Адрышев А.К., Струнникова Н.А., Карибаева М.К.

Восточо-Казахстанский государственный технический университет им.Д.Серикбаева

Математическое моделирование обмена ионов Са²⁺ на природном цеолите

В настоящее время в мире и в Республике Казахстан для очистки воды, содержащей ионы металлов c повышенной минерализацией и жесткостью, используются следующие методы очистки:

химический – основан на добавлении в очищаемую воду различных химических реагентов, которые вступают в химические реакции с загрязнителями, образовавшиеся в результате соединения затем осаждаются в виде нерастворимых осадков;

мембранная фильтрация – в основе метода лежит разделение исходной воды на высокоминерализованную и пресную за счет пропуска через полупроницаемые мембраны под давлением выше осмотического (обратный осмос или баромембранный процесс) или за счет прямого осмоса (разности концентраций растворов);

ионообменный метод – основан на способности ионов металлов эффективно задерживаться соответствующими ионообменными смолами.

Выбор метода очистки с оптимальной технологической схемой достаточно сложная задача, обусловленная преимущественным многообразием находящихся в воде примесей и соответствующими требованиями, предъявленными к качеству очистки воды.

При необходимости ионообменные методы очистки воды используются для достижения очень низких концентраций загрязняющих веществ или полного обессоливания воды.

Для выбора метода определения оптимальных условий очистки воды необходимо создание математических моделей, позволяющих априоре установит целесообразность выбранного метода очистки.

В лабораторных и укрупненных лабораторных масштабах проведены исследования по очистке природных вод от солей жесткости цеолитами Тайжузгенского месторождения, которые в силу особенностей своего строения и свойств обладают ионообменными свойствами.

Исследования по извлечению ионов Са²⁺ проводились на реальных водах Донского водозабора. Воды Донского водозабора характеризуются чрезвычайным высоким содержанием жесткости, более 15 ммоль/дм³.

Воды Донского водозабора при периодическом перемешивании обрабатывались цеолитами Тайжузгенского месторождения.. При проведении экспериментов в статическом режиме варьировали время контакта сорбента с раствором (1,3,6,24 часов) и Т:Ж. По окончании контакта цеолита с раствором отфильтровывали твердую часть, а в растворе определяли остаточное содержание ионов кальция титриметрическим методом.

Полученные экспериментальные данные по очистке очищенной воды от ионов Са²⁺ были обработаны методами математического моделирования. На основании полученных экспериментальных результатов получено уравнение регрессии, связывающее скорость очистки и время контакта сорбента с водой.

Моделирование различных функциональных зависимостей показывает что, наилучшим образом процесс сорбции ионов Са²⁺ описывается степенной функцией и зависит от начальной концентрации, массы и времени контакта сорбента с раствором.

На рисунках 1 и 2 показаны зависимости скорости сорбции от времени контакта сорбента с водой для различных Т:Ж

Рисунок 1 – График зависимости скорости сорбции от времени контакта сорбента при Т:Ж=1:10

Рисунок 2 – График зависимости скорости сорбции от времени контакта сорбента при Т:Ж=1:5

Из представленных данных видно, что скорость сорбции уменьшается с течением времени, то есть скорость сорбции зависит от концентрации ионов Са²⁺ в воде, увеличение расхода сорбента не приводит к увеличению скорости адсорбции, то есть при проведении очистки можно ограничиться меньшими расходами сорбента, что сделает данную очистку более экономичной.