Научный журнал
Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований

ISSN 1996-3955
ИФ РИНЦ = 0,686

КАВИТАЦИОННАЯ АКТИВАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ОБЕЗЖЕЛЕЗИВАНИЯ ПРИРОДНЫХ ПОДЗЕМНЫХ ВОД

Сизых М.Р. 1 Батоева А.А. 1 Асеев Д.Г. 1
1 Байкальский институт природопользования СО РАН
На основании результатов проведенного в работе экспериментального моделирования процессов окисления соединений железа в условиях низконапорной гидродинамической кавитации (НГДК), генерируемой в устройстве струйного типа, предложен эффективный комбинированный метод обезжелезивания природных подземных вод, заключающийся в кавитационной активации процессов окисления Fe (II) пероксидом водорода в микро- и нанодисперсных газожидкостных средах и являющийся альтернативой традиционно используемому методу аэрации, особенно при высоких концентрациях железа, низкой щелочности и высокой жесткости некондиционных вод. Экспериментально установлено, что при обезжелезивании природных подземных вод с применением экологически чистого окислителя – пероксида водорода интенсифицирующий эффект воздействия кавитации является следствием реализации сопряженного механизма, включающего реакции с участием пероксида водорода, растворенного кислорода, гидрокарбонатов и генерируемых in situ активных форм кислорода, как правило, гидроксильных радикалов. Результаты укрупненных испытаний по обезжелезиванию некондиционной природной подземной воды хорошо коррелируют с закономерностями, установленными на модельных растворах и имитатах в лабораторных условиях. Разработанная технологическая схема обезжелезивания может использоваться как для кондиционирования природных подземных вод, так и для очистки производственных оборотных и шахтных.
подземные природные воды
обезжелезивание
низконапорная гидродинамическая кавитация
пероксид водорода
энергоэффективность
1. Gogate P.R. Treatment of wastewater streams containing phenolic compounds using hybrid techniques based on cavitation: A review of the current status and the way forward. Ultrasonics sonochemistry. 2008. Vol. 15. P. 1–15. DOI: 10.1016/j.ultsonch.2007.04.007.
2. Асеев Д.Г., Сизых М.Р., Батоева А.А. Окислительная деструкция фенолов в комбинированных соно-фентон подобных системах при воздействии высокочастотного ультразвука // Журнал физической химии. 2017. Т. 91. № 12. С. 2044–2049.
3. Sathishkumar P., Mangalarija R.V., Anandan S. Review on the recent improvements in sonochemical and combined sonochemical oxidation processes – A powerful tool for destruction of environmental contaminants. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2016. Vol. 55. P. 426–454. DOI: 10.1016/j.rser.2015.10.139.
4. Caupin F., Herbert E. Cavitation in water: a review. C.R. Physique. 2006. Vol. 7. P. 1000–1017.
5. Kidak R., Ince N. Ultrasonic destruction of phenol and substituted phenols: a review of current research. Ultrasonics Sonochemistry. 2006. Vol. 13. P. 195–199.
6. Arrojo S., Benito Y. A theoretical study of hydrodynamic cavitation. Ultrasonics Sonochemistry. 2008. Vol. 15. P. 203–211. DOI: 10.1016/j.ultsonch.2007.03.007.
7. Альтшуль А.Д. Примеры расчетов по гидравлике. М.: Стройиздат, 1977. 255 c.
8. Сизых М.Р., Батоева А.А. Перспективы применения пероксида водорода в процессах обезжелезивания природных вод // Экология и промышленность России. 2013. № 2. С. 18–20.
9. Сизых М.Р., Батоева А.А. Перспективы использования высокочастотного ультразвука в технологиях очистки подземных вод от соединений железа // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2017. № 7. С. 64–68.
10. Gogate P.R., Bhosale G.S. Comparison of effectiveness of acoustic and hydrodynamic cavitation in combined treatment schemes for degradation of dye wastewaters. Chemical Engineering and Processing: Process Intensification. 2013. Vol. 71. P. 59–69. DOI: 10.1016/j.cep.2013.03.001.

Применение в процессах водоочистки гидродинамической и акустической кавитации в сочетании с так называемыми в англоязычной литературе «Advanses Oxidation Processes», основанными на формировании в растворе высокореакционноспособных кислородсодержащих радикалов, привлекает большой научный интерес современных исследователей [1–3].

При кавитации в водных растворах на границе кавитационных пузырьков (микрополостей) и жидкости при их схлопывании происходит рост температуры и давления. Установлено, что внутри схлопывающихся кавитационных микрополостей возникает высокое давление и температура достигает 5000 К. В условиях кавитация при разложении воды происходит образование пероксида водорода, гидрокисильных радикалов, способных вступать в окислительно-восстановительные реакции с органическими и неорганическими молекулами, присутствующими в воде [4–6].

В коллапсирующих микропузырьках, как в микрохимических реакторах, в экстремальных условиях активируются различные физико-химические процессы, и реализуется возможность для протекания окислительно-восстановительных реакций, которые не осуществимы при нормальных условиях.

В мировой научной литературе, при изучении сонохимических превращений используют генераторы акустических колебаний в широком частотном диапазоне, от 20 кГц и до 2 МГц. Наиболее изучено действие в комбинированных окислительных системах (US/Н2О2, US/О3) средне- и низкосреднечастотного ультразвука (US). При этом исследователями отмечается, что низко- и среднечастотные установки отличаются достаточно низким коэффициентом полезного действия и являются энергоемкими и это их основной недостаток.

Генераторы гидродинамической кавитации, устройства струйного и роторного типа в настоящее время достаточно широко используются во флотационных установках для очистки сточных вод, в том числе и сильнозагрязненных (нефтесодержащие стоки, стоки целлюлозно-бумажных и кожевенных производств и др.). При этом влияние основных параметров (давления, температуры, объема и состава раствора), а также типа генерирующих устройств при практической реализации процесса гидродинамической кавитации на механизмы окислительно-восстановительных реакций и скорость их протекания изучено недостаточно.

Цель исследования: экспериментальное моделирование процессов окисления соединений железа в условиях низконапорной гидродинамической кавитации (НГДК), генерируемой в устройстве струйного типа.

Материалы и методы исследования

Исследования проводились на модельных растворах сульфата железа (II), приготовленных на дистиллированной воде и имитатах, приготовленных на водопроводной воде с концентрацией железа 2–10 мг/л. Пилотные, укрупненные лабораторные испытания проводили на подземной воде п. Истомино (Республика Бурятия, Кабанский район). Глубина скважины – 38 м. Гидрохимические показатели водопроводной и подземной воды получены в аккредитованной лаборатории ФБУ «Бурятский ЦСМ» и лаборатории инженерной экологии БИП СО РАН (табл. 1). Концентрацию железа (II) в растворах до и после обработки определяли фотометрическим методом по ПНД Ф 14.1:2:3.2-95. Удельную электрическую проводимость, реакцию среды и концентрацию растворенного в воде кислорода контролировали прибором Multi 3410, снабженным электродами FDO®925, SenTix®940 и TetraCon®925 (WTW).

Таблица 1

Гидрохимический состав воды, использованной в исследованиях

Показатель

Водопроводная

Подземная

рН

7,44 ± 0,2

7,39 ± 0,2

(Mg), мг/л

9,9 ± 0,3

15,2 ± 0,3

(Cl-), мг/л

0,47 ± 0,09

6,88 ± 1,04

(SO42-), мг/л

16,72 ± 3,54

3,61 ± 0,62

Fe (II), мг/л

н/о

3,35 ± 0,37

Fe общее, мг/л

н/о

4,29 ± 0,48

(NO3-), мг/л

4,92 ± 0,73

0,43 ± 0,05

(NO2-), мг/л

<0,1

<0,1

(NH4+), мг/л

<0,05

0,96 ± 0,28

(HCO3-), мг/л

138 ± 18

271 ± 43

Жесткость, мг-экв/л

2,81 ± 0,59

4,56 ± 0,66

Удельная электрическая проводимость, мкСм/см

242 ± 9

444 ± 13

(Ca), мг/л

37,12 ± 0,86

63,8 ± 1,7

(Na), мг/л

10,43 ± 2,69

7,64 ± 1,39

Общий органический углерод, мг/л

4,7 ± 0,9

20,8 ± 5,6

Экспериментальная установка (рис. 1), использованная в данных исследованиях, состояла из центробежного многоступенчатого насоса Grundfos CRNE-15, снабженного преобразователем частоты (1), бака-усреднителя объемом 7 л (2), в котором поддерживалась термостатом (6) постоянная температура 20 °С, линию для интенсивного и быстрого перемешивания раствора (3), напорную линию, включающую генератор кавитации (4), снабженный форсункой из фторопласта (7), которая размещена в проходном штуцере с плечиками (8) и манометр (5). При работе установки рабочий раствор из бака-усреднителя насосом по подающей линии направляется в генератор, где развивается кавитация за счёт формирования области пониженного давления. Все элементы установки выполнены из материалов, стойких к агрессивным средам.

siz1a.tif siz1b.tif

а) б)

Рис. 1. Схема установки (а) и фото кавитационной камеры (б)

Результаты исследования и их обсуждение

Предварительно были проведены расчеты, конструирование, изготовление и испытание лабораторного стенда, для генерирования низконапорной гидродинамической кавитации с использованием устройства струйного типа (рис. 1).

Известно, что перед входом в форсунку жидкость приобретает наибольшее ускорение и в этой области проявляются максимальные разрывные силы, что ведёт к разрыву сплошности среды, формированию микропузырьков и реализуются высокоэнергетические процессы.

Гидродинамические характеристики, описывающие работу устройства, представлены в табл. 2. Данные показывают, что при увеличении рабочего давления в системе увеличивается производительность устройства, увеличивается скорость потока жидкости, снижается число кавитации, что является важным параметром при переходе системы из бескавитационного течения в кавитационное.

Таблица 2

Характеристики процесса гидродинамической кавитации

D, мм

ω, м2

P, атм

Q, л/мин

U, м/сек

σ

W, Вт*ч

4

12,5·10-6

0,4

5,1

6,76

4,33

82,4

1,1

7,3

9,68

2,12

127,2

2,2

11,0

14,59

0,93

204,6

3,0

13,0

17,24

0,67

305,7

4,1

14,4

19,10

0,54

416,4

5,2

16,0

21,22

0,44

475,0

Для расчёта числа кавитации использовали формулу

siz01.wmf

где Р – внешнее давление (101325 Па), ω – площадь поперечного сечения входного отверстия форсунки, Q – производительность устройства, n – скорость течения жидкости, равная siz02.wmf, Pн.п. – давление насыщенных паров (при температуре 20 °С 2338 Па), ρ – плотность воды (при 20 °С 998,2 кг/м3).

Известно, что условия для возникновения кавитации возникают лишь тогда, когда в рассматриваемом нами местном сопротивлении число кавитации достигает критического значения (предельно допустимого) sкр. Число кавитации связано прежде всего с коэффициентом местного сопротивления в бескавитационном режиме. Для местных сопротивлений, являющихся следствием изменения сечения потока, можно предложить следующую зависимость в первом приближении [7]:

siz03.wmf

где z – коэффициент местного сопротивления.

При внезапном сужении коэффициент местного сопротивления будет равен

siz04.wmf

По формуле А.Д. Альтшуля может быть найден коэффициент сжатия струи – e.

siz05.wmf

где w1 – площадь сечения в узком трубопроводе сжатой струи, w2 – площадь сечения узкой трубы. С использованием вышеприведенных формул для форсунки с диаметром входного отверстия 4 мм были рассчитаны sкр и Ркр (табл. 3).

Таблица 3

Рассчитанные значения коэффициента сжатия струи, коэффициента местного сопротивления и критического числа кавитации

d, мм

ε

ζ

σкр

Ркр, атм

4

0,613

0,397

1,657

1,4

Исходя из расчетных значений критического числа кавитации (табл. 3) и чисел кавитации в рабочем режиме (табл. 2), можно сделать вывод, что для форсунки с диаметром входящего отверстия d = 4,0 мм, Ркр ≈ 1,4 атм. Таким образом, для дальнейших исследований процессов кавитации нами была использована в качестве генератора гидродинамической кавитации форсунка с диаметром входного отверстия d = 4,0 мм, и рабочее давление, равное 2,2 атм, так как число кавитации при этих условиях минимально допустимое, при минимальных затратах энергии. Сделанные выводы экспериментально подтверждают результаты по окислению железа (II) в водопроводной воде в условиях НГДК (рис. 2).

siz2.wmf

Рис. 2. Окисления железа (II) в водопроводной воде при рабочем давлении 1,1 атм (1); 2,2 атм (2); 4,4 атм (3). Fe2+исх = 10 мг/л. Диаметр форсунки 4 мм

siz3.wmf

Рис. 3. Изменение концентрации Fe(II) в водопроводной воде в условиях НГДК. Fe2+исх = 2 мг/л, (Н2О2 )исх = 0,5 мг/л

Проведение процесса в условиях НГДК ведёт к увеличению начальной скорости окисления железа (II) практически в 8 раз, с 0,659 мкМ/мин до 5,20 мкМ/мин (рис. 3). После 10 минут обработки остаточная концентрация железа (II) снижается до установленных норм (≤ 0,3 мг/л, СанПиН 2.1.4.1074-01). Добавление пероксида водорода ещё больше ускоряет процесс окисления железа (II), начальная скорость достигает 17 мкМ/мин, а остаточная концентрация железа (II) после двухминутной обработки составила 0,05 мг/л.

Ускорение процессов окисления железа под воздействием гидродинамической кавитации, инициированной в низконапорных устройствах струйного типа, происходит как за счет дополнительного формирования in situ гидроксильных радикалов, так и за счет интенсификации массообменных процессов в формирующейся микродисперсной газожидкостной среде.

Таблица 4

Сравнительная оценка удельной энергоэффективности процессов обезжелезивания

Тип кавитации

Окислитель

Кавитационный выход, мг/МДж

НГДК, роторная [8]

Кислород воздуха

36,5

НГДК, струйная

Кислород воздуха

90,7

Пероксид водорода

480

Акустическая, высокочастотный ультразвук 1,7 МГц [9]

Кислород воздуха

12,8

Пероксид водорода

44,5

Анализ литературных данных [8, 9] и полученных нами результатов и позволил провести сравнительную оценку удельной энергоэффективности процессов обезжелезивания при кавитационном воздействии (табл. 4). Рассчитывали интегральный параметр, так называемый кавитационный выход («cavitational yield») по формуле [10]:

siz06.wmf

где Y – количество окисленного железа (II) в расчете на единицу затраченной энергии, мг/МДж;

τ – продолжительность процесса, мин;

V – объем обрабатываемого раствора, мл;

Co – начальная концентрация, мг;

Сτ – концентрация после обработки, мг;

W – потребляемая мощность, Вт.

Наиболее энергоэффективным является процесс обезжелезивания природных подземных вод {НГДК + пероксид водорода} с использованием генератора кавитации струйного типа, при этом максимальный кавитационный выход достигает 480 мг/МДж. Неоспоримым преимуществом генераторов НГДК струйного типа также является простота их масштабирования при переходе к промышленным установкам.

Результаты укрупненных испытаний (рис. 4) по обезжелезиванию природной подземной воды хорошо коррелируют с закономерностями, установленными на модельных растворах и имитатах в лабораторных условиях. Скорость окисления железа (II) при комбинированной обработке {НГДК + пероксид водорода} составила 17,4 µМ/мин.

siz4.wmf

Рис. 4. Окисление железа (II), содержащегося в природной подземной воде. [Н2О2] = 0,5 мг/л

При этом уже после двух минут обнаруживаются лишь следовые концентрации Fe2+ и очищенная вода соответствует гигиеническим нормативам (≤ 0,3 мг/л, СанПиН 2.1.4.1074-01 «Вода питьевая»).

Заключение

Таким образом, на основании результатов экспериментального моделирования предложен эффективный комбинированный метод обезжелезивания природных подземных вод, которая заключается в кавитационной активации процессов окисления железа (II) пероксидом водорода, происходящих в микро- и нанодисперсных газожидкостных средах, и разработана принципиальная технологическая схема обезжелезивания природных подземных вод (рис. 5), включающая обработку подземной воды пероксидом водорода с одновременным кавитационным воздействием и последующим фильтрованием через зернистую загрузку.

siz5.tif

Рис. 5. Блок-схема технологии обезжелезивания природных подземных вод

Разработанная технологическая схема обезжелезивания может использоваться не только для кондиционирования природных подземных вод, но и для очистки шахтных и производственных оборотных вод.


Библиографическая ссылка

Сизых М.Р., Батоева А.А., Асеев Д.Г. КАВИТАЦИОННАЯ АКТИВАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ОБЕЗЖЕЛЕЗИВАНИЯ ПРИРОДНЫХ ПОДЗЕМНЫХ ВОД // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2018. – № 12-1. – С. 9-14;
URL: http://applied-research.ru/ru/article/view?id=12512 (дата обращения: 18.07.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252