ИЗУЧЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ОКИСЛЕНИЯ РАСТВОРЕННОГО В ПРИРОДНЫХ ВОДАХ ЖЕЛЕЗА, МЕТОДОМ ПРИНУДИТЕЛЬНОЙ АЭРАЦИИ С ПРИМЕНЕНИЕМ КЕРАМИЧЕСКИХ МЕЛКОПОРИСТЫХ ТРУБЧАТЫХ МЕМБРАН

Железо является важным элементом в организме человека и животных, но при этом порог токсичности железа для человека составляет 200 мг/сутки, а летальная доза: 7-35 г [1, с. 16].

Проблема наличия в подземной воде растворенного железа в последнее время обостряется. Всё это подтверждает важность дальнейшего развития и большего применения технологий удаления железа из подземных вод в нашей стране.

Ключевой стадией в процессе очистки воды от соединений железа является стадия перевода растворимых соединений железа в нерастворимые. Наиболее перспективным и, одновременно, экологически безопасным направлением в окислении растворенного железа является окисление его кислородом воздуха. В связи с этим было принято решение применить керамические мелкопористые трубчатые мембраны для диспергирования воздуха в жидкость с целью организации процесса окисления растворенных соединений до их нерастворимых форм.

Для изучения физико-химических особенностей процесса барботажа была изготовлена лабораторная установка (рис. 1), на которой были проведены исследования различных режимов барботажа для различных типов керамических мелкопористых трубчатых мембран. Данные мембраны обладали следующими параметрами:

• d: Æ8мм, нанесен 1 слой Al₂O₃;
• d: Æ8мм, нанесено 2 слоя Al₂O₃;
• d: Æ8мм, нанесено 3 слоя Al₂O₃;
• d: Æ10мм, подложка (нет нанесенных слоев)
• d: Æ10мм, нанесен 1 слой Al₂O₃;
• d: Æ10мм, нанесено 2 слоя Al₂O₃,

Рисунок 1. Экспериментальная установка по изучению аэрирования

1 – емкость с исходной водой; 2 – аэрационная ячейка; 3 – манометры;

4 – насос;  5 – компрессор; 6 – ротаметр; 7 – анализатор кислорода;

8 – отверстие для монтажа аэратора.

Более детально сама аэрационная ячейка представлена на рисунке 2.

Рисунок 2. Схема аэрационной ячейки

1 — аэрационная зона, 2 — аэрирующий элемент,  3 — керамическая трубчатая мембрана, l – рабочая длина

В ходе лабораторных экспериментов для каждого вида мембран при различном давлении в аэрационной ячейке и давлении подачи воздуха в аэрационную ячейку была определена концентрация кислорода в воде на выходе из аэрационной ячейки (мг/л). Объединенные данные представлены на рисунке 3.

Рисунок 3. Зависимость концентрации растворенного кислорода от давления в ячейке при постоянном перепаде давлений, ∆Р=1 атм

Как видно из графика, для всех типов керамических мембран наблюдается увеличение концентрации кислорода в воде при повышении давления внутри аэрационной ячейки. Из этого можно сделать вывод о том, что зависимость концентрации кислорода от избыточного давления внутри  аэрационной ячейки (при постоянном перепаде давления) линейна.

В ходе экспериментов установлено, что самый большой угол наклона графика к оси абсцисс наблюдается для наибольшего перепада давления, порядка 4 атм. Это объясняется тем, что коэффициент массопередачи увеличивается с увеличением межфазной поверхности и турбулизацией потока. Здесь раскрывается одно из основных преимуществ керамических мембранных аэраторов, а именно то, что при увеличении расхода газа размер пузырьков на выходе из диспергатора не изменяется, в отличие от полимерных аэраторов. Поток турбулизируется за счёт быстрого истечения газа, но при этом межфазная поверхность остаётся высокой. Следует отметить, что при большем расходе воздуха начинает работать большее количество пор, так как включаются в работу поры меньшего размера.

По результатам экспериментов для каждого смоделированного случая достигалось насыщение воды кислородом.

Изначально предполагалось, что скорость процесса формирования частиц гидроксида железа определяется только концентрацией кислорода, однако было установлено, что в тех случаях, когда концентрация кислорода близка к насыщению, скорость окисления непостоянна и растет.

Из чего было сделано предположение, что окисление Fe(II) в Fe(III) происходит не только в объеме, но и на границе раздела газообразной и жидкой фазы.

Поскольку величина поверхности контакта жидкости с воздухом зависит от размера пузырьков, то дальнейшее исследование было направлено на поиск оптимальной порозности мембраны (количества нанесенных слоев) от которого зависит размер пузырьков.

Для адекватного моделирования процесса окисления необходимо задать расход воздуха. Оптимальный расход воздуха определяли экспериментально. Так как в промышленных масштабах наиболее распространены керамические мелкопористые мембраны с двумя нанесенными слоями, то для определения оптимального расхода воздуха был проведен эксперимент на двухслойной мембране и получены следующие зависимости.

По экспоненциальным зависимостям, представленным на графике на рисунке 4 видно, что наиболее целесообразным расходом является 0,27 л_возд./л_воды. Действительно, при дальнейшем увеличении расхода воздуха увеличиваются энергозатраты, а существенного снижения концентрации железа в очищенной воде не наблюдается.

Рисунок 4. График зависимости концентрации растворенного железа от удельного расхода подаваемого воздуха, при постоянной скорости фильтрации 27 л/мин

Далее эксперименты проводились при выбранном выше оптимальном расходе и различной порозности (количество нанесенных слоев) мембраны, которая определяет размер пузырька.

Рисунок 5. Зависимость рабочего давления от числа нанесенных на мембрану слоев, при постоянном расходе воздуха 0,27 л_возд /л_воды

 

Рисунок 6. Зависимость концентрации железа в фильтрате от числа нанесенных слоев, при производительности 0,27 л_возд /л_воды

Как видно из представленных графиков, с увеличением числа слоев размер пузырьков уменьшается. Однако оптимальным числом является 2, т.к. при нанесении 3-х и более слоев расход воздуха уменьшается, а для того чтобы достичь того же расхода воздуха через 3 и 4 слоя, необходимо большее давление, а концентрация железа в фильтрате уменьшается незначительно.

Таким образом, было экспериментально определено, что для процесса окисления железа путем барботированием воздуха через керамические мелкопористые трубчатые мембраны, трёх- и четырехслойные мембраны обладают слишком большим гидравлическим сопротивлением и их применение для осуществления барботажа нецелесообразно.

Ключевым фактором, однозначно влияющим на скорость окисления железа, является поверхность границы раздела фаз вода-воздух. Сама же площадь поверхности контакта фаз зависит от трех факторов:

1. Объемный расход воздуха, G л_{воздуха}/м³_воды;
2. Числа нанесенных слоев (порозности мембранной трубки для барботажа);
3. Скоростного режима процесса (скорости образования и всплытия пузырька).

Определение размеров и скорости всплытия проводилось для пузырьков сферической формы.

Для определения размеров пузырьков применяли фотографический метод, в котором с помощью оптического микроскопа МБС-10, оснащенного фотоприставкой МФУ (ОАО Лыткаринский завод оптического стекла”, Московская область, Россия) были получены фотографии пузырьков диспергированного в воде воздуха.

Полученные при помощи оптического микроскопа фотографии обрабатывались и анализировались при помощи программного обеспечения “ImageScope Color”.

Данное программное обеспечение на основании анализа полученных данных с фотографий с учетом их масштаба отображало результат в виде графика по процентному распределению  диспергированных в воде пузырьков воздуха в зависимости от их размера. На основании полученной гистограммы делали вывод о среднем размере полученных диспергированных пузырьков воздуха в воде.

Скорость всплытия диспергированных пузырьков воздуха в воде определяли двумя следующими методами:

1. При помощи оптического микроскопа МБС-10, оснащенного фотоприставкой МФУ делали видеозапись всплытия диспергированных в воде пузырьков воздуха, расположенных в фокусе, на фоне микрометрической шкалы. Анализируя время и пройденное расстояние отдельными пузырьками, определяли среднюю скорость всплытия диспергированных в воде пузырьков воздуха.
2. Измеряли время, за которое полностью рассеивается “туман” из диспергированных пузырьков воздуха в ёмкости с водой. Зная высоту этой емкости, рассчитывали скорость всплытия пузырьков воздуха.

Зависимость удельной площади поверхности контакта фаз вода-воздух от давления подачи газа (при постоянном давлении внутри ячейки) также имеет экспоненциальный характер и возрастает при увеличении давления (расхода газа). Это явление тоже объясняется структурой керамической мембраны, а именно тем, что поры имеют постоянный размер, не зависящий от расхода газа в районе 0,05-0,1 мкм. Такой размер пор позволяет получать на поверхности трубки пузырьки размером от 350 мкм.

В результате были получены зависимости изменения концентрации растворенного железа от поверхности контакта фаз вода-воздух (рис. 7).

Рисунок 7. График зависимости изменения концентрации растворенного железа от поверхности контакта фаз

В результате проведенных исследований были определены оптимальные технологические параметры процессов окисления соединений железа.

С учетом ранее полученных экспериментальных данных по работам с керамическими мелкопористыми трубчатыми мембранами было выдвинуто предположение о том, что одни и те же керамические мелкопористые трубчатые мембраны могут быть использованы как для процесса окисления  железа, так и для последующей фильтрации его образовавшихся нерастворимых форм.

Выводы:

1. Изучены закономерности и определены оптимальные параметры процесса аэрации железосодержащих водных растворов.
2. Установлены зависимости поверхности контакта фаз вода-воздух от параметров проведения процесса барботирования воздуха, таких как время обработки и расход воздуха на единицу объема обрабатываемой жидкости.
3. Исследована зависимость скорости окисления ионов Fe²⁺ в воде от величины удельной поверхности контакта фаз вода-воздух.

 

Список литературы:

1. Николадзе Г.И. Технология очистки природных вод. — М.:  Высшая школа, 1987. — 480 с.
2. Драгинский В.Л. Очистка подземных вод от соединений железа, марганца и органических загрязнений // Водоснабжение и сантехника. 1997. № 12. 16 с.
3. Крушенко Г.Г., Сабирова Д. Р., Петров С. А., Талдыкин Ю. А. Проблема воды // Вода и экология. Проблемы и решения. 2000. № 3. 28 с.
4. Терпугов Г.В., Мынин В.Н., Комягин Е.А., Аверина Ю.М., Скопин А.Л., Кабанов О.В. Бытовые водоочистные устройства, учебное пособие, РХТУ им. Д.И. Менделеева, М., 2008, 60с
5. Водоподготовка (www.aqua-therm.ru) под редакцией доктора технических наук, действительного члена Академии промышленной экологии С.Е. Беликова, Москва, 2007, Библиотека Акватерм.[schema type=»book» name=»ИЗУЧЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ОКИСЛЕНИЯ РАСТВОРЕННОГО В ПРИРОДНЫХ ВОДАХ ЖЕЛЕЗА, МЕТОДОМ ПРИНУДИТЕЛЬНОЙ АЭРАЦИИ С ПРИМЕНЕНИЕМ КЕРАМИЧЕСКИХ МЕЛКОПОРИСТЫХ ТРУБЧАТЫХ МЕМБРАН» description=»Установлено влияние различных факторов, таких как время обработки и расход воздуха на единицу объема обрабатываемой жидкости, при различных размерах пузырьков барботируемого воздуха, а следственно, и площади контакта фаз. Так же показано влияние количества нанесенных на керамическую мембрану слоев на концентрацию кислорода и размер пузырьков барботируемого воздуха. » author=»Меньшиков Владимир Викторович, Курбатов Андрей Юрьевич, Аверина Юлия Михайловна» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-03-04″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_27.06.2015_06(15)» ebook=»yes» ]