ФОТОХИМИЧЕСКИЙ РЕАКТОР ОКИСЛЕНИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ В ШАХТНЫХ ВОДАХ

Шейнкман Леонид Элярдович

д-р техн. наук, профессор

Тульского государственного университета, г. Тула,

E-mail: eliard@yandex.ru

Дергунов Дмитрий Викторович

канд. техн. наук, инженер

Тульского государственного университета,г. Тула,

E-mail: dmitrov83@mail.ru

PHOTOCHEMICAL REACTOR OXIDATION OF ORGANICSUBSTANCES IN MINE WATERS

Leonid Sheinkman

Doctor of Technical Sciences, Professor of Tula State University, Tula

Dmitry Dergunov

Candidate of Technical Sciences, Еngineer of Tula State University, Tula

АННОТАЦИЯ

Рассмотрен фотохимический реактор окисления фенольных стоков угольных шахт, направленный на повышение уровня очистки.

ABSTRACT

Considered photochemical oxidation reactor effluent phenol coal mines aimed at improving treatment.

Ключевые слова: шахтные воды; загрязнение; фенол; очистка.

Keywords: mining; pollution; phenol; cleaning.

В горнодобывающей промышленности могут встретиться три типа сточных вод: откачиваемые шахтные воды; сточные воды обогатительных цехов и предприятий, расположенных на территории рудника; инфильтрационные воды, затопляющие заброшенную шахту.

Поскольку сброс откачиваемых шахтных вод без предварительной очистки может вызвать серьезное загрязнение природной среды, необходимо предусматривать их обработку, технология которой должна определяться в каждом конкретном случае.

Среди загрязняющих шахтную воду органических веществ особое место занимают фенолы, которые по степени загрязнения гидросферы занимают третье место после нефтепродуктов и тяжелых металлов [2].

Существующие технологии очистки предусматривают осветление предварительно скоагулированных шахтных вод в осветлителях со слоем взвешенного осадка, доочистку осветленных вод до установленных норм на скорых фильтрах, обеззараживание жидким хлором и обезвоживанием уловленных осадков и сгущенных шламов. Применяются методы коагуляции и флокуляции [1].

Современным, эффективным и экологически безопасным способом очистки шахтных сточных вод являются методы, основанные на усовершенствованных окислительных процессах, предусматривающие воздействие на загрязненную органическими соединениями воду окислителей: перекиси водорода и солей железа (III) совместно с ультрафиолетовой активацией — АОР системы (Advanced Oxidation Processes). Ключевой ступенью очистки в АОР технологии является стационарный фотохимический реактор с погруженными источниками излучения, обеспечивающими необходимый ультрафиолетовый поток для полной детоксикации фенольных загрязнителей.

Рассмотрим определение параметров фотохимического реактора на примере очистки фенолсодержащих сточных вод Печорского угольного бассейна.

При использовании трубчатой ртутной газоразрядной лампы низкого давления Philips UVA TL 100W/209-R 1SL с параметрами: мощность P=100 Вт; длина волны λ=365 нм; УФ-поток F_UV=24 Вт в качестве источника излучения, определялось количество фенольного соединения, окисляемого системой фото-Фентона (Раффа) [5].

Интенсивность излучения фотонов лампой определяется, как:

 где: ν_UV — интенсивность излучения фотонов лампой, с^-1; E_UV — энергетический поток лампы, Вт; E_hν — энергия фотона, Дж.

Интенсивность излучения фотонов лампой Philips UVA TL 100W/209-R 1SL при λ=365 нм составит (1): ν_UV=24/54,5·10^{— 20}=0,44·10²⁰ c^—1

Количество молекул фенольного соединения, деструктирующих в единицу времени определяется по формуле (2):

 где: N_ph — количество деструктирующих молекул фенольного соединения; ν_UV — интенсивность излучения фотонов источником облучения, с^-1; φ — квантовый выход.

Учитывая, значение квантового выхода окисления ВРА составляет φ=1,11·10^—3 [5], то количество окисленных молекул в единицу времени, определяемое по (2) будет равно: N_ph=0,44·10²⁰·1,1·10^{— 3}=0,484·10¹⁷ c^—1.

Определяя количество молекул фенольного загрязнителя, окисленных за время t=120 ч=432 000 с, получаем N_ph(t)=N_ph·t=0,484·10¹⁷·432·10³=209088·10¹⁷ молекул.

Количество молей вещества, разлагаемых за время t составит:

N_ph(m)=N_ph(t)/N_A= 209088·10¹⁷/6,022·10²³=0,03472 моль.

Количество разлагаемого вещества за время t в объеме V определяется по формуле (3):

 где: N_destr(t) — концентрация разлагаемого вещества за время t, моль; Q — расход, м³/с; P — уровень снижения концентрации, %; C_M — молярная концентрация загрязнителя, моль/м³; t — время, с.

Концентрацию фенола С=0,006 мг/л (С_M=С/Мr(C₆H₅OH)=0,006/94,11=6,376·10^-5 моль/м³), содержащегося в шахтных сточных водах шахт Воркутинского промышленного района (Печорский угольный бассейн), расходом Q=300 м³/ч (0,0833 м³/с), необходимо обезвредить с эффективностью 83,33 %, время очистки, определенное технологическим процессом составляет 120 ч.

Исходя из этих условий, в соответствии с (3) определим разлагаемое количество фенола: N_destr(t)=0,0833·432000·83,33·6,376·10^–7=191195,8399·10^–5 моль.

Таким образом, количество ламп, необходимое для фотокаталитического окисления фенольных соединений, сбрасываемых в составе шахтных сточных вод концентрацией 0,006 мг/л составит: N_lamps=N_destr(t)/N_ph(m)=55 ламп.

Учитывая, что коэффициенты поглощения лучей слоем воды и отражателем, принимаемыми согласно [4] равными 0,9, то необходимое количество ультрафиолетовых ламп можно принять равным 60 шт.

Высота слоя обрабатываемой воды  определяется из выражения (4) [3]:

где: n — высота слоя обрабатываемой воды, см; η_n — коэффициент использования УФ потока; α — коэффициент поглощения облучаемой воды, см^-1.

Задавшись величинами коэффициентов использования УФ потока η_n=0,9 [3, 4] и поглощения воды после осветления на стадиях механической и физико-химической очистки α=0,2 см^–1, в соответствии с (4) получаем величину слоя обрабатываемой воды: n=11,5 см.

C учетом слоя обрабатываемой воды и необходимого количества ламп, стационарный реактор ультрафиолетовой обработки воды может быть представлен контейнером, имеющим форму прямоугольного параллелепипеда, в который устанавливаются кассеты с ультрафиолетовыми лампами (рис. 1).

Рисунок 1. Схема стационарного фотохимического реактора

Параметры фотохимического реактора:

·     габариты лапы: длина l_lamps=1,77 м; диаметр d_lamps=0,0405 м; диаметр кварцевого чехла d_кч=0,045 м;

·   число секций — n_s=11 шт. по 6 ламп в каждой (одна резервная секция добавляется на случай замены ламп), которые размещаются в секциях на расстоянии k₂=2n (n=0,115 м) друг от друга, также как и секции; от стенок реактора на k₁=n;

·   длина, ширина и высота реактора (внутренние) определяются как l_r=22n+11d_кч; b_r=l_lamps; h_r=12n+6d_кч и равны соответственно

l_r=3 м, b_r=1,77 м, h_r=1,62 м; объем реактора — V_r=8,6 м³.

Лампы устанавливаются в реакторе в кварцевых чехлах. Объем заполняемой воды, соответствует разности объема реактора и общего объема, занимаемого кварцевыми чехлами. Так как кварцевый чехол, защищающий лампу от повреждений цилиндрической формы, то его объем определяется следующим образом: V_ч=πR²H=3,14·(0,045/2)²·1,77=2,8136·10^-3 м³.

Исходя из того, что число ламп в реакторе 66 шт., то общий объем чехлов составит 0,2 м³, а объем воды, наполняющей реактор 8,4 м³.

Рассматриваемый фотохимический реактор окисления органических загрязнителей является частью модульной системы локальной очистки шахтных вод. При изменении начальных параметров, при расчете реактора, конструкция его может быть модифицирована под требуемые технико-экономические условия очистки шахтных стоков.

Список литературы:

1.Алексеев Е.В. Физико-химическая очистка сточных вод: учебное пособие. М.: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2007. 248 с.

2.Дергунов Д.В. Очистка загрязненных органическими соединениями шахтных вод при подземной добыче угля: Автореф. дис. канд. техн. наук. Тула, 2012. 22 с.

3.Основы химии и технологии воды / Кульский Л.А.; Отв. ред. Строкач П.П.; АН УССР. Ин-т коллоидной химии и химии воды им. А.В. Думанского. Киев: Наук. думка, 1991. 568 с., ил.

4.Соколов В.Ф. Обеззараживание воды бактерицидными лучами. М.: Стройиздат, 1964. 233 с.: ил.

5.Соколов Э.М., Шейнкман Л.Э., Дергунов Д.В. Фотохимическая очистка фенолсодержащих сточных вод, образующихся при добыче угля // Экология и промышленность России. 2012. № 4. С. 36—39.