Разработка электротехнологий разделения дисперсных систем

При эксплуатации на территории России более 230 тысяч километров магистральных и 350 тысяч километров промысловых трубопроводов, несмотря на диагностику, капитальный ремонт, реконструкцию с использованием новых технологий, проведение экологической экспертизы новых проектов и экспертизы промышленной безопасности на большинстве нефтяных месторождений загрязняются водные объекты с повышением минерализации поверхностных вод, а несколько тысяч гектаров грунта загрязнены одним миллионом тонн разлитой нефти. Это связано с высоким уровнем аварийности на магистральных трубопроводах [88] из-за значительного физического и морального износа трубопроводов и оборудования [60], сопровождающимся залповым загрязнением водных объектов, почвы и атмосферного воздуха, превышающим предельно допустимые концентрации углеводородов и продуктов сгорания в 50 и более раз. В ряде случаев аварии сопровождаются тяжелыми травмами и гибелью людей.

Накопление в нефтепромысловом оборудовании и трубопроводах минеральных примесей и нефтешламов, содержащих как природные, так и техногенные радионуклиды, создает проблему обеспечения радиационной безопасности, в том числе персонала.

При очистке бытовых, промышленных, буровых, подтоварных вод образуется большое количество осадков, объемы которых затрудняют их перемещение, хранение, обработку.

Проблемы сгущения и обезвоживания осадков возникают как в нефтегазодобыче и нефтепереработке, так и в различных технологияхпроизводства огнеупорных материалов, белой сажи, при очистке вод гальванических цехов и, вообще, при обращении с промышленными и бытовыми отходами.

Использование электрообработки при реализации разделения дисперсных систем начинает постепенно занимать все большее место в технологии для решения многих актуальных практических задач [4, 35, 38−40, 42, 65−66, 71, 86, 89, 91, 96, 99, 102, 103]. Однако успехи в этом направлении еще довольно ограниченные, несмотря на большое количество работ, выполненных как у нас, так и за рубежом. Такое положение связано с тем, что при электрообработке систем с жидкой дисперсионной средой в большинстве из них протекают различные взаимосвязанные процессы, что затрудняет технологическое оформление процесса [76, 80, 90, 95].

В литературе мало обзоров практических работ, цель которыхобобщение на теоретической основе их результатов. Недостаток информации о механизме явлений в примененном конкретном случае, непонимание приоритета параметров и отсутствие контроля за их изменением, низкий уровень техники эксперимента часто приводят практиков к необоснованно негативным выводам.

При наложении внешнего электрического поля на дисперсные системы как с газовой, так и с жидкой полярной или неполярной дисперсионными средами взвешенные частицы могут заряжаться, перемещаться, концентрироваться и отделяться осаждением или фильтрованием, повышая тем самым чистоту газов и жидкостей.

Очистные устройства с применением электрического поля могут компоноваться с другой аппаратурой в целях создания универсальных сооружений многоцелевого назначения [75]. Электроочистные устройства компактны, высокоэффективны и достаточно экономичны. Большим достоинством метода электроочистки является то, что он позволяет создавать унифицированную аппаратуру для обработки дисперсий, различных по химическим и физическим свойствам. Эксплуатация электроочистных установок открывает широкие возможности автоматизированного управления.

Признана роль электрообработки в геоэкологии и как фактора антропогенного давления на все геосферные оболочки Земли, так и защиты биотопов, биогеоценозов, экосистем и среды обитания.

В настоящее время происходит активное освоение методов и аппаратуры электрообработки как в быту для очистки питьевых вод, так и в нефтегазоперерабатывающей отрасли для кондиционирования сырья и органопродуктов, а также возрастает интерес к закономерностям, которые проявляются в поведении дисперсных систем с газовой и жидкой неполярной и полярной средой в сильном внешнем электрическом поле [87, 92].

В связи с освоением природных богатств в районах Сибири, Крайнего Севера, Дальнего Востока, мирового океана, космоса актуальными становятся вопросы экологической безопасности и инженерного обеспечения жизнедеятельности и функционирования отдельных лиц и коллективов в экстремальных условиях строительства и эксплуатации космических станций, баз и хранилищ, нефтегазопроводов, морских буровых платформ.

Выдыхаемый человеком воздух в значительной степени определяет характер накапливающихся в герметичной кабине или в помещении различных продуктов жизнедеятельности, в том числе воды. Большое значение имеют процессы ее обеззараживания. Вопрос регенерации воды из мочи — урины находится на стадии решения, однако целесообразны более совершенные методы этого процесса. Например, повторное использование воды из урины позволило бы обеспечить около 50% всей потребности экипажа транспортного средства, космонавтов в питьевой воде. И, кроме того, следует также вести поиски принципиально новых способов удаления отбросов.

Проблема обеспечения экологической безопасности — закономерное следствие расширения сферы техногенного воздействия при нефтегазодобыче как на суше, так и на шельфе. Изменение состава элементов гидросферы, по существу, представляющих собой системы с жидкой дисперсионной средой, сказывается на здоровье людей, что делает необходимым разрушение этих систем с извлечением и утилизацией дисперсной фазы загрязнений. Это связано и с очисткой нефтепродуктов и нефтесодержащих вод.

Состав комплекса жизнеобеспечения, его функции и основные характеристики определяются исходя из ограничений со стороны окружающей среды или подвижного технического средства (типа, задач, длительности функционирования, количества, состава и программы деятельности экипажа). Именно с этой точки зрения актуальна разработка методов регенерации воды и воздуха из отходов с применением электрообработки, аппаратура для реализации которой в 2-^5 раз по удельным массогабаритным характеристикам меньше традиционных аппаратов. Следует также иметь в виду, что, например, для транспортных проектов нефтегазодобывающих фирм, космических кораблей при увеличении длительности нахождения в гермоотсеках и численности экипажа комплекс систем жизнеобеспечения все более усложняется. Наряду с подсистемами, основанными преимущественно на запасах, начинают включаться регенеративные звенья, обеспечивающие замкнутый цикл. Электрообработка же, как известно, наиболее универсальный, малооперационный процесс, легко поддающийся управлению и автоматизации.

Значительный разброс характеристик отходов жизнедеятельности, например, по составу, электропроводности делает целесообразным использование универсальных методов обработки.

Первое по значимости место в регенерации веществ должно быть отведено регенерации воды, следующее — регенерации газов для дыхания и последнее — возможной при длительном пребывании человека в замкнутом объеме регенерации пищевых продуктов.

Все сказанное выше необходимо учитывать при разработке систем жизнеобеспечения изолированных групп, в том числе в тундре, на буровых платформах, подвижных технических средствах, функционирующих во всех средах биосферы, — на воде и под водой, на суше, в атмосфере, в космосе.

В последние годы повысилась степень износа очистных сооружений, что в условиях снижения потока загрязнений от спада производства привело при уменьшении валовых к росту удельных на единицу продукции загрязнений, нарушающих биотическую регуляцию окружающей среды и устойчивость ее развития.

В диссертации известная классификация процессов электрообработки дисперсных систем в электротехнологиях расширена и уточнена. Методы классифицируются в зависимости от явлений, происходящих в межэлектродном пространстве. Эти явления трудно выделить в чистом виде — например, электрофорез сопровождается электролизом, а электрокоагуляция — электрохимической коагуляцией и т. д. Во внимание принимается технология электрообработки, особенности внешнего электрического поля (частота, равномерность и т. д.) и преобладающие эффекты. Методы расположены в порядке увеличения напряженности используемого электрического поля (от Е = (0,5-й 0,0) до 1−104 В/см) и характеризуются следующим образом.

1. Электродиализ — метод электрообработки, при котором происходит сепарация ионов (диализ) с их концентрированием у соответствующих электродов, изменяющих рН приэлектродного пространства.

Применяется для удаления ионов из дисперсионных сред и опреснения воды.

2. Электролиз — метод электрообработки, при котором в межэлектродном пространстве происходят химические реакции, как правило, без образования нерастворимых соединений — дисперсной фазы, в том числе за счет окислительно-восстановительных реакций на электроде (электроокисление — с отдачей электронов на аноде и восстановление — с присоединением электрона на катоде).

Пригоден для изменения химического состава дисперсионной среды. Применяется для обеззараживания воды.

3. Электрохимическая коагуляция — метод электрообработки, при котором в межэлектродном пространстве под действием внешнего поля генерируются катионы, образующие сорбирующие гидроксиды, в результате чего под воздействием как катионов, так и гидроокиси происходит коагуляция, сорбция и разрушается устойчивость дисперсий.

Пригоден для получения коагулянта: Используется в технологии очистки и обеззараживания воды.

4. Электрофлотация — метод электрообработки, при котором генерируется газ, образующий высокодисперсные и монодисперсные электрически заряженные пузырьки, адсорбирующие частицы дисперсной фазы и транспортирующие их на поверхность жидкости.

Используется в обогащении, для очистки и обеззараживания воды.

5. Электрофлотокоагуляция — метод, сочетающий последовательно электрофлотацию и электрохимическую коагуляцию.

Используется, как правило, для очистки природных и сточных вод, в обогащении.

6. Электрофорез. — метод электрообработки, при котором под действием электрического поля происходит движение заряженных частиц с их концентрированием у соответствующего электрода. Возможно предварительное заряжение частиц.

Применяется для выделения дисперсной фазы малоконцентрированных систем, например, питьевой воды, формирования электрофоретических покрытий, окраски осаждением, в медицине и т. п.

7. Электрокоагуляция — метод электрообработки, при котором поляризованные внешним полем частицы сближаются и образуют новые агрегаты и частицы более крупного размера.

Электрокоагуляция может быть обратимой (агрегаты после снятия поля распадаются) и необратимой.

Применяется при формировании структур покрытий материалов, коагуляции в технологии обработки воды, очистке нефти от воды и солей.

8. Диполофорез — метод электрообработки или такое явление, при котором движением частиц, в том числе и незаряженных, нейтральных (имеющих дзетапотенциал, примерно равный нулю), управляют неоднородным электрическим полем. Движение частиц осуществляется за счет поляризации двойного электрического слоя.

Применяют для направленного концентрирования микроорганизмов, формирования структур.

9. Диэлектрофорез — метод электрообработки или такое явление, при котором поляризуется материал частиц и они и их агрегаты концентрируются в области большей напряженности поля при диэлектрической проницаемости частиц большей диэлектрической проницаемости среды. В случае, если частицы имеют меньшую, чем дисперсионная среда диэлектрическую проницаемость, они выталкиваются в зону меньшей напряженности поля.

Используются для глубокого обезвоживания и обессоливания нефти, при очистке диэлектрических жидкостей и других неполярных сред.

10. Электрофильтрование — метод электрообработки, при котором осаждение и удерживание частиц ведут на поляризованной внешним электрическим полем диэлектрической загрузке — коллекторе и внутри ее.

Применяют в технологии, использующей ионообменные смолы, полимерные, в том числе волокнистые, загрузки.

11. Электроосмос — метод электрообработки, при котором под действием электрического поля происходит направленное движение раствора относительно капиллярного твердого тела (мембраны).

Применяется при обезвоживании строительных материалов, сушке изделий, упрочнении грунтов и пр.

12. Электрообезвоживание — метод сгущения и регулирования реологических свойств высококонцентрированных гидродисперсий во внешнем электрическом поле.

Применяется при утилизации осадков бытовых, промышленных и сточных вод.

13. Электрический разряд малой мощности — метод электрообработки, при котором в межэлектродном пространстве, создаваемом системой электродов, генерирующих неоднородное электрическое поле, возникают электрические разряды на фронте импульсов напряжением до 3000 В и длиной до 0,02 с. Это могут быть и разряды импульсов высокой частоты.

14. Высоковольтный импульсный разряд — метод электрообработки, при котором в межэлектродном промежутке генерируют разряды на о импульсах с напряжением более 3000 В и длиной менее 10* с за счет энергии, запасаемой предварительно в накопительном конденсаторе.

Применяется в технологии электрогидравлического удара и обеззараживания питьевых и сточных вод.

15. Комплекс электрических воздействий — метод электрообработки, при котором используется в том или ином сочетании совокупность вышеизложенных методов.

Целью работы является разработка технологической оптимизационной модели управления электрообработкой жизнеобеспечивающих дисперсных систем в условиях воздействия антропогенного фактора, включая их очистку от неорганических и органических материалов и обеззараживание в электрических полях повышенной напряженности.

Основные задачи исследования: — изучить возможность использования электрокинетических эффектов, включая диполои диэлектрофорез, в электрических полях повышенной напряженности для разделения систем типа «Т-Г», «Ж-Г», «Т-Ж», и «Ж-Ж» — феноменологически описать физико-химические процессы в межэлектродном промежутке и на границе раздела фаз при прохождении постоянного и переменного токов в предпробойных режимах;

— разработать и назначить технологические параметры разделения дисперсий и оптимальных схем очистки, включая схемы, не содержащие блоки механического фильтрования;

— установить режимы работы технологического оборудования для электроосаждения дисперсной фазы и повышения его барьерной устойчивостипровести физико-химическую и медико-биологическую оценку эффективности и надежности предложенных технологий;

— предложить принципы автоматизации аппаратов, процессов и технологий электрообработкиотработать элементы промышленного освоения технологий электроочистки бытовых и промышленных газов и жидкостей.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования методов и режимов электрообработки позволили подтвердить правомерность расширенной классификации методов электрообработки.

2. На базе шести электрокинетических эффектов в системах, включая высококонцентрированные, с газовой и жидкой неполярными и полярными дисперсионными средами во внешнем электрическом поле рассмотрена проблема оптимизации и совершенствования ресурсосберегающих технологий разделения широкого диапазона дисперсий неорганических, органических и биологических веществ, имеющих первостепенное значение в сохранении среды обитания человека и других организмов.

3. Подтверждена правомерность использования приближенных аналитических формул, связывающих повышенную напряженность электрического поля с концентрацией дисперсных частиц систем и с электростатическими факторами устойчивости на базе критерия необратимой коагуляции, учитывающего расклинивающее давление диффузных двойных слоев.

4. Изучена феноменология электрического разряда малой мощности и комплекса электрических воздействий в их взаимосвязи с процессами поляризационной и электрохимической коагуляции, электрофильтрования, обеззараживания дисперсионных сред, что позволяет обеспечивать новые режимы эффективного разделения дисперсных систем, по отношению к которым традиционные технологии не выполняют барьерных функций.

5. Оптимизирована схема реализации комплекса электрических воздействий как в последовательности: электрический разряд малой мощности в килогерцовом диапазоне частот—"-внешнее электрическое поле—"фильтрование, так и в сочетании с однородным и неоднородным электрическим полем, электрофильтрованием и электрофлотацией, что открывает технологические перспективы отказа от расходных фильтрующих материалов.

6. Изучены и предложены режимы и параметры электрообработки широкого диапазона наиболее актуальных с позиций защиты, восстановления и сохранения окружающей среды антропогенных дисперсных материалов — промаэровыбросов неорганических и органических веществ, нефтесодержащих и органосодержащих вод, включая подтоварные с метил-трет-бутиловым эфиром, льяльных вод, продуктов систем жизнеобеспечения гермоотсеков и транспортных средств, стоков текстильной корпорации, промышленных и бытовых осадков.

7. На основании исследований, конструкторских и аппаратурных разработок создан модельный ряд транспортируемых, автоматизированных установок очистки питьевых вод производительностью от 6 л/ч до 200 м3/ч для электроочистки воды, а некоторые из' режимов электрообработки технологических дисперсий внедрены и намечены к внедрению на эксплуатирующихся стационарных и передвижных сооружениях, в химической, судостроительной и других отраслях, муниципальных образованиях.