На правах рукописи

Давлятерова Роксана Автандиловна

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ОЧИСТКИ ВОДЫ ОТ ТЕХНОГЕННЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ УГЛЕРОДНЫМИ ВОЛОКНИСТЫМИ СОРБЕНТАМИ

05.23.04 - Водоснабжение, канализация,

строительные системы охраны водных ресурсов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва 2007

Работа выполнена в Открытом Акционерном Обществе Ордена Трудового Красного Знамени комплексный научно-исследовательский и конструкторско-технологический институт водоснабжения, канализации, гидротехнических сооружений и инженерной гидрогеологии НИИ ВОДГЕО (ОАО НИИ ВОДГЕО)

Научный руководитель: доктор технических наук

Смирнов Александр Дмитриевич

Научный консультант: доктор химических наук, профессор

Ткаченко Сергей Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Пономарев Виктор Георгиевич

кандидат технических наук

Непаридзе Рауль Шалвович

Ведущая организация: ООО РОСЭКОСТРОЙ

Защита состоится л31 октября 2007 г. в 10-30 на заседании диссертационного совета Д 303.004.01 при ОАО НИИ ВОДГЕО по адресу: Комсомольский проспект, 42, стр.2, г. Москва, Г-48, 119048.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО НИИ ВОДГЕО, тел. (495) 245-95-53, (495) 245-95-56, факс (495) 245-96-27

Автореферат разослан л___ __________2007г.

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Проблема очистки поверхностных вод от техногенных загрязнений является одной из наиболее важных и одновременно трудно решаемых задач современности.

В последние годы техногенное воздействие на водные источники приняло глобальный характер, в т.ч. на территории России (1986 - 2005 гг.) имело место ряд чрезвычайных ситуаций, в ходе которых происходили экстраординарные загрязнения водоемов - источников водоснабжения крупных городов.

Увеличивающиеся масштабы производства, высокая вероятность аварийных, залповых загрязнений воды, повышение барьерной роли очистных сооружений и ужесточение требований к качеству воды делают необходимым поиск более эффективных способов удаления загрязнений из поверхностных вод, которые позволяют глубоко извлекать токсичные техногенные примеси и получать воду в соответствии с требованиями СанПиН. К таким технологиям относится сорбционная очистка воды, а также сорбционные методы очистки с использованием озона.

Наиболее часто встречаемыми, токсичными и одновременно трудноудаляемыми из техногенных загрязнений являются нефтепродукты и фенолы. Именно соединения этих групп чаще определяются в воде, как выходящие за нормы предельно допустимых концентраций (ПДК).

В последнее время появились новые, альтернативные гранулированным и порошкообразным активированным углям, высокоэффективные сорбенты - углеродные волокнистые материалы, которые еще не нашли широкого применения в очистке воды. Указанные материалы имеют весьма высокие показатели сорбционной активности, высокий потенциал потребительских характеристик, и поэтому представляют научный и практический интерес для изучения эффективности применения их в процессах очистки воды от техногенных загрязнений.

Целью диссертационной работы является исследование и разработка процессов очистки поверхностных вод от техногенных загрязнений с использованием новых углеродных волокнистых сорбентов (УВС) с изучением их основных характеристик и особенностей свойств.

Основные поставленные задачи:

1. Исследование и выявление особенностей сорбционных свойств и характеристик углеродных волокнистых сорбентов.

2. Изучение основных закономерностей процесса сорбционной очистки воды на углеродных волокнистых сорбентах.

3. Определение эффективности применения УВС в условиях экстраординарного загрязнения воды нефтепродуктами.

4. Исследование процессов очистки воды с применением углеродных волокнистых сорбентов в комбинации с озонированием.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

1. Определены основные сорбционные характеристики активированных (УВС-А) и карбонизированных (УВС-К) углеродных волокнистых сорбентов, как новых типов сорбентов для очистки воды. Получены константы сорбции и значения сорбционной емкости углеродных волокнистых сорбентов.

2. Выявлены основные отличия сорбционных характеристик углеродных волокнистых материалов от традиционных гранулированных активных углей (ГАУ), заключающиеся в высокой начальной скорости сорбции, что позволяет удалять из воды органические загрязнения при малом времени контакта.

3. Определены значения удельной динамической емкости углеродного волокнистого сорбента и коэффициента защитного действия слоя УВС.

4. Выявлена высокая химическая устойчивость УВС к воздействию озона в воде.

5. Получены новые данные о ходе процесса сорбции на УВС в комбинации с озонированием воды. Достигнут высокий эффект удаления фенола при реализации сорбции на УВС в комбинации с озонированием воды.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

- по результатам исследований разработаны методические рекомендации по применению углеродного волокнистого сорбента в процессах очистки воды от растворенных органических соединений;

- замена сорбционной загрузки ГАУ на углеродный волокнистый сорбент позволяет значительно уменьшить объем и массу сорбционной загрузки и, как следствие, уменьшить габариты сорбционных аппаратов при сохранении производительности и эффективности очистки воды;

- показана целесообразность замены фильтров с ГАУ на фильтры с УВС. Расчетный годовой экономический эффект от замены одного сорбционного фильтра составит около 0,7 млн. рублей.

Внедрение результатов работ. Результаты работ внедрены при создании очистных сооружений подготовки воды на Лианозовском молочном комбинате в г.аМоскве, а также использованы при подготовке:

- рекомендаций на проектирование сооружений противоаварийной защиты Южного водопровода и Северного ковшового водозабора г. Уфы;

- рекомендаций для проектирования сооружений очистки поверхностных вод на фильтрах с загрузкой УВС.

Достоверность и обоснованность полученных результатов подтверждается большим объемом и длительностью экспериментальных исследований на лабораторных и пилотных установках с реальными водами, сходимостью расчетных и экспериментальных результатов, применением стандартных методов измерения и точного измерительного оборудования.

Апробация работы. Результаты исследований и основные положения диссертационной работы доложены автором на Международных конференциях студентов и аспирантов по фундаментальным наукам Секция Химия ЛОМОНОСОВ-2004 (г.аМосква, 12-15аапреля 2004аг.), ЛОМОНОСОВ-2005 (г.аМосква, 12-15аапреля 2005аг.), на Международном конгрессе ЭТЭВК-2005 (г.Ялта, 24-27амая 2005аг.), на Первой Всероссийской Конференции Озон и другие экологически чистые окислители. Наука и технологии (г.аМосква, 7-9 июня 2005аг.), на Четвертой Международной конференции УГЛЕРОД: фундаментальные проблемы науки, материаловедение, технология (г.аМосква, 26-28 октября 2005 г), на Международной конференции молодых ученых по фундаментальным наукам ЛОМОНОСОВ-2006 (г.аМосква, 12-15аапреля 2006 г.).

Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 14-ти печатных изданиях, включая 6 статей, 8 тезисов докладов. Из них в изданиях, включенных в Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, выпускаемых в Российской Федерации, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертации на соискание ученой степени кандидата наук - 2 статьи.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, выводов, списка использованной литературы и приложений. Общий объем работы 179 страниц, включая 57 рисунков, 39 таблиц, 4 фотографии, 110 литературных ссылок и 7 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приведено обоснование актуальности темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи работы, научная новизна и практическая значимость.

Первая глава посвящена анализу современного состояния проблемы загрязнения поверхностных вод и возможности использования существующих схем очистки воды.

Показано, что к основным техногенным загрязнениям поверхностных водоемов относятся: нефтепродукты, фенолы, СПАВ, тяжелые металлы, пестициды и биогенные вещества. Распространение химических загрязнений техногенного происхождения и их специфика в источниках питьевого водоснабжения обычно коррелируют с расположенными в данных районах производственными объектами. В поверхностных водоисточниках нефтепродукты и фенолы присутствуют, в основном, в истинно растворенном состоянии в концентрациях на уровнях 1-15 ПДК.

Анализ публикаций выявил преимущества сорбционных методов удаления органических веществ различных типов. Появились новые сорбенты, углеродные волокнистые материалы, которые имеют уникальные свойства; их развитая специфическая поверхность, обеспечивает сочетание значительной сорбционной емкости с высокими кинетическими характеристиками.

Рассмотрены теоретические аспекты сорбционного извлечения органических веществ из водных растворов.

Анализ литературных данных позволил сформулировать ряд выводов:

1. Сорбция - один из наиболее эффективных методов очистки воды от растворенных органических веществ. Комплексное использование озонирования и сорбции дает дополнительный положительный эффект очистки.

2. Создан новый класс углеродных сорбентов (УВС), имеющих высокий потенциал использования в водном хозяйстве, однако, области и возможности рационального и эффективного использования этих сорбентов еще недостаточно определены.

3. Наиболее перспективным и массовым является применение методов и технических решений очистки и доочистки воды, обладающих компактностью и не требующих постоянного обслуживания.

Вторая глава посвящена изучению сорбционных свойств и характеристик углеродных волокнистых сорбентов.

Для изучения были использованы 2 разных вида углеродного волокнистого сорбента (УВС): активированное углеродное волокно (УВС-А) и карбонизированное углеродное волокно (УВС-К), их свойства сравнивали с ГАУ марки АГ-3.

Проведение рентгенофазового анализа показало, что исследуемые сорбенты в основном аморфны, имеют однотипный углеродный скелет, но различные структурные особенности: дисперсность (размер углеродных блоков), дефекты упаковки и микроискажения решётки, а также имеют графитоподобные структуры с разной степенью упорядоченности. Получено, что активированный углеродный волокнистый сорбент УВС-А имеет более упорядоченную структуру.

Поэтому определение сорбционных характеристик в основном проводили на УВС-А и ГАУ (таблица 1).

Таблица 1

Характеристики сорбентов

Полученные результаты показывают, что удельная поверхность углеродного волокна УВС-А составляет почти 90% величины поверхности ГАУ, но по сравнению с ГАУ углеродное волокно УВС-А является более микропористым: пористая структура УВС-А по объему на 90% состоит из микропор (рис.1), тогда как в ГАУ содержание микропор порядка 30% (рис.2).

Этот вывод подтвердили результаты исследований по определению сорбционной активности сорбентов по метиленовому голубому и йоду, представленные в таблице 2.

Таблица 2 Сорбционная активность

сорбентов по йоду и метиленовому голубому