Зниження негативного впливу на водні об’єкти систем пом’якшення води
| dc.contributor.advisor | Радовенчик, Ярослав Вячеславович | |
| dc.contributor.author | Гордієнко, Катерина Юріївна | |
| dc.date.accessioned | 2025-06-12T09:36:02Z | |
| dc.date.available | 2025-06-12T09:36:02Z | |
| dc.date.issued | 2025 | |
| dc.description.abstract | Гордієнко 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. | |
| dc.description.abstractother | Gordienko K.Yu. Reducing the negative impact of water softening systems on water bodies. – Qualification scientific work in the form of a manuscript. Dissertation for the degree of Doctor of Philosophy in specialty 101 “Ecology”. – National Technical University of Ukraine “Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute”, Kyiv, 2025. The dissertation is devoted to solving the problems of pollution of the hydrosphere by waste from water softening systems. Today, a sufficient number of technological processes have been studied that can satisfy the requirements of water softening in a variety of conditions. The vast majority of them are oriented towards use in industrial production, where waste is localized in one place and it is possible to simply organize their disposal. Until recently, water softening in low and medium capacity systems was given very little attention, and the disposal of waste from softening technologies generally passed by the attention of specialists. At the same time, the main process of water softening in household and office conditions remains ion exchange, which is currently well-developed, automated and computerized, and the corresponding equipment can provide consumers with softened water for a long time without qualified maintenance. Without focusing on some of the disadvantages of ion exchange, it is difficult to ignore the situation with the formation of regeneration solutions and their disposal. The problem is that 10% or 24% sodium chloride solutions are used to regenerate cation exchangers in water softening systems. After use in these solutions, part of the sodium ions are replaced by calcium and magnesium ions, and this mixture is discharged into sewage systems or natural reservoirs. In this way, an anthropogenic sodium chloride cycle is formed, which causes an increase in the mineralization of natural waters and a significant decrease in their quality. Today, the number of such installations is quite insignificant, so the problem is simply hushed up. However, with an increase in the overall mineralization, the use of reverse osmosis systems will increase significantly and, accordingly, the number of ionexchange water softening systems will increase as a preliminary stage of its preparationbefore processing. Thus, a closed circle is formed, the way out of which must be sought by specialists in the relevant field. The purpose of this study is to select and modify an economical and environmentally safe water softening technology and reagents for a low and mediumcapacity system in order to reduce the negative impact on water bodies. The main task is to research and create effective water softening technologies that provide a balanced approach to ensuring water quality, rational use of water resources and minimizing the formation of waste that negatively affects water resources. To solve the problem, we have chosen a reagent method of water softening with the fulfillment of the conditions for its use in everyday life and offices. Given the specific requirements for the softening technology, we have proposed to modify some known reagents, use filtration for phase separation and additionally treat water with flocculants. As a result, the discharge of significant volumes of regeneration solutions into the environment is stopped, the formation of waste in the form of a solid phase suitable for use as mineral fertilizers is minimized, and the use of water for the technology’s own needs is stopped. The first section describes modern methods of water softening using reagent, ionexchange, physical and electrochemical technologies. It is noted that reagent technologies are among the simplest and most common technologies. They are implemented using simple equipment, but require several stages of water treatment, including settling and filtering. A significant number of reagents studied to date allow water to be treated in a wide range of hardness and chemical composition. At the same time, on an industrial scale this technology requires high-volume facilities, long-term settling of water and disposal of the formed solid phase. Ion-exchange technologies are now quite often used in both industrial and domestic conditions. These technologies are characterized by compact equipment, lend themselves well to automation, and provide high efficiency in removing hardness ions from treated water. However, regular discharge of highconcentration regeneration solutions into the environment makes this technology environmentally hazardous. In addition, in areas with a significant content of iron ions, poisoning of cation exchangers with a corresponding decrease in exchange capacity isobserved. Physical technologies are focused on stabilizing water by scale formation and are not accompanied by the removal of hardness ions. Therefore, they can be used in water preparation lines for household appliances (washing machines and dishwashers) and do not meet the requirements of current documents for drinking water. Electrochemical methods have not been studied enough to date, there is no data on their implementation on an industrial scale or in everyday life, so their use as a stage of water softening is impossible. The second section of the dissertation presents information about the objects and methods of research, materials and reagents used in the experiments, research methods and methods of mathematical processing of experimental results. The section also provides references to modern known methods of analyzing various parameters of liquid solutions, and indicates traditional measuring instruments used in the work. The studies used model solutions that imitated natural surface and groundwater and water from centralized water supply systems. Methods of statistical and mathematical processing of experimental data were used to confirm the reliability of the results obtained. The third section of the work analyzes the state of natural waters in Ukraine. The decrease in the quality of surface and groundwater as a result of climatic and anthropogenic processes is noted, and the increase in the hardness of natural waters in both surface water bodies and artesian horizons is noted. Modern technologies for softening water with low and medium-performance systems are analyzed, and the main features of each of them are noted. The structure of a typical ion-exchange water softening system is considered, the main risks during its operation are identified, and the technological process and its features are described. The main technologies for softening water in domestic and office conditions are compared in terms of negative impact on the environment, energy, water and other resource consumption. It is noted that reverse osmosis systems, despite their high efficiency in removing impurities from water, have the lowest environmental efficiency due to high energy consumption and a significant carbon footprint. In addition, they generate a significant amount of waste water, which increases the total consumption of water resources. All this makes reverse osmosis not a very attractive option from the point of view of environmental sustainability, especiallyin regions with limited water resources. Ion exchange systems occupy an average position in the rating of environmental efficiency. They consume a relatively small amount of energy, which provides a relatively low carbon footprint. However, the use of salt for resin regeneration creates certain environmental challenges associated with the formation of spent solutions that negatively affect water resources and soils. In general, the need to develop new or modify existing water softening technologies to increase the overall environmental safety of the process is noted. The fourth section examines in detail the effectiveness of the traditional method of water softening using carbonate and sodium hydroxide. It was found that at low temperatures the efficiency of treatment by this method is extremely low and is accompanied by a significant overconsumption of reagents, requires pH adjustment and complex regulation. The use of silicate and sodium phosphate was also investigated. According to its results, sodium silicate is quite close to sodium carbonate, works poorly at low temperatures, requires pH adjustment after water treatment, forms a solid phase that is difficult to separate from water. Sodium phosphate turned out to be the most acceptable option. It was found that even at a water temperature of 5 °C, its efficiency decreases by only 1-2% compared to the efficiency at 20 °C. Studies have shown that the efficiency of phosphates with respect to calcium ions is higher than with respect to magnesium ions. If the residual calcium hardness under appropriate conditions can be brought to the level of 0.1 - 0.2 mg-eq/dm3, then for magnesium hardness this indicator reaches only 0.7 - 1.5 mg-eq/dm3. In the softening process, to maintain the permissible pH value in the treated water, it is proposed to use a complex reagent from a mixture of phosphate and sodium dihydrogen orthophosphate in the appropriate ratio. Studies have recorded some difficulties in separating the solid phase by filtration. Therefore, the scope of the work selected a flocculant and its doses to improve the phase separation process. It is proposed to separate the softened water into two streams - for domestic use and for consumption. The use of water in household appliances (washing machines, dishwashers, showers, bathtubs) is expected immediately after softening without additional treatment. As for water consumption, softening is developed as a preliminary stage of watertreatment before reverse osmosis. An assessment of the economic feasibility of using reagent technology in low and medium productivity systems is presented. In the fifth section of the work, the choice of reagent technology for water softening by low and medium-capacity units is justified, special conditions for the use of softening technology are determined, and attention is focused on modifications of known hardness ion precipitators to maintain the optimal hydrogen index after water treatment. The regression equation for the dependencies between the main parameters of the water softening process is calculated. The results obtained are presented in the form of solution surfaces, which allows for a fairly simple determination of the level of the main parameters depending on the input water parameters. Based on the results obtained, a technological scheme for water softening by low and medium-capacity units is developed, which can be used as a preparatory stage for water treatment by reverse osmosis systems. | |
| dc.format.extent | 196 с. | |
| dc.identifier.citation | Гордієнко, К. Ю. Зниження негативного впливу на водні об’єкти систем пом’якшення води : дис. … д-ра філософії : 101 Екологія / Гордієнко Катерина Юріївна. – Київ, 2025. – 196 с. | |
| dc.identifier.uri | https://ela.kpi.ua/handle/123456789/74226 | |
| dc.language.iso | uk | |
| dc.publisher | КПІ ім. Ігоря Сікорського | |
| dc.publisher.place | Київ | |
| dc.subject | жорсткість води | |
| dc.subject | пом’якшення | |
| dc.subject | іони кальцію | |
| dc.subject | іони магнію | |
| dc.subject | обробка води | |
| dc.subject | підготовка води | |
| dc.subject | осадження іонів жорсткості | |
| dc.subject | регулювання рН | |
| dc.subject | іонообмінне пом’якшення води | |
| dc.subject | регенераційні розчини | |
| dc.subject | реагенти для пом’якшення | |
| dc.subject | water hardness | |
| dc.subject | softening | |
| dc.subject | calcium ions | |
| dc.subject | magnesium ions | |
| dc.subject | water treatment | |
| dc.subject | water preparation | |
| dc.subject | precipitation of hardness ions | |
| dc.subject | pH regulation | |
| dc.subject | ion-exchange water softening | |
| dc.subject | regeneration solutions | |
| dc.subject | softening reagents | |
| dc.subject.udc | 504.4.054; 628.164; 628.165 | |
| dc.title | Зниження негативного впливу на водні об’єкти систем пом’якшення води | |
| dc.title.alternative | Reducing the negative impact of water softening systems on water bodies | |
| dc.type | Thesis Doctoral |
Файли
Контейнер файлів
1 - 1 з 1
Вантажиться...
- Назва:
- Gordienko_dys.pdf
- Розмір:
- 4.55 MB
- Формат:
- Adobe Portable Document Format
Ліцензійна угода
1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
- Назва:
- license.txt
- Розмір:
- 8.98 KB
- Формат:
- Item-specific license agreed upon to submission
- Опис: