Очистка воды с использованием кавитационного эффекта.

Очистка воды с использованием кавитационного эффекта.

С.А. Мельников, инж. ( ДонНТУ)
В.Л. Дебелый, КТН (ГОАО ‛Трест“Донецкшахтостроймонтаж“)

Экологи называют множество факторов техно­логических процессов, разрушающих природу. Но сходятся во мнении, что наиболее отрица­тельное воздействие технологических процессов отра­жается на водных ресурсах планеты. Нехватка чистой питьевой воды отмечается во всех регионах мира, в том числе в Украине. Известно, что более 1 млрд. чел. (при­близительно пятая часть населения земного шара) ис­пытывает недостаток в воде.

Основным источником загрязнения воды в Донбас­се являются шахты. Подземные и поверхностные воды прежде всего поступают в подземные выработки, про­ходят по трещинам и порам горных пород, насыща­ются различными веществами, которые могут нахо­диться во взвешенном, коллоидном и растворенном состояниях. Вследствие этого, удельный вес шахтной воды при температуре 15 °С больше чем чистой и ко­леблется от 1015 до 1025 кг/м³. На шахтах бассейна содержание твердых примесей в водах достигает 3 г/л. В коллоидном состоянии встречаются главным обра­зом кремнезем 8Ю₂, глинозем А1₂Оз, оксид железа Ре₂0₃, органические вещества. В шахтной воде могут быть также кислород О₂, углекислота СО₂, азот N₂, метан СН₄, сероводород Н₂8 и водород Н₂.

Кислотность воды непостоянна и обычно увеличи­вается весной, когда наряду с ростом притока pH сни­жается в 2-3 раза. Сильно кислая вода (pH < 3) обла­дает значительными агрессивными свойствами по от­ношению к металлу. Поэтому требуются специальные меры для обеспечения надежной работы водоотливных установок.

На шахтах Донбасса вода кислая, с показателем концентрации водородных ионов 0,8-5, на некоторых имеет щелочную реакцию с pH > 8… 12.

Шахтная вода обычно сильно минерализированная и жесткая. За единицу измерения жесткости принят 1 мг – эквивалент ионов кальция и магния, содержа­щихся в 1 л воды, 1 мг-экв. жесткости соответствует содержанию 20,04 мг/л Са⁺⁺ или 12,16 мг/л Мg⁺⁺. Из­ложенное указывает на то, что использование шахт­ной воды без предварительной обработки практичес­ки невозможно, а сброс ее в водоемы влечет засорение и угрозу флоре и фауне.

Существует ряд методов по очистке воды и обезза­раживанию. От твердых примесей воду в основном эффективно очищают через фильтры. Для биологичес­кой очистки в целях обеззараживания традиционно применяют ультрафиолетовые лампы низкого давле­ния. Они частично выполняют свои функции, однако малоэффективны при уничтожении спорообразующих бактерий, вирусов, грибков, водорослей и плесени. Эффективные дозы облучения для обеззараживания споровых форм и грибков достигают 100—300 , а лам­пы могут обеспечить только 16 МДж/см². Низкая эффективность данного метода связана с необходимос­тью частого обслуживания установим (чисткой защит­ных оболочек ламп).

Предлагаемый метод дает возможность избежать недостатков, присущих способу с использованием ультрафиолетового облучения. Метод биологической очи­стки воды заключается в применении гидродинами­ческого автоколебательного эффекта с помощью уст­ройства, позволяющего преобразовывать энергию потока турбулентной затопленной струи жидкости в гидродинамические автоколебания, вызывающие ка­витационный эффект. Устройство представляет собой прямоточный гидродинамический излучатель, кото­рый состоит из возбудителя колебаний и колеблющей­ся системы, создающей кавитацию. Кавитационная область образуется внутри потока жидкости и не со­прикасается с ограничивающими его поверхностями, что исключает их износ. В качестве излучателя приме­няют упругую пластину, на которую воздействует по­ток жидкости, вызывая в ней изгибные колебания, основная собственная частота которых

где а — коэффициент пропорциональности, зависящий от способа крепления пластины;

t— толщина пластины;
l — длина пластины;
Е — модуль упругости;      
p — плотность материала пластины

Следует отметить, что масса пластины, участвую­щая в процессе образования кавитационной области, несколько снижает собственную частоту. В струе жид­кости, воздействующей на пластину, возникают коле­бания частотой

fc=kv/h

где к — коэффициент пропорциональности, зависящий от скорости и расстояния до пластины;

и — скорость струи;

к — расстояние между соплом и пластиной.

Наиболее эффективна работа гидродинамическо­го излучателя при совпадении f_c и f_пс.

 

При движении жидкости со скоростью 20—30 м/с и избыточном давлении 0,5—1 МПа в прямоточном гидродинамическом излучателе генерируются колеба­ния частотой 25 кГц, вызывающие кавитацию,— раз­рыв сплошности потока жидкости с образованием пу­зырьков, давление внутри которых намного превышает давление в потоке. При «всхлопывании» пузырьков вследствие выделения огромного количества энергии полностью уничтожается микрофлора, присутствую­щая в жидкости. В случае применения данного спосо­ба уничтожаются такие споры плесени, как Asergollus (этот вид спор не уничтожается ультрафиолето­вым излучением).

Процессы, происходящие в так называемой кавитационной области, подлежат детальному изучению.

Как показали исследования, при изменении частоты колебаний гидродинамического излучателя     в пределах 15-20 кГц наблюдается разрушение на молекулярном уровне химических соединений и элементов, присутствующих в загрязненной воде. Это позволит эффективно очищать сильно загрязненные воды, к которым в большинстве случаев относятся шахтные. Кавитационный метод очистки воды с использованием гидродинамичеккого излучателя эффективен и прост в реализации.