Процесс очистки подземных вод от коллоидных соединений железа и его аппаратурное оформление

Актуальность работы:

В России, пятая часть населения не имеет доступа к централизованным источникам водоснабжения и потребляет воду без предварительной очистки. Кроме того, развитие газои нефтедобывающей отрасли и создание вахтовых поселков, не имеющих централизованного водоснабжения, требуют немедленного решения проблемы по обеспечению населения качественной питьевой водой, отвечающей потребностям жизнедеятельности человека. Большинство таких объектов располагаются в Западно-Сибирском регионе, активно развивающемся в промышленном отношении. Несмотря на обилие открытых водоемов на территории Западной Сибири, единственным доступным источником питьевого водоснабжения являются поземные воды. Это связано с тем, что поверхностные воды являются экологически незащищенными от антропогенного воздействия, а заболоченность территорий способствует содержанию в поверхностных водах гуминовых веществ. Использование подземных вод ограничено повышенной концентрацией ионов железа, что характерно для Западно-Сибирского региона. Обогащение подземных вод железом происходит вследствие выщелачивания и растворения железистых минералов, запасы которых обнаружены на территории Западной Сибири. Наряду с повышенным содержанием ионов железа, подземные воды обогащены соединениями кремния и органическими веществами гумусового происхождения. Содержание указанных примесей способствует образованию коллоидной системы, обладающей повышенной устойчивостью к воздействиям, используемым в настоящее время в технологиях водоподготовки [1, 2]. При обработке вод такого состава снижается эффективность работы установок, и возникают проблемы получения качественной питьевой воды, соответствующей СанПиН 2.1.4.1074−01 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды».

Для обезжелезивания подземных вод существуют различные технологии, такие как аэрация [3], озонирование [4], обработка импульсным электрическим разрядом [5], использование специальных фильтрующих загрузок [6]. Однако, все эти методы малоэффективны для вод, содержащих примеси в коллоидном состоянии, и наибольшая степень очистки для вод такого состава достигается только при использовании ультраи нанофильтрационных мембран, что приводит к увеличению стоимости технологии водоподготовки. Для повышения эффективности очистки подземных вод, содержащих примеси в коллоидном состоянии, необходим поиск способов снижения устойчивости коллоидных растворов, которые можно реализовать в технологиях водоподготовки.

Работа выполнена по тематике федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009;2013 г. г.» (ГК № П1042 от 31.05.2010 г.), проект «Исследование коллоидно-химических свойств нанодисперсий и органозолей металлов и их сульфидов, получаемых диспергационными методами" — в рамках Гос. задания «Наука» (ГЗ 3.3734.2011 от 01.01.1012 г.), проект «Разработка научных основ физико-химических процессов водоочистки, протекающих на границе раздела фаз», при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, соглашение № 14.В37.21.1200 от 17.09.2012 г. «Исследование физико-химических свойств коллоидных растворов железа, стабилизированных соединениями кремния и органическими веществами гуминового происхождения, для решения экологических проблем в процессах водоподготовки».

Объект исследования — подземные воды, содержащие железо в коллоидном состоянии, и модельные растворы, близкие по химическому составу к природным загрязненным водам.

Предмет исследования — процесс удаления коллоидных соединений железа путем временного снижения рН с помощью диоксида углерода.

Цель работы — разработка процесса очистки подземных вод от коллоидных соединений железа путем абсорбции диоксида углерода и его аппаратурное оформление.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Установить состав примесей подземных вод, способствующих образованию коллоидных растворов железа.

2. Исследовать физико-химические свойства природных коллоидных растворов и установить факторы, влияющие на их устойчивость.

3. Рассчитать термодинамические и кинетические параметры процесса деструкции коллоидов железа с использованием абсорбции диоксида углерода на основе экспериментальных результатов.

4. Разработать методику расчета аппарата-абсорбера для осуществления процесса абсорбции диоксида углерода.

5. Разработать аппаратурно-технологическую схему очистки подземных вод от коллоидных соединений железа.

Научная новизна:

1. Установлено, что при снижении рН до значения 4,5 происходит дестабилизация кремнийорганических комплексов, образующих адсорбционный и диффузионный слои коллоидных частиц гидроксида железа (III) и предложен механизм деструкции коллоидных соединений железа, заключающийся во взаимодействии ионов водорода, образующихся при диссоциации угольной кислоты, с кислотными остатками кремниевой кислоты и молекулами гуминовых веществ.

2. Установлено устойчивое состояние коллоидной системы при мольном соотношении железо: кремний: органические вещества, равном 1:7:2, за счет стабилизации гидроксида железа (III) кремнийорганическими комплексами путем электростатических взаимодействий.

3. Установлено, что массопередача зависит от количества диоксида углерода, необходимого для деструкции коллоидных соединений железа, и определен коэффициент массопередачи в газовой фазе при абсорбции диоксида углерода водой, значение которого составило 6,25−10″ кг/м с. Практическая ценность.

Получены исходные данные для расчета абсорбера при удалении коллоидных соединений железа из воды и для проектирования аппаратов процесса очистки подземных вод от коллоидных соединений железа.

Установлено время агрегирования нанодисперсных частиц Ре (ОН)3 до размера 3000 нм при консолидированном осаждении для эффективного разделения жидкой и твердой фазы.

Для подземных вод, содержащих примеси в коллоидном состоянии, предложен новый подход при выборе технологических схем водоподготовки, основанный на электрокинетических представлениях об образовании и устойчивости коллоидных растворов железа.

Получено 2 акта об использовании результатов диссертационной работы.

Разработан способ очистки подземных вод от устойчивых форм железа (Заявка 2 011 150 372 с приоритетом от 9.12.2011 г.) На защиту выносятся:

1. Термодинамическое обоснование деструкции коллоидных соединений железа при снижении рН до значения 4,5 с помощью диоксида углерода.

2. Механизм образования коллоидных соединений железа в присутствии соединений кремния и органических веществ гумусового происхождения.

3. Конструкция аппарата абсорбера для осуществления процесса поглощения диоксида углерода коллоидным раствором и аппаратурнотехнологическая схема для удаления коллоидных соединений железа путем временного снижения рН. Апробация работы. По теме диссертации опубликована 21 работа, в том числе 3 статьи в журналах из списка ВАК.

Основные результаты по теме диссертационной работы были доложены и обсуждены на: XIV международной экологической студенческой конференции «Экология России и сопредельных территорий» (г. Новосибирск) — XLIX международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс — 2011» (г. Новосибирск) — IX, XI, XII Всероссийских научно-практических конференциях студентов и аспирантов «Химия и химическая технология в XXI веке» (г. Томск) — XX Российской молодежной научной конференции, посвященной 90-летию Уральского государственного университета им. A.M. Горького «Проблемы теоретической и экспериментальной химии» (г. Екатеринбург) — VI Всероссийской конференции молодых ученых, аспирантов и студентов с международным участием «Менделеев — 2012» (г. Санкт-Петербург) — III, V Российско-германских семинарах «КарлсТом», VII Международном форуме по стратегическим технологиям «IFOST — 2012» (г. Томск).

• Заявка № 2 011 150 372 (приоритет от 9.12.2011 г.) на патент «Способ очистки подземных вод от устойчивых форм железа».

• Заявка № 2 012 129 610 (приоритет от 12.07.2012 г.) на патент «Способ приготовления модельного коллоидного раствора».

выводы.

1. Разработанная и испытанная установка для получения питьевой воды путем обработки подземных вод диоксидом углерода позволяет понизить концентрацию железа, кремния и органических веществ в воде с 5,6 до 0,2 мг/л, с 20 до 9 мг/л и с 3,8 до 1,5 мг02/л, соответственно.

2. Разработанная аппаратурно-технологическая схема обработки воды, включающая стадию абсорбции диоксида углерода, деструкцию коллоидных соединений с образованием осадка и стадию десорбции диоксида углерода, позволяет получить питьевую воду с концентрацией примесей ниже ПДК.

3. Рассчитанный коэффициент массопередачи в газовой фазе, для абсорбции диоксида углерода раствором, содержащим коллоидные соединения железа, значение которого составило 6,25−10−6 кг/м2с, свидетельствует о небольшом количестве диоксида углерода необходимом для деструкции коллоидных соединений железа.

4. При значении рН раствора менее 6 наблюдается снижение устойчивости коллоидных соединений железа за счет действия катионов водорода на отрицательно заряженную коллоидную частицу.

5. Установленное время консолидированного осаждения гидроксида железа (III) равное 2 часа при достижении размера частиц 3000 нм, обусловлено эффективным разделением жидкой и твёрдой фазы на фильтре.

6. Механизм образования коллоидных соединений железа в водной среде заключается в последовательном протекании стадий: образования кремнийорганических комплексов (ДгвО = - 95,9 кДж/моль), окисления железа с образованием Ре (ОН)3 (ДЮО = - 88,27 кДж/моль) и их электростатического взаимодействия с образованием золя, дзета-потенциал которого составляет — 35 мВ.

7. Значение энергии активации процесса деструкции коллоидных соединений железа с помощью диоксида углерода, которое составляет 36,9 кДж/моль и указывает одновременное лимитирование деструкции коллоидов за счет диффузии и химической реакции.

8. Установленное мольное соотношение железо: кремний: органические вещества равное 1:7:2 соответствует наиболее устойчивой коллоидной системе и дает возможность прогнозирование наиболее эффективной технологии очистки воды.

9. Использование диоксида углерода для деструкции коллоидных соединений железа, стабилизированных соединениями кремния и органическими веществами, является новым и предложен впервые.