Зниження екологічних ризиків засолення поверхневих вод концентрованими сольовими відходами
| dc.contributor.advisor | Гомеля, Микола Дмитрович | |
| dc.contributor.author | Вакуленко, Анна Костянтинівна | |
| dc.date.accessioned | 2023-11-27T09:23:05Z | |
| dc.date.available | 2023-11-27T09:23:05Z | |
| dc.date.issued | 2023 | |
| dc.description.abstract | Вакуленко А.К. Зниження екологічних ризиків засолення поверхневих вод концентрованими сольовими відходами. – 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, 2023. Дисертаційна робота присвячена вирішенню проблем зниження екологічної небезпеки, що виникає внаслідок засолення поверхневих вод концентрованими сольовими відходами. Недостатній ступінь очищення стічних вод комунальних, промислових, сільськогосподарських підприємств, скид шахтних вод, відходи при розробці рудних копалин – це є основними причинами забруднення навколишнього природного середовища. Забруднення природних поверхневих водних об’єктів речовинами, котрі містяться в шахтних водах є однією з основних природоохоронних проблем гірничо-добувної промисловості. Дуже часто такі води скидаються безпосередньо у водойми без належної необхідної попередньої очистки. Ці води характеризуються хімічним, механічним, бактеріальним забрудненнями, а також досить високою мінералізацією на глибоких шахтах (іноді понад 70 г/дм3 ). При цьому більшість із традиційних технологій очищення води, що існують сьогодні, малоефективні і практично непридатні для знесолення води. Захист природних водойм від засолення внаслідок техногенних впливів є важливою та актуальною задачею. Внаслідок використання застарілих технологій вони не очищаються від мінеральних солей. Разом з тим всі шахтні води (на Донбасі це 1 млрд. м3 /рік) скидаються у поверхневі води без знесолення, що призводить до значного підвищення вмісту солей в них та до зменшення фонду джерел забезпечення населення України чистою водою. Тому створення ефективних маловідходних технологій знесолення води є важливою науково-технічною проблемою. Це важливо і тому що підземні та поверхневі води приморських територій характеризуються високим рівнем жорсткості та мінералізації. Масштабне засолення поверхневих вод стічними засоленими водами спричиняє не лише екологічні, але і матеріальні збитки. Воно є причиною того, що понад 20% населення України вживає неякісну питну воду, що викликає високий рівень захворюваності. Значною є проблема забезпечення якісною питною водою населення у вододефіцитних регіонах (Приморські території), де підземні води та поверхневі водойми характеризуються підвищеним вмістом солей. Отримання питної води із солонуватих шахтних та природних вод є одним із перспективних напрямків розширення фонду джерел водопостачання, що важливо для маловодних регіонів України. Отже, стає очевидним, що високомінералізовані води повинні піддаватися належному очищенню. Для очищення таких вод рекомендовано використовувати метод зворотнього осмосу. Даний метод дозволяє очищувати воду до рівнів якості питної води, а не лише до рівнів на скид у водойми. У першому розділі описано сучасні методи демінералізації та очищення висококонцентрованих стічних вод. До даних методів відносять демінералізацію води методами зворотнього осмосу та іонного обміну, реагентний та електрохімічний методи очищення води. В результаті роботи промислових виробництв щодня у природні джерела відбувається скид стічних вод, які несуть в собі іони жорсткості, хлориди, сульфати, фосфати, нітрати, хромати. При використанні зворотнього осмосу, який є одним з найперспективнішим методом очистки води, необхідно застосовувати методи попередньої обробки задля того, щоб уникнути заростання мембран та підвищити продуктивність процесу та термін експлуатації установки. Для того щоб впровадження екологічно безпечного промислового водоспоживання було ефективним, необхідно застосовувати комплексні технологіії водоочищення, які в результаті будуть давати змогу отримувати якісну воду та такі сполуки, які потім можна буде використовувати в інших промислових виробництвах. У даному розділі детально розглянуті та описані відомі методи демінералізації води, також визначено переваги та недоліки методів, окреслено перспективи їх розвитку. Під час написання даного розділу було проведено оцінку ефективності баромембранних методів знесолення води, відмічено високу якість очищеної води при застосуванні процесів зворотнього осмосу. Окреслені проблеми застосування методу пов`язані з попередньою підготовкою води, коригуванням складу очищеної води та переробкою концентратів. Також були визначені переваги та недоліки іонообмінного знесолення води, показано перспективи методу при розділенні іонів. Був проведений детальний аналіз електрохімічних методів очищення води за допомогою чого ми змогли оцінити перспективи їх використання як при освітленні та знесоленні води, так і при переробці сольових розчинів, що утворюються при очищенні води. У другому розділі дисертаційної роботи представлені об`єкти та методології досліджень, що включають в себе опис, характеристику, фізикохімічні властивості середовищ, матеріалів та реагентів, що використовувалися та представлені в наступних розділах дисертації. Об`єктами дослідження була артезіанська вода, шахтні води з Тарновської шати, води з відвідного колектору б. Таранова, а також модельні розчини. У розділі описані методи дослідження очищення води мембранними методами зворотньоосмотичного опріснення води, електрохімічні методи переробки концентратів. Наведені методики для контролю фізико-хімічних процесів та визначення концентраці речовин у воді. У третьому розділі роботи представлена оцінка впливу шахтних вод на стан водних об`єктів. Представлено еколого-технологічну класифікацію мінералізованих шахтних вод, показано вплив шахтних вод на стан природних водних об`єктів, приведено об`єм скидів високомінералізованих вод у поверхневі водні об`єкти за регіонами, а також приведені екологічні ризики засолення поверхневих вод концентрованими сольовими відходами. Проаналізовано вплив шахтних вод на стан природних водних об`єктів, приведено об`єм скидів високомінералізованих вод у поверхневі водні об`єкти за регіонами. Показані екологічні ризики засолення поверхневих вод концентрованими сольовими відходами, а також розраховані екологічні ризики для річки Казенний Торець, що входить до складу річок басейну Сіверського Дінця. У четвертому розділі дисертаційної роботи представлені результати досліджень при застосування зворотнього осмосу в процесах водопідготовки. Показана оцінка ефективності застосування зворотнього осмосу в процесах водопідготовки на прикладі таких досліджень, як пом`якшення води в процесах зворотньоосмотичного її очищення; показано залежність ефективності зворотньоосмотичних мембран від мінералізації води, показана оцінка впливу початкових концентрацій солей на селективність і продуктивність мембран, встановлено залежність зміни концентрації солей та тисків у системі зворотньоосмотичного опріснення води від ступеню відбору перміату, визначено необхідні тиски у системах знесолення води з використанням зворотньоосмотичних мембран, процедено оцінку ефективності зворотньоосмотичного очищення шахтних вод, приведена принципова технологічна схема опріснення слабомінералізованихх вод зворотнім осмосом. Також у даному розділі приведено виведенне рівняння, за рахунок якого можна визначити необхідний тиск в системі. Проведено переробку регенераційних розчинів у трикамерному електролізері з використанням алюмінієвих анодів. Також показано наскільки ефективними є алюмінієві коагулянти, що були отримані із відходів промислових виробництв, а також отриманих в результаті переробки хлористого натрію методом електролізу. У п`ятому розділі роботи представлено результати досліджень при застосуванні зворотнього осмосу при очищенні води від нітратів, фосфатів та хроматів. Проведено порівняльний аналіз ефективності зворотнього осмосу та іонного обміну та представлено результати по вилученню із води нітратів методом зворотнього осмосу та іонообмінним методом та доведено, що використання іонного обміну є більш доцільним, аніж використання зворотнього осмосу для вилучення з води нітратів. Також приведені результати по вилученню із води фосфатів методом зворотнього осмосу на прикладі використання модельних розчинів ортофосфату натрію і визначено, що зворотньоосмотична мембрана забезпечує високу селективність по фосфатах у розведених розчинах при фільтруванні розчину ортофосфату натрію у артезіанській воді. Показано, що в процесі очищення води від фосфатів зворотнім осмосом селективність по вказаних іонах зростає із ступенем відбору перміату. Також у даному розділі приведена оцінка ефективності зворотнього осмосу при вилученні із води хроматів та показано, як впливає рН на вміст хроматів у концентраті. | uk |
| dc.description.abstractother | Vakulenko A.K. Reduction of ecological risks of surface water salinization by concentrated salt waste. – Qualified scientific work on the rights of the manuscript. The dissertation for the degree of PhD on specialty 101 "Ecology". - National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute", Kyiv, 2023. The dissertation work is devoted to the solution of the problems of reducing the ecological danger arising from the salinization of surface waters by concentrated salt waste. Insufficient degree of wastewater treatment of municipal, industrial, and agricultural enterprises, discharge of mine water, waste during the development of ore minerals - these are the main causes of environmental pollution. Pollution of natural surface water bodies by substances contained in mine waters is one of the main environmental protection problems of the mining industry. Very often, such waters are discharged directly into reservoirs without the necessary preliminary treatment. These waters are characterized by chemical, mechanical, bacterial contamination, as well as fairly high mineralization in deep mines (sometimes over 70 g/dm3). At the same time, most of the traditional water purification technologies that exist today are inefficient and practically unsuitable for water desalination. Protecting natural water bodies from salinization due to technogenic influences is an important and urgent task. Due to the use of outdated technologies, they are not cleaned of mineral salts. At the same time, all mine water (in Donbas it is 1 billion m3/year) is discharged into surface waters without desalination, which leads to a significant increase in the salt content in them and to a decrease in the source of sources of providing the population of Ukraine with clean water. Therefore, the creation of effective low-waste water desalination technologies is an important scientific and technical problem. This is also important because the underground and surface waters of the coastal areas are characterized by a high level of hardness and mineralization. Large-scale salinization of surface waters by saline wastewater causes not only environmental, but also material damage. It is the reason that more than 20% of the population of Ukraine consumes poor-quality drinking water, which causes a high level of morbidity. The problem of providing high-quality drinking water to the population in water-scarce regions (coastal territories), where groundwater and surface reservoirs are characterized by high salt content, is significant. Obtaining drinking water from brackish mine and natural waters is one of the promising ways of expanding the fund of water supply sources, which is important for low-water regions of Ukraine. So, it becomes obvious that highly mineralized waters should undergo proper purification. To clean such waters, it is recommended to use the reverse osmosis method. This method allows you to purify water to drinking water quality levels, and not just to the levels for discharge into reservoirs. The first chapter describes modern methods of demineralization and purification of highly concentrated wastewater. These methods include demineralization of water using reverse osmosis and ion exchange methods, reagent and electrochemical methods of water purification. As a result of the operation of industrial productions, waste water containing hardness ions, chlorides, sulfates, phosphates, nitrates, chromates is discharged into natural sources every day. When using reverse osmosis, which is one of the most promising methods of water purification, it is necessary to apply pretreatment methods in order to avoid fouling of membranes and increase the productivity of the process and the life of the installation. In order for the implementation of ecologically safe industrial water consumption to be effective, it is necessary to apply complex water purification technologies, which as a result will make it possible to obtain high-quality water and such compounds, which can then be used in other industrial productions. In this section, well-known methods of water demineralization are considered and described in detail, the advantages and disadvantages of the methods are also determined, and the prospects for their development are outlined. During the writing of this section, an evaluation of the effectiveness of baromembrane methods of water desalination was carried out, and the high quality of purified water when using reverse osmosis processes was noted. The outlined problems of using the method are related to preliminary preparation of water, adjustment of the composition of purified water and processing of concentrates. The advantages and disadvantages of ion-exchange water desalination were also determined, and the prospects of the method for ion separation were shown. A detailed analysis of electrochemical methods of water purification was carried out, with the help of which we were able to evaluate the prospects of their use both in the clarification and desalination of water, and in the processing of salt solutions formed during water purification. The second section of the dissertation presents objects and research methodologies, including description, characteristics, physical and chemical properties of environments, materials and reagents that were used and presented in the following sections of the dissertation. The objects of the study were tap water of the city of Kyiv, mine water from Tarnovska Shata, water from the diversion collector b. Taranova, as well as model solutions. The chapter describes the research methods of water purification by membrane methods of reverse osmosis water desalination, electrochemical methods of processing concentrates. Techniques for controlling physical and chemical processes and determining the concentration of substances in water are given. The third section of the work presents an assessment of the impact of mine waters on the state of water bodies. The ecological and technological classification of mineralized mine waters is presented, the influence of mine waters on the state of natural water bodies is shown, the volume of discharges of highly mineralized waters into surface water bodies by region is given, as well as the ecological risks of salinization of surface waters by concentrated salt waste. The impact of mine waters on the state of natural water bodies is analyzed, the volume of discharges of highly mineralized waters into surface water bodies by region is given. The ecological risks of surface water salinization by concentrated salt waste are shown, as well as the ecological risks for the Kazennyi Torets river, which is part of the rivers of the Siversky Dinets basin, are calculated. The fourth chapter of the dissertation presents the results of research on the use of reverse osmosis in water treatment processes. The assessment of the effectiveness of the use of reverse osmosis in water treatment processes is shown on the example of such studies as water softening in the processes of reverse osmosis purification; the dependence of the efficiency of reverse osmosis membranes on water mineralization is shown, the assessment of the effect of initial salt concentrations on the selectivity and performance of membranes is shown, the dependence of the change in salt concentration and pressure in the reverse osmosis water desalination system on the degree of permeate selection is determined, the necessary pressures in water desalination systems using reverse osmosis membranes are determined, an evaluation of the effectiveness of reverse osmosis treatment of mine waters was carried out, a basic technological scheme of desalination of weakly mineralized waters by reverse osmosis was given. Also, in this section, the derived equation is given, due to which the required pressure in the system can be determined. Regeneration solutions were processed in a three-chamber electrolyzer using aluminum anodes. It is also shown how effective aluminum coagulants are, which were obtained from industrial waste, as well as obtained as a result of processing sodium chloride by electrolysis. The fifth chapter of the work presents the results of research on the application of reverse osmosis in the purification of water from nitrates, phosphates and chromates. A comparative analysis of the efficiency of reverse osmosis and ion exchange was carried out, and the results of the removal of nitrates from water by the reverse osmosis method and the ion exchange method were presented, and it was proved that the use of ion exchange is more appropriate than the use of reverse osmosis for the removal of nitrates from water. The results of the removal of phosphates from water by the reverse osmosis method are also presented, using model solutions of sodium orthophosphate as an example, and it is determined that the reverse osmosis membrane provides high selectivity for phosphates in dilute solutions when filtering a solution of sodium orthophosphate in artesian water. It is shown that in the process of purifying water from phosphates by reverse osmosis, the selectivity for the specified ions increases with the degree of permeate selection. This section also provides an assessment of the effectiveness of reverse osmosis in removing chromates from water and shows how pH affects the content of chromates in the concentrate. | uk |
| dc.format.extent | 214 с. | uk |
| dc.identifier.citation | Вакуленко, А. К. Зниження екологічних ризиків засолення поверхневих вод концентрованими сольовими відходами : дис. … д-ра філософії : 101 Екологія / Вакуленко Анна Костянтинівна. – Київ, 2023. – 214 с. | uk |
| dc.identifier.uri | https://ela.kpi.ua/handle/123456789/62461 | |
| dc.language.iso | uk | uk |
| dc.publisher | КПІ ім. Ігоря Сікорського | uk |
| dc.publisher.place | Київ | uk |
| dc.subject | мембранні процеси | uk |
| dc.subject | зворотній осмос | uk |
| dc.subject | мембранні методи | uk |
| dc.subject | очищення води | uk |
| dc.subject | очищення стічних вод | uk |
| dc.subject | демінералізація води | uk |
| dc.subject | зміна рН | uk |
| dc.subject | іоннообмінна сорбція | uk |
| dc.subject | шахтні води | uk |
| dc.subject | екологічні ризики | uk |
| dc.subject | membrane processes | uk |
| dc.subject | reverse osmosis | uk |
| dc.subject | membrane methods | uk |
| dc.subject | water purification | uk |
| dc.subject | wastewater treatment | uk |
| dc.subject | water demineralization | uk |
| dc.subject | changing the pH | uk |
| dc.subject | ion exchange sorption | uk |
| dc.subject | mine waters | uk |
| dc.subject | environmental risks | uk |
| dc.subject.udc | 504.4.054; 628.164; 628.165 | uk |
| dc.title | Зниження екологічних ризиків засолення поверхневих вод концентрованими сольовими відходами | uk |
| dc.type | Thesis Doctoral | uk |
Файли
Контейнер файлів
1 - 1 з 1
Вантажиться...
- Назва:
- Vakulenko_dys.pdf
- Розмір:
- 2.76 MB
- Формат:
- Adobe Portable Document Format
- Опис:
Ліцензійна угода
1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
- Назва:
- license.txt
- Розмір:
- 9.1 KB
- Формат:
- Item-specific license agreed upon to submission
- Опис: