Экологический мониторинг при эксплуатации объектов водного транспорта с использованием методов кондуктометрии

Важнейшей задачей успешного существования человечества на Земле является сохранение локального и глобального экологического баланса.

Экологическое состояние транспортных водных путей и прилегающих акваторий — один из важнейших аспектов жизнедеятельности человека, поскольку водные ресурсы используются многоцелевым образом. Потенциальными загрязнителями акваторий являются речной и морской транспорт, предприятия, обеспечивающие функционирование водного транспорта. Кроме того, гидрои теплоэнергетика, промышленное, сельскохозяйственное производство и населенные пункты. С другой стороны, они же и являются потребителями водных ресурсов. Работа флота и портов является источником специфических загрязнений каковыми являются: загрязнения связанные с погрузочными работами в портах и при зачистке судового тоннажазагрязнения связанные с добычей нерудно-строительных материалов из русел рек и дноуглубительными работами. Кроме того береговые объекты, судостроительные и судоремонтные предприятия, административные и производственные здания портов и жилищнобытового фонда является источниками неспецифических загрязнений.

Основными видами загрязнений являются сточные воды (хозяйственно-фекальные и хозяйственно-бытовые). Кроме того, в результате эксплуатации судовых механизмов, жизнедеятельности экипажа и пассажиров образуются бытовой и производственный мусор. Нефтепродукты являются загрязнителями в случае их разлива при авариях и при сбросе нефтесодержащих вод. Скапливающиеся на судах сточные воды имеют непостоянный состав, зависящий от режима работы судна, от класса работы судна и его комфортности. Одной из задач природоохранных мероприятий является своевременное выявление нарушений экологического баланса с целью предотвращения и ликвидации источников загрязнениях [94].

Ключевую роль в водном балансе играют водные транспортные пути.

Для создания на водном транспорте единой государственной службы контроля качества вод необходимо большое количество недорогих и надежных приборов.

Основным фактором, определяющим экологическое состояние акваторий, является наличие примесей таких как: растворенные соли и органические соединения, взвесей и эмульсий, кроме того, опасными загрязнениями могут быть разливы несмешивающихся с водой жидкостей и плохо растворимых твердых сбросов.

От общего количества растворенных солей, а так же газов (кислорода) сильно зависит коррозионная стойкость судов и портовых сооружений, шлюзов, плотин, мостов и навигационных знаков, что определяет межремонтные сроки службы, поэтому мониторинг солесодержания дает дополнительную информацию. Знания, о которых позволяет корректировать сроки обслуживания судов и портовых сооружений, шлюзов, плотин, мостов и навигационных знаков.

В норме пресная вода содержит, в основном, соли щелочных и щелочноземельных металлов и растворенные газы (воздух). Остальные примеси содержатся в незначительных количествах, хотя эти примеси могут играть важную роль в жизнедеятельности растений и животных [94].

Содержание растворенного вещества в воде является важнейшим параметром большинства технологических процессов в промышленности, водоснабжении и систем водоочистки. Большое значение имеет этот параметр и для мониторинга экологического состояния водных ресурсов в водоемах и в водосодержащих породах.

Для измерения солесодержания в акваториях, системах водоснабжения и водоочистных сооружениях необходим простой погружаемый прибор, способный длительное время сохранять работоспособность в условиях минеральных и биологических отложений и повышенной коррозионной активности среды.

Задача измерения проводимости жидкости только на первый взгляд кажется простой. На самом деле, процессы, происходящие в электролитах при протекании тока, сложны и недостаточно изучены. По современным представлениям, носителями электрического тока в электролитах являются только ионы. Перенос заряда электронами в электролитах не обнаружен и, по-видимому, такой перенос в электролитах невозможен из-за высокой вероятности захвата электрона положительными ионами и электрически нейтральными молекулами.

Подвижность ионов в электролите невелика, что вызвано не только высокими потерями иона при движении в жидкости, но и образованием вокруг иона атмосферы молекул растворителя (сольватокомплекс) [63, 96]. Количество молекул участвующих в сольватокомплексе сильно варьируется в зависимости от типа иона, его заряда и температуры электролита. Благодаря этому явлению подвижность большинства ионов почти одинакова. Исключение составляют ион гидроксила ОН и, особенно, положительный ион водорода Н+ (протон). В нейтральных растворах концентрация этих ионов мала, но при изменении водородного показателя в ту или другую сторону относительная доля проводимости ионов ОН и особенно Н+ растет. Доля протонной проводимости растет также и при измерении проводимости чистой воды для охлаждения судовых двигателей и особенно «ультрачистой» воды, питающей пароводяной контур тепловых и атомных станций, а также судов с атомными энергетическими установками. Эти факторы необходимо учитывать при оценке солесодержания по проводимости воды, питающей не только пароводяной контур, но и контур водо-водяного ядерного реактора. В этих случаях необходимо учитывать дополнительную проводимость протонов при оценке солесодержания по проводимости, так как в этом случае превышение концентрации примесей в воде приводит к вероятности радиоактивного загрязнения не только акваторий, но и атмосферы.

В основном выпускаются лабораторные двухэлектродные кондуктометры не пригодные для эксплуатации на речном транспорте и очистных предприятиях. Обилие двухэлектродных кондуктометров с неподтвержденными метрологическими характеристиками ставит в тупик потребителя. Что ожидать от приборов подобного типа? Какова их эксплутационная надежность и достоверность показаний? Какой тип прибора, и в каком случае выбрать? Важно не только ответить на эти вопросы, но и дать рекомендации разработчику средств измерения проводимости жидких сред по устранению основных недостатков приборов.

Еще более важно учитывать эти факторы при разработке новых средств изменения проводимости жидкости. Особенно важна эта информация при проектировании приборов предназначенных для длительной автономной работы при экологическом мониторинге акваторий, а также при контроле технологических процессов в промышленности, транспорте и коммунальном хозяйстве.

Актуальность темы

В связи с глобализацией водных транспортных путей, в частности с объединением европейских водных путей в единую транспортную сеть, резко возрастают требования к экологической безопасности транспортных средств — судов. Выполнение этих требований обеспечиваются средствами контроля состава водной среды судоходных речных путей сообщения и сточных вод. Особенно жесткие требования предъявляются к пресным бассейнам. Использование запасов пресной воды растет, но водные запасы ограничены и во многих регионах ощущается острая, а подчас и катастрофическая нехватка пресной воды.

Цель и содержание поставленных задач Настоящая работа посвящена исследованию средств мониторинга загрязнения водной среды, вызванным речным транспортом, портовыми сооружениями, судоремонтными предприятиями и другими объектами обеспечивающих работу и жизнедеятельность речного транспорта. Цель работы — создание эффективных методов мониторинга с помощью недорогих и надежных в эксплуатации приборов и выявления источников загрязнения на транспортных водных путях. Создание для этих целей кондуктометров с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками, в том числе образцового прибора, разработка макетного образца кондуктометра для непрерывного мониторинга состава воды и водных растворов в акваториях, систем водоснабжения и промышленности.

Объектом и предметом исследования являются методы и средства измерения проводимости жидкости для экологического непрерывного контроля водных транспортных путей и оптимизация параметров бортовых и береговых и буксируемых кондуктометров.

Избранные методы исследования. Решение поставленных задач проведено с использованием теоретических и экспериментальных методов исследования физических и электрохимических процессов в электролитах, электродах, погруженных в электролиты, методов анализа сигналов и их оптимизация, а также методов, использующих уравнения математической физики для решений квазистационарных граничных задач электродинамики проводящих сред.

Научная новизна и теоретическая значимость результатов полученных в диссертации: предложено с целью обеспечения глобального мониторинга водных транспортных путей, водоводов и сточных вод повсеместно использовать непрерывный анализ общего солесодержания для первичной оценки экологического состояния водной среды и выявления источников загрязнения. В качестве первичного звена контроля предложено использовать кондуктометры в береговом, бортовом и буксируемом исполнениис целью изучения поведения электродов кондуктометра предложен метод экспериментального исследования динамических характеристик потенциалов электродов, заключающийся в измерении потенциала двойного электрического слоя поверхности электрода в момент «токовой паузы" — результатом исследования с помощью этого метода выявлена непригодность двухэлектродных кондуктометров для непрерывного мониторинга судоходных бассейнов и технологических процессов очистки сточных вод, включая судовые установки. на основе экспериментов получены оценки погрешности двухэлектродных методов измерений проводимости водной средыпредложена классификация кондуктометрических ячеек, введен размерный параметр качества двухэлектродной кондуктометрической ячейки для оценки влияния геометрических факторов на погрешность таких ячеек, вызванную падением напряжения в приэлектродных областяхисследование методов измерения проводимости позволило выявить методы пригодные для мониторинга акваторий в течение длительного временипредложен и опробован метод с использованием безэлектродной стержневой кондуктометрической ячейки для измерения проводимости жидкости, оптимизированы сигналы и их обработкадля использования в качестве забортного устройства для снятия карт экологического состояния среды водных транспортных путей с помощью специальных судов, обеспечивающих экологический контроль и очистку водных транспортных бассейновпредложена четырехэлектродная кондуктометрическая ячейка для непрерывного определения солесодержания в широком диапазоне измерения концентрации солей на транспортных водных путяхметод опробован в условиях водных транспортных путей. Практическая ценность полученных результатов. Для систематического контроля качества воды требуются огромные затраты, поэтому предложены средства оценки качества пресной воды судоходных бассейнов с помощью недорогих и простых в эксплуатации кондуктометров. Показано, что локальный и глобальный мониторинг экологического состояния пресноводных бассейнов должен включать в себя, как элемент первичного анализа состава среды, систему измерения солесодержанияпредложено использовать суда и, в перспективе, флотилии экологического контроля с бортовыми средствами первичного контроля на основе измерителей общей солевой концентрациипредложено в целях развития систем экологического мониторинга пресноводных бассейнов и отдельных акваториях использовать кондуктометрический метод оценки солесодержания как основы выявления и локализации изменения химического составав качестве необходимого элемента экологического мониторинга предлагается использовать постоянный кондуктометрический контроль на судах и объектах, осуществляющих сброс в водоемы, и объектах повышенной опасности, а также в непосредственной близости от этих объектоввыявлены принципиальные ограничения на двухэлектродный метод измерения проводимости водных растворовпоказано, что наиболее пригодны для удаленного контроля состава воды и растворов в бассейнах и промышленности являются бесконтактный (индукционный) и четырехэлектродный метод измерения проводимости жидких сред, причем последний превосходит остальные методы по точностиразработаны принципы проектирования четырехэлектродных кондуктометрических ячеек с возможностью ее расчетной калибровкипредложен принцип проектирования бесконтактной кондуктометрической ячейки с дифференциальным трансформатором и асимметричной оболочкой.

Обоснованность и достоверность полученных результатов обеспечиваются на первом этапе использованием аналитических решений уравнений математической физики, уравнений электродинамики. Отсутствие достоверных сведений о динамических процессах контакта электрод-электролит восполнялось экспериментом в широком диапазоне концентрации электролита на втором этапе. В свою очередь, достоверность экспериментов подтверждалось контрольным экспериментом. Опытные образцы кондуктометров многократно испытывались в условиях приближенных к промышленным с участием сторонних организаций: НПП «Сигнур», ОАО «СоюзЦМА» («Союзцветметавтоматика»).

Реализация результатов исследований. Результаты НИР «Исследование методов и разработка прибора для экологического мониторинга жидких сред с помощью измерения электропроводимости» были использованы в разработках кондуктометров ОАО «СоюзЦМА».

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и получили одобрение на У11 Международной научно-практической конференции «Биосфера и человек: проблемы взаимодействия», 2003 г., на Всероссийской научно-технической конференции «Современные методы и средства обработки пространственно-временных сигналов», 2003 г., научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов Московской государственной академии водного транспорта в 2003;2005 гг., а также на научных семинарах кафедры «Физики и химии» МГАВТ (2003;2005 гг.). Работа в целом апробирована на расширенном заседании кафедры «Физики и химии» с привлечением специалистов других кафедр академии и внешних организаций (04.2005г.) и кафедре «Эксплуатации флота и АСУ на водном транспорте» (05.2005г.).

Заключение

.

Исследована возможность применения для мониторинга экологического состояния транспортных водных путей в качестве первого звена контроля измерение общего солесодержания речной воды. Что позволяет ужесточить контроль за сточными, природными и питьевыми водами. А также за работой очистных сооружений.

Установлена важность контроля солесодержания в природных пресных бассейнах, каналах, водоводах, водопроводах и очистных сооружениях. Произведен критический обзор средств и методов солесодержания растворов. В качестве недорогого и надежного прибора выбран кондуктометр, позволяющий по проводимости среды судить о солесодержании в пресной и морской воде.

Для исследования основных электрохимических процессов в кондуктометрах была разработана методика исследования и создания нестандартного оборудования для определения параметров процессов зарядов и разрядов двойного электрического слоя. Это позволило положить начало новой серии исследований физико-химических приэлектродных процессов при перезарядке двойного электрического слоя. Уже первые полученные результаты позволили по-другому взглянуть на значение процессов заряда-разряда двойного электрического слоя, значение которых в прикладных задачах электрохимии ранее было недооценено. Показано, что в задачах кондуктометрии эти процессы могут значительно исказить результаты измерения проводимости электролитов.

Исследование связи геометрических параметров и погрешности, вызванной падением напряжения в приэлектродном слое электродов кондуктометра, позволило выделить параметр, величина которого пропорциональна этой погрешности — обратное расстояние между электродами.

Проведено исследование эксплуатационных и метрологических характеристик средств мониторинга состава жидких сред по величине их удельной проводимости и выдача рекомендаций по созданию кондуктометров с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками, в том числе образцового прибора.

Из множества методов кондуктометрического анализа был выбран бесконтактный метод измерения проводимости. Испытаны макетные образцы кондуктометров и продемонстрирована работоспособность кондуктометрической бесконтактной ячейки. Вторым из выбранных перспективных методов измерения является четырехэлектродный контактный метод измерения проводимости.

Разработаны макетные образцы кондуктометров для непрерывного мониторинга состава воды и водных растворов в водных бассейнах, систем водоснабжения и промышленности. Разработана четырехэлектродная кондуктометрическая ячейка и методика, позволяющая конструировать электронный преобразователь проводимости в выходной ток. Устройство было испытано и показало хорошие результаты измерения проводимости водных растворов в широком диапазоне проводимости.

Сравнение расчетного значения постоянной кондуктометрической ячейки со значением, полученным в результате ее испытаний, позволяет сделать вывод о том, что выбранная методика разработки кондуктометра позволяет создавать приборы, не требующие калибровки стандартными растворами.

Предложено использовать средства непрерывного контроля общего солесодержания как в стационарных точках контроля на всем протяжении транспортных водных путей, так и на судах, в первую очередь на судах экологического контроля и экологической безопасности, а так же на судах, обеспечивающих очистку акваторий и транспортных водных путей.

Оценка эксплуатационно-экономической эффективности внедрения кондуктометров показала высокий прирост прибыли.

Таким образом, созданы предпосылки создания ряда средств измерения для массового контроля экологического состояния водных путей и прилегающих водоемов.