Нові матеріали та процеси в ресурсоефективних технологіях водоспоживання у промисловості
Вантажиться...
Дата
2024
Автори
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
КПІ ім. Ігоря Сікорського
Анотація
Голяка А.В. Нові матеріали та процеси в ресурсоефективних технологіях водоспоживання у промисловості. – 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, 2024.
Дисертаційна робота присвячена вивченню процесів водопідготовки для підживлення теплоенергетичних мереж, зниженню економічних витрат та екологічних збитків при експлуатації даних водоциркуляційних систем у промисловості. За приблизними підрахунками від 70 до 80 % всієї води, яка забирається для потреб різних підприємств, використовується саме для забезпечення водоциркуляційних систем водо- та теплопостачання. При цьому, використовуючи методи водопідготовки, які застосовуються на даний момент часу в Україні, для підтримки сольового балансу в системах потрібно скидати до 25 % від цього об’єму води у водойми, що в свою чергу також підвищує кількість води, яку потрібно забирати на підживлення систем. Окрім цього при експлуатації водоциркуляційних систем також спостерігається хімічне (іони металів що вимиваються і системи і трубопроводів) та фізичне (теплове) забруднення природних водойм. Особливо актуальним стоїть питання захисту обладнання та конструкцій від корозії та накипу, оскільки це призводить до значних і постійно зростаючих матеріальних втрат, особливо у зв’язку з таким фактором як висока корозійна агресивність води і водних розчинів. Саме вдосконалення підходів до протикорозійного захисту теплообмінників, котлів, трубопроводів та іншого обладнання дасть змогу суттєво підвищити термін експлуатації всього необхідного обладнання та значно зменшити матеріальні затрати у галузях енергетики, які використовують дані технологічні рішення. У першому розділі роботи описані системи водо- та теплопостачання, їх класифікація та різновиди і також сучасні методи, підходи та способи кондиціонування води для забезпечення потреб таких систем водою необхідної якості. Для вирішення даних завдань використовують процеси пом’якшення води з використанням хімічних та фізико-хімічних методів, що мають як переваги так і недоліки при їх застосуванні. Виникнення накипу, перегрівання, зменшення потужності та інші проблеми роблять необхідним використання у процесах кондиціонування води стабілізаторів накипоутворення, які повинні мати високу ефективність, не бути агресивними до корозії та не бути токсичними. Швидкість корозії та руйнування обладнання і трубопроводів також посилюється за рахунок наявності у воді корозійно-активних газів. В основному таким газом є розчинений у воді кисень. Хоча його вплив оцінюється двояко: з одного боку кисень виступає як пасиватор корозії – сприяє утворення захисної пасиваційної плівки, з іншого – активний деполяризатор, що викликає посилення корозії. Особливо небезпечним кисень є при підвищених температурах у котлах, теплообмінниках та водопроводах. Для видалення кисню (знекиснення) застосовують фізичні та хімічні методи, їх комбінації та редоксити, які на даний момент вважаються дуже перспективним напрямом досліджень. У другому розділі роботи представлені об’єкти досліджень та методологію, що включає опис, характеристику та фізико-хімічні властивості середовищ, реагентів та матеріалів, які були використані та представлені у наступних розділах дисертаційної роботи. Досліджувалась дистильована, водопровідна та натрій-катіонована вода. Описані методи проведення досліджень та проведення відповідних розрахунків. Також наведені методики контролю концентрацій речовин та фізико-хімічних процесів у воді. У третьому розділі дисертаційною роботи представлені результати досліджень процесів знекиснення води у статичних умовах. Проведені дослідження ефективності знекиснення дистильованої води реагентним методом. Для цього використовувались такі доступні реагенти як сульфіт та метабісульфіт натрію. На першому етапі досліджень використовували сульфіт натрію, концентрація по іонам SO3 2- якого змінювалась в діапазоні від 30 до 300 мг/дм3 . Були побудовані криві окислення сульфіту натрію 0-го, 1-го, 2-го, 3-го порядків, розраховані константи швидкості реакції 0-го, 1-го, 2-го, 3-го порядків та зроблені висновки щодо процесу проходження реакції та швидкості зв’язування кисню. Досліджувався вплив на швидкість зв’язування кисню сульфітом натрію в статичних умовах фактор присутності іонів каталізатора за різних концентрацій по SO3 2- (50 – 300 мг/дм3 ). Як каталізатор використовувались іони Fe2+ (сульфат заліза). Концентрація по іонам каталізатора змінювалась в діапазоні від 0.1 до 1 мг/дм3 . Також були побудовані криві окислення сульфіту натрію 0-го, 1-го, 2-го, 3-го порядків в присутності іонів каталізатора, розраховані константи швидкості реакції 0-го, 1-го, 2- го, 3-го порядків відповідно до кожних із кривих. За результатами експерименту були зроблені висновки щодо каталітичного ефекту присутності іонів заліза (ІІ). Також були визначені порядки проходження реакції та описані лімітуючі фактори для кожного із всієї варіації проведених експериментів. Додатково досліджувався вплив зміни кислотності середовища на проходження процесу знекиснення води сульфітом натрію (200 мг/дм3 ) за наявності іонів каталізатора заліза (ІІ) (0,2; 0.5 мг/дм3 ). Були побудовані криві окислення сульфіту натрію 0-го, 1-го, 2-го, 3-го порядків в присутності іонів заліза (ІІ) за різної реакції середовища, розраховані константи швидкості реакції 0-го, 1-го, 2-го, 3-го порядків відповідно до кожних із кривих та описаний ефект зміни реакції середовища та його вплив на швидкість проходження процесу знекиснення води при різних показниках реакції середовища. Додатково було проведено дослідження процесу знекиснення води із застосуванням як відновника більш доступного реагенту – метабісульфіту натрію в присутності каталізатора (Fe2+) (100 – 300 мг/дм3 та 0,1 – 0,5 мг/дм3 відповідно). Були побудовані криві окислення метабісульфіту натрію 0-го, 1-го, 2-го, 3-го порядків в присутності іонів заліза (ІІ) за різної концентрації, розраховані константи швидкості реакції 0-го, 1-го, 2-го, 3-го порядків відповідно до кожних із кривих. Отримані результати порівняно із аналогічними результатами з експериментами із сульфітом натрію та зроблені певні висновки. Також були проведені дослідження процесу вилучення кисню сульфітом натрію в статичних умовах в присутності іншого каталізатора - іонів Co2+ (сульфат кобальту) за різних концентрацій (0,2 – 1 мг/дм3 ) при різних концентраціях по SO3 2- (100 – 300 мг/дм3 ) . Також були побудовані криві окислення сульфіту натрію 0-го, 1-го, 2-го, 3- го порядків в присутності іонів каталізатора, розраховані константи швидкості реакції 0-го, 1-го, 2-го, 3-го порядків відповідно до кожних із кривих. За результатами експерименту були зроблені висновки щодо каталітичного ефекту присутності іонів кобальту (ІІ). Були визначені порядки проходження реакції та описані лімітуючі фактори для кожного із всієї варіації проведених експериментів. Результати порівнювались з аналогічними результатами в присутності іншого каталізатора – Fe2+ та були зроблені висновки щодо ефективності їх застосування та інших факторів. Також досліджувався вплив температури на процес зв’язування кисню сульфітом натрію в присутності іонів каталізатора (Fe2+) в статичних умовах в залежності від різних концентрацій відновника та каталізатора (60 – 300 мг/дм3 та 0,2 – 1,0 мг/дм3 відповідно). Були побудовані криві окислення сульфіту натрію 0-го, 1-го, 2-го, 3-го порядків в присутності іонів заліза (ІІ) за різної температури, розраховані константи швидкості реакції 0-го, 1-го, 2-го, 3-го порядків відповідно до кожних із кривих та описаний ефект впливу зміни температури на процес зв’язування кисню та зроблені певні висновки. У четвертому розділі дисертаційної роботи проводились дослідження по знекисненню води у динамічних умовах та розробка нових технологічних рішень для ефективного видалення кисню з води, що дозволить суттєво зменшити корозійну агресивність води та збільшити термін експлуатації обладнання при переході до замкнутих систем теплопостачання та охолодження. Були наведені переваги та недоліки знекиснення води в динамічних умовах на редокситах та модифікованому завантаженні та зроблені висновки щодо їх застосування. Було проведено експерименти по дослідженню ефективності знекиснення води на модифікованому завантаженні із залізної стружки. Представлена технологічна схема реалізації процесу видалення кисню на такому завантаженні у дистильованій, водопровідній та натрій-катіонованій воді. Показано, що процес видалення кисню, застосовуючи такий підхід з виставленими параметрами, дозволяє отримати ефективність на рівні 90 – 97 % в залежності від варіацій. При цьому досліди проводились при різній швидкості фільтрування через завантаження, що також описано, та показаний ефект підвищення швидкості фільтрування на якість знекиснення води. Були вивчені процеси знекиснення води в динамічних умовах при дозуванні у воду сульфіту натрію та сульфату заліза. Після додавання реагентів воду пропускали через резервуар, який забезпечував певний час контакту реагетів з водою. Показано, що ефективність знекиснення води залежала від концентрації сульфіту у воді та дози іонів заліза (ІІ), температури води, часу контакту реагентів з водою. Розчини реагентів - сульфіту натрію та сульфату заліза, подавали у потік водопровідної води насосомдозатором шляхом урахування вихідних концентрацій розчинів реагентів, запланованих їх концентрацій у воді, витрати води і підтримання витрати розчину насосом-дозатором. Час контакту реагентів з водою регулювали витратою води. Визначено ефективність комбінованого використання фільтрів із модифікованим залізним завантаженням та дозування відновника у воду для її знекиснення. Воду пропускали через фільтр із модифікованою залізною стружкою. Це забезпечувало розчинення заліза (ІІ) у воді. За різних витрат води контролювали вміст заліза (ІІ), який сягав 0,2 – 0,5 мг/дм3 при використаних витратах води. Далі у воду дозували задану кількість сульфіту натрію. Після проходження контактного резервуару у воді визначали залишкові концентрації кисню та заліза. Показано, що ступінь знекиснення води залежав від температури води, дози сульфіту натрію, витрати води (часу контакту реагентів з водою).
Опис
Ключові слова
підживлювальна вода для теплових електростанцій, кондиціонування води, знекиснення води, гальванокоагуляція, феритизація, корозія, оксиди заліза, іони заліза, магнетит, ремінералізація води, очищення води, make-up water of thermal power plants, water conditioning, water deoxydation, galvanocoagulation, ferritization, corrosion, iron oxides, iron ions, magnetite, water remineralization, water purification
Бібліографічний опис
Голяка, А. В. Нові матеріали та процеси в ресурсоефективних технологіях водоспоживання у промисловості : дис. … д-ра філософії : 101 Екологія / Голяка Андрій Вадимович. – Київ, 2024. – 188 с.