*112416*

Строительство и архитектура/Водоснабжение и канализация

к.т.н. Квартенко А.Н.

Национальный университет водного хозяйства и природопользования, г.Ровно, Украина

Теоретические основы использования адвансированных технологий в комплексной очистке многокомпонентных подземных вод подвергшихся антропогенному загрязнению

В последние десятилетия в мировой практике наблюдается все более интенсивное воздействие техногенной составляющей на качество природных вод. Это влияние напрямую сказывается на необходимости развития новых энерго- и ресурсосберегающих водоочистных технологий, позволяющих успешно бороться с комплексным загрязнением природных источников водоснабжения. Наиболее сложными ингредиентами для очистки являются прочные комплексы ионов тяжелых металлов с органическими соединениями, нитриты, аммиак, высокотоксичные металлоорганические композиции, пестициды, фенолы. Известно, что использование хлорсодержащих реагентов для разрушения либо окисления данных ингредиентов приводит к образованию летучих хлорорганических производных, обладающих мутагенной активностью и весьма сложно удаляемых на существующих очистных сооружениях.

В последние годы для решения этой проблемы учеными рассматривается использование так называемых АОП (Advanced Oxidation Processes) технологий. К таким технологиям следует отнести комплексное воздействие сильных окислителей: озонирование, окисление Н₂О₂ в присутствии ионов Fe²⁺, окисление ультрафиолетом в комбинации с О₃ или Н₂О₂, окисление озоном или перекисью водорода, в условиях кавитации генерируемой ультразвуком. Рассматриваемые методы наряду с видимыми преимуществами перед традиционными технологиями обладают и рядом недостатков: образованием продуктов озонолиза, высокой стоимостью, сложностью в эксплуатации. В связи с этим значительный интерес по нашему мнению представляет технология совместного использования энергии, высвобождаемой в объеме жидкости в результате возникновения гидродинамической кавитации с энергией квантов излучаемых УФ источником, либо с воздействием постоянного магнитного поля определенной напряжённости. Под воздействием гидродинамической кавитации происходит изменение структуры воды с образованием свободных водородных связей [1]. Активированные в результате гидродинамической кавитации молекулы воды могут диссоциировать [2]:

Н₂О^* ® Н^· + ОН^*

ОН^· ® ^·ОН + hv

В результате кавитационного воздействия происходит разложения воды на Н^· и ^·ОН, увеличение концентрации О₂ а также образование свободных радикалов:

^·ОН + ^·ОН ® H₂O₂

^·ОН + H₂O₂ ® HO₂ + H₂O

^·ОН + HO₂ ® H₂O + O₂

Таким образом, образуется ряд элементов повышающих реакционную активность системы по отношению к находящимся в ней органическим соединениям как природного, так и антропогенного происхождения.

Кроме того, при кавитационной обработке в обрабатываемой воде протекают реакции трансформации радикалов с участием химически активных газов и рекомбинации радикалов [3]. В результате кавитационной обработки в водном растворе наблюдаются продукты радикального разложения молекул Н₂О, обнаруженные методом спиновых ловушек [4], а также рекомбинации радикалов, приводящие к накоплению в воде перекиси водорода и кислорода (рис. 1).

Как видно из рис. 1 одним из элементов возникающим в результате химических сдвигов под воздействием кавитации является озон, легко окисляющий соединения содержащие функциональные группы -ОН, -СНО,

-NH, -SH и ненасыщенные органические соединения.

Рис.1. Схема химических сдвигов в воде под воздействием кавитации [2].

С насыщенными органическими соединениями озон реагирует с образованием свободных радикалов [5]:

RH + O₃ ® R^· + ^·OH + O₂

Возможность деструкции органических соединений значительно расширяется при условии совместного использования окислителей и катализаторов фотохимических процессов. Известно [6,7], что совместное воздействие окислителей и ультрафиолетового излучения позволяет в водном растворе гаогенированное и частичное окисление углеродных компонентов хлор углеводов, СПАВ, органических комплексообразователей.

Нами предлагается подвергать УФ - облучению область возникновения кавитационных пузырьков таким образом, чтобы в окислительно-восстановительных реакциях идущих в обрабатываемой воде между растворенными веществами и продуктами ее расщепления принимали участие как крайне реакционноспособные с большинством органических молекул радикалы НО^· и ^·О так и кванты энергии излучаемые УФ-источником. Предполагается, что молекула органического вещества, поглотив квант энергии, переходит в возбужденное состояние, инициируя соударение, с другими молекулами приводя к возникновению цепных реакций. Совместная обработка воды УФ-облучением и продуктов расщепления воды (О₃) на несколько порядков увеличивает скорость реакции окисления нефтепродуктов, фенолов, пестицидов за счет появления радикала ОН^·.

Как видно из рис. 1 кроме О₃ и кислородных радикалов в воде образуется перекись водорода, молекулы которой (H-O-O-H) весьма непрочны по связи между атомами кислорода. Под воздействием постоянного магнитного поля определенной напряженности, либо УФ – излучения возможен разрыв связей (O-O) с образованием двух молекул радикала OH^· согласно уравнению:

H₂O₂ O₂H + O

H₂O₂ + O^·® OH^· + H₂O

В результате прохождения данных реакций образуются радикалы НО^· и ^·О, обладающие высокой окислительной способностью. Они могут инициировать некоторые цепные радикальные реакции.

H₂O₂ H₂O + ^·O₂ + 22,4 ккал/моль

Таким образом, используя УФ-облучения либо воздействие ПМП на область кавитации есть вероятность использования образующейся при гидродинамической кавитации перекиси водорода в качестве дополнительного источника свободных радикалов, а также получения радикалов с высокой окислительной способностью. Использование метода окисления с помощью свободных радикалов наиболее эффективно в интервале рН =6 – 8, что дает право на его эффективное использование в области очистки природных вод.

На заключительном этапе водоподготовки органические вещества, подвергшиеся совместному воздействию гидродинамической кавитации и УФ – излучения превращаются в углекислый газ и воду. Данный метод возможен к использованию для разложения гуминовых кислот, деструкции ПАВ, разрушению пестицидов, фенолов. Совместное использование метода гидродинамической кавитации – УФ - облучение позволяет снизить энергоемкость процесса очистки, повысить надежность работы водоочистного оборудования.

Литература:

1. Ивченко В.М. Кавитация и некоторые задачи гидродинамики //Исследования по прикладной гидродинамике. Киев: Наукова думка, 1965. С. 70-78.

2. Кулагин В.А. О феноменологической модели механолиза воды //Весник КГТУ. Вып. 2. Красноярск: КГТУ, 1996. С.61-68.

3. Кулагин В.А. Методы и средства технологической обработки многокомпонентных сред с использованием эффектов кавитации. Дис. д.-ра техн. наук. Красноярск, 2004. С.409.

4. Rosental I., Mossoba M., Ries P.J.//Magnet Reson, 1981.V. 45. P. 359.

5. Говорова Ж.М. Обоснование и разработка технологий очистки природных вод, содержащих антропогенные примеси. Дис. д.-ра техн. наук. Москва 2005. С. 425.

6. Журба М.Г., Жаворонкова В.И., Говорова Ж.М., Немцев В.А., и др. Очистка цветных маломутных вод,содержащих антропогенные примеси (сообщение П) //Водоснабжение и санитарная техника. -М., 1997, №7. - С.5-10.

7. Мураяма К., Тацуми К. Окислительное расщепление гуминовой кислоты в воде с применением перекиси водорода и УФ-лучей. «Когай», 1985 (япон.).