Оптимизация технологического процесса электрокоагуляционной обработки сточных вод, содержащих эмульгированные нефтепродукты

Введение. На заводах тракторного и сельскохозяйственного машиностроения в технологическом процессе образуются нефтесодержащие сточные воды [1]. Из анализа литературных источников и патентной документации по существующим технологиям очистки нефтесодержащих сточных вод следует, что выбор метода и схемы очистных сооружений зависит от состава, концентрации, объема стоков, требований к качеству очищенной воды при учете региональных условий [2].

Электрохимические технологии обезвреживания нефтестоков, содержащих тонкодисперсные коллоидные и растворенные примеси, имеют преимущества перед традиционными методами обработки воды, так как установки компактны, солевой состав очищенной воды не увеличивается и образуется меньшее количество осадка [3].

Сущность процесса электрокоагуляции заключается в генерации ионов металла на поверхности анода и их переход в объем раствора, которые затем образуют малорастворимые соединения, обладающие высокой сорбционной активностью [4, 5].

Цель исследования : получение математической модели электрокоагуляции нефтесодержащих сточных вод и изучение состава осадка с целью последующей утилизации.

Методы и результаты исследования. Исследование процесса электрообработки постоянным током нефтесодержащих стоков проводилось в динамических условиях в электрокоагуляторе объемом 300 мл с алюминиевыми электродами, поверхность которых составляла 3,66 дм², при расстоянии между ними 10 мм. Определение концентрации нефтепродуктов проводили с использованием концентратомера КН-2, принцип действия которого основан на спектрофотометрическом определении уровня поглощения нефтепродуктами в инфракрасном спектре. Анализ химического состава осадка был изучен термогравиметрическим методом на приборе NETZSCHSTA 449F1. Проведение планового эксперимента по методу Бокса-Хантера позволило оценить не только влияние отдельных факторов, но и степень их взаимодействия. Основой данного метода являлось составление ротатабельного плана второго порядка, на основании которого выходная величина всегда равно удалена от центра [6].

В качестве варьируемых факторов были приняты следующие: х 1 ̶ начальная концентрация нефтепродуктов, мг/дм³; х 2 ̶ плотность тока, А/м²; х 3 ̶ производительность, дм³/мин.

Оценочными критериями являлись: у 1 ̶ остаточное содержание нефтепродуктов, мг/дм³; у 2 ̶ удельный расход электроэнергии, кВт·ч/дм³.

Основной уровень, интервалы варьирования и границы области исследования приведены в таблице 1.

Таблица 1

Фактор	Шаг изменения, ∆Х	Х 0	+1,68	+1	-1	-1,68
Х 1	300	700	1204	1000	400	196
Х 2	15	30	55,2	45	15	3,68
Х 3	1	2	4,8	3	1	0,32

Основные уровни и их интервалы варьирования

В ходе математической обработки данных были получены математические модели элек-эксперимента в поле матричного планирования трокоагуляции нефтесодержащих сточных вод:

у = 9,462 + 2,2 • x - 4,76 • x ₂ - 0,964 • x_t • x₂+2,096 • x₂ • x₃-1,926 • x ₃ • x + 0,747 • x2-1,28 • x ₃^!.

У ₂ = 3,735 + 4,16 • x ₂ - 3,226 • x ₃ - 0,23^ x • x ₂ -1,96 • x ₂ • x ₃ + 0,27 • x ₃ • x + 0,559 • x 2 + 1,408^ x ₃ ²

Статическая значимость отдельных параметров регрессионной модели, которые для значимости должны превышать минимальное значение на уровне значимости в 0,05 и числа степеней свободы 5, оценивалась при помощи критерия Стьюдента [6].

Оценка качества модели множественной регрессии, как в целом, так и отдельных параметров, являлась одной из ступеней данного исследования. Значимость регрессионной модели в целом производилась при помощи критерия Фишера. На основе данной математической обработки установлено, что модель статически надежна.

Для оценки влияния варьируемых факторов на значение выходного параметра (отклика), уравнения регрессии были приведены к натуральному масштабу:

– для остаточной концентрации нефтепродуктов у = 6,052 + 0,0264• у -0,63• Z2 + 5,4• Z3 -0,00021-Z • Z2+0,14• Z2 • Z3-0,0064• Z3 • Z+0,003-Z22 -1,28-Z32.

– для удельного расхода электроэнергии

У ₂ = 3,159 - 0,0018 • Z + 0,389 • Z ₂ -5,558 • Z ₃ -0,131 ^ Z ₂ • Z ₃ + 0,0009 • Z ₃ • Z + 0,0025 • Z ₂2 + 1,408 • Z 2 .

Математические модели электрокоагуляции нефтесодержащих сточных вод позволили установить, что наибольшее влияние на эффективность процесса оказывает величина плотно- сти тока, определяющая кинетику растворения анодов.

По уравнениям регрессии построены графические зависимости выходных параметров от варьируемых факторов (рис. 1).

У,мг/дм3

10        2

-5 0

У , мг/дм³

y = -1,28x2 + 3,02x + 13,552 y12 = -1,28x2 + 5,12x + 3,922 y3 = -1,28x2 + 7,22x - 4,358

Z,дм³/ 4 мин

1 – при 15 А/м²; 2 – при 30 А/м²; 3 – при 45 А/м²

-5

= 0,003x2 - 0,637x + 24,172 = 0,003x2 - 0,497x + 21,252 = 0,003x2 - 0,357x + 20,252

Z, А/м ₆ 2 ₀

1 – 1 дм³ /мин; 2 – 2 дм³ /мин; 3 – 3 дм³ /мин

У , мг/дм³

У,кВт∙ч/м3

y1 = 0,0137x - 1,828

2       y₂ = -5E-20x² + 0,0073x + 3,932

y3 = -2E-19x2 + 0,0009x + 7,132

Z , мг/дм³

500        1000       1500

-5

= 1,408x2 - 6,893x + 8,297

= 1,408x2 - 8,858x + 15,819

= 1,408x2 - 10,823x + 23,459

Z, дм³/мин 1            2            3 ^,          4

1 – 1 дм³ /мин; 2 – 2 дм³ /мин; 3 – 3 дм³ /мин

1 – при 15 А/м²; 2 – при 30 А/м²; 3 – при 45 А/м²

Рис. 1. Зависимости параметров отклика от варьируемых факторов

Для определения оптимальных режимов процесса электрообработки была проведена оптимизация диссоциативно-шаговым методом, т. е. целенаправленный поиск оптимальных условий, которые одновременно удовлетворяют всем имеющимся откликам, что способствует контролю процесса электрообработки.

Графические интерпретации в виде поверхностей, а также регулировочные диаграммы, построенные в программе «Mathcad», представляют собой взаимодействующие поверхности откликов (рис. 2). Поверхности, спроецированные на плоскость в виде взаимопересекаю-щихся изолиний, образуют зоны, отвечающие за максимальный эффект очистки и рациональное использование электроэнергии, что позволяет минимизировать оценочные критерии и в перспективе способствовать автоматизации.

б

Рис. 2. Регулировочные диаграммы при исходной концентрации нефтепродуктов: а – 196 мг/дм3; б – 400 мг/дм3; в – 700 мг/дм3; г – 1000 мг/дм3; д – 1204 мг/дм3;

в

г

д

Окончание рис. 2

По полученным графикам определяются оптимальные режимы процесса обезвреживания в местах пересечения поверхностей, с наименьшими выходными параметрами: остаточной концентрацией нефтепродуктов и затрачиваемой электроэнергией. Оптимальные режимы электрокоагуляционной обработки: плотность тока – 3,68–45 А/м2; производительность составляет 0,9–3,5 дм3/мин.

Для изучения состава осадка нефтесодержащих сточных вод был проведен дифферен- циально-термический анализ на приборе NETZSCH STA 449 F1, в диапазоне 30/20,0(к/мин)/1000. Термограмма осадка представлена на рисунке 3. Анализ кривой ДСК показывает, что на образце осадка наблюдается пик при следующей температуре: t = 121,2 оС – эндоэффект объясняется дегидратацией; при t = 302,0 °С и t = 434,6,0 °С термоэффекты связаны с полиморфными превращениями окси-гидратных форм алюминия; а при t = 528,6 оС экзоэффект характерен для сгорания масел [7].

Рис. 3. Термограмма осадка нефтесодержащих сточных вод

Вывод. Результаты исследований при рота-табельном планировании эксперимента электрокоагуляции нефтесодержащих сточных вод и построении графических интерпретаций в виде поверхностей позволили определить оптимальные режимы электрообработки нефтесодержащих сточных вод: плотность тока – 3,68–45 А/м²; производительность составляет 0,9–3,5 дм³/мин. Данные по изучению состава осадка термогравиметрическим методом на приборе NE-TZSCHSTA 449F1 в режиме ДСК-ТГ, в атмосфере А Z , в диапазоне 30/20.0 (К/мин)/1000 будут использованы для разработки технологии его утилизации.