Дисертації (ЕТРП)
Постійне посилання зібрання
Переглянути
Перегляд Дисертації (ЕТРП) за Ключові слова "628.316.12"
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Результатів на сторінці
Налаштування сортування
Документ Відкритий доступ Наукові засади захисту довкілля від забруднення відходами систем водообробки та технологічними розчинами(КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2025) Радовенчик, Ярослав ВячеславовичРадовенчик Я. В. Наукові засади захисту довкілля від забруднення відходами систем водообробки та технологічними розчинами. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 21.06.01 – Екологічна безпека. – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» Міністерства освіти і науки України, Київ, 2025. Дисертаційна робота присвячена зменшенню техногенного навантаження на гідросферу шляхом впровадження технологій утилізації та знешкодження відходів систем очищення води та водопідготовки, а також шляхом нетрадиційного вирішення проблем скиду в довкілля значних об’ємів технологічних розчинів різноманітного складу. У першому розділі, присвяченому огляду літературних джерел, показано, що значної шкоди завдають поверхневим водоймам та підземним горизонтами відходи технологій очищення та доочищення води. Підвищення мінералізації вод поверхневих водойм в результаті скиду концентрованих розчинів різноманітного складу та висока природна мінералізація підземних вод в окремих регіонах України вимагає проводити їх пом’якшення перед споживанням. Найбільшого поширення сьогодні набули іонообмінні методи, особливо для систем малої та середньої продуктивності – побутових та офісних. Експлуатація таких систем супроводжується скидом в гідросферу концентратів хлориду натрію з домішками іонів кальцію та магнію, що формує замкнуте коло руху мінеральних речовин в гідросфері. Розроблена достатньо велика кількість технологічних процесів для використання в умовах промислового виробництва не дозволяє забезпечити необхідну ефективність процесів пом’якшення та низьку їх вартість. Тому створення процесів утилізації регенераційних розчинів іонообмінних систем для пом’якшення води складає на сьогодні досить актуальну та вартісну проблему. Спорудження масштабних централізованих систем водопостачання та їх тривала експлуатація призводять до вторинного забруднення питних вод та вимагає їх доочищення в точках водовідбору. Найчастіше в системах доочищення застосовують іонний обмін, сорбцію, мембранні технології, котрі також продукують значну кількість відходів. До сьогодні експлуатація таких систем не супроводжується утилізацією чи знешкодженням твердих та рідких відходів, які утворюються в результаті доочищення води, що наносить довкіллю непоправної шкоди та характеризується нераціональним використанням природних ресурсів. Зважаючи на швидкий ріст масштабів застосування систем очищення води малої та середньої продуктивності, давно назріла проблема знешкодження та утилізації відходів таких технологій. Процес добування корисних копалин шахтним методом практично завжди супроводжується утворенням величезних об’ємів стічних вод із високим вмістом шкідливих речовин. І хоча на сьогодні розроблено достатньо технологій очищення шахтних вод, широкого впровадження вони не отримали через значні об’єми та широкі гами забруднень з різноманітними фізико-хімічними властивостями. Скид таких вод в гідросферу супроводжується забрудненням природних водойм та підвищенням їх мінералізації. У другому розділі наведені відомості про об'єкти дослідження, матеріали та реагенти, що використовувалися в процесі експериментів, методики проведення досліджень та методи математичної обробки експериментальних результатів. У розділі приведені посилання на відомі методи аналізу розчинів та твердих відходів, зазначені стандартні засоби вимірювання, які використовувалися в роботі та приведені схеми нового лабораторного обладнання, розробленого для серій експериментів в об’ємі даної роботи. У третьому розділі викладено наукові основи використання матеріалів з капілярними властивостями в процесах випарювання рідин та знешкодження концентратів різноманітного хімічного складу. Встановлено, що застосування таких матеріалів дозволяє реалізувати прості, ефективні та автономні системи випарювання рідин. Проведені випробування в природному середовищі підтвердили зроблені теоретичні обґрунтування. Використання матеріалів з капілярними властивостями дозволяє не лише випарювати рідини для концентрування розчинів, а й знешкоджувати концентрати шляхом переведення їх в твердий стан. В об’ємі розділу запропоновано кілька конструкцій багатошарових кристалізаторів та кристалізаторів з рухомим полотном. Вони дозволяють механізувати процеси подачі концентратів та видаляти утворену тверду фазу. При цьому за достатньої температури навколишнього середовища обладнання може ефективно працювати без підводу енергії. Для підвищення продуктивності кристалізаторів розроблено конструкцію із верхньою подачею розчинів і без рухомих частин. Зазначена конструкція дозволяє автоматизувати процес випарювання за рахунок регулювання швидкості подачі концентрату. Отримані результати використані при розробці модуля випарювання для промислового використання. При площі модуля 1 м2 і висоті в 1 м він має площу випаровування 15,7 м2 і при різних умовах навколишнього середовища дозволяє забезпечити інтенсивність випаровування в межах 0,95–3,91 дм3 /м2 ·добу. Проведені дослідження достатні для виготовлення модуля випарювання промислового використання. Четвертий розділ присвячено технологічним процесам, що дозволяють знешкодити або утилізувати регенераційні розчини іонообмінних установок пом’якшення води, котрі досить широко застосовуються в побуті та офісах. Приведено результати фракційного випарювання регенераційних розчинів, що містять хлориди натрію, кальцію та магнію. Встановлено, що в отриманому твердому хлориді натрію досить багато домішок іонів кальцію та магнію, що перешкоджає його повторному використанню для приготування регенераційних розчинів. Відомі на сьогодні методи перекристалізації або відмивки в концентрованій соляній кислоті дозволяють отримати реагент, придатний для повторного використання в процесах регенерації іонообмінних фільтрів за умови корегування міжрегенераційного часу. Переведення концентратів у твердий стан дозволяє отримувати значний екологічний ефект. З метою зниження витрат енергії на випарювання рідкої фази проведено дослідження ефективності застосування в якості робочого елементу матеріалів з капілярними властивостями. Встановлено, що їх застосування дозволяє просто та ефективно переводити вміст концентратів в тверду фазу з отриманням чистої води, придатної для приготування нових регенераційних розчинів. Для можливості повторного використання розчинів хлориду натрію та захисту гідросфери від скидів його розчинів запропоновано технологію реагентної обробки з багаторазовим повторним використанням. Для цього з відпрацьованого регенераційного розчину шляхом обробки фосфатом натрію видаляються іони кальцію та магнію. Підібрані умови для забезпечення швидкого відділення утвореної твердої фази від маточного розчину з поверненням його на повторне використання. Шляхом підбору концентрації та складу осаджувача встановлені умови, за яких використання відновленого регенераційного розчину не потребує корегування. Розроблено технологічну схему для реалізації процесів відновлення відпрацьованих регенераційних розчинів. В об’ємі розділу також проведено аналіз відомих сьогодні методів визначення моменту насичення катіоніту іонами кальцію та магнію з метою оперативного та більш ефективного управління іонообмінними установками пом’якшення води. Запропоновано прості та дешеві реагентні та електрохімічні індикатори проскоку іонів кальцію і магнію. У п’ятому розділі запропоновано замінити іонообмінні установки пом’якшення води малої та середньої продуктивності модифікованими реагентними технологіями, що піддаються автоматизації в побутових та офісних умовах. Проведеними дослідженнями встановлено, що застосування содово-натрієвої технології не забезпечує достатньої ефективності в умовах температур природних вод, потребує значної перевитрати реагентів для швидкого формування твердої фази, передбачає кілька етапів обробки води, потребує наступного корегування водневого показника. Більш прийнятним за відсутності тривалого відстоювання та підігрівання значних об’ємів води виявилися фосфати. При їх змішуванні із жорсткою водою тверда фаза формується відразу, забезпечуючи достатню ефективність пом’якшення. Залишкова кальцієва жорсткість при стехіометричному співвідношенні регентів коливається в межах 0,1–0,3 мг-екв/дм3 , магнієва – 0,5–1,0 мг-екв/дм3 . Таких рівнів жорсткості цілком достатньо як для побутової техніки, так і для питної води. Оскільки для питних вод чинними нормативними документами необхідна кальцієва жорсткість для фізіологічної повноцінності мінерального складу води визначається на рівні 1,25–3,75 мг-екв/дм3 , а для магнієвої – 0,83–4,17 мг-екв/дм3 , то проводячи обробку води при дозі реагенту 0,8–1,0 від стехіометрії вдається уникнути перевищення допустимих концентрацій фосфатів в обробленій воді і забезпечити необхідну ефективність пом’якшення. Висока дисперсність частинок фосфату кальцію та фосфату магнію вимагає прийняття додаткових заходів шляхом використання флокулянтів. Дослідженнями встановлено, що найбільш прийнятним варіантом ефективного відділення твердої фази є фільтрування з попередньою обробкою флокулянтом та інкубаційним періодом для формування агрегатів протягом 10–20 хв. Запропоновано технологічну схему розробленого процесу, яка може бути реалізована у вигляді підготовчої стадії обробки води перед системами зворотного осмосу. У шостому розділі вивчено негативний вплив на довкілля систем очищення води малої та середньої продуктивності. Встановлено, що із семи етапів обробки води частковій регенерації піддаються лише мембрани, як найбільш вартісний елемент всієї системи. Проведено оцінку використання елементів кожного етапу, їх негативного впливу на довкілля, можливості знешкодження, утилізації чи регенерації з багаторазовим повторним застосуванням. Запропоновано реагентну та електрохімічну технології регенерації поліпропіленових картриджів етапу механічного очищення, заходи щодо знешкодження та утилізації картриджів комплексного очищення води, гранульованих та пресованих картриджів з активованим вугіллям, досліджено ефективність існуючих мінералізаторів води та запропоновано їх заміну ефективною системою дозування розрахованої кількості відповідних реагентів для отримання фізично повноцінної питної води. У сьомому розділі обґрунтовано нову схему знешкодження шахтних вод шляхом захоронення їх в підземних горизонтах. Сьогодні витрачаються величезні кошти навіть для того, щоб підняти такі води на поверхню. Традиційна технологія передбачає змішування шахтних вод із кількох горизонтів та транспортування отриманої суміші на поверхню для знешкодження чи скидання в поверхневі водойми. Разом з тим, підземні води, що залягають на глибинах до 500–800 м прісні або маломінералізовані і можуть бути після відповідної обробки використані для забезпечення потреб населення чи промисловості. Мінералізовані води, що залягають глибше, можуть бути без обробки закачані у поглинаючі водоносні горизонти, що залягають глибше і відділені від шахтних розробок буферним водоносним горизонтом та двома водотривами. Найбільш раціонально очищення шахтних вод проводити на горизонтах їх утворення, що дозволить не лише отримати якісну воду, знизити затрати на підйом менших об’ємів води, а й захистити поверхневі водойми від забруднення та засолення. Відходи очищення (наприклад, концентрати баромембранних установок) доцільніше приєднувати до потоку вод, що захоронюються. Оскільки мінералізація вод кожного наступного по глибині водоносного горизонту на 3–5 г/дм3 більша від попереднього, то закачування в поглинальний горизонт вод меншої мінералізації не справлятиме негативного впливу на загальний склад води в ньому. Розрахунки показують, що економічний ефект використання такої концепції знешкодження шахтних вод може становити сотні мільйонів гривень за рік лише для однієї шахти.