УДК 621.387
ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ОЧИСТКИ И ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ СТОЧНЫХ ВОД
Тленова Б.К., магистрант ЕНУ им. Л.Н. Гумилева, Нуржанова А.С., Адибаева А.С., студенты ЕНУ им. Л.Н. Гумилева, г. Астана
Научный руководитель - Боканова А.А., доцент ЕНУ им. Л.Н. Гумилева, д.т.н.
В экологическом отношении Республика Казахстан является одной из наиболее загрязненных стран мира. Огромное влияние на состояние окружающей среды оказывают нефтегазовые месторождения, освоение которых является источником интенсивного загрязнения воздуха, воды и почвы, деградации животного и растительного мира и, наконец, истощения природных ресурсов. Форма и масштабы человеческой деятельности должны быть соизмеримы с запасами невозобновляемых природных ресурсов, неизбежные отходы производства должны попасть в окружающую среду в форме и концентрации, безвредных для жизни. Особенно это относится к водным ресурсам.
Известен способ для получения пузырьков воздуха и регулирования их размеров путем электролиза воды при подаче напряжения на тонкую металлическую проволоку, помещенную вместе со вторым электродом в поток жидкости [1]. Хотя, в этом случае обеспечивается визуализация потока воды и определяются основные гидродинамические параметры жидкости при помощи фотографирования или скоростной киносъемки, но получить количественные характеристики пузырьков воздуха в потоке и тем более определить степени их насыщенности в том или ином направлении и сечении потока весьма затруднительны. При этом, из-за необходимости использования визуального подсчета количества пузырьков газа в жидкости по одноразовым фотокарточкам или кинокадрам для получения конечного результата потребуется дополнительная трудоемкая операция обработки данных. Кроме того, из-за вынужденного поперечного направления фото- и киносъемки по отношению к движению пузырьков газа в потоке возникает неопределенность области или сечения нахождения пузырьков в потоке, происходит накладка их друг на друга и не обеспечивается непрерывность контроля их количества, то есть в целом ведет к неточности определения количества пузырьков и к недостоверности конечного результата.
Ранее был известен способ измерения распределения скорости жидкости и газосодержания (степень насыщенности пузырьками газа) по сечению потока при помощи электродиффузионного метода, основанного на существующих закономерностях изменения диффузионного тока от скорости протекания электролита [70-71]. В этом случае в качестве первичного измерительного преобразователя служит платиновая проволока диаметром от 10 до 20 мкм, вваренная в стеклянный капилляр диаметром от 20 до 30 мкм и направленная торцом навстречу потока электролита. При измерении газосодержания в потоке этим датчиком используется изменение электропроводности среды вблизи него при набегании на него пузырьков газа.
В этом случае определение среднего значения газосодержания в потоке по изменению электропроводности электролита производится для сечения или объема в потоке, имеющего форму конуса, вершина которого располагается в точке нахождения платиновой проволоки, а основание его находится на втором электроде в виде пластины большого размера. На электропроводность электролита между электродами, кроме основного действия набегающих на измерительный электрод (платиновая проволока) пузырьков газа, которые пересекают эту конусообразную область потока мимо измерительного электрода. Все это приводит к определению только среднего значения газосодержания в обширной области потока, что снижает точность контроля и не обеспечивает локальность измерения. К тому же, если электропроводность электролита зависит от количества пузырьков газа,
160
находящихся в данной области, то следует ожидать изменение ее при изменении скорости потока, так как количество пузырьков газа за определенное время будет определяться скоростью движения их в потоке, что, в конечном итоге, оказывает существенное влияние на результаты измерения.
Основным недостатком предложенного способа является то, что ввиду дальнего расположения второго электрода от первого (платиновая проволока) измеряется суммарная электропроводность электролита между электродами, что дает возможность определить только среднее значение газосодержания (степень насыщенности пузырьками газа) в потоке.
Кроме того, при этом отсутствует четкость фиксации каждого отдельного пузырька газа в потоке, тем самым снижая точность контроля количества пузырьков газа в потоке жидкости.
К другому недостатку способа – прототипа относится необходимость снятия и построения тарировочной характеристики измерительного датчика для каждого отдельного случая изменения химического состава жидкости с соблюдением требования нормированного (калиброванного) газосодержания в жидкости, что ведет к проведению дополнительной трудоемкой операции, вносящей погрешность измерения в конечный результат.
Нашей задачей являлась разработка способа контроля пузырьков газа в жидкости, позволяющего обеспечить высокую точность контроля количества пузырьков газа в жидкости в данном объеме за единицу времени и определить степень их насыщенности в любом направлении и сечении потока.
При этом способе должна быть высокая точность определения количества пузырьков газа в некоторой локальной области жидкости путем обеспечения возможности фиксации каждого отдельного пузырька газа, а также обеспечение более простой и нетрудоемкой оценки степени насыщенности пузырьками газа жидкости.
В отличие от других способов контроля пузырьков газа в жидкости, в данном случае формируют импульсы электролизного тока на электродах, возникающих при перекрытии пузырьками газа одного из них, а затем измеряют частоту и коэффициент заполнения импульсов электролизного тока. После чего по частоте импульсов определяют количество пузырьков газа, а по коэффициенту заполнения импульсов – степень насыщенности пузырьками газа жидкости. Устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит два игольчатых электрода, расположенных в непосредственной близости друг от друга, источник питания с регулируемым напряжением на выходе, нагрузочный резистор, разделительную емкость для снятия импульсных сигналов и измерители частоты и коэффициента заполнения импульсов [1].
Устройство работает следующим образом. При подаче достаточного потенциала между электродами в электропроводящей жидкости (водные растворы, кислотные и щелочные соединения) создаются условия для возникновения постоянного электролизного тока между электродами, который не оказывает влияние на показания измерительных приборов на выходе. При подходе пузырька газа к электродам и протыкании одного из них наблюдается резкое прекращение электролизного тока, приводящее к появлению импульсов тока на нагрузочном резисторе. При этом длительности импульсов тока определяются
«временем нахождения», пузырьков газа на том или на другом измерительном электроде, причем это «время нахождения» пузырьков газа, в свою очередь, зависит от размеров пузырьков и скорости продвижения их в потоке. Для определения количества пузырьков газа за единицу времени, протекающих через заданную (локальную) область жидкости, где расположены измерительные электроды, измеряют частоту импульсов тока на нагрузочном резисторе. Следует отметить, что влияние на точность измерения размеров пузырьков газа и изменения скорости их продвижения в потоке минимально, так как появление пузырьков газа в области расположения электродов фиксируется только началом фронта прекращения электролизного тока между электродами.
К другой количественной характеристике пузырьков газа в жидкости относится степень насыщенности (газосодержание) потока пузырьками газа, которая определяется через измерение коэффициента заполнения импульсов электролизного тока, что равносильно
161
определению отношения длительности импульсов к интервалу (периоду) повторения их в долях единицы. Так как длительности импульсов и их повторение в одинаковой степени определяются скоростью жидкости в потоке, то при измерении их отношений влияние скорости движения пузырьков газа взаимно исключается.
Для проверки принципа работы предлагаемого способа было собрано устройство для получения одиночных пузырьков воздуха, всплывающих в воде, которое состоит из микропроцессора, пары измерительных электродов и электронных приборов (осциллограф с послесвечением, счетчик импульсов, импульсный вольтметр) для определения частоты, длительности и амплитуды импульсов тока на нагрузочном резисторе. Измерительные электроды представляют собой проволоки из нержавеющей стали диаметром 1 мм, помещенные в стеклянный капилляр с затупленными концами под полушар. Расстояние между электродами составляет порядка 1 мм. Напряжение питания составило порядка 5-7 В при электролизном токе 3-4 мА. При нагрузочном резисторе 1 кОм импульсные сигналы имеют амплитуду порядка 3-4 В [2].
Выбор материала электродов может быть увязан с агрегативной устойчивостью частиц загрязнений в сточной жидкости. Материал и геометрические параметры электродов влияют на размер пузырьков газа. Замена пластинчатых электродов на проволочную сетку приводит к уменьшению крупности пузырьков и, следовательно, к повышению эффективности очистки воды [2].
На рисунке 1 представлена функциональная схема устройства для контроля пузырьков газа в потоке нефтесодержащей жидкости, протекающей в трубопроводе [2].
а)
б)
а) Схема расположения электролизного датчика в трубопроводе
б) Диаграмма импульсов электролизного тока на нагрузке. А-амплитуда импульсов; ∆t- длительность; T0- период импульсов.
Рисунок 11 – Функциональная схема устройства для контроля пузырьков газа в трубопроводе
Устройство содержит электролизный датчик 1, состоящий из двух электродов, источника питания с регулируемым напряжением на выходе 2, нагрузочный резистор 3, разделительную емкость для снятия импульсных сигналов 4 и измеритель частоты и коэффициента заполнения импульсов 5. Атмосферный воздух с помощью компрессора 6 продувается через озонатор 7 и при прохождении его через диспергатор 8 образует пузырьки
162
озонированного воздуха в жидкости в трубопроводе 9. Кроме того, на рисунке приведена диаграмма импульсов электролизного тока на нагрузке 3.
При подаче достаточного потенциала между электродами в электропроводящей жидкости (нефтесодержащие сточные воды) создаются условия для возникновения постоянного электролизного тока между электродами, который не оказывает влияние на показания измерительных приборов на выходе. При подходе пузырька газа к электродам, и протыкании одного из них наблюдается резкое прекращение электролизного тока, приводящее к появлению импульсов тока на нагрузочном резисторе с амплитудой А. При этом длительности импульсов тока (∆t) определяются «временем нахождения», пузырьков газа на том или на другом измерительном электроде, причем это «время нахождения»
пузырьков газа, в свою очередь, зависит от размеров пузырьков и скорости продвижения их в потоке. Для определения количества пузырьков газа за единицу времени, протекающих через заданную (локальную) область жидкости, где расположены измерительные электроды, измеряют частоту импульсов тока на нагрузочном резисторе.
Следует отметить, что влияние на точность измерения размеров пузырьков газа и изменения скорости их продвижения в потоке минимально, так как появление пузырьков газа в области расположения электродов фиксируется только началом фронта прекращения электролизного тока между электродами
[2].
К другой количественной характеристике пузырьков газа в жидкости относится степень насыщенности (газосодержание) потока пузырьками газа, которая определяется через измерение коэффициента заполнения импульсов электролизного тока, что равносильно определению отношения длительности импульсов (∆t) к интервалуT0 (периоду) повторения их в долях единицы. Так как длительности импульсов и их повторение в одинаковой степени определяются скоростью жидкости в потоке, то при измерении их отношений влияние скорости движения пузырьков газа взаимно исключается.
Следует отметить, что предложенный авторами, импульсный метод является достаточно универсальным: изменения состава жидкости или их скорости потока не влияют на конечный результат, выбор значения начального электролизного тока также не существен, во всех случаях тарировка измерительного датчика не требуется. Между тем, необходимым критерием условия работы способа является существование различия электропроводностей жидкости в потоке и газа или воздуха в пузырьке. Определение количества пузырьков газа и степени их насыщенности в различных направлениях и сечениях потока обеспечивается применением серии парных электродов, что в целом решает вопросы непрерывного контроля и автоматизации процессов измерения. Для проверки принципа работы метода было собрано устройство для получения одиночных пузырьков воздуха, всплывающих в воде, которое состоит из пары измерительных электродов и электронных приборов (осциллограф с послесвечением, счетчик импульсов, импульсный вольтметр) для определения частоты, длительности и амплитуды импульсов тока на нагрузочном резисторе. Измерительные электроды представляют собой проволоки из нержавеющей стали диаметром 1 мм, помещенные в стеклянный капилляр с затупленными концами под полушар. Расстояние между электродами составляет порядка 1 мм. Напряжение питания составило порядка 5-7 В при электролизном токе 3-4 мА. При нагрузочном резисторе 1 кОм импульсные сигналы имеют амплитуду порядка 3-4 В [2].
