Науково-теоретичні основи комбінованих процесів очищення водних середовищ із використанням природних сорбентів

Abstract

Дисертаційна робота присвячена вирішенню науково - прикладної проблеми раціонального комбінування процесів адсорбційного очищення водних середовищ в системах з природними дисперсними сорбентами, модифікування цих сорбентів, осадження та регенерації відпрацьованих сорбентів в природоохоронних технологіях. На основі принципу комбінаторності та дотримання умов оптимізації інтегрованих процесів розроблено методологічний підхід до дослідження та створення економічно ефективних та екологічно безпечних технологій очищення стічних та поверхневих вод із використанням природних глинистих сорбентів. Досліджено адсорбційні властивості природних та модифікованих сорбентів стосовно іонів амонію, важких металів, нафтопродуктів та ідентифіковано експериментальні дані теоретичним моделям процесів адсорбції; обґрунтовано склад екологічно та економічно прийнятних природних та модифікованих сорбентів для їх використання в процесах очищення стічних та поверхневих забруднених вод. Процеси адсорбції адаптовано до відомих технологічних схем очищення стічних та поверхневих вод, забруднених нафтопродуктами, іонами амонію та іонами важких металів; досліджено технологічні аспекти очищення стоків шляхом адсорбції на природних дисперсних сорбентах. Досліджено обмінну ємність та селективність різних іонообмінних матеріалів у відношенні до іону амонію в процесах очищення стоків різного складу, вивчено вплив складу регенераційного розчину на ефективність проведення регенерації іонообмінних матеріалів. Перевірено можливість використання електропровідності стоків для спостереження за процесом насичення іонообмінних матеріалів. Проведено моделювання процесу насичення іонообмінних матеріалів іонами амонію та перевірено адекватність моделей на прикладі концентрування амонію з реальних міських стоків. Розроблено технологічні схеми очищення поверхневих і стічних вод, а також міських стоків від нафтових вуглеводнів, іонів амонію та іонів важких металів природними дисперсними сорбентами та подальшого осадження і регенерації відпрацьованих сорбентів. Доведено економічну та екологічну ефективність запропонованих технологій. Практична значимість роботи підтверджена двома патентами на корисну модель та актами впровадження у виробничий і навчальний процес.

Диссертация посвящена решению научно - практической проблемы рационального комбинирования процессов адсорбционной очистки водной среды в системах с природными дисперсными сорбентами, модифицирование таких сорбентов, осаждения и регенерации отработанных сорбентов в природосберегающих технологиях. При рассмотрении нескольких возможных вариантов стратегии реализации интегрированной технологии на основе выбранного параметра оптимизации снижение концентрации загрязняющего вещества в водном объекте до значения ГДК при самой низкой себестоимости очистки -определены основные стадии технологий и параметры, которые обеспечивают оптимальные условия их реализации. На основе принципа комбинаторности и соблюдения условий оптимизации интегрированных процессов разработан методологический подход к изучению и создание экономически эффективных и экологически безопасных технологий для очистки сточных и поверхностных вод с использованием природных глинистых сорбентов. Исследовано адсорбционные свойства природных и модифицированных сорбентов по отношению к ионам аммония, тяжелых металлов и нефтепродуктов, идентифицированы экспериментальные данные известным теоретическим моделям, обосновано состав экологически и экономически допустимых природных и модифицированных сорбентов для их использования в процессах очистки сточных и поверхностных загрязненных вод. Представлено теоретический анализ кинетики адсорбции загрязняющих веществ природными дисперсными сорбентами, определены теоретические зависимости для прогнозирования изменений концентрации ионов в растворе и в зерне сорбента, также разработано методику расчета константы равновесия ионного обмена с использованием экспериментальных данных. Процессы адсорбции адаптированы к известным технологическим схемам очистки сточных и поверхностных вод, загрязненных нефтепродуктами, ионами аммония, тяжелых металлов; исследованы технологические аспекты очищения стоков путем адсорбции на природных дисперсных сорбентах. Исследовано обменную ёмкость и селективность различных ионообменных материалов по отношению к ионам аммония процессах очистки стоков различного состава, изучено влияние состава регенерационного раствора на эффективность регенерации ионообменных материалов. Проверено возможность использования измерения электропроводности для наблюдения насыщения ионообменного материала. Проведено моделирование процесса насыщения ионообменных материалов ионами аммония и проведена проверка адекватности модели на примере концентрирования аммония из реальных городских стоков. Подтверждена эффективность использования реагентного метода для извлечения аммонийного азота с регенерата ионного обмена в виде малорастворимого ортофосфата магния - аммония, который является ценным удобрением. Как наиболее оптимальный метод отделения отработанного сорбента выбрано его осаждение под действием силы тяжести. Дозирование флокулянта позволяет ускорить процесс и увеличить степень осаждения. Определены основные параметры процесса осаждения использованного сорбента. Представлены основные варианты регенерации отработанных сорбентов. Разработано технологические схемы очищения поверхностных и сточных вод, а также городских стоков от нефтепродуктов, ионов аммония и тяжелых металлов природными дисперсными сорбентами и дальнейшего осаждения и регенерации отработанных сорбентов. Доказано экономическую и экологическую эффективность предлагаемых технологий. Практическое значение работы подтверждена двумя патентами на изобретение и актами внедрения в производственный и учебный процесс.

The thesis is dedicated to resolve the practical-scientific problem of rational combination of adsorption processes of clarification ofliquid environment in systems with natural disperse sorbents, as well as possibility of modification of this sorbents, precipitation and regeneration of utilized sorbents. The methodological approach was elaborated on the basis of combinatorics principles and compliance of the optimization conditions of integrated processes. Economically effective principles and ecologically secure technologies of water purification, by using clayey natural sorbents, were created in this thesis. We explored the adsorption properties of natural and modified sorbents regarding ammonium ions, heavy metal, organic pollutant. The experimental data was compared to theoretical models of adsorption processes. Ecologically and economically suitable structure of natural and modified sorbents was justified for their usage in sewage and surface polluted water purification. The adsorption processes were adapted to known technological schemes of sewage and polluted surface water purification, that was polluted with oil products, ammonium ions and heavy metal ions. There were measured the technologicalaspects of water purification by using adsorption on natural dispersed sorbents. The exchange capacity and the selectivity of different ion-exchange products regarding the ammonium ions in purification processes were measured; the regenerative preparation compounds’ influence on efficiency of conduction of ion-exchange products regeneration was learnt. In this thesis the possibility of usage of measuring the conductivity of water flow for enrichment of ion-exchange products by ammonium ions observation was validated. We made a pattern of enrichment process of ion-exchange products by ammonium ions and validated the correspondence of models based on example of ammonium concentration in a real city effluent. The technological schemes of drain water purification from organic carbohydrate contaminations, ammonium ions, heavy metal ions contamination were developed; as well as the following sedimentation and regeneration of sorbents. It was proven the economic and ecological efficiency of offered technologies. Practical significance of work was confirmed by two patents on utility model and certificate of implementation into production and education processes.