільш інтенсивного осідання частинок магнетиту, коли практично досягається максимальний ефект очищення (кут нахилу до горизонталі цієї частини графіка характеризує швидкість процесу відстоювання, а термін цього етапу становить () і ІІІ - зона, характерна значним уповільненням процесу очистки внаслідок того, що на цей момент у воді наявні тільки слабомагнітні і немагнітні частинки, які осідають під дією сили гравітації і не взаємодіють з магнітним полем.

Рис. 3. Залежність ефективності освітлення води від феромагнітної фракції магнетиту в часі t .

Інтенсивність локалізації магнітних частинок можна оцінити параметром k, який визначається з виразу:

(2)

або

(3)

При вивченні процесу вилучення із води феромагнітних частинок магнетиту встановлено (табл.1), що інтенсивність осідання k і ефект очистки залежить від початкової концентрації магнетиту у воді Cм, а також від силового фактору магнітного поля H•gradH . Параметр k по своїй абсолютній величині зростає із збільшенням Cм і H•gradH, причому максимальний ефект освітлення води також зростає із збільшенням силового фактору (при HgradH = =0,881010А2/м3 =82 – 85%, а при HgradH = 2,991010А2/м3 =91 – 93%).

Таблиця 1

Результати експериментальних досліджень процесу осідання феромагнітної фракції магнетиту в магнітному полі при pH=7,5

Концен-трація ма-гнетиту,

См,

г/дм3 | Силовий фактор магніт- ного поля в т.К,

Н•gradH•1010, А2/м3 | Час до-

сягнення

ефекту ,

to, хв. | Трива-лість етапу І,

, хв. | Тривалість

осідання

частинок

магнетиту,

(to-), хв. | Ефект очистки, |

Параметр інтен-

сивності очистки,

-k, хв.-1

2,6 |

0,88

1,92

2,99 | 2,96

1,69

0,88 | 0,45

0,24

0,09 | 2,51

1,45

0,79 | 0,902

0,904

0,920 | 0,93

1,62

3,12

1,95 |

0,88

1,92

2.99 | 3,00

2,06

1,00 | 0.60

0,39

0,12 | 2,40

1,67

0,88 | 0,850

0,901

0,901 | 0,83

1,38

2,80

1,3 |

0,88

1,92

2,99 | 3,00

2,33

1,33 | 0,78

0,43

0,19 | 2,22

1,90

1,14 | 0,820

0,901

0,915 | 0,77

1,22

2,16

Розбіжність значень величин ефекту очищення в межах 82 – 93% можна пояснити тим, що до складу магнетиту крім феромагнітної фракції входять також діамагнітні та парамагнітні частинки, які дуже слабо реагують на магнітне поле. Процес їх осідання відбувається в основному під дією сили гравітації, що супроводжується значним зменшенням швидкості процесу очистки. Крім цього, мінімальні значення ефекту очищення відповідають найменшим величинам магнітного силового фактору HgradH.

При вилученні в магнітному полі діа- і парамагнітних речовин доза магнетиту не повинна бути меншою деякого критичного значення, при якому всі забруднення, що підлягають вилученню, можуть агрегатуватись з магнітними частинками. Встановлено: магнітно-реагентна обробка води з подальшою локалізацією утворених феромагнітних комплексів у магнітному полі дає можливість значно зменшити тривалість процесу очищення (в 10 і більше разів) і досягнути при цьому значно вищої ефективності у порівнянні з традиційним гравітаційним відстоюванням. Абсолютне значення ефекту при цьому досягає 96 – 98% (рис. 4). Лабораторні дослідження магнітно-реагентного очищення води показали, що інтенсивність цього процесу залежить від цілого ряду факторів та фізико-хімічних параметрів води. Функціональну залежність можна представити в такому вигляді:

, (4)

де dм – доза магнітносприйнятливого реагенту, г/дм3; dк – доза коагулянту, мг/дм3; tоC - температура води, оC; HgradH - силовий фактор магнітного поля, A2/м3; pH - водневий показник води; Cо - початкова концентрація завислих речовин, мг/дм3.

Рис. 4. Графіки зміни концентрації завислих речовин при очищенні води в магнітному відстійнику:

1 - в гравітаційному полі при дозі Al2(SO4)3 – 35 мг/дм3; 2 - те ж при дозі Al2(SO4)3 - 25 мг/дм3; 3 - у магнітному полі при дозі Al2(SO4)3 - 35 мг/дм3, магнетиту - 1,95г/дм3 і HgradH = 3,01010A2/м3;4 - те ж при дозі Al2 (SO 4)3 - 25 мг/дм3 .

Було проведено повнофакторний експеримент з вивчення впливу вказаних параметрів на процес магнітно-реагентного очищення води при Со = 83 мг/дм3 Як при реагентному гравітаційному відстоюванні, так і при магнітно-реагентному, ефективність процесу значно поліпшується за умови створення раціональних умов коагуляції. Надзвичайно важливим і домінуючим параметром є сила магнітного поля, при збільшенні якої спостерігається ріст направленої швидкості магнітних агрегатів. Крім того, при магнітно-реагентному очищенні води доза коагулянту може бути зменшена до 30% відносно її значення при традиційному гравітаційному відстоюванні.

У четвертому розділі приводяться результати магнітно-реагентного очищення води в МВСС в динамічних умовах. Для встановлення конструктивних параметрів МВСС були проведені дослідження магнітних силових характеристик модулів сотової структури. Якщо розглядати окрему соту (вічко) магнітного модуля, то HgradH зростає у міру наближення до магнітних елементів модуля, а також вздовж них, досягаючи максимальних значень у вузлових точках (місцях перетину магнітних елементів). Такі характеристики магнітного поля забезпечують рух феромагнітних частинок вузлових точок, де і відбувається їх локалізація. Дослідженнями роботи окремого вічка встановлено, що при швидкості руху води 26 м/год. ефект очистки становить 98–99,6%, а при швидкості в 170 м/год. – 88 - 96,5%, при напруженості магнітного поля в центрі вічка в межах 26 – 50 кА/м і початковій концентрації магнетиту у воді 0,12 – 4,6 г/дм3 .

Експериментальними дослідженнями процесу очистки води від магнетиту тільки на магнітному відстійнику (рис. 2) встановлено, що за невеликих величин H•gradH (1,42 – 8,5•108А2/м3) у центрі магнітних модулів ефективність очищення води в 90% і більше досягається при швидкостях потоку води від 10 до 20 м/год. (початкова концентрація магнетиту у воді становила 0,3 - 0,8 г/дм3). При збільшенні HgradH до 16,5•108А2/м3 така ж ефективність досягається при швидкості води 30 м/год. для тих же концентрацій магнетиту. Значний вплив на ефективність магнітного очищення води має загальна висота системи магнітних модулів. Так, при невеликій висоті такої системи (hм = 2 см) ефективність очистки не перевищувала 55% . Із збільшенням висоти hм ефективність очистки зростала і при досягненні певного значення (hм =50 см) становила 98%, і в подальшому майже не змінювалась при збільшенні hм.

При очищенні води від завислих речовин магнітно-реагентним способом отримано ефект не менше 90% (швидкість руху води 30 м/год.), що відповідає залишковій їх концентрації 7,4 – 18,1 мг/дм3 при початковій Со у межах 80 – 300мг/дм3. Величина HgradH у цьому випадку становила 16,5•108 А2/м3 (рис. 5).

Рис. 5. Графіки зміни ефекту Ш очистки води від завислих речовин залежно від швидкості води v при:

1 - Co = 80 мг/дм3 , 2 - Co = 300 мг/дм3 .

У цьому ж розділі наведені результати порівняльних досліджень ефективності різних способів приготування магнетиту. Встановлено, що кращі магнітоседиментаційні властивості мають магнетити, отримані хімічним і електрохімічним способами у порівнянні з механічним. З метою зменшення витрат магнітного реагенту і можливості його повторного використання в технологічному циклі очистки води проведені експерименти по регенерації магнетиту механічним способом. Його суть полягає в тому, що промивна вода із магнітного відстійника надходить в окремий бак, звідки з великою швидкістю (v = 180 - 200 м/год.) подається на магнітний фільтр. При рухові води з високою швидкістю відбувається процес руйнування феромагнітних комплексів. Це дозволяє затримувати в магнітному фільтрі тільки частинки магнетиту, які згодом можна використовувати в технологічному циклі очистки води. Перевірка очищення води при багатократному (10 і більше разів) повторному використанні магнетиту показала, що ефективність цього процесу практично не змінюється, а втрати магнітного реагенту при регенерації не перевищували 0,5–1% .

У п’ятому розділі наведені результати обробки досліджень очищення води в статичних умовах. Якщо у воді присутня тільки феромагнітна фракція магнетиту, для визначення ефекту очистки отримана така залежність:

, (5)

де См – початкова концентрація магнетиту, г/дм3, (ф і to - відповідно тривалість першого і другого етапів (рис. 3), хв., n, b, m – експериментальні коефіцієнти, які дорівнюють відповідно 0,45, 0,25, 0,55•10-10 .

Для визначення ф і to М.М. Гіроль пропонує використовувати такі залежності:

, (6) , (7)

де А і В – емпіричні константи, які для умов очистки води тільки від феромагнітної фракції магнетиту відповідно дорівнюють 2,17 і 2,60; k – параметр інтенсивності очистки води, що визначається за формулою:

, (8)

Для умов магнітно-реагентного очищення води від немагнітних і слабомагнітних речовин для визначення параметра k отримано таку залежність:

, (9)

де рН – водневий показник води, dк – доза коагулянту, мг/дм3, dм – доза магнетиту, г/дм3, t? - температура води, ?С.

Необхідно відмітити, що для розрахунку параметру інтенсивності очищення води k за формулою (9) необхідні такі умови:

·

·

·

Якщо залежність (9) підставити у вираз (3), то отримаємо формулу для визначення ефективності очищення води магнітно-реагентним способом в статичних умовах. За критерієм Стьюдента отримані рівняння для визначення ефективності очищення води у магнітному відстійнику адекватно описують експеримент.

У шостому розділі наведено дані досліджень очищення води магнітно-реагентним способом на напіввиробничій установці, до складу якої входили двоступінчатий водоочисний пристрій (магнітний відстійник і фільтр ФПЗ), вузол регенерації магнетиту і електрокоагулятор (використовувався для створення умов коагуляції і поповнення втрат магнетиту при його регенерації). При такій схемі очистки основна маса забруднень (90 – 98%) затримувалась магнітним відстійником, а подальша доочистка від немагнітних домішок відбувалась на фільтрі ФПЗ. Загальна ефективність очистки води на установці становить 97 - 99,5% при швидкості руху 5 – 30м/год., а залишкова концентрація завислих речовин в очищеній воді не перевищувала 1,5мг/дм3 (початкова концентрація домішок становила Со = 80–300 мг/дм3), (рис. 6.). Також встановлено, що тривалість міжрегенераційного періоду при очистці води при Со = 300 мг/дм3 складає 5 – 6 годин.

Рис. 6. Залежності зміни ефекту Ш очистки води в напіввиробничих умовах від завислих речовин від швидкості води v при:

1 - Co = 80 мг/дм3 ; 2 - Co = 300 мг/дм3 . | У цьому ж розділі проведені розрахунки з визначення раціональних розмірів магнітного відстійника і отримано залежність для визначення його довжини:

де xo – висота відстійника, м, x'o – висота шару осаду, м, vi – швидкість потоку води, м/год., мo – магнітна константа (мo = 4р·10-7 Гн/м), d – еквівалентний діаметр частинок магнетиту, He - напруженість магнітного поля в еквівалентному зазорі, Дe – ширина еквівалентного зазору відстійника, м; k1 – константа (k1 = =2,6·104), г - щільність “упаковки” частинок магнетиту, (мв – динамічний коефіцієнт в’язкості води, Па; б - кут між магнітними елементами відстійника.

Розрахунками на ПЕОМ встановлено, що при висоті відстійника 1…5 см його довжина, залежно від технологічних параметрів очистки, може мати значення від кількох міліметрів до одного метра.

З метою визначення умов раціонального застосування розроблених технічних рішень з урахуванням діючих нормативів та умов виробництва було проведено техніко-економічне обгрунтування для альтернативних варіантів. ТЕО виконано за такими базовими варіантами: Варіант 1. Безреагентна фільтрація на двошаровому зернистому швидкому напірному фільтрі із швидкістю 7 м/год. з використанням очищення на попередньому фільтрі із швидкістю3 м/год., де затримується основна маса забруднень. Варіант 2. Фільтрація на крупнозернистому фільтрі в реагентному режимі із швидкістю 10 м/год. При цьому забезпечуються необхідні нормативні параметри очищеної води. Варіант 3. Очищення води на комбінованій водоочисній установці з магнітним сотовим відстійником і зернистим фільтруючим завантаженням із гранульованого вспіненого полістиролу. Швидкість потоку води 30 м/год.

Результати техніко-економічних розрахунків за вказаними варіантами по вартості очистки 1 м3 води показані на рис. 7. Рівень рентабельності впровадження установки магнітно-реагентного очищення води становить 30 – 46% при терміні окупності 2,2 – 3,3 роки в залежності від її продуктивності.

Рис. 7. Графіки вартості очищення 1 м3 води для теплових мереж:

1 – варіант 1 (попередній фільтр + двошаровий фільтр),

2 – варіант 2 (крупнозернистий фільтр),

3 – варіант3 (комбінована установка з магнітним відстійником).

ВИСНОВКИ

У дисертації, що є завершеною науково-дослідною роботою, поставлена і вирішена актуальна науково-практична задача забезпечення очищення циркуляційної води систем опалення від феро- і парамагнітних домішок з використанням реагентів і магнітних відстійників сотової структури.

На основі проведених досліджень можна зробити такі висновки:

1. Доведено можливість і доцільність використання магнітних відстійників сотової структури для очистки води від феро- і парамагнітних домішок циркуляційної води теплових мереж. Результати досліджень свідчать, що використання таких установок для магнітно-реагентного очищення забезпечує ефект очищення понад 90% при швидкості руху води до 30 м/год., причому ефект зростає при збільшенні напруженості магнітного поля.

2. Розроблено методику розрахунків конструктивних і технологічних параметрів відстійників сотової структури і визначено їх раціональні розміри.

3. Отримано емпіричні залежності, що характеризують процес очищення води в статичних умовах від феро- і парамагнітних домішок. Згідно критерію Стьюдента розрахункові формули адекватно описують експеримент.

4. При очищенні води від парамагнітних домішок на комбінованій установці, яка складається із магнітного відстійника і фільтра ФПЗ-1, концентрація домішок у очищеній воді не перевищує 1,5 мг/дм3 при швидкості потоку води до 30 м/год.

5. Розроблені технологічні схеми і конструкції магнітних установок для високоефективної реалізації магнітно-реагентної технології очистки води.

6. Досліджено процес механічного способу регенерації магнітносприйнятливого реагенту-магнетиту. Використання в технологічному циклі очистки регенерованого магнетиту не супроводжується зниженням ефективності процесу очистки, а його втрати в процесі регенерації не перевищують 0,5 – 1%.

7. Дослідженнями встановлено, що при магнітно-реагентному очищенні води доза коагулянту (раціональна для традиційних технологій) може бути зменшена на 20-30% без зниження ефекту очистки.

8. Відповідно до техніко-економічної оцінки реалізація магнітно-реагентної технології очищення циркуляційної води теплових мереж дає можливість (в залежності від продуктивності установки):

·

·

·

Список опублікованих праць

Статті у фахових виданнях:

1.

2.

3.

4.

5.

Авторські свідоцтва і патенти:

1.

2.

3.

4.

5.

Інші статті, тези доповідей:

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.