Захист водних екосистем від забруднення мінералізованими стічними водами

Скорочена інформація про документ
dc.contributor.advisorГомеля, Микола Дмитрович
dc.contributor.authorКрижановська, Яна Павлівна
dc.date.accessioned2024-05-15T11:22:46Z
dc.date.available2024-05-15T11:22:46Z
dc.date.issued2024
dc.description.abstractДисертаційна робота присвячена вивченню питання захисту водних екосистем від забруднення мінералізованими стічними водами. Проблема забезпечення якісною, придатною питною водою населення нашої країни стоїть гостро, особливо в теперішній час, в час війни. Складна ситуація і в східних регіонах України, де внаслідок масштабного розвитку промисловості спостерігалось значне антропогенне навантаження на водні об'єкти. Сьогодні ситуація ускладнилась внаслідок інтенсивності воєнних дій. Не менш складна ситуація на південному сході та півдні України (приморські території), де мінералізація води підвищена за рахунок природних факторів. Проблема значно загострилась через війну, що спричинила руйнування систем водокористуання, руйнування Каховської ГЕС та знищення каховського водосховища. В значній мірі забруднення природних водойм зумовлене скидами високомінералізованих шахтних вод без належного очищення, стічних вод промислових підприємств, комунальних господарств та стічних вод, що утворюються на сільськогосподарських об’єктах. Часто засолені концентрати та елюати, що утворюються при очищенні природних вод, також скидають у природні водойми без очищення. Проблема значно ускладнюється тим, що всі відомі технології знесолення води супроводжується утворенням концентрованих сольових розчинів. А у регіонах з розвиненою металургією, на шахтах добування залізної руди, утворюються шахтні води, рівень мінералізації яких сягає 50-100 г/дм3 . Такі води не можна знесолювати ні зворотнім осмосом, ні іонним обміном. Дані розчини, як і концентрати, що утворюються при знесоленні води, утилізувати дуже складно. Процеси випаровування, виморожування та висушування надто енергозатратні. Інших ефективних технологій їх переробки на сьогодні не існує. Таким чином, створення ефективних, досконалих та дієвих маловідходних технологій опріснення природних вод є важливим та актуальним науковотехнічним завданням. Слід підкреслити важливість, саме, маловідходних технологій, які дають змогу на виході отримувати не просто очищену воду, а й корисні продукти, котрі реально можна використовувати в промислових цілях. Такий підхід дозволяє забезпечити не лише оздоровлення навколишнього природнього середовища, а також дає можливість впроваджувати економічнодоцільні, менш енергозатратні та ефективні технології водоочищення та водопідготовки. А ще, використання і поступове впровадження маловідходних технологій дає змогу досить помітно заощаджувати кошти закладених бюджетів і в подальшому - вивчати та впроваджувати нові більш сучасні технології та реагенти. Без отримання корисних продуктів, реалізація яких компенсує витрати на очищення води, впровадження процесів знесолення шахтних вод є практично нереальною. Мета даної дисертаційної роботи полягала в забезпеченні успішного впровадження сучасних технологій знесолення води за рахунок вирішення проблеми переробки засолених концентратів, що утворюється при очищенні води, з отриманням корисних продуктів, реалізація яких суттєво знизить загальні затрати на очищення та кондиціонування води. Результати дисертаційної роботи представлена у чотирьох розділах та додатках. У першому розділі дисертаційної роботи описано сучасні наукові методи опріснення природних вод та очищення забруднених стічних вод електрохімічними, мембранними методами, також методами концентрування та знесолення. Вивчено актуальність та важливість технологічних засад маловідходних виробництв, можливість отримання сучасних та ефективних коагулянтів, дезінфектантів, як вторинних продуктів очистки вод та їх застосування як перспективних реагентів для водоочищення. Вивчені та описані відомі методи демінералізації води, також окреслено їх переваги та недоліки, виокремлено перспективи їх розвитку. У другому розділі дисертації представлено об`єкти та методи досліджень, котрі включають в себе опис, характеристику, фізико-хімічні властивості тих середовищ, матеріалів та реагентів, які застосовувались та наведені в наступних розділах дисертаційної роботи. Об`єктами дослідження були Дніпровська вода, а також модельні розчини. У даному розділі описані реагентні методи очищення концентратів баромембранного опріснення води, а також електрохімічні методи переробки концентратів. Описані методики по контролю фізико-хімічних процесів та визначення концентрацій речовин у воді. У третьому розділі дисертаційної роботи експериментально проведено, а також проаналізовано та вивчено основні засади по утилізації концентрованих відходів, що утворюються внаслідок баромембранного знесолення вод. Вивчено основні умови та аспекти ефективного реагентного очищення мінералізованих вод від сульфатів за допомогою застосування відходів глиноземного виробництва («червоного шламу», котрий має великі перспективи у використанні, як коагулянт). Експериментально досліджено умови одержання окислених сполук хлору у двокамерному електролізері, беручи до уваги вплив щільності струму та концентрації хлорид-аніонів на ефективність перебігу процесу. Показано, що в двокамерних електролізерах, розділених аніонною мембраною в анодній області відбувається утворення окислених сполук хлору при постійній лужності розчину в катодній камері. З результатів досліджень видно, що в аноліті утворюються не лише активний хлор, але і гіпохлорит натрію, хлорити і хлорати натрію. Вихід за струмом окислених сполук хлору зростає з підвищенням концентрації хлоридів. При підвищенні щільності струму значні об’єми продуктів окисленого хлору витрачаються через дегазацію активного хлору та диоксиду хлору. Для забезпечення високих виходів гіпохлориту натрію розробили методику концентрування розчинів хлориду натрію електролізом у трикамерних електролізерах Вивчено умови та перебіг процесу електрохімічного отримання гіпохлориту натрію та активного хлору у герметичному двокамерному електролізері. Показано, що ефективність окислення хлоридів залежить від типу використаних мембран – дифузійної, катіонної та аніонної. Визначено залежність виходу активного хлору за струмом від концентрації розчинів, анодної щільності струму. Встановлено, що найбільш ефективним є використання катіонних мембран з відведенням активного хлору з аноліту. За даних умов досягнуто не лише отримання концентрованих розчинів гіпохлориту натрію, але і ефективного очищення розчинів хлориду натрію в широкому діапазоні концентрацій вихідних розчинів. У четвертому розділі дисертації експериментальним шляхом досліджено головні аспекти електрохімічної очистки концентратів баромембранного опріснення вод при використанні алюмінієвого аноду з отриманням алюмінієвого коагулянту AlCl3. Вивчено вплив на перебіг процесу таких факторів, як сила струму, котра в свою чергу залежить від напруги та електропровідності робочого розчину. Таким чином, зазначено, що така технологія дозволяє очищувати концентрати, що містять натрію хлорид та переробляти алюмінієвий металобрухт, а на виході одержувати сучасний ефективний коагулянт, що являється корисним вторинним продуктом. Також, в четвертому розділі вивчено процеси електрохімічного очищення розчинів хлориду натрію в трикамерному електролізері при використанні залізного аноду. Інтенсивність перебігу процесу, ступінь очищення робочого розчину залежить від таких факторів, як концентрація вихідного робочого розчину і сили струму. Досліджено електрохімічне очищення мінералізованих розчинів з отриманням коагулянту із суміші хлоридів і сульфатів у розчині. Було показано, що електродіаліз дозволяє переробити розчини сумішей хлориду та сульфату натрію, з одержанням суміші хлоридів та сульфатів заліза, придатних для використання в якості коагулятнів. Також, експериментально дослідили процеси електролітичної переробки засолених розчинів сульфату натрію при застосовуванні залізних анодів. Процес проводили в трикамерному електролізері із застосуванням залізного аноду. Дослідили вплив сили струму та часу процесу на ступінь очистки розчинів. Також, здійснено оцінку ефективності роботи отриманих коагулянтів, котрі одержано із відходів очищення води. Порівняли ефективність роботи нового одержаного коагулянту із існуючими на ринку, і підтвердили той факт, що їх робота є задовільною та ефективною. Виробництво коагулянтів із відходів водоочистки є перспективним, економічно вигідним та цікавим напрямком екологічної охорони навколишнього природнього середовища.
dc.description.abstractotherThe dissertation work is devoted to the study of the protection of aquatic ecosystems from pollution by mineralized wastewater. The problem of providing the population of our country with high-quality, suitable drinking water is acute, especially at the present time, during the war. The situation is also difficult in the eastern regions of Ukraine, where, due to the large-scale development of industry, a significant anthropogenic load on water bodies was observed. Today, the situation has become more complicated due to the intensity of hostilities. The situation is no less complicated in the southeast and south of Ukraine (seaside areas), where water mineralization is increased due to natural factors. The problem was significantly aggravated by the war, which caused the destruction of water use systems, the destruction of the Kakhova HPP and the destruction of the Kakhova reservoir. To a large extent, the pollution of natural water bodies is caused by discharges of highly mineralized mine waters without proper treatment, wastewater from industrial enterprises, communal facilities, and wastewater generated at agricultural facilities. Often, salted concentrates and eluates formed during the purification of natural waters are also dumped into natural reservoirs without purification. The problem is greatly complicated by the fact that all known water desalination technologies are accompanied by the formation of concentrated salt solutions. And in regions with dissolved metallurgy, mine waters are formed at iron ore mining mines, the level of mineralization of which reaches 50-100 g/dm3. Such waters cannot be desalinated either by reverse osmosis or ion exchange. These solutions, as well as concentrates formed during water desalination, are very difficult to dispose of. Evaporation, freezing and drying processes are too energy-consuming. There are currently no other effective technologies for their processing. Thus, the creation of effective, perfect and effective low-waste technologies for desalination of natural waters is an important and urgent scientific and technical task. It should be emphasized the importance of low-waste technologies, which make it possible to obtain not just purified water at the output, but also useful products that can actually be used for industrial purposes. This approach allows to ensure not only improvement of the surrounding natural environment, but also provides an opportunity to implement economically feasible, less energy-consuming and effective water purification and water treatment technologies. And also, the use and gradual introduction of low-waste technologies makes it possible to significantly save the funds of the budgets and in the further study and implementation of new, more modern technologies and reagents. Without obtaining useful products, the implementation of which compensates for the costs of water purification, the implementation of mine water desalination processes is practically impossible. The purpose of this dissertation was to ensure the successful implementation of modern water desalination technologies by solving the problem of processing salty concentrates formed during water purification, with obtaining useful products, the implementation of which will significantly reduce the total costs of water purification and conditioning. The results of the dissertation are presented in four sections and appendices. The first chapter of the dissertation describes modern scientific methods of desalination of natural waters and purification of polluted wastewater by electrochemical, membrane methods, as well as concentration and desalination methods. The relevance and importance of technological principles of low-waste production, the possibility of obtaining modern and effective coagulants, disinfectants as secondary products of water purification and their use as promising reagents for water purification were studied. Well-known methods of water demineralization are studied and described, their advantages and disadvantages are also outlined, and prospects for their development are highlighted. The second chapter of the dissertation presents the objects and methods of research, which include the description, characteristics, physicochemical properties of those environments, materials and reagents that were used and given in the following chapters of the dissertation. The objects of the study were Dnipro water, as well as model solutions. This section describes reagent methods for cleaning concentrates of baromembrane desalination, as well as electrochemical methods for processing concentrates. Techniques for controlling physical and chemical processes and determining the concentrations of substances in water are described. In the third chapter of the dissertation work, the basic principles of disposal of concentrated waste produced as a result of baromembrane water desalination were experimentally conducted, as well as analyzed and studied. The main conditions and aspects of effective reagent purification of mineralized waters from sulfates using alumina production waste ("red mud", which has great prospects for use as a coagulant) have been studied. The conditions for obtaining oxidized chlorine compounds in a twochamber electrolyzer were experimentally investigated, taking into account the influence of the current density and the concentration of chloride anions on the efficiency of the process. It is shown that in two-chamber electrolyzers separated by an anionic membrane in the anode region, the formation of oxidized chlorine compounds occurs at a constant alkalinity of the solution in the cathode chamber. The research results show that not only active chlorine is formed in the anolyte, but also sodium hypochlorite, chlorites and sodium chlorates. The current yield of oxidized chlorine compounds increases with increasing chloride concentration. When the current density increases, significant volumes of oxidized chlorine products are consumed due to degassing of active chlorine and chlorine dioxide. To ensure high yields of sodium hypochlorite, a method of concentrating sodium chloride solutions by electrolysis in three-chamber electrolyzers was developed. The conditions and course of the process of electrochemical production of sodium hypochlorite and active chlorine in a hermetic two-chamber electrolyzer were studied. It is shown that the efficiency of chloride oxidation depends on the type of membranes used - diffusion, cationic and anionic. The dependence of the output of active chlorine on the current on the concentration of the solutions and the anodic current density was determined. It was established that the most effective is the use of cationic membranes with removal of active chlorine from the anolyte. Under these conditions, not only concentrated sodium hypochlorite solutions were obtained, but also effective purification of sodium chloride solutions in a wide range of concentrations of the original solutions. In the fourth chapter of the dissertation, the main aspects of the electrochemical purification of baromembrane water desalination concentrates using an aluminum anode with the production of aluminum coagulant AlCl3 were experimentally investigated. The influence of such factors as the current, which in turn depends on the voltage and electrical conductivity of the working solution, on the course of the process was studied. Thus, it is stated that this technology allows for the purification of concentrates containing sodium chloride and processing of aluminum scrap metal, and at the output, obtaining a modern effective coagulant, which is a useful secondary product. Also, the processes of electrochemical purification of sodium chloride solutions in a three-chamber electrolyzer using an iron anode are studied in the fourth chapter. The intensity of the process, the degree of purification of the working solution depends on such factors as the concentration of the initial working solution and the current strength. The electrochemical purification of mineralized solutions with the production of a coagulant from a mixture of chlorides and sulfates in the solution was studied. It has been shown that electrodialysis allows processing solutions of mixtures of chloride and sodium sulfate, with the preparation of a mixture of chlorides and iron sulfates, suitable for use as coagulants. Also, the processes of electrolytic processing of salted sodium sulfate solutions using iron anodes were experimentally investigated. The process was carried out in a three-chamber electrolyzer using an iron anode. The effect of current strength and process time on the degree of purification of solutions was investigated. Also, the effectiveness of the obtained coagulants obtained from water treatment waste was evaluated. The performance of the new coagulant obtained was compared with the existing ones on the market, and confirmed the fact that their performance is satisfactory and effective. The production of coagulants from water treatment waste is a promising, economically profitable and interesting area of environmental protection.
dc.format.extent216 с.
dc.identifier.citationКрижановська, Я. П. Захист водних екосистем від забруднення мінералізованими стічними водами : дис. … д-ра філософії : 101 Екологія / Крижановська Яна Павлівна. – Київ, 2024. – 216 с.
dc.identifier.urihttps://ela.kpi.ua/handle/123456789/66788
dc.language.isouk
dc.publisherКПІ ім. Ігоря Сікорського
dc.publisher.placeКиїв
dc.subjectшахтні води
dc.subjectвисокомінералізовані води
dc.subjectелектрохімічні процеси
dc.subjectмембранна очистка
dc.subjectмаловідходні технології
dc.subjectкатод
dc.subjectанод
dc.subjectщільність струму
dc.subjectелектролізер
dc.subjectгіпохлорит натрію
dc.subjectактивний хлор
dc.subjectкоагулянт
dc.subjectіонообмінна мембрана
dc.subjectконцентрування
dc.subjectчервоний шлам
dc.subjectmine water
dc.subjecthighly mineralized water
dc.subjectelectrochemical processes
dc.subjectmembrane purification
dc.subjectlow-waste technologies
dc.subjectcathode
dc.subjectanode
dc.subjectcurrent density
dc.subjectelectrolyzer
dc.subjectsodium hypochlorite
dc.subjectactive chlorine
dc.subjectcoagulant
dc.subjection exchange membrane
dc.subjectconcentration
dc.subjectred mud
dc.subject.udc628.164; 504.062; 628.165
dc.titleЗахист водних екосистем від забруднення мінералізованими стічними водами
dc.typeThesis Doctoral

Файли

Контейнер файлів
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз
Назва:
Kryzhanovska_dys.pdf
Розмір:
4.38 MB
Формат:
Adobe Portable Document Format
Завантажити
Ліцензійна угода
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
Назва:
license.txt
Розмір:
8.98 KB
Формат:
Item-specific license agreed upon to submission
Опис:
Завантажити

Зібрання

Дисертації (ЕТРП)
Дисертації (вільний доступ)