Трус, Інна Миколаївна2024-02-092024-02-092023Трус, І. М. Створення наукових основ ресурсоефективних екологічно-безпечних технологій використання води у промисловості : дис. … д-ра техн. наук : 21.06.01 – Екологічна безпека / Трус Інна Миколаївна. – Київ, 2023. – 499 с.https://ela.kpi.ua/handle/123456789/64420Трус І.М. Створення наукових основ ресурсоефективних екологічно-безпечних технологій використання води у промисловості. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 21.06.01 – Екологічна безпека. – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» МОН України, Київ, 2023. Дисертаційна робота присвячена створенню наукових основ ресурсоефективних екологічно-безпечних технологій використання води у промисловості та направлена на вирішення актуальної проблеми – розширення державного фонду джерел водозабезпечення промисловості та населення України шляхом створення і реалізації проєктів освоєння альтернативних джерел водопостачання, захисту водних екосистем від шкідливого впливу забруднених стічних вод в умовах дефіциту водних ресурсів держави, військових дій, аварійних ситуацій та інших загроз національній безпеці України. Сучасний стан з водозабезпеченням в Україні давно викликає стурбованість фахівців. Інтенсивне забруднення поверхневих водойм, значна мінералізація та забруднення підземних вод, відсутність ефективних та екологічно безпечних технологій водопідготовки створюють безвихідну ситуацію, котра змушує споживати неякісну воду або подавати її в досить обмежених об’ємах. Проблема поглиблюється ще й тим, що хімічний склад вод в різних регіонах України досить різноманітний. І якщо для сходу більш раціональним є використання в якості джерел водопостачання мінералізованих шахтних вод та вод поверхневих водойм, то захід та південь орієнтовані більше на використання вод із підземних горизонтів, які також мінералізовані та мають підвищену жорсткість. На вирішення приведених проблем, розробку комплексної маловідходної технології водоочищення, придатної до використання в усіх регіонах України і орієнтована дана робота. В роботі вивчені процеси демінералізації природних та стічних вод та розроблені маловідходні технології кондиціювання шахтних та інших мінералізованих вод, які в умовах обмежених запасів прісних вод практично без очищення скидаються в природні водойми, погіршуючи і без того невисоку якість води в них. Крім того, одночасно будуть вирішуватись проблеми демінералізації артезіанських, ґрунтових та морських вод з отриманням технічної та питної води високої якості. В роботі також передбачено розробку технологій утилізації чи знешкодження рідких та твердих відходів, що утворюються в процесах водопідготовки з отриманням корисних продуктів, що є обов’язковим при створення маловідходних технологій. Використання отриманих результатів роботи дасть можливість створити наукові основи організації комплексних безвідходних систем водокористування у гальванічних виробництвах, визначити основні закономірності очищення води від біогенних елементів з перспективою отримання матеріалів для виробництва рідких добрив, створити нові реагенти, матеріали та технології стабілізаційної обробки води, зменшити її корозійну агресивність для забезпечення ефективного екологічнобезпечного використання води у промисловості і надійному захисті природних водойм від антропогенного забруднення. У першому розділі наведені дані про стан водних ресурсів України. Розглянуті методи вилучення з води органічних та неорганічних полютантів, що дозволяють запобігти кількісному та якісному виснаженню водних ресурсів та підвищити ефективність управління водними ресурсами для безперебійного забезпечення промислових підприємств водою. Обґрунтовано вибір підходів і технологій для забезпечення раціонального використання природних вод та повернення промислових стічних вод у виробництво, що суттєво розширює існуючі фонди джерел водопостачання та знижує антропогенний тиск на водні екосистеми. У другому розділі наведені відомості про об’єкти і методи досліджень. Описані кількісні характеристики водних середовищ, що використовувались в процесі виконання досліджень. Детально описані методики синтезу алюмінієвих коагулянтів – гідроксоалюмінату натрію, 5/6 гідроксохлориду алюмінію, гідроксоалюмінату кальцію. Наведено перелік приладів і обладнання та його технічні характеристики, що використовуються в роботі під час проведення дослідів. Проведено аналіз природних та стічних вод, які є перспективними для використання в якості джерел водопостачання, запропоновано склади модельних розчинів для детального вивчення процесів водоочищення. Ґрунтовно описані матеріали та установки, що використовувались для проведення досліджень, включаючи фізико-хімічні властивості іонітів, властивості гетерогенних іонообмінних мембран та мембран зворотньоосмотичного очищення води та ін. Наведено схеми та опис лабораторних установок іонообмінного, електрохімічного, баромембранного і реагентних процесів очищення води, детально описані методики реалізації даних процесів. Методологія проведення експериментальних досліджень основана на аналізі характеристик водних середовищ, наведені методи та описані формули, що дозволяють визначити основні кількісні та якісні параметри дослідження. Для підтвердження достовірності отриманих даних представлено методи їх математичної обробки. У третьому розділі на основі розрахунків з врахуванням хімічного складу, об’єму та корозійної агресивності води, критеріїв термостабільності визначені вимоги води в системі та в підживлюючій воді для відкритих і замкнутих систем. Показано, що при сумісному застосуванні алюмінієвих коагулянтів з вапном, содою чи лугом ефективність пом’якшення гідрокарбонатно-кальцієвих вод збільшується більше ніж вдвічі. Визначено умови ефективного очищення концентратів від сульфатів при застосуванні гідроксоалюмінату натрію і гідроксохлоридів алюмінію чи сумісно гідроксоалюмінату натрію й гідроксохлоридів алюмінію, металевого алюмінію, гідроксиду алюмінію, вапна, для оптимізації розрахунку доз реагентів використовується повний факторний план. Проведене випробування щодо підвищення ефективності знесолення води при використанні магнезиту, а також при попередній обробці гідроксиду алюмінію вапном в присутності соди. Розроблено спосіб стабілізаційної обробки води при використанні слабокислотного катіоніту в кислій формі. Даний метод є перспективним для обробки прісних вод з незначною різницею між загальною та карбонатною жорсткістю забезпечує повну декарбонізацію води, а в сольовій формі забезпечує її ефективне пом’якшення при підвищенні рН середовища. Експериментально підтверджена доцільність застосування високоосновних аніонітів у основній формі для пом’якшення вод, що містять високі концентрації аніонів сильних кислот, насамперед хлоридів і сульфатів. На основі отриманих даних запропоновано технологію іонообмінного розділення аніонів стічних вод з повною переробкою утворених відходів у цільові продукти. Зроблено оцінку ефективності використання стабілізаторів накипоутворення для високомінералізованих вод та запропоновано спосіб підвищення їх стабілізаційного і протинакипного ефектів при обробці ультразвуком чи озонуванням. Створено новий доступний стабілізатор осадковідкладень на основі дисульфонату натрію. У четвертому розділі показано, що при використанні мінералізованих вод єдиним ефективним способом захисту сталі від корозії у водному середовищі при підвищених температурах є надійне знекиснення води. Проведені дослідження показують, що сульфіт-аніони досить повільно реагують із киснем у воді, що знижує їх ефективність при знекисненні води. Даний процес можна прискорити у випадку присутності каталізаторів – йонів заліза чи кобальту у невисокій концентрації. Інноваційним технічним рішенням проблеми знекиснення води є розроблений спосіб, що передбачає дозування у воду бісульфіту натрію, йонів кобальту або заліза з подальшим фільтруванням води через аніоніт у сульфітній формі, що забезпечує економну витрату реагенту та значне збільшення фільтроциклу. У п’ятому розділі визначено ефективність іонного обміну при вилученні ВМ із води, показано високу ефективність сильнокислотних катіонітів для вилучення йонів свинцю із води та слабокислотних катіонітів для концентрування йонів свинцю із надрозведених розчинів при застосуванні стадій сорбції та десорбції. Встановлено, що при використанні сильно- та слабокислотних катіонітів для вилучення з води йонів кадмію, цинку та нікелю селективність іонітів була вищою по іонах кадмію. Досліджено процеси десорбції йонів цинку, кадмію та нікелю розчинами соляної кислоти та хлориду амонію, при цьому ступінь вилучення важких металів залежить від форми іоніту. Для вилучення і концентрування йонів міді, кадмію, цинку та нікелю застосування фільтрів змішаної дії дозволяє вилучити дані катіони від 50 мкг/дм3 до рівня 0,05 мкг/дм3. Встановлено, що на сорбцію іонів ВМ суттєва впливає присутність йонів жорсткості, що обумовлює зниження ефективності іонообмінного вилучення йонів ВМ з води, де присутні йони жорсткості. Вибір необхідного комплексону дозволяє повністю вилучати йони важких металів з води методами нанофільтраційного очищення. Показано, що НТМФК є ефективним для вилучення йонів нікелю, ОЕДФК – для вилучення йонів кадмію, НТМФК та ОЕДФК –для вилучення йонів міді. Визначено ефективність процесів вилучення важких металів з води при висадженні фероціанідом калію. Для забезпечення високої ефективності процесу флотації, селективності збирачів, зниження втрат флотаційного реагенту, досягнення оптимальних якісно-кількісних показників необхідно для вибору та наукового обґрунтування реагентів, які застосовуються в якості ПАР, використали квантовохімічні розрахунки методом неемпіричної молекулярної динаміки по програмі HyperChem. Розроблено надійні, екологічно безпечні і економічно вигідні методи глибокого очищення води від йонів важких металів у присутності йонів жорсткості при застосуванні сорбентів на основі магнетиту, які отримані при різних співвідношеннях концентрацій Fe2+ й Fe3+ в магнетиті та модифікованих сульфідом натрію, гуанідіну і тіосемікарбазіду. Встановлено, що при застосуванні модифікованих сорбентів на основі магнетиту можна знизити концентрацію важких металів до 1,2 мкг/дм3. Запропоновані технологічні схеми глибокого очищення води від йонів важких металів, що дозволяють отримувати очищену воду високої якості. У шостому розділі показано недоцільність використання катіонітів для вилучення йонів амонію. Досліджено ефективність процесів окислення амонію в однокамерному і двокамерному електролізерах в залежності від складу розчинів. Доведено, що наявність в розчині сульфатів сповільнює процес окислення амонію, тобто вони є інгібіторами процесу, а хлориди навпаки пришвидшують даний процес, тобто є каталізаторами, що дозволяє зменшити витрати електроенергії. Вивчено процеси сорбції нітратів та показано, що низькоосновний аніоніт Dowex Maraton WBA і високоосновний аніоніт АВ-17-8 мають високу ефективність їх сорбції в хлоридній формі. Показано, що ефективність розділення сульфатів і нітратів на високоосновному аніоніті аніоніті АВ-17-8 у NO3 - формі є високою за концентрації сульфатів та нітратів нижче 800 й 100 мг/дм3, відповідно та залежить від величини та співвідношення їх концентрацій у воді. Встановлено, що основною перевагою низькоосновного аніоніту DOWEX MARATHON WBA в Cl- формі при очищенні води від фосфатів є його високий ступінь ефективності регенерації, як в слаболужних, так і лужних середовищах. Застосування аміаку і хлориду натрію дозволяє досягти ступеня регенерації понад 97 %. Для впровадженням маловідходних технологій запропоновано методи переробки регенераційних розчинів для виробництва рідких добрив. Показано придатність застосування високоосновного аніоніту в хлоридній та основній формах для очищення води від фосфатів. Встановлено, що ємність аніоніту майже не залежить від його форми, проте виявляє значну залежність від наявності сульфатів, які є конкуруючими іонами, в зв’язку з чим метод перспективний тільки при концентрацій сульфатів < 1,0 мг-екв/дм3. Виявлено, що розчини Na2CO3, NaCl, NH4Cl, (NH4)2SO4, KOH, дозволяють досягти повну десорбцію фосфатів із аніоніту. Визначено перспективи застосування відпрацьованих регенераційних розчинів виробництва рідких добрив. Отримані результати використано в технології іонообмінного очищення питної води від нітратів, та в технології вилучення нітратів і фосфатів при доочищенні стічних вод. Обґрунтовано застосування методів електрокоагуляції в процесах ефективного вилучення фосфатів із розчинів у вигляді осаду. Даний метод забезпечує ефективність процесу на рівні ~ 99 %. Показано, що застосування алюмінієвих електродів в процесі висадження фосфатів є більш ефективним в порівнянні з стальними анодами. Експериментально підтверджено, що електроди не пасивуються при наявності у розчині чи слабокислому середовищі хлоридів, як наслідок, це дозволяє пришвидшити процеси електрокоагуляції. Розроблені принципові маловідходні технологічні схеми очищення води від нітратів та фосфатів. У сьомому розділі показано можливість переробки електрохімічним методом у двокамерному електролізері, що має аніону мембрану, вод різної мінералізації чи навіть концентратів мембранного знесолення. Даний метод дозволяє ефективно знесолити воду та отримати окислені сполуки хлору. Показано, що інтенсивність окислення хлоридів знижується при наявності в концентраті йонів жорсткості та підвищується при збільшенні початкової концентрації хлоридів в розчині і підвищенні анодної густини струму. Визначено перспективність застосування при електрохімічному окисленні хлоридів високоосновного аніоніту АВ-17-8, який внаслідок фіксації окислених сполук хлору на аніоніті дозволяє знизити втрати активного хлору в результаті дегазації. Підтверджено доцільність застосування трикамерних електролізерів з двома аніонними мембранами в процесах демінералізації розчинів, які мають високий вміст хлоридів та сульфатів і значний рівень жорсткості. Показано, що ні введення магнезиту, ні концентрація лугу понад 0,1 г-екв/дм3 в катодній області на даний процес не впливають. Даний метод є перспективним та вирішує проблему знесолення мінералізованих вод. Встановлено, що в процесі електролізу можна отримувати сірчану кислоту і луг та підвищувати їх концентрацію 45 % при використанні двохкамерного електролізера з іонообмінною мембраною. Розроблені методи утилізації осадів, що утворюються при очищенні мінералізованих, шахтних вод та вод у промисловості будівельних матеріалів. Показана перспективність їх застосування як добавки-розширювача для розширливих і тампонажних цементів; замінника природного гіпсового каменю; активатора тверднення цементів з активними мінеральними добавками; добавки-прискорювача тужавлення в складі бетонів і розчинів, що призначені для торкретних робіт.499 с.ukводопідготовкаводопостачаннястічні водидемінералізаціястабілізаційна обробказнекисненняважкі металибіогенні елементибудівельні матеріалиwater treatmentwater supplywastewaterdemineralizationstabilization treatmentdeoxygenationheavy metalsbiogenic elementsconstruction materialsThesis Doctoral504.4.062.2; 628.161; 628.33; 66.081.63; 66.097.8