Фильтрование механоактивированной морской воды

Функционирование береговых рыбоперерабатывающих предприятий, заинтересованных обеспечением потребителей продукцией высокого качества невозможно без подготовки воды, соответствующей надлежащим требованиям, где большое значение имеет один из этапов подготовки воды к использованию - фильтрование. Интенсификация данного процесса - важная прикладная задача, для решения которой необходима синергия имеющихся теоретических основ, а также современного опыта и наработок в совершенствовании методов фильтрования [1].

К настоящему времени коллективом авторов произведён ряд исследований в изучении свойств механоактивированных воды и суспензий, включающих экспериментальную часть в лабораторных условиях на стеклянной модели, а также в промышленных условиях на разработанной и сконструированной фильтрующей установке [2], полученные результаты обосновывают актуальность темы исследования и являются основой данной работы.

Исходя из этого, необходимо экспериментально подтвердить эффективность применения вибро-, вибромеханоактивации морской воды при фильтровании для повышения пропускной способности и интенсификации данного процесса.

В силу специфики деятельности рыбоперерабатывающих предприятий нуждается в обильном водопотреблении. Водные ресурсы для данного типа предприятий применяются непосредственно в производственных процессах обработки рыбного сырья, для мытья оборудования, поддержания санитарного состоянии помещений. Для консервных цехов характерно химическое загрязнение вод кислотами, щелочами для обработки банок. Поскольку морская вода является коррозионно-агрессивной средой, содержащей большое количество растворенных химических соединений (в наибольшем количестве содержатся хлориды - соединения натрия и магния с хлором, их количество составляет около 88% от общего содержания в воде растворенных веществ), такая вода непригодна для хозяйственно-бытовых нужд [3, 4, 5, 6]. Поэтому практической задачей фильтрования морской воды является уменьшение концентрации солей (опреснение), а также удаление посторонних примесей из воды, представляющих собой взвешенное (грубодисперсное), коллоидное и растворенное состояние [1]. На практике осуществляется различными способами, однако в рамках данного исследования особый интерес представляет фильтрование через разделительные фильтрующие перегородки, в предыдущих работах был подробно обоснован выбор [2]

данного вида фильтрования, а также положительных эффектов применения механоактивации при фильтровании водных растворов.

Морская вода, представляет собой сложный раствор, её физические свойства, в том числе, и плотность значительно отличаются от свойств химически чистой воды [7]. Понятие «раствор» подразумевает «однородную (гомогенную) систему, в состав которой входят молекулы (атомы, ионы) двух или более типов, причём доля частиц каждого типа может непрерывно меняться в определённых пределах. От механической смеси раствор отличается однородностью, от химического соединения - непостоянством состава» [2]. Таким образом, оба понятия - вода и раствор -характеризуются как однородная смесь тех или иных молекул. Феномен активации воды посредством воздействия на нее внешних факторов физической природы, приводящий к последствиям одинаковой направленности: изменению рН, вязкости и поверхностного натяжения. Существующие объяснения феномена сводятся, как правило, к предположению о перестройке структуры воды на молекулярном уровне [8-10].

Однако помимо содержания растворенных солей морская вода содержит в том числе, органику, живые организмы и растворенные газы, что обуславливает многофакторность состава и может повлиять на предсказуемость результатов механоактивации [11]. Исходя из этого, исследование процесса фильтрования механоактиви-рованной морской воды в настоящей работе будет производится через тканевые, бумажные, зернистые перегородки в лабораторных условиях. Анализ полученных результатов позволит оценить целесообразность последующего этапа, а именно фильтрования механоактивированной морской воды через насыпные зернистые перегородки в условиях, приближенных к деятельности берегового предприятия рыбной отрасли.

Материалы и методы

Проведено экспериментальное исследование на физической модели (рисунок 1), целью которого было определение пропускной способности фильтра, основных физико-химических показателей, напрямую влияющих на процесс и качество фильтрата: температура ( t , °С), плотность (р , кг/м³), водородный показатель (pH) , общее количество растворенных твердых веществ (TDS, ppm) , соленость ( S , %о) и др. Фильтрованию подвергалась морская вода (без активации, после вибро- и вибромеханоактивации) через бумажные и тканевые, зернистые перегородки.

Рисунок 1. Физическая модель

Figure 1. Physical model

Пробы морской воды отбирались в акватории о. Русский, мыс Поспелова на расстоянии 200 м от берега с глубины 10 м, в соответствии с действующими методиками.

В качестве разделительных перегородок были использованы следующие:

̶ бумажные – фильтровальная бумага, 1 слой;

̶ тканевые – бязь отбеленная, поверхностная плотность – 140 г./м2, 2 слоя;

̶ зернистые материалы – морской песок (навеска 300 г., средний размер фракций 0,3 мм), морской гравий (навеска 300 г., средний размер фракций 3 мм), Пробы природных материалов были отобраны на о. Русский, мыс Поспелова.

Выбор природных материалов обоснован тем, что морские пески отличаются низким содержанием глинистых и каменных примесей, имеют высокий коэффициент фильтрации, пористость зерна и класс радиоактивности и др. Достоинствами морского вида гравия являются, то что не влияют на химический состав воды, добываются в Приморском крае, после промывки не имеют примесей; устойчивы к воздействию агрессивных сред; не подвержены гниению;

отвечают высоким техническим и экологическим требованиям, имеют различные размерные фракции и др. [1, 16].

Подготовка зернистых материалов к применению проводилась согласно действующим документам.

В процессе исследования производилась фото- и видео фиксация. Все измерения производились в соответствии с действующими стандартами при помощи измерительных приборов с ценой деления 0,01, 0,1 и 1.

Движущая сила процесса фильтрования – разность давлений по обе стороны фильтрующей перегородки ( ∆Р , Па) определялась создаваемым гидростатическим давлением самой разделяемой жидкости. Активация осуществлялась вибромеханоактиватором при скорости вращения вала: ω = 2000 мин^-1, с амплитудой колебаний: А = 1,5 мм в течение: τ = 120–180 с. Для определения интересующих параметров (рН, t, TDS, солёность ( S , ‰) и ρ ) использовался анализатор качества воды W3988. Измерение таких показателей как солёность и плотность дублировалось с помощью оптического рефрактометра Brix&Salinity.

До начала процесса фильтрования через природные зернистые материалы на тканевую перегородку (2 слоя) сверху поочередно засыпались зернистые материалы слоем одинаковой толщины (h), таким образом, что первым засыпался материал с наибольшим размером зерен (морской гравий) d 1 , затем с размером зерен (морской песок) d 2 < d 1 , происходило естественное уплотнение – А 0 , частота колебаний ( f 0 = 0).

Результаты

В данном подразделе представлены результаты эксперимента в виде графических зависимостей, полученные в лабораторных условиях.

Сре (пня np

а

^* 1 без актпмшш (souai without acihiion

^" 2 после виброактвашса r= ISO c (иыа) after vibration activation c=lW> s (waler)

^" У после вибромехапс-аклвадан t 180 с < вода) aflcr vjliro-nuxhnnical adivalicin

^" :^wi актив nmai (суспензия) without activation (MieywiNiiiTi)

^^m 5 после кпчроиешкяппн t=l3l* c (суспензия i alter vibration activation r ISO

—i№it@™^^

(суспензия! after vibro-mechanical yuvationt 188 s (suspension! ., ; без актпмшш (МорскгяЕоЯа) without KltVMiotl (кеийп!

^■h 8после виброакшвалии г 120 с (морская вола! аПсг vilnatioti udivukm t=12u # bTioc ic^iii'ii'iicsiuKWinriaiini t")20 c (морская подл) after vibro-nieclianioii activation 1=1211 s (Sea ,

-----I hi |мноминллая (иода) Itelyinitirud (waler;

-----Поишомпальим (суспеили) Polynomial (suspension)

---(1и1нномиши1н (морсон вида) Polynomial (sentvater)

^™ I №n ЙГТШЫЩНИ < ПГ1ДЙ) witlwut

Средняя iipoiiycKimn ciiiKiAnovri. IMO», м/с               activation (wubt)

(фи.1ьт|ювальная псань,2 слоя)

Anvragc throughput Th-ИИ. m/s (filler fabric. 2 bycro) — 2 после мЮроактивашш^Ж c;№

*                  after vibrabcn actrealKHi t=l80 s (water)

б

^" 3 после Bii6poMc.'UiHc

_____т ISO s (water)

■! без агптацтлт (суспешия) ttitiwmt activation (suspension)

e^™ 5 после м^юлщпзатпт л 180 с (суспензия)

_____3=180 s (stypciiaoiii

^™ 8 ПоСлe пиброаппташш t 120 c (чорска«подл) after vibration activation

■fl 20 slMMwater)

9 после «пб^К1чехлпоактнпацяп t 120 c

(морская nesn) after tiilxtMnsclianical activation e=l20 я (seawaterj ----iTomiHOMm-ibitia Imus) Mynunual

Poly>noitmil (suipensku)

---11олт1омпалыы iморская веща) PolynoiniaJ (seawater)

Рисунок 2. Средняя пропускная способность: а – бумажного фильтра; б – тканевого фильтра

Figure 2. Average throughput: a – filter paper; b – filter fabric

На рисунке 2 представлена средняя пропускная способность бумажного (а) и тканевого (б) фильтров (без активации, после виброактивации и после вибромеханоактивации), при этом также определялись: средняя разница давлений (ΔРср, Па) и средний объемный расход (Qср, м³/c). Исследование фильтрования дистиллированной воды и меловой суспензии (3 г мела на 1 л воды) производилось после предварительной механоактивации в течении времени (τ = 180 с). Предварительные последующие исследования показали, что механоактивация в течении времени (τ = 120 с) на аналогичный объем жидкости (V = 1 · 10⁶ м³) является достаточной для получения положительного результата. Поэтому исследование пропускной способности фильтров при фильтровании морской воды осуществлялось после ее механоактивации в течении данного промежутка времени (экономия временных и энергоресурсов). Дальнейшее исследование будет направлено на уточнение оптимального времени активации (до минимального).

Анализ гистограмм (рисунок 2) позволил подтвердить рост пропускной способности фильтров под влиянием предварительной механоактивации исследуемых жидкостей (τ = 120–180 с). Установлено, что виброактивация и вибромеханоактивация способствуют повышению пропускной способности фильтров:

̶ бумажный фильтр (виброактивация): дистиллированная вода (до 7%); меловая суспензия (до 10%); морская вода (до 60%);

̶ бумажный фильтр (вибромеханоактивация): дистиллированная вода (до 12%); меловая суспензия (до 32%); морская вода (до 78%);

̶ тканевый фильтр (виброактивация): дистиллированная вода (до 4%); меловая суспензия (до 12%); морская вода (до 8%);

̶ тканевый фильтр (вибромеханоактивация): дистиллированная вода (до 30%); меловая суспензия (до 34%); морская вода (до 71%).

В таблице 1 предложена сравнительная характеристика средней разницы давления (ΔРср, Па) и среднего объемного расхода (Qср, м³/c) бумажного и тканевого фильтров.

Полученные результаты позволили перейти к исследованию пропускной способности насыпных фильтров (песок, гравий) при фильтровании морской воды, отличающейся своим сложным составом и физико-химическими свойствами (рисунки 3, 4). Данные зернистые материалы выбраны, для максимального приближения к условиям на береговых рыбоперерабатывающих предприятиях. Подбор наиболее подходящих зернистых материалов на данном этапе не планировался.

Таблица 1.

Сравнительная характеристика ΔРср, Па и Qср, м³/c

Table 1.

Comparative characteristics ΔРavg, Pa и Qavg, m³/s

Бумажный фильтр Paper filter			Тканевый фильтр Fabric filter
№	ΔРср, Па	Qср, м3/c	ΔРср, Па	Qср, м3/c
1	1900,70	105,6×10-8	1497, 51, 70	4,50×10-5
2	1892,56	112,24×10-8	1544,60	4,67×10-5
3	1844,74	118,21×10-8	1662,20	5,81×10-5
4	1812,89	7,2×10-8	1701,51	4,15×10-5
5	1832,09	7,87×10-8	1722,93	4,61×10-5
6	1987,18	9,49×10-8	1723,09	5,53×10-5
7	1715,02	4,15×10-7	1833,92	1,67×10-5
8	1990,68	6,66×10-7	1774,13	1,75×10-5
9	1987,70	7,38×10-7	1985,47	2,79×10-5

Рисунок 3. Средняя пропускная способность насыпного фильтра

Figure 3. Average throughput of a bulk filter

Рисунок 4. Зависимость пропускной способности насыпного фильтра от времени фильтрования

Figure 4. The dependence of the bulk filter throughput from filtration time

Анализ гистограммы (рисунок 3) и кривых (рисунок 4) позволил установить, что виброактивация и вибромеханоактивация морской воды также способствуют повышению пропускной способности насыпных фильтров: виброактивация (до 41%); вибромеханоактивация (до 116%).

Получив положительные результаты, нами было решено исследовать некоторые физикохимические показатели морской воды до и после (температуру t, водородный показатель pH, плотность ρ, соленость S и общее количество растворенных твердых веществ TDS), которые могут влиять на полученные данные.

Результаты измерений представлены на рисунках 5–9.

Рисунок 5. Изменение температура морской воды: I – уравнение: y = -0,00 х5 + 0,03 х4 – 0,13 х3 + 0,18 х2 + +0,33 x + 24,30; величина достоверной аппроксимации: R² = 1,00; II – уравнение: y = 0,02 х5 – 0,31 х4 + 2,17 х3 – – 7,19 х2 + 11,32 x + 18,70; величина достоверной аппроксимации: R² = 1,00

Figure 5. Seawater temperature change: I – equation: y = -0.00 x 5 + 0.03 x 4 – 0.13 x 3 + 0.18 x 2 + 0.33х + 24.30; value of reliable approximation: R² = 1.00; II – equation: y = d 0.02 x 5 – 0.31 x 4 + 2.17 x 3 – 7.19 x 2 + 11.32х + 18.70; value of reliable approximation: R² = 1.00

Рисунок 6. Изменение водородного показателя морской воды: I – уравнение: y = 0,00 x 5 – 0,06 x 4 + + 0,40 x 3 – 1,29 x 2 + 1,80 x + 6,63; величина достоверной аппроксимации: R² = 1,00; II – уравнение: y = 0,03 x 5 – 0,59 x 4 + 4,14 x 3 – 13,46 x 2 + 19,20 x – 1,83; величина достоверной аппроксимации: R² = 1,00

Figure 6. рН value of seawater change: I – equation: y = 0.00 x 5 – 0.06 x 4 + 0.40 x 3 – 1.29 x 2 + 1.80х + 6.63; value of reliable approximation: R² = 1.00; II – equation: y = 0.03 x 5 – 0.59 x 4 + 4.14 x 3 – 13.46 x 2 + 19.20х – 1.83; value of reliable approximation: R² = 1.00

Рисунок 7. Изменение плотности морской воды: I – уравнение: y = 0,04 х4 – 0,68 х3 + 3,93 х2 – 9,64 x + +1032,33; величина достоверной аппроксимации: R² = 1,00; II – уравнение: y = 0,02 x 4 – 0,34 x 3 + +1,97 x 2 – 4,82 x + 1 029,17; величина достоверной аппроксимации: R² = 1,00

Figure 7. Seawater density change: I – equation: y = 0.04 x 4 – 0.68 x 3 + 3.93 x 2 – 9.64х + 1032.33; value of reliable approximation: R² = 1.00; II – equation: y \u003d 0.02 x 4 – 0.34 x 3 + 1.97 x 2 – 4.82х + 1029.17; value of reliable approximation: R² = 1.00

Рисунок 8. Изменение солености морской воды: I – уравнение: y = 0,02 х4 – 0,25 х3 + 1,38 х2 – 3,21 x + +37,07; величина достоверной аппроксимации: R² = 1,00; II – уравнение: y = 0,03 x 4 – 0,47 x 3 + 2,75 x 2 – 6,75 x + 39,43; величина достоверной аппроксимации: R² = 1,00

Figure 8. Salinity of seawater change: I – equation: y = 0.02 x 4 – 0.25 x 3 + 1.38 x 2 – 3.21х + 37.07; value of reliable approximation: R² = 1.00; II – equation: y = 0.03 x 4 – 0.47 x 3 + 2.75 x 2 – 6.75х + 39.43; value of reliable approximation: R² = 1.00

Рисунок 9. Изменение TDS морской воды: I – уравнение: y = -0,65 x 2 + 1,95 x + 12,3; величина достоверной аппроксимации: R² = 1; II – уравнение: -0,75 x 2 + + 2,25 x + 12,1; величина достоверной аппроксимации: R² = 1; III – уравнение: -1,05 x 2 + 3,35 x + 11,3; величина достоверной аппроксимации: R² = 1

Figure 9. TDS of seawater change: I – equation: y = -0.65 x 2 + 1.95х + 12.3; value of reliable approximation: R² = 1; II – equation: -0.75 x 2 + + 2.25х + 12.1; value of reliable approximation: R² = 1; III – equation: -1.05 x 2 + 3.35х + 11.3; value of reliable approximation: R² = 1

Анализ гистограмм (рисунки 5, 6, 7, 8, 9) показал изменение следующих показателей морской воды при явном преимуществе вибромеханоактивации перед виброактивацией:

– после виброактивации: температура ↑ на 1,62%; водородный показатель ↓ на 1,5%; плотность ↓ на 0,1%; соленость ↓ на 1,72%; TDS после фильтрования виброактивированной воды ↓ на 11,02%;

– после вибромеханоактивации: температура ↑ на 4,04%; водородный показатель ↑ на 3,2%; плотность ↓ на 0,19%; соленость ↓ на 4%; TDS после фильтрования вибромеханоактивированной воды ↓ на 12,32%.

Кроме того, температура сохранялась в течении 6 часов, а водородный показатель начал стабилизироваться только после 3, не достигнув исходных значений, даже через 6 часов; плотность и соленость не изменили своих значений в отчетный период (до 6 часов после активации). Это позволяет прийти к выводу, что механоактивация является продолжительным эффектом.

При виброактивации морской воды отмечается снижение водородного показателя, что объясняется насыщением кислорода, так в процессе виброактивации создается большое количество пузырьков воздуха (рисунок 10, а), образующие слабую кислоту, возникает эффект минерализации, ее умягчение, а также снижении солености и плотности. Пена не формируется.

В процессе вибромеханоактивации морской воды образовывалась пена (рисунок 10 б, в), как и подобно морской пене – возникающей в естественных условиях за счет механических свойств жидкости при волнении волн, воздуха и органических соединений, растворенных в море, которые действуют как поверхностно-активные вещества, происходит насыщение воды кислородом, в результате чего образуются пузыри, которые сразу поднимаются на поверхность в виде пены, возникает эффект бриза, этим объясняется и изменение цвета морской воды.

а             б             в

Рисунок 10. Процесс механоактвации морской воды: а – виброактивация; б, в-вибромеханоактивация Figure 10. The process of mechanical activation of seawater:  a – vibration activation; b, c – vibro mechanical activation

Повышение водородного показателя происходит за счет высокой концентрацией, содержащихся в пене растворённых солей – солей жесткости (магния, кальция, железа и др.), в объеме воды же происходит снижение солености и плотности.

Заключение

Полученные экспериментальные и расчетные значения показали, что механоактивация морской воды позволяет не только повысить производительность процесса фильтрования, но и повысить качество фильтрата за счет снижения TDS. Повышение пропускной способности связано в первую очередь с повышением температуры, снижением плотности и солености. Дальнейшее исследование будет направлено на изучение вязкости и поверхностного натяжения морской воды после механоактивации, а также оптимального минимального времени активации.