Оптимизация технологического процесса электрокоагуляционной обработки сточных вод, содержащих эмульгированные нефтепродукты
Автор: Халтурина Т.И., Козлова С.А., Чурбакова О.В., Третьяков С.Г.
Журнал: Вестник Красноярского государственного аграрного университета @vestnik-kgau
Рубрика: Технические науки
Статья в выпуске: 5, 2017 года.
Бесплатный доступ
Статья посвящена актуальной проблеме снижения техногенного воздействия на окру-жающую среду. Показаны данные эксперимен-тальных исследований по изучению электро-обработки постоянным током нефтесодер-жащих сточных вод заводов тракторного и сельскохозяйственного машиностроения. Цель исследования: получение математиче-ской модели электрокоагуляции нефтесодер-жащих сточных вод и изучение состава осад-ка для последующей утилизации. Определение концентрации нефтепродуктов проводили с использованием концентратомера КН-2. Ана-лиз химического состава осадка был изучен термогравиметрическим методом на приборе NETZSCHSTA 449F1. В работе были примене-ны методы ротатабельного планирования эксперимента. Установлено, что наибольшее влияние на процесс обезвреживания оказыва-ет величина плотности тока, которая опре-деляет кинетику растворения анода и произ-водительность. Была проведена оптимизация процесса по уравнениям регрессии для полу-чения регулировочных диаграмм. Построение графиков поверхностей и регулировочных диаграмм исследуемых функций было сделано в программе Mathcad. Результаты исследова-ний при планировании эксперимента по мето-ду Бокса-Хантера позволили определить оп-тимальные режимы электрокоагуляционной обработки нефтесодержащих сточных вод: плотность тока 3,58-45 А/м2; производитель-ность составляет 0,9-3,5 дм3/мин. Изучен со-став осадка термогравиметрическим мето-дом на приборе NETZSCHSTA 449F1 в режиме ДСК-ТГ, в атмосфере АZ, в диапазоне 30/20.0 (К/мин)/1000 для разработки технологии его утилизации.
Нефтепродукты, сточ-ные воды, электрокоагуляция, планирование эксперимента, оптимизация, регулировочные диаграммы, осадок, термогравиметрический анализ
Короткий адрес: https://sciup.org/140224211
IDR: 140224211
Текст научной статьи 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 • xt • 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.
Список литературы Оптимизация технологического процесса электрокоагуляционной обработки сточных вод, содержащих эмульгированные нефтепродукты
- Укрупненные нормы водопотребления и водоотведения для различных отраслей промышленности//ВНИИ ВодГЕО. -М.: Стройиздат, 1978. -590 с.
- Руденко Т.М. Разработка эффективной технологии очистки сточных вод, содержа-щих нефтепродукты: автореф. дис.. канд. техн. наук. -Новосибирск: Изд-во НГАСУ, 2008.
- Халтурина Т.И, Руденко Т.М, Чурбакова О.В. Исследование технологии электрохимиче-ской обработки сточных вод, содержащих эмульгированные нефтепродукты//Изв. вузов. Строительство. -2008. -№ 8. -С. 56-60.
- Пазенко Т.Я. Халтурина Т.И., Колова А.Ф. и др. Электрокоагуляционная обработка маслосо-держащих сточных вод//Журнал прикладной химии. -1985. -№ 11. -С. 25-67.
- Халтурина Т.И, Чурбакова О.В. К вопросу электрокоагуляционной очистки сточных вод, содержащих эмульгированные нефте-продукты//Вестн. КрасГАУ. -2016. -№ 5. -С. 91-99.
- Батрак А.П. Планирование и организация эксперимента: учеб. пособие. -Красноярск: Изд-во СФУ, 2010. 60 с.
- Иванова В.П., Касатов Б.П., Красавина Т.Н. и др. Термический анализ минералов и гор-ных пород. -М.: Недра, 1974. С. 399.