Scientific journal

International Journal of Applied and fundamental research

ISSN 1996-3955

ИФ РИНЦ = 0,593

Применение в процессах водоочистки гидродинамической и акустической кавитации в сочетании с так называемыми в англоязычной литературе «Advanses Oxidation Processes», основанными на формировании в растворе высокореакционноспособных кислородсодержащих радикалов, привлекает большой научный интерес современных исследователей [1–3].

При кавитации в водных растворах на границе кавитационных пузырьков (микрополостей) и жидкости при их схлопывании происходит рост температуры и давления. Установлено, что внутри схлопывающихся кавитационных микрополостей возникает высокое давление и температура достигает 5000 К. В условиях кавитация при разложении воды происходит образование пероксида водорода, гидрокисильных радикалов, способных вступать в окислительно-восстановительные реакции с органическими и неорганическими молекулами, присутствующими в воде [4–6].

В коллапсирующих микропузырьках, как в микрохимических реакторах, в экстремальных условиях активируются различные физико-химические процессы, и реализуется возможность для протекания окислительно-восстановительных реакций, которые не осуществимы при нормальных условиях.

В мировой научной литературе, при изучении сонохимических превращений используют генераторы акустических колебаний в широком частотном диапазоне, от 20 кГц и до 2 МГц. Наиболее изучено действие в комбинированных окислительных системах (US/Н2О2, US/О3) средне- и низкосреднечастотного ультразвука (US). При этом исследователями отмечается, что низко- и среднечастотные установки отличаются достаточно низким коэффициентом полезного действия и являются энергоемкими и это их основной недостаток.

Генераторы гидродинамической кавитации, устройства струйного и роторного типа в настоящее время достаточно широко используются во флотационных установках для очистки сточных вод, в том числе и сильнозагрязненных (нефтесодержащие стоки, стоки целлюлозно-бумажных и кожевенных производств и др.). При этом влияние основных параметров (давления, температуры, объема и состава раствора), а также типа генерирующих устройств при практической реализации процесса гидродинамической кавитации на механизмы окислительно-восстановительных реакций и скорость их протекания изучено недостаточно.

Цель исследования: экспериментальное моделирование процессов окисления соединений железа в условиях низконапорной гидродинамической кавитации (НГДК), генерируемой в устройстве струйного типа.

Материалы и методы исследования

Исследования проводились на модельных растворах сульфата железа (II), приготовленных на дистиллированной воде и имитатах, приготовленных на водопроводной воде с концентрацией железа 2–10 мг/л. Пилотные, укрупненные лабораторные испытания проводили на подземной воде п. Истомино (Республика Бурятия, Кабанский район). Глубина скважины – 38 м. Гидрохимические показатели водопроводной и подземной воды получены в аккредитованной лаборатории ФБУ «Бурятский ЦСМ» и лаборатории инженерной экологии БИП СО РАН (табл. 1). Концентрацию железа (II) в растворах до и после обработки определяли фотометрическим методом по ПНД Ф 14.1:2:3.2-95. Удельную электрическую проводимость, реакцию среды и концентрацию растворенного в воде кислорода контролировали прибором Multi 3410, снабженным электродами FDO®925, SenTix®940 и TetraCon®925 (WTW).

Экспериментальная установка (рис. 1), использованная в данных исследованиях, состояла из центробежного многоступенчатого насоса Grundfos CRNE-15, снабженного преобразователем частоты (1), бака-усреднителя объемом 7 л (2), в котором поддерживалась термостатом (6) постоянная температура 20 °С, линию для интенсивного и быстрого перемешивания раствора (3), напорную линию, включающую генератор кавитации (4), снабженный форсункой из фторопласта (7), которая размещена в проходном штуцере с плечиками (8) и манометр (5). При работе установки рабочий раствор из бака-усреднителя насосом по подающей линии направляется в генератор, где развивается кавитация за счёт формирования области пониженного давления. Все элементы установки выполнены из материалов, стойких к агрессивным средам.

Результаты исследования и их обсуждение

Предварительно были проведены расчеты, конструирование, изготовление и испытание лабораторного стенда, для генерирования низконапорной гидродинамической кавитации с использованием устройства струйного типа (рис. 1).

Известно, что перед входом в форсунку жидкость приобретает наибольшее ускорение и в этой области проявляются максимальные разрывные силы, что ведёт к разрыву сплошности среды, формированию микропузырьков и реализуются высокоэнергетические процессы.

Гидродинамические характеристики, описывающие работу устройства, представлены в табл. 2. Данные показывают, что при увеличении рабочего давления в системе увеличивается производительность устройства, увеличивается скорость потока жидкости, снижается число кавитации, что является важным параметром при переходе системы из бескавитационного течения в кавитационное.

Таблица 2

Характеристики процесса гидродинамической кавитации

Для расчёта числа кавитации использовали формулу

где Р – внешнее давление (101325 Па), ω – площадь поперечного сечения входного отверстия форсунки, Q – производительность устройства, n – скорость течения жидкости, равная , Pн.п. – давление насыщенных паров (при температуре 20 °С 2338 Па), ρ – плотность воды (при 20 °С 998,2 кг/м3).

Известно, что условия для возникновения кавитации возникают лишь тогда, когда в рассматриваемом нами местном сопротивлении число кавитации достигает критического значения (предельно допустимого) sкр. Число кавитации связано прежде всего с коэффициентом местного сопротивления в бескавитационном режиме. Для местных сопротивлений, являющихся следствием изменения сечения потока, можно предложить следующую зависимость в первом приближении [7]:

где z – коэффициент местного сопротивления.

При внезапном сужении коэффициент местного сопротивления будет равен

По формуле А.Д. Альтшуля может быть найден коэффициент сжатия струи – e.

где w1 – площадь сечения в узком трубопроводе сжатой струи, w2 – площадь сечения узкой трубы. С использованием вышеприведенных формул для форсунки с диаметром входного отверстия 4 мм были рассчитаны sкр и Ркр (табл. 3).

Таблица 3

Рассчитанные значения коэффициента сжатия струи, коэффициента местного сопротивления и критического числа кавитации

Исходя из расчетных значений критического числа кавитации (табл. 3) и чисел кавитации в рабочем режиме (табл. 2), можно сделать вывод, что для форсунки с диаметром входящего отверстия d = 4,0 мм, Ркр ≈ 1,4 атм. Таким образом, для дальнейших исследований процессов кавитации нами была использована в качестве генератора гидродинамической кавитации форсунка с диаметром входного отверстия d = 4,0 мм, и рабочее давление, равное 2,2 атм, так как число кавитации при этих условиях минимально допустимое, при минимальных затратах энергии. Сделанные выводы экспериментально подтверждают результаты по окислению железа (II) в водопроводной воде в условиях НГДК (рис. 2).

Проведение процесса в условиях НГДК ведёт к увеличению начальной скорости окисления железа (II) практически в 8 раз, с 0,659 мкМ/мин до 5,20 мкМ/мин (рис. 3). После 10 минут обработки остаточная концентрация железа (II) снижается до установленных норм (≤ 0,3 мг/л, СанПиН 2.1.4.1074-01). Добавление пероксида водорода ещё больше ускоряет процесс окисления железа (II), начальная скорость достигает 17 мкМ/мин, а остаточная концентрация железа (II) после двухминутной обработки составила 0,05 мг/л.

Ускорение процессов окисления железа под воздействием гидродинамической кавитации, инициированной в низконапорных устройствах струйного типа, происходит как за счет дополнительного формирования in situ гидроксильных радикалов, так и за счет интенсификации массообменных процессов в формирующейся микродисперсной газожидкостной среде.

Анализ литературных данных [8, 9] и полученных нами результатов и позволил провести сравнительную оценку удельной энергоэффективности процессов обезжелезивания при кавитационном воздействии (табл. 4). Рассчитывали интегральный параметр, так называемый кавитационный выход («cavitational yield») по формуле [10]:

где Y – количество окисленного железа (II) в расчете на единицу затраченной энергии, мг/МДж;

τ – продолжительность процесса, мин;

V – объем обрабатываемого раствора, мл;

Co – начальная концентрация, мг;

Сτ – концентрация после обработки, мг;

W – потребляемая мощность, Вт.

Наиболее энергоэффективным является процесс обезжелезивания природных подземных вод {НГДК + пероксид водорода} с использованием генератора кавитации струйного типа, при этом максимальный кавитационный выход достигает 480 мг/МДж. Неоспоримым преимуществом генераторов НГДК струйного типа также является простота их масштабирования при переходе к промышленным установкам.

Результаты укрупненных испытаний (рис. 4) по обезжелезиванию природной подземной воды хорошо коррелируют с закономерностями, установленными на модельных растворах и имитатах в лабораторных условиях. Скорость окисления железа (II) при комбинированной обработке {НГДК + пероксид водорода} составила 17,4 µМ/мин.

При этом уже после двух минут обнаруживаются лишь следовые концентрации Fe2+ и очищенная вода соответствует гигиеническим нормативам (≤ 0,3 мг/л, СанПиН 2.1.4.1074-01 «Вода питьевая»).

Заключение

Таким образом, на основании результатов экспериментального моделирования предложен эффективный комбинированный метод обезжелезивания природных подземных вод, которая заключается в кавитационной активации процессов окисления железа (II) пероксидом водорода, происходящих в микро- и нанодисперсных газожидкостных средах, и разработана принципиальная технологическая схема обезжелезивания природных подземных вод (рис. 5), включающая обработку подземной воды пероксидом водорода с одновременным кавитационным воздействием и последующим фильтрованием через зернистую загрузку.

Разработанная технологическая схема обезжелезивания может использоваться не только для кондиционирования природных подземных вод, но и для очистки шахтных и производственных оборотных вод.