Спосіб моделювання сорбційної очистки води від ароматичних сполук

Реферат: Винахід належить до галузі обробки води та стічних вод, зокрема біосорбційної очистки води, і може бути використаний для інтенсифікації очистки стічних вод фармацевтичної, текстильної, шкіряної, хімічної, лісової та інших галузей промисловості. Задачею, на вирішення якої направлено винахід, є підвищення ефективності адсорбційної очистки води від ароматичних сполук за рахунок моделювання процесу адсорбційної очистки води для визначення раціональних умов протікання процесу сорбції з урахуванням структури активованого вугілля, умов фільтрування та наявності мікроорганізмів-деструкторів. Запропонований спосіб моделювання сорбційної очистки води від ароматичних сполук полягає у фільтруванні води 2 крізь шар мезапористого активованого вугілля з площею поверхні 800-1200 м /г, з поверхнею 2 мезапор 100-400 м /г, розміром часток 2-5 мм та з іммобілізованими мікроорганізмами в 12 14 кількості 10 -10 КУО/г вугілля, процес здійснюють із лінійною швидкістю фільтрування 0,1-10 м/год., а найвищий ступінь вилучення ароматичних сполук визначають за комбінованою технікою обчислень, що включає метод кінцевих різниць за схемою Кранка-Ніколсона, при цьому процес моделювання попередньо починають з методу ортогональної колокації. UA 99204 C2 5 10 15 20 25 30 35 Винахід належить до галузі обробки води та стічних вод, зокрема біосорбційної очистки води, і може бути використаний для інтенсифікації очистки стічних вод фармацевтичної, текстильної, шкіряної, хімічної, лісової та інших галузей промисловості. Відомий спосіб очистки стічних вод від органічних сполук активованим вугіллям SU, А. св. № 783237, кл.6 C02F1/28, опубл. 30.11.1980) [1]. Суть способу [1] полягає в використанні активованого вугілля для очищення води, забрудненої органічними речовинами. Даний спосіб забезпечує порівняно досить високу глибину очистки, але швидко настає насичення сорбенту органічними речовинами. Як недолік слід відмітити коротку тривалість робочого циклу. Найбільш близьким аналогом до винаходу за технічною суттю та результатом, що досягається, є спосіб очистки стічних вод від фенолу (UA 29409, МПК (6) C02F1/28, опубл. 15.11.2000 Бюл. № 6) [2]. Спосіб [2] реалізується наступним чином. Стічну воду лісохімкомбінату з концентрацією фенолу 10,25 мг/л пропускають знизу вверх з об'ємною швидкістю 10 мл/хв. через буре вугілля з розміром частинок 0,1-5,0 мм (в фільтр першого ступеня), і потім в фільтр другого ступеня, заповнений активованим вугіллям (співвідношення об'ємного заповнення бурого:активованого вугілля - 1:0,5), і загальною довжиною насипного шару 600 мм. Внутрішній діаметр фільтра 16 мм. Періодично, через кожні 25 хв., відбирають проби для кількісного визначення фенолу. Експеримент припиняють після досягнення в воді, яка очищується, концентрації фенолу 0,2 мг/л (умовний проскок). В способі [2] використовують об'ємну швидкість, а для більш коректного порівняння, нами розрахований час контакту розчину з гранулами вугілля, який становить 12 хв., при цьому час роботи дорівнював 91 год., при оптимальному, з точки зору авторів, співвідношенні бурого вугілля і активованого вугілля. Реалізація способу [2] не передбачала моделювання раціональних умов здійснення процесу очищення. Наприклад, не здійснювали вибір найбільш ефективної структури вугілля (об'єм пор, розмір пор), а також раціональної швидкості здійснення процесу. Задачею, на вирішення якої направлено винахід є, підвищення ефективності адсорбційної очистки води від ароматичних сполук за рахунок моделювання процесу адсорбційної очистки води для визначення раціональних умов протікання процесу сорбції з урахуванням структури активованого вугілля, умов фільтрування та наявності мікроорганізмів-деструкторів. Для вирішення поставленої задачі запропоновано спосіб моделювання сорбційної очистки води від ароматичних сполук, що включає фільтрування останньої крізь шар активованого вугілля, в якому, згідно з винаходом, як активоване вугілля використовують мезапористе 2 2 активоване вугілля з площею поверхні 800-1200 м /г, з поверхнею мезапор 100-400 м /г, 12 14 розміром часток 2-5 мм та з іммобілізованими мікроорганізмами в кількості 10 -10 КУО/г вугілля і процес здійснюють із лінійною швидкістю фільтрування 0,1-10 м/годину, а найвищий ступінь вилучення ароматичних сполук E  визначають із виразу: E  DdL,i   AY  2CL,i x 2  l CL,i x  1   Vg Lbf  0  utbf ,i  Xbf  Cbf ,i   4  rg  rbf K M  Cbf ,i 2 drbf  1    ,   utL ,i  Cbio  CL,i      CL,i  K ML  t   qa,i 2 40 де D dL ,i - коефіцієнт дифузії в рідкій фазі, м /с; 3 CL,i - концентрація речовини в рідкій фазі, г/м ; 3 Cbf - концентрація речовини в біоплівці, г/м ; l - лінійна швидкість, м/год.; 3 Vg - середній об'єм гранул вугілля, м ; 45  - порозність шару сорбенту, безрозмірна; qa,i - адсорбційна ємність сорбенту, кг/кг; utL ,i та utbf ,i - максимальна специфічна швидкість біодеструкції в рідкій фазі та біоплівці (мг/(КУОгод.)), відповідно; 3 AY - насипна щільність вугілля, кг/м ; rg - радіус гранул АВ, м; 50 rbf - товщина біоплівки, м; Lbf - максимальна товщина біоплівки, м; 1 UA 99204 C2 Xbf - коефіцієнт кількості біомасси, КУО/мг; 3 K ML та K M - коефіцієнт Моно для рідкої фази та біоплівки, мг/дм ; Cbio - концентрація мікроорганізмів в біоплівці, КУО/мг. 5 10 15 20 25 30 35 Нами вперше запропоновано використання моделювання процесу адсорбційної очистки води від ароматичних сполук з використанням властивостей біоплівки, з урахуванням структури твердого сорбенту, що включає моделювання з розрахунком по методу кінцевих різниць за схемою Кранка-Ніколсона, з попереднім перетворенням згідно з методом ортогональної колокації. Сукупність запропонованих операцій забезпечує вибір найбільш ефективних умов проведення адсорбційного процесу із визначенням найбільш високого ступеня очистки води від ароматичних сполук. У процесі роботи моделі зазначаємо, що для отримання стабільного рішення застосовуємо комбінований обчислювальний спосіб, в якому процеси дифузії в біоплівці і біодеградації субстрату апроксимуємо за схемою Кранка-Ніколсона, у той час як рішення диференціальних рівнянь для інших процесів (дифузія в розчині, адсорбція) здійснюється методом ортогональних колокацій. Використання цих перетворень дозволяє зменшити операції розробки та проектування пристроїв, які містять в своїй основі сорбційні процеси з урахуванням наявності мікроорганізмів-деструкторів. Таким чином, ефективність запропонованого способу визначається його багатофункціональними можливостями. Використовуючи засоби моделювання, можна отримати результат для визначення найкращих умов проведення процесу та подальшого їх використання при проектуванні установок і пристроїв, призначених для очистки стічних вод від ароматичних сполук. Особливо це важливо при очистці великих об'ємів води з органічним забрудненням. Спосіб реалізується наступним чином. Очистку води від ароматичних сполук здійснюють її фільтруванням крізь колонку, завантажену активованим вугіллям. Як активоване вугілля використовують мезапористе 2 2 активоване вугілля з площею поверхні 800-1200 м /г, з поверхнею мезапор 100-400 мг /г, розміром часток 2-5 мм. Процес фільтрування здійснювали із лінійною швидкістю 0,1-10 3 м/годину, концентрація забруднюючої речовини складала 10-50 мг/дм . Мікроорганізми попередньо іммобілізували на поверхні активованого вугілля шляхом струшування суспензії, що містила мікроорганізми-деструктори та частки активованого вугілля, до постійних значень концентрації мікроорганізмів, значення якої вимірювали фотометрично. Концентрація 12 14 мікроорганізмів на поверхні активованого вугілля становила 10 -10 КУО/г вугілля. Для вибору раціональних умов завантажуємо алгоритм рішення в математичний пакет MatLAB (можлива реалізація на будь-якому іншому програмному продукті з серії MathCad, Math Works або MathApp). В алгоритм вводимо параметри фільтрування, вказані вище. Загальний вигляд алгоритму являє собою наступне рівняння E  DdL,i   AY 40  2CL,i x 2  l CL,i x  1   Vg Lbf  0  utbf ,i  Xbf  Cbf ,i K M  Cbf ,i   4  rg  rbf 2 drbf  1      utL ,i  Cbio  CL,i      CL,i  K ML  t   qa,i Рішення системи алгебраїчних рівнянь здійснюємо прямим методом прогонки або методом факторизації Крауту, а рішення звичайних диференціальних рівнянь (що виникають у методі колокацій) здійснювалося методом Гіра. Процес моделювання попередньо починаємо з методу ортогональної колокації, для цього l виконуємо вирішення формули T   ai t фi x  , де ai t  - невідомі коефіцієнти, а фi t  - відомі i 1 45 50 аналітичні функції. Коефіцієнти ai t  визначаємо з вузлових значень T , розрахованих в точках, які вибираються з числа коренів ортогональних поліномів шляхом вирішення системи рівнянь, а апроксимуючі функції вибираємо з числа ортогональних поліномів. Наступний етап моделювання виконуємо при побудові дискретної сітки, що розбиває область рішення на інтервали по часу і простору, а також заміні похідних у вихідних диференціальних рівняннях з частинними похідними на еквівалентні їм звичайно-різницеві вираження і перегрупування членів отриманого алгебраїчного рівняння. Отримані результати та обчислення методу кінцевих різниць за схемою Кранка-Ніколсона використовуємо для наступних перетворень при моделюванні формул: T Tjn  Tjn 1  2 2 UA 99204 C2 T / t  T / x  Tjn 1  Tjn t Tjn 1  Tjn 1  Tjn 1  Tjn 1   1 1  2T / x 2  5 10 4x Tjn 1  2Tjn   Tjn 1  Tjn 1  2Tjn 1  Tjn 1  1 1 2x 2 . Аргументами функцій диференціальних рівнянь є просторові координати x, y, z і час t . Вирішення задачі шукаємо вздовж осі колонки адсорбера, яка є одномірна адвекційнодифузійним завданням з біодеградації субстрату. Метод кінцевих різниць має в основі побудову дискретної сітки, яка зображена на фіг. 1, що розбиває область рішення на інтервали по часу і простору, а також заміні похідних у вихідних диференціальних рівняннях з приватними похідними на еквівалентні їм звичайні кінцеворізницеві вираження, з подальшим перегрупування членів отриманого алгебраїчного рівняння. Таким чином, рішення одного диференціального рівняння в приватних похідних на кожному часовому шарі n  1 зводиться до розв'язання системи з J чисто алгебраїчних рівнянь для вузлів сітки j  2,3J  1, припускаючи, що граничні умови забезпечать розв'язання в точках Tln 1 Tjn 1 . 15 20 25 30 35 Згідно з одержаними результатами моделювання порівнюємо час роботи шару до умовного проскоку. Дані представлені на фіг. 2, де наведені криві залежності концентрації забруднювача від часу роботи фільтра: крива 1 - дані фільтрування, криві 2, 3 та 4 - дані модельних розрахунків при різних лінійних швидкостях. Шляхом логіко-аналітичного аналізу робимо вибір раціональних умов проведення процесу очищення води від ароматичних сполук, за найвищим ступенем вилучення та тривалістю фільтроциклу. Після очистки стічну воду можна направляти в водоймище або для повторного використання в технологічному процесі. Приклади виконання за винаходом. Приклад 1. Реалізацію способу моделювання здійснюють при адсорбційній очистки води від о3 нітрофенолу. Стічну воду з концентрацією о-нітрофенолу 10 мг/дм пропускають знизу вверх з лінійною швидкістю 0,2 м/год. Через фільтр, заповнений активованим вугіллям КАУ з розміром частинок 2-5 мм і насипним шаром 150 мм. Внутрішній діаметр фільтра 20 мм. Періодично відбирають проби для кількісного визначення о-нітрофенолу. Фільтрування припиняють після 3 досягнення в воді, що очищується, концентрації о-нітрофенолу 0,2 мг/дм (умовний проскок). Час роботи складає 3500 год. (фіг. 2, крива 1). При цьому проводять дослідження адсорбційної рівноваги (сорбент - забруднююча речовина), де визначаємо параметри ізотерми Ленгмюра та розраховуємо адсорбційну ємність сорбенту qa . Обчислюємо параметри масопереносу та масопередачі для розрахунку коефіцієнта дифузії в рідкій фазі DdL . Проводимо дослідження біокінетичних параметрів для отримання їх значень: Xbf - коефіцієнт кількості біомаси; K ML та K M - коефіцієнт Моно для рідкої фази та біоплівки; 40 Cbio - концентрація мікроорганізмів в біоплівці. Завантажуємо отримані величини до програмної частини розрахунку моделювання сорбційної очистки води від о-нітрофенолу, які представлені в таблиці 1. Таблиця 1 Параметри, символи, одиниці вимірювання Лінійна швидкість, l , м/год. Порозність,  ,безрозмірн. Радіус гранул АУ, rg , мм 3 Насипна щільність вугілля,  g , г/см 3 Об'єм гранули АВ, Vg , мм Значення 0,2 0,4 2 0,47 4.19 Концентрація забруднюючої речовини, CL0 , мг/дм 3 3 50 (±5 %) UA 99204 C2 Продовження таблиці 1 Параметри, символи, одиниці вимірювання 2 Коефіцієнт дифузії, DdL , см /ч. Значення 5,03  102 Константа ізотерми Ленгмюра, K L , безр. Адсорбційна ємність сорбенту, qa , мг/г Макс. специф. швидкість біодеструкції в рідкій фазі та біоплівці ( utl та  utbf , мг/(КУО*год.)) Коефіцієнт Моно для рідкої фази та біоплівки, K ML і K M , мг/дм 1,521 612,08; (4,4 ммоль/г) 3 Товщина біоплівки, Lbf , см  104 3 Щільність біоплівки, Xbf , КУО/дм 10 15 20 25 10 0,1 0 до 10 3 1 1013 Щільність клітин в рідкій фазі, Cbio , КУО/дм 5 10 3 1 1013 Одержані результати фільтрування, які представлені на фіг. 2 (крива 1), порівнюємо з результатами моделювання, показані на фіг. 2 (крива 2), час роботи фільтра до проскоку складав 3500 год. Проводимо верифікацію моделі для поточних умов здійснення процесу та за необхідністю її корекцію. Для визначення раціональних умов адсорбційної очистки води від о-нітрофенолу проводимо моделювання процесу з різними лінійними швидкостями, при збереженні останніх умов очистки. Дані також наведені на фіг. 2: крива 3 - швидкість 3 м/год., час роботи 1450 год.; крива 4 швидкість 0,05 м/год., час роботи 3900 год. За отриманими результатами моделювання аналітичним шляхом вибираємо найбільш раціональні умови здійснення процесу очищення сорбційної очистки води від о-нітрофенолу. Раціональні умови фільтрування забезпечуються при лінійній швидкості 0,2 м/год., де час роботи фільтра до проскоку складає 3500 год. (табл. 2, крива 1). Збільшення часу роботи фільтра з 3500 год. до 3900 год. потребує зменшення швидкості фільтрування в 4 рази, що є економічно недоцільним. Приклад 2. 3 Стічну воду з концентрацією о-нітрофенолу 50 мг/дм пропускають знизу вверх з лінійною швидкістю 0,1 м/год. через фільтр, заповнений активованим вугіллям КАУ. Процес очищення проводили при параметрах і умовах, відображених в прикл. 1. Час роботи фільтра до умовного проскоку сягав 550 год., фіг. 3 (крива 1 - дані експерименту, крива 2 - дані моделювання), а також табл. 2, п/п 2. Таким чином, модель адекватно описувала отримані експериментальні дані очищення 3 розчину о-нітрофенолу з концентрацією 50 мг/дм . Приклад 3. Аналогічно прикладу 1 було проведено моделювання процесу очищення води від 3 хлорфенолу при концентрації 10 мг/дм . Швидкість здійснення процесу очистки складала 0,1 м/год. Час роботи фільтра до проскоку складав 4000 год. (табл. 2, п/п 3). Таблиця 2 № п\п 1 2 3 4 30 35 Спосіб Запропонований Запропонований Запропонований Відомий Речовина, 3 концентрація, (мг/дм ) Сорбент КАУ КАУ КАУ Буре вугілля + АВ о-нітрофенол, 10 о-нітрофенол, 50 хлорфенол, 10 фенол, 10, 25 Час роботи фільтрів (до умовного проскоку), годин 3500 550 4000 91 Експериментально вибрані умови фільтрування води від ароматичних сполук крізь шар 2 мезапористого активованого вугілля з площею поверхні 800-1200 м /г, з поверхнею мезапор 2 12 100-400 м /г, розміром часток 2-5 мм та з іммобілізованими мікроорганізмами в кількості 10 14 10 КУО/г вугілля і лінійною швидкістю фільтрування 0,1-10 м/годину забезпечують моделювання процесу з визначенням раціональних умов його здійснення, для досягнення максимальної ефективності роботи фільтра. Дані представлені на фіг. 2, 3 та в табл. 2, приклади 1-3. 4 UA 99204 C2 5 10 Запропонований спосіб моделювання сорбційної очистки води є новим й оригінальним при вирішенні задачі щодо створення найбільш економічно доцільної технології сорбційної очистки води від ароматичних сполук. Вказані відмінності запропонованого способу визначають його новизну, так як використання моделювання для визначення раціональних умов протікання процесу сорбції з урахуванням структури активованого вугілля, умов фільтрування та наявності мікроорганізмів-деструкторів в літературі не описано та дозволяє значно збільшити ступінь очищення стічних вод від ароматичних сполук. Реалізація способу, що заявляється, забезпечує визначення раціональних умов фільтрування, збільшення фільтроциклу та зменшення витрати сорбенту, трудомісткість та здешевити процес очищення. Це в перспективі може дати змогу використання запропонованого способу моделювання сорбційної очистки води для сорбційної очистки від інших речовин, за наявності мікроорганізмів-деструкторів. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 15 20 Спосіб моделювання сорбційної очистки води від ароматичних сполук, що включає фільтрування останньої крізь шар активованого вугілля, який відрізняється тим, що як активоване вугілля використовують мезапористе активоване вугілля з площею поверхні 8002 2 1200 м /г, з поверхнею мезапор 100-400 м /г, розміром часток 2-5 мм та з іммобілізованими 12 14 мікроорганізмами в кількості 10 -10 КУО/г вугілля і процес здійснюють із лінійною швидкістю фільтрування 0,1-10 м/годину, а найвищий ступінь вилучення ароматичних сполук E  визначають із виразу : E  DdL,i   AY  2CL,i x 2  l CL,i x  1   Vg Lbf  0  utbf ,i  Xbf  Cbf ,i   4  rg  rbf K M  Cbf ,i 2 drbf  1    ,   utL ,i  Cbio  CL,i      CL,i  K ML  t   qa,i 2 де D dL ,i - коефіцієнт дифузії в рідкій фазі, м /с; 25 3 CL,i - концентрація речовини в рідкій фазі, г/м ; 3 Cbf - концентрація речовини в біоплівці, г/м ; l - лінійна швидкість м/год.; 3 Vg - середній об'єм гранул вугілля, м ; 30  - порозність шару сорбенту, безрозмірна; qa,i - адсорбційна ємність сорбенту, кг/кг;  utL ,i та utbf ,i - максимальна специфічна швидкість біодеструкції в рідкій фазі та біоплівці (мг/(КУОгод.)), відповідно; 3 AY - насипна щільність вугілля, кг/м ; rg - радіус гранул АВ, м; 35 rbf - товщина біоплівки, м; Lbf - максимальна товщина біоплівки, м; Xbf - коефіцієнт кількості біомасси, КУО/мг; 3 K ML та K M - коефіцієнт Моно для рідкої фази та біоплівки, мг/дм ; Cbio - концентрація мікроорганізмів в біоплівці, КУО/мг. 5 UA 99204 C2 Комп’ютерна верстка А. Крижанівський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6