Нові матеріали та процеси в ресурсоефективних технологіях водоспоживання у промисловості
| dc.contributor.advisor | Гомеля, Микола Дмитрович | |
| dc.contributor.author | Голяка, Андрій Вадимович | |
| dc.date.accessioned | 2024-09-02T11:49:45Z | |
| dc.date.available | 2024-09-02T11:49:45Z | |
| dc.date.issued | 2024 | |
| dc.description.abstract | 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). | |
| dc.description.abstractother | Holiaka A.V. New materials and processes in resource-efficient water consumption technologies in industry. – Qualifying scientific work on manuscript rights. Dissertation for obtaining the scientific degree of Doctor of Philosophy in specialty 101 "Ecology". - National Technical University of Ukraine "Ihor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute", Kyiv, 2024. The dissertation work is devoted to the study of water preparation processes for fueling heat energy networks, reducing economic costs and environmental damage during the operation of these water circulation systems in industry. According to approximate estimates, from 70 to 80 % of all water, which is taken for the needs of various enterprises, is used precisely to ensure the water circulation systems of water and heat supply. At the same time, using water treatment methods that are currently used in Ukraine, to maintain the salt balance in the systems, it is necessary to discharge up to 25 % of this volume of water into reservoirs, which in turn also increases the amount of water that needs to be taken for replenishment systems. In addition, during the operation of water circulation systems, chemical (metal ions that are washed out of the system and pipelines) and physical (thermal) pollution of natural water bodies is also observed. The issue of protecting equipment and structures from corrosion and scale is particularly relevant, as this leads to significant and constantly growing material losses, especially in connection with such a factor as the high corrosive aggressiveness of water and aqueous solutions. It is the improvement of approaches to anti-corrosion protection of heat exchangers, boilers, pipelines and other equipment that will make it possible to significantly increase the service life of all necessary equipment and significantly reduce material costs in the energy industry that use these technological solutions. The first chapter of the work describes water and heat supply systems, their classification and varieties, as well as modern methods, approaches and methods of water conditioning to ensure the needs of such systems with water of the required quality. The formation of scale, overheating, power loss and other problems make it necessary to use scale stabilizers in water conditioning processes, which must be highly effective, non-corrosive and non-toxic. The rate of corrosion and destruction of equipment and pipelines also increases due to the presence of corrosive-active gases in the water. Basically, this gas is oxygen dissolved in water. Although its influence is evaluated in two ways: on the one hand, oxygen acts as a corrosion passivator - it contributes to the formation of a protective passivation film, on the other hand, it is an active depolarizer that causes increased corrosion. Oxygen is especially dangerous at elevated temperatures in boilers, heat exchangers and water pipes. To remove oxygen (deoxygenation), physical and chemical methods, their combinations and redox methods are used, which are currently considered a very promising area of research. The second section of the work presents the objects of research and the methodology, which includes the description, characteristics and physicochemical properties of environments, reagents and materials that were used and presented in the following sections of the dissertation work. Distilled, tap and sodium-cationized water were studied. Methods of conducting research and carrying out relevant calculations are described. Techniques for controlling concentrations of substances and physicochemical processes in water are also given. The third chapter of the dissertation presents the results of research into the processes of water deoxidation under static conditions. Studies of the efficiency of deoxidation of distilled water by the reagent method have been carried out. For this, such available reagents as sulfite and sodium metabisulfite were used. At the first stage of research, sodium sulfite was used, the SO3 2- ion concentration of which varied in the range from 30 to 300 mg/dm3 . The oxidation curves of sodium sulfite of the 0th, 1st, 2nd, and 3rd orders were constructed, the reaction rate constants of the 0th, 1st, 2nd, and 3rd orders were calculated, and conclusions were made regarding the reaction process and oxygen binding rates. The effect of the factor of the presence of catalyst ions on the rate of oxygen binding by sodium sulfite under static conditions at different concentrations of SO3 2- (50-300 mg/dm3 ) was studied. Fe2+ ions (ferrous sulfate) were used as a catalyst. The ion concentration of the catalyst varied in the range from 0,1 to 1 mg/dm3. The oxidation curves of sodium sulfite of the 0th, 1st, 2nd, and 3rd orders in the presence of catalyst ions were also constructed, and the reaction rate constants of the 0th, 1st, 2nd, and 3rd orders were calculated according to of each of the curves. Based on the results of the experiment, conclusions were drawn regarding the catalytic effect of the presence of iron (II) ions. Also, the order of the reaction was determined and the limiting factors were described for each of the entire variation of the conducted experiments. Additionally, the effect of changing the acidity of the environment on the process of deoxidizing water with sodium sulfite (200 mg/dm3 ) in the presence of iron (II) catalyst ions (0,2; 0.5 mg/dm3 ) was investigated. Oxidation curves of sodium sulfite of the 0th, 1st, 2nd, and 3rd orders were constructed in the presence of iron (II) ions under different reactions of the environment, the reaction rate constants of the 0th, 1st, 2nd, of the 3rd orders according to each of the curves, and the effect of changing the reaction of the environment and its influence on the speed of the water deoxidation process at different indicators of the reaction of the environment is described. In addition, a study of the water deoxidation process was carried out using a more accessible reagent as a reducing agent - sodium metabisulfite in the presence of a catalyst (Fe2+) (100 - 300 mg/dm3 and 0,1 – 0,5 mg/dm3 , respectively). The oxidation curves of sodium metabisulfite of the 0th, 1st, 2nd, and 3rd orders in the presence of iron (II) ions at different concentrations were constructed, and the reaction rate constants of the 0th, 1st, 2nd, and 3rd orders were calculated. th orders according to each of the curves. The obtained results are compared with similar results with experiments with sodium sulfite and certain conclusions are drawn. Research was also carried out on the process of oxygen extraction by sodium sulfite under static conditions in the presence of another catalyst - Co2+ ions (cobalt sulfate) at different concentrations (0,2 – 1 mg/dm3 ) at different concentrations of SO3 2- (100 – 300 mg/dm3 ). The oxidation curves of sodium sulfite of the 0th, 1st, 2nd, and 3rd orders in the presence of catalyst ions were also constructed, and the reaction rate constants of the 0th, 1st, 2nd, and 3rd orders were calculated according to of each of the curves. Based on the results of the experiment, conclusions were made regarding the catalytic effect of the presence of cobalt (II) ions. The order of the reaction was determined and the limiting factors were described for each of the entire variation of the conducted experiments. The results were compared with similar results in the presence of another catalyst - Fe2+, and conclusions were drawn regarding the effectiveness of their application and other factors. The influence of temperature on the process of oxygen binding by sodium sulfite in the presence of catalyst ions (Fe2+) was also studied under static conditions depending on different concentrations of reducing agent and catalyst (60 – 300 mg/dm3 and 0,2 – 1,0 mg/dm3 , respectively). The oxidation curves of sodium sulfite of the 0th, 1st, 2nd, and 3rd orders in the presence of iron (II) ions at different temperatures were constructed, and the reaction rate constants of the 0th, 1st, 2nd, and 3rd orders were calculated. The orders according to each of the curves, and the effect of temperature change on the process of oxygen binding is described, and certain conclusions are drawn. In the fourth chapter of the dissertation, research was carried out on water deoxygenation in dynamic conditions and the development of new technological solutions for the effective removal of oxygen from water, which will significantly reduce the corrosive aggressiveness of water and increase the service life of equipment when switching to closed heating and cooling systems. The advantages and disadvantages of water deoxidation in dynamic conditions on redox and modified loading were given and certain conclusions were drawn. Therefore, an experiment was carried out to investigate the effectiveness of water deoxidation on a modified loading of iron shavings. The technological scheme for the implementation of the oxygen removal process at such a loading in distilled, tap and sodiumcationized water is presented. It is shown that the oxygen removal process, using this approach with the set parameters, allows to obtain efficiency at the level of 90 – 97 %, depending on the variations. At the same time, the experiments were carried out at different filtration speeds due to loading, which is also described, and the effect of increasing the filtration speed on the quality of water deoxygenation is shown. The processes of water deoxygenation under dynamic conditions were studied when sodium sulfite and iron sulfate were added to the water. After adding the reagents, water was passed through the tank, which ensured a certain time of contact of the reagents with water. It was shown that the efficiency of water deoxidation depended on the concentration of sulfite in the water and the dose of iron (II) ions, the water temperature, and the contact time of the reagents with water. Solutions of reagents - sodium sulfite and iron sulfate, were fed into the flow of tap water by a dosing pump by taking into account the initial concentrations of the reagent solutions, their planned concentrations in water, water consumption and maintaining the flow of the solution by the dosing pump. The contact time of the reagents with water was regulated by the water flow rate. The effectiveness of the combined use of filters with modified iron loading and dosing of reductant into water for its deoxygenation was determined. Water was passed through a filter with modified iron filings. This ensured the dissolution of iron (II) in water. At different water flows, the iron (II) content was monitored, which reached 0,2 - 0,5 mg/dm3 at the used water flows. Next, a given amount of sodium sulfite was dosed into the water. After passing through the contact tank, the residual concentrations of oxygen and iron in the water were determined. It was shown that the degree of water deoxidation depended on water temperature, sodium sulfite dose, water consumption (time of contact of reagents with water). | |
| dc.format.extent | 188 с. | |
| dc.identifier.citation | 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. | |
| dc.identifier.uri | https://ela.kpi.ua/handle/123456789/68656 | |
| dc.language.iso | uk | |
| dc.publisher | КПІ ім. Ігоря Сікорського | |
| dc.publisher.place | Київ | |
| dc.subject | підживлювальна вода для теплових електростанцій | |
| dc.subject | кондиціонування води | |
| dc.subject | знекиснення води | |
| dc.subject | гальванокоагуляція | |
| dc.subject | феритизація | |
| dc.subject | корозія | |
| dc.subject | оксиди заліза | |
| dc.subject | іони заліза | |
| dc.subject | магнетит | |
| dc.subject | ремінералізація води | |
| dc.subject | очищення води | |
| dc.subject | make-up water of thermal power plants | |
| dc.subject | water conditioning | |
| dc.subject | water deoxydation | |
| dc.subject | galvanocoagulation | |
| dc.subject | ferritization | |
| dc.subject | corrosion | |
| dc.subject | iron oxides | |
| dc.subject | iron ions | |
| dc.subject | magnetite | |
| dc.subject | water remineralization | |
| dc.subject | water purification | |
| dc.subject.udc | 504.062.2; 628.128.3; 628.164 | |
| dc.title | Нові матеріали та процеси в ресурсоефективних технологіях водоспоживання у промисловості | |
| dc.type | Thesis Doctoral |
Файли
Контейнер файлів
1 - 1 з 1
Ліцензійна угода
1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
- Назва:
- license.txt
- Розмір:
- 8.98 KB
- Формат:
- Item-specific license agreed upon to submission
- Опис: