Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка новых научно-технических решений по безреaгентной очистки воды с различной степенью загрязнения, в том числе при ликвидации чрезвычайных ситуаций и изготовление на их основе блочно-модульной автономной установки водоподготовки с автоматизированной системой управления и дистанционным контролем качества очищенной воды

Номер контракта: 14.576.21.0053

Руководитель: Нечаев Игорь Алексеевич

Должность: Заместитель заведующего лабораторией

Организация: Акционерное общество "Ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский физико-химический институт имени Л.Я. Карпова"
Организация докладчика: Акционерное общество "Ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский физико-химический институт имени Л.Я.Карпова"

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Ключевые слова:
безреогентная очистка воды, блочно-модульная автономная установка, установка водоподготовки, экспериментальный образец установки очистки воды, блочное построение мобильного экспериментального образца установки водоподготовки, универсальная установка для очистки загрязненных вод, источники энергии, качество очищенной воды, озон-кислородная смесь, параметры выходной воды, двухступенчатая механическая фильтрация, короткоцикловая безнагревная адсорбция, концентрация в барьерном разряде, режим противотока, ультра- и нанофильтрация, прямая и обратная промывка фильтров .

Цель проекта:
1) Настоящий проект направлен на решение проблемы обеспечения населения страны качественной питьевой водой, что является одним из основных факторов, способствующих улучшению качества жизни и сохранению здоровья населения, обеспечению безопасности страны в условиях чрезвычайных ситуаций (ЧС). 2) Цель проекта: а) разработка технологических основ и экспериментального образца установки очистки вод, загрязненных в результате природных и техногенных чрезвычайных ситуаций; б) исследование и разработка комплекса научно-технических решений по безреагентной очистке загрязнённой воды, в интересах создания автономных блочно-модульных установок водоподготовки, предназначенных для эксплуатации в условиях природных и техногенных чрезвычайных ситуаций, включая радиоактивное заражение местности, обеспечивающих интенсификацию и повышение эффективности очистки загрязнённых вод за счёт применения наноструктурированных материалов и средств активации процессов.

Основные планируемые результаты проекта:
2.1 Краткое описание основных полученных результатов:
1) Составлен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИ. Осуществлен выбор и обоснование направления исследований.
2) Проведены патентные исследования в соответствии с ГоСТ Р 15.011-96.
3) Разработан способ получения бактерицидных ФПЭ и ядерных фильтров (ЯФ) путем модификации поверхности и объема микропористых ФПЭ нано-/микроструктурами серебра.
4)Произведена разработка ЭКД на ИС-1, ИС-3.
5) Разработана программная документация (ПД) на программное обеспечение системы сбора, обработки и передачи информации, и управления работой ИС-1, ИС-3.
6) Разработан метод расчёта толщины и оптических характеристик покрытий на основе нано- и микроструктур металлов, нанесённых на поверхность пористых полимеров методом аэрозольного напыления.
7) Разработана программная реализация метода расчёта толщины и оптических характеристик пористых полимеров, модифицированных нано-/микроструктурами металлов.
8) Разработана ПД на программную реализацию метода расчёта толщины и оптических характеристик пористых полимеров, модифицированных нано-/микроструктурами металлов.
9) Разработана математическая и физическая модель закономерностей взаимодействия света с пористыми полимерами, модифицированными слоями наночастиц/наноструктур металлов, для обоснования оптимальных технологических режимов получения пористых полимеров, обладающих бактерицидными свойствами.
10) Разработаны методики и осуществлено проведение физического моделирования процессов очистки ПВ и СВ методом микрофильтрации с использованием ИС-1, ИС-3.
11) Разработаны методики выполнения измерений и проведено физическое моделирование процессов основной очистки ПВ и СВ воздействием потоков озона, полученного газоразрядным методом с использованием ИС-3.
12) Выполнен комплекс проектно-конструкторских, монтажно-сборочных и пусконаладочных работ, направленных на создание:
а) автоматизированного испытательного стенда для физического моделирования процессов получения воды из приповерхностных источников (ИС-1).
б) испытательного стенда для физического моделирования процессов основной очистки ПВ и СВ воздействием потоков озона, полученного газоразрядным методом (ИС-3).
13) Разработаны модули предварительной и основной очистки на основе ИС-1, ИС-3, соответственно.
1) Основные характеристики полученных результатов, созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Разработан ИС-3, состоящий из фильтров грубой, тонкой и финишной очистки СВ, реактора для озонирования СВ, сборников сточной и очищенной воды.
2) Оценка элементов новизны научных (технологических) решений, применяемых методик и решений.
Новизна научных решений и применяемых методик заключается в том, что реактор для озонирования СВ изготовлен в виде двух рабочих камер, предназначенных для предварительной оксигенации и озонирования СВ, соответственно, между которыми располагается фильтр тонкой очистки. Создано уникальное программное обеспечение с использованием метода графического дифференцирования в пакете прикладных программ LabView-2014.
3) Подтверждение соответствия полученных результатов требованиям к выполняемому проекту, (требования ТЗ приведены в скобках): производительность по воде – 100 (100) л/час; концентрация озона в газовой смеси - от 4 до 8 (до 8)% (объём.); давление сжатого воздуха на входе в озонатор - от 0,2 до 0,7 (до 1,0) МПа.
Состав технологического оборудования ИС-3: насосы центробежные для подачи ПВ и СВ, отвода очищенной воды – 2 (2) шт.; трубопроводная арматура - до 1,0 МПа (ГОСТ 28338-89); газоразрядный генератор озона – 2 (1)шт.; рабочая камера объёмом до 50 л – 2(1) шт.; сборник сточных вод объёмом 250 л – 1(1) шт.; сборник очищенной воды объёмом до 250 л - 1(1) шт.
Состав системы КИПиА установки ИС-3: датчик контроля давления ПВ и СВ, очищенной воды – 2(2) шт.; датчик контроля температуры ПВ и СВ, очищенной воды – 2(2) шт.; датчик контроля расхода ПВ и СВ, очищенной воды - 2(2) шт.; Датчики контроля уровня воды в сборниках очищенной воды, промывной воды и кубового осадка - 3(3) шт.
Система сбора, хранения и передачи информации о режимах эксплуатации ИС-3: Количество входных аналоговых каналов - 2(2) шт.; Разрешение входного АЦП - 14(14) разрядов; Частота дискретизации – 48000(48000) с-1; Интерфейс USB 2.0 - 1(1) шт.;
Среда для системы сбора и обработки данных - LabVIEW, версия 2014 (LabVIEW, версия 2014).
Система управления работой ИС-3: микроконтроллер - 1(1) шт.; Персональный компьютер - 1(1) шт.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
3.1 Экспериментальный образец установки очистки природных и сточных вод (ЭО УО ПВ и СВ) в составе:
1) Модуль предварительной очистки (механической).
2) Модуль очистки от радиоактивных загрязнений.
3) Модуль основной очистки.
4) Модуль тонкой очистки.
5) Модуль сбора и обработки осадка.
6) Контрольно-измерительные приборы и аппаратура (КИПиА).
7) Технологическая оснастка.
8) Система сбора, обработки и передачи информации о режимах эксплуатации, управления работой ЭО УО ПВ и СВ.
Требования к характеристикам ЭО УО ПВ и СВ:
а) Производительность ЭО УО ПВ и СВ по чистой воде должна быть не менее 100 л/ч;
б) Условия эксплуатации ЭО УО ПВ и СВ:
1) температура, °С от 10 до 40;
2) относительная влажность, % от 20 до 95;
3) атмосферное давление, мм рт. ст. - от 720 до 760;
4) температура обрабатываемой воды - от +10° С;
5) уровень загрязнённости ПВ и СВ неорганическими и органическими веществами - от 2 до 5 ПДК.
6) В установке должны контролироваться следующие параметры выходной воды:
- концентрация перманганат-ионов;
- концентрация углеводородов;
- концентрация ионов меди;
- концентрация ионов никеля;
- концентрация ионов хрома;
- концентрация ионов кобальта;
- общее солесодержание;
- мутность;
- цветность;
- водородный показатель (рН).
3.2 Создаваемые в ходе выполнения ПНИ научно-технологические и инженерно-технические решения обладают научной новизной и существенными отличительными признаками, соответствуют мировому уровню исследований в области разработки методов фильтр-озонной очистки ПВ и СВ. По результатам выполнения ПНИ предполагается подготовка и написание не менее 5 (пяти) статей и оформление не менее 3 (трёх) результатов интеллектуальной деятельности, в том числе:
1) Заявка на патент на изобретение по теме "Способ получения массивов нано- и микрочастиц металлов".
2) Заявка на патент на полезную модель "Устройство для очистки водопроводной воды".
3) Заявка на патент на полезную модель "Мобильная установка очистки природных и сточных вод".
3.3 Прототип – установки AO1А, AO2А производства компании APTwater Inc., 3329 Vincent Road, Pleasant Hill, CA 94523 (USA) Ph: 925.977.1811 Fax: 925.977.1818 www.aptwater.com 39842ea7873info@aptwater.com

Сопоставление технических характеристик установки ИС-3 и установок АО1А и АО2А
№ Наименование характеристики ИС-3 АО1А, АО2А
1 Рабочее напряжение, рабочий ток 220 В, 24 В 110–130 В; 19, 26 А
2 Выходная мощность генератора озона 900, 1800 Вт
3 Массогабаритные характеристики 1350×1200×1800 мм; 4500 кг
4 Расход воды на входе/выходе от 60 до 90 л/мин
5 Содержание озона в газовой смеси 8% (объём.) 10% (объём.)
6 Производительность по озону 1 кг/час
7 Давление разряда от 0,35 до 0,5 кг/см2
8 Панель управления с программируемым устройством сбора данных и интерфейсом имеется имеется
9 Ёмкость сборника сточных вод 200 л 3000 л

Технические характеристики: 1) рабочее напряжение 110 – 130 В, ток 19 А (АО1А), 26 А (АО2А); 2) выходная мощность генератора озона 900 Вт (АО1А), 1800 Вт (АО2А); 3) озонатор изготовлен из нержавеющей стали 316L S.S; 4) размеры - 1350×1200×1800 мм, масса – 4500 кг; 5) расход воды на входе/выходе (л/мин) – от 60 до 90 л/мин; 6) давление разряда (кг/см2) – от 0,35 до 0,5; 7) содержание озона в газовой смеси – 10% (объём.), производительность – 1 кг/час; 8) поглощение 35% пероксида водорода (л/час) при расходе сточных вод 65 л/час, при дозе пероксида водорода 200 мг/л – 3,6.
Состав установки: 1) Сборник питающей воды ёмкостью 3000 л, изготовлен из полиэтилена и оборудован уровнемерами; 2) Центробежный насос для подачи питающей воды и расходомер; 3) Входные/выходные трубопроводы, оборудованные вентилями, манометрами и точками отбора проб; 4) Реактор с рециклингом в виде ПВХ трубы диаметром 1,5”, оборудован инжектором озона и высокоэффективными статическими мешалками; 5) Реактор окончательной обработки в виде ПВХ трубы диаметром 0,75”, оборудован инжектором озона и высокоэффективными статическими мешалками; 6) Сепаратор «газ – жидкость», вентиль, устройство для удаления непрореагировавшего озона из очищенной воды; 7) Стойка генераторов озона, включающая 4 генератора озона; 8) Высокоэффективный твердотельный генератор озона высокого давления с производительностью 1 кг озона/час, концентрация озона – 10% (объём.); 9) Установка для охлаждения генераторов озона и внутреннего объёма стойки генераторов озона; 10) Система для подачи пероксида водорода, включающая бак с 4500 литров реагента и дозирующий насос; 11) Вихревой абсорбер для получения кислорода чистотой более 90%; 12) контроллер потока кислорода; 13) сенсоры озона для обнаружения проточек в контейнере; 14) распределительный электрощит и электрические сети; 15) Панель управления с программируемым устройством сбора данных и интерфейсом.
3.4 ЭО УО ПВ и СВ состоит из ряда взаимосвязанных модулей, разрабатываемых на этапах ПНИ. Отличительной особенностью конструкции ЭО УО ПВ и СВ является реализация блочно-модульной схемы, которая позволяет формировать оптимальную конструкцию и режим работы установки в зависимости от конкретного состава и уровня загрязнённости ПВ и СВ. Возможные риски проекта:
Наимено-вание Вероят-ность Природа риска План по парированию
1) Наименование - рыночный (вероятность - 30%).
Природа риска - деятельность отечественных и зарубежных конкурентов, производителей аналогичной продукции
План по парированию - проведение комплекса мероприятий по улучшению технико-экономических характеристик продукции. Снижение цены товара. Проведение маркетинговых исследований.
2) Технологический ( 20%)
Природа риска - разработка новых сортов порошкообразных полимеров для создания фильтрующих элементов; усовершенствование технологии производства фильтрующих элементов; создание перспективных окислительных технологий очистки ПВ и СВ нового поколения.
План по парированию - проведение НИОКР в области перспективных окислительных технологий очистки ПВ и СВ, удешевление технологии производства за счёт внедрения новых методов и режимов обработки и изготовления фильтрующих элементов
3) Кадрово-возрастной (5%)
Природа риска - старение исполнителей проекта.
План по парированию - комплекс мероприятий по привлечению молодёжи в число участников проекта, в том числе: подготовка дипломных работ, обучение в магистратуре и аспирантуре, защита кандидатской диссертации по теме проекта.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1) Описание областей применения полученных результатов:
Результаты, полученные при выполнении ПНИ в 2015 году, относятся к области очистки жидкостей и могут быть использованы в быту, медицине, пищевой промышленности, на транспорте для очистки топлива и водных технологических сред от механических примесей, в сельском хозяйстве – для очистки виноматериалов, сточных вод птицефабрик и свиноводческих комплексов и т.д..
2) Описание практического внедрения полученных результатов или перспектив их использования.
Степень внедрения – разработка.
Рекомендации по внедрению – организация и проведение комплексных эксплуатационных испытаний устройства для очистки водопроводной воды в ГУ «Водоканал» (г. Тирасполь, Приднестровская Молдавская Республика), подготовка и подача заявки на патент на полезную модель.
Рынок сбыта - образовательные и медицинские учреждения, предприятия пищевой промышленности, коммунальное хозяйство. Прогнозируемый объем продаж - до 200 установок в год; срок окупаемости - до двух лет.
3) Оценка или прогноз влияния полученных результатов - социальная значимость результатов ПНИ в 2015 году – улучшение здоровья и бытовых условий жизни населения России за счёт повышения качества очистки и подготовки питьевой воды.
4) Эффекты от внедрения результатов ПНИ - повышение качества жизни населения РФ, проживающего в населенных пунктах численностью до 1000 человек, за счёт улучшения качества питьевой воды, уменьшения отрицательного техногенного воздействия на окружающую среду.

Текущие результаты проекта:
1 Проведены дополнительные патентные исследования в соответствии с ГОСТ Р 15.011-96.
2 Разработана физическая модель функционирования полимерных и углеволокнистых материалов (УГВМ) в условиях комплексного воздействия повреждающих факторов различной природы (электрическое поле, химически агрессивная среда, температура, озон, кислород и проч.).
3 Разработана физическая модель процессов очистки ПВ и СВ с применением озона, полученного электрохимическим методом, в том числе:
а) физическая модель процесса очистки водных растворов фенолов и хлорорганических соединений с концентрацией от 0,2 до 0,3 мг/л;
б) физическая модель процесса очистки водных растворов поверхностно-активных веществ (ПАВ) в концентрации от 4 до 5 мг/л;
в) физическая модель очистки водных растворов солей тяжёлых металлов с концентрацией от 0,15 до 0,3 мг/л.
4 Разработана ЭКД на ИС-4.
5 Разработаны методики физического моделирования процессов тонкой очистки ПВ и СВ, воздействием высококонцентрированных потоков озона, полученного электрохимическим методом, модификации поверхностных свойств полимерных и нано-/микроуглеродных материалов, с использованием ИС-4.
6 Осуществлено физическое моделирование процессов тонкой очистки ПВ и СВ, воздействием высококонцентрированных потоков озона, полученного электрохимическим методом, модификации поверхностных свойств полимерных и нано-/микроуглеродных материалов, с использованием ИС-4.
7 Разработана ЭКД на ИС-6.
8 Разработаны методики физического моделирования процесса сбора и удаления осадка с использованием ИС-6.
9 Осуществлено физическое моделирование процессов очистки ФПЭ, сбора и удаления осадка с использованием ИС-6.
10 Разработаны технические решения по сбору и удалению осадков, образующихся в процессе эксплуатации ЭО УО ПВ и СВ.
11 Выполнен комплекс проектно-конструкторских, сборочно-монтажных и пуско-наладочных работ, направленных на создание испытательного стенда для физического моделирования процессов тонкой очистки ПВ и СВ воздействием высококонцентрированных потоков озона, полученного электрохимическим методом, модификации поверхностных свойств полимерных и нано-/микроуглеродных материалов (ИС-4).
12 Выполнен комплекс проектно-конструкторских, сборочно-монтажных и пуско-наладочных работ, направленных на создание испытательного стенда для физического моделирования процессов сбора и удаления осадка (ИС-6).