Дисертації (ЕТРП)
Постійне посилання зібрання
Переглянути
Перегляд Дисертації (ЕТРП) за Автор "Гордієнко, Катерина Юріївна"
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Результатів на сторінці
Налаштування сортування
Документ Відкритий доступ Зниження негативного впливу на водні об’єкти систем пом’якшення води(КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2025) Гордієнко, Катерина Юріївна; Радовенчик, Ярослав ВячеславовичГордієнко К. Ю. Зниження негативного впливу на водні об’єкти систем пом’якшення води. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 101 «Екологія». – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2025. Дисертаційна робота присвячена вирішенню проблем забруднення гідросфери відходами систем пом’якшення води. Сьогодні досліджено достатню кількість технологічних процесів, здатних задовільнити вимоги пом’якшення води в самих різних умовах. В переважній більшості вони орієнтовані на використання в умовах промислового виробництва, де відходи локалізуються в одному місці і можливо просто налагодити їх утилізацію. До останнього часу пом’якшенню води в системах малої та середньої продуктивності приділялося досить мало уваги, а знешкодження відходів технологій пом’якшення взагалі пройшли повз увагу фахівців. В той же час, основним процесом пом’якшення води в побутових та офісних умовах залишається іонний обмін, котрий на сьогодні добре відпрацьований, автоматизований та комп’ютеризований і відповідне обладнання може тривалий час без кваліфікованого обслуговування забезпечувати споживачів помякшеною водою. Не акцентуючи увагу на деяких недоліках іонного обіну, важко пройти повз ситуацію із утворенням регенераційних розчинів та їх знешкодженням. Проблема полягає в тому, що для регенерації катіоніту в системах пом’якшення води застосовують 10%-ві чи 24%-ві розчини хлориду натрію. Після використання в цих розчинах частина іонів натрію замінюється на іони кальцію та магнію і ця суміш скидається в каналізаційні системи чи природні водойми. Таким чином формується антропогенний кругообіг хлориду натрію, котрий спричиняє підвищення мінералізації природних вод та значне зниження їх якості. На сьогодні кількість таких установок досить незначна, тому проблема просто замовчується. Однак, із збільшенням загальної мінералізації використання систем зворотного осмосу суттєво зросте і зросте, відповідно, кількість систем іонообмінногопом’якшення води, як попереднього етапу підготовки її перед обробкою. Таким чином, формується замкнуте коло, вихід з якого вже давно потрібно шукати фахівцям відповідної галузі. Метою даного дослідження є вибір та модифікація економічної та екологічно безпечної технології і реагентів пом’якшення води для системи малої та середньої продуктивності з метою зниження негативного впливу на водні об’єкти. Основним завданням є дослідження і створення ефективних технологій пом’якшення води, що забезпечують збалансований підхід до забезпечення якості води, раціональне використання водних ресурсів та мінімізацію утворення відходів, що негативно впливають на водні ресурси. Для вирішення поставленого завдання нами вибрано реагентний метод пом’якшення води з виконанням умов використання його в побуті та офісах. Зважаючи на конкретні вимоги до технології пом’якшення, нами запропоновано модифікувати деякі відомі реагенти, застосовувати для розділення фаз фільтрування та додатково обробляти воду флокулянтами. В результаті припиняється скид в довкілля значних об’ємів регенераційних розчинів, мінімізація утворення відходів у вигляді твердої фази, придатної до використання в якості мінеральних добрив, припиняється використання води на власні потреби технології. У першому розділі описано сучасні методи пом’якшення води з використанням реагентних, іонообмінних, фізичних та електрохімічних технологій. Зазначено, що реагентні технології відносяться до найбільш простих та поширених технологій. Вони реалізуються з використанням простого обладнання, але потребують кількох етапів обробки води, включаючи відстоювання та фільтрування. Значна кількість досліджених на сьогодні реагентів дозволяє обробляти воду в широкому діапазоні жорсткостей та хімічного складу. В той же час, в промисловому масштабі ця технологія потребує високооб’ємних споруд, тривалого відстоювання води та утилізації утвореної твердої фази. Іонообмінні технології сьогодні досить часто застосовуються як в промислових так і в побутових умовах. Ці технології відрізняються компактністю обладнання, добрепіддаються автоматизації, забезпечують високу ефективність видалення іонів жорсткості з обробленої води. Разом з тим, регулярний скид в довкілля регенераційних розчинів високої концентрації робить цю технологію екологічно небезпечною. Крім цього, на територіях із значним вмістом іонів заліза спостерігається отруєння ними катіонітів з відповідним зниженням обмінної ємкості. Фізичні технології орієнтовані на стабілізацію води по накипоутворенню і не супроводжуються видаленням іонів жорсткості. Тому вони можуть бути застосовані в лініях підготовки води для побутової техніки (пральні та посудомийні машини) і не забезпечують вимог чинних документів до питних вод. Електрохімічні методи досліджені на сьогодні ще недостатньо, відсутні дані про їх впровадження в промислових масштабах чи побуті, тому використання їх в якості етапу пом’якшення води неможливе. У другому розділі дисертаційної роботи представлені відомості про об’єкти та методи досліджень, матеріали та реагенти, що використовувалися в процесі експериментів, методики проведення досліджень та методи математичної обробки експериментальних результатів. У розділі також приведені посилання на сучасні відомі методи аналізу різноманітних параметрів рідких розчинів, зазначені традиційні засоби вимірювання, які використовувалися в роботі. В дослідженнях використовували модельні розчини, що імітували природні поверхневі та підземні води та води централізованих систем водопостачання. Методи статистичної та математичної обробки експериментальних даних застосовували для підтвердження достовірності отриманих результатів. У третьому розділі роботи проведено аналіз стану природних вод на території України. Зазначено зниження якості поверхневих та підземних вод в результаті кліматичних та антропогенних процесів, відмічено підвищення жорсткості природних вод як в поверхневих водоймах та артезіанських горизонтах. Проведено аналіз сучасних технологій пом’якшення води системами малої та середньої продуктивності, зазначено основні особливості кожної з них. Розглянуто будову типової системи іонообмінного пом’якшення води, визначено основні ризики при її експлуатації, описано технологічний процес та його особливості.Проведено порівняння основних технологій пом’якшення води в побутових та офісних умовах з точки зору негативного впливу на довкілля, витрати енергії, води та інших ресурсів. Зазначено, що системи зворотного осмосу, незважаючи на їхню високу ефективність у видаленні домішок з води, мають найнижчу екологічну ефективність через високе енергоспоживання та значний вуглецевий слід. Крім того, вони утворюють значну кількість відпрацьованої води, що збільшує загальні витрати водних ресурсів. Усе це робить зворотний осмос не дуже привабливим варіантом з точки зору екологічної сталості, особливо в регіонах з обмеженими ресурсами води. Іонообмінні системи займають середню позицію в рейтингу екологічної ефективності. Вони споживають відносно невелику кількість енергії, що забезпечує порівняно низький вуглецевий слід. Проте використання солі для регенерації смоли створює певні екологічні виклики, пов’язані з утворенням відпрацьованих розчинів, які негативно впливають на водні ресурси та ґрунти. В цілому зазначено на необхідності розробки нових чи модифікації існуючих технологій пом’якшення води для підвищення загальної екологічної безпеки процесу. У четвертому розділі детально вивчено ефективність традиційного методу пом’якшення води з використанням карбонату та гідроксиду натрію. Встановлено, що при низьких температурах ефективність обробки цим методом надзвичайно низька і супроводжується значною перевитратою реагентів, потребує корегування рН і складного регулювання. Досліджено також застосування силікату та фосфату натрію. За своїми результатами силікат натрію досить близький до карбонату натрію, погано працює при низьких температурах, потребує корегування рН після обробки води, утворює тверду фазу, що важко відділяється від води. Найбільш прийнятним варіантом виявився фосфат натрію. Встановлено, що навіть за температури води в 5 °С його ефективність знижується лише на 1 – 2 % в порівнянні з ефективністю при 20 °С. Дослідженнями встановлено, що ефективність фосфатів відносно іонів кальцію вища, ніж відносно іонів магнію. Якщо залишкова кальцієва жорсткість за відповідних умов може бути доведена до рівня 0,1 – 0,2 мг-екв/дм3, то для магнієвої жорсткості цей показник сягає лише 0,7 – 1,5 мг-екв/дм3. В процесі пом’якшення для підтримання в обробленій воді допустимого значення рН запропоновано використовувати комплексний реагент із суміші фосфату та дигідроортофосфату натрію у відповідному співвідношенні. Дослідженнями зафіксовано деякі труднощі при відділенні твердої фази фільтруванням. Тому в об’ємі роботи підібрано флокулянт та його дози для покращення процесу розділення фаз. Запропоновано розділяти пом’якшену воду на два потоки – для побутового використання та для споживання. Використання води в побутовій техніці (пральні машини, посудомийки, душ, ванна) передбачається відразу після помякшення без додаткової обробки. Щодо споживання води, то помякшення розробляється як попередній етап обробки води перед зворотним осмосом. Приведено оцінку економічної доцільності застосування реагентної технології в системах малої та середньої продуктивності. У п’ятому розділі роботи обґрунтовано вибір реагентної технології пом’якшення води установками малої та середньої продуктивності, визначено особливі умови застосування технології пом’якшення, акцентовано увагу на модифікації відомих осаджувачів іонів жорсткості для підтримання оптимального водневого показника після обробки води. Розраховано рівняння регресії для залежностей між основними параметрами процеу пом’якшення води. Отримані результати представлені у вигляді поверхностей рішень, що дозволяє досить просто визначати рівень основних параметрів в залежності від вхідних параметрів води. На основі отриманих результатів розроблено технологічну схему пом’якшення води установками малої та середньої продуктивності, котрі можуть бути використані в якості підготовчого етапу обробки води системами зворотного осмосу.