Регистрация / Вход
Прислать материал

14.576.21.0053

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.576.21.0053
Тематическое направление
Рациональное природопользование
Исполнитель проекта
Акционерное общество "Ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский физико-химический институт имени Л.Я. Карпова"
Название доклада
Разработка новых научно-технических решений по безреогентной 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
Докладчик
Нечаев Игорь Алексеевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
1.1 Разработка технологических основ и экспериментального образца установки очистки вод, загрязненных в результате природных и техногенных чрезвычайных ситуаций.
1.2 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.
Задачи, решаемые в 2016 году:
- разработка технологических решений по выделению радионуклидов из сточных вод, содержащих радиоактивные загрязнения, с использованием фильтрующих элементов на основе порошкообразного полиэтилена (ФПЭ), модифицированных наполнителями различной природы,
- разработать эскизную конструкторскую документацию (ЭКД) и программную документацию (ПД) на программное обеспечение (ПО) для управления работой испытательного стенда для физического имитационного моделирования процессов очистки ПВ и СВ, содержащих радиоактивные загрязнения (ИС-2),
- разработать методики физического имитационного моделирования процесса очистки воды, содержащей радиоактивные загрязнения,
- организовать и провести физическое моделирование процесса прохождения газообразных и жидких сред, аэрозолей нано-/микрочастиц металлов сквозь пористые полимеры.
Актуальность и новизна исследования
Одной из основных тенденций современного материаловедения является интенсивное развитие исследований в области исследования закономерностей синтеза пористых материалов на основе порошкообразных полимеров. Обладая практически теми же функциональными характеристиками, что и аналогичные материалы из металлов или металлокерамики, которые получают традиционными методами порошковой металлургии, пористые полимерные материалы, дешевле, не требуют дорогостоящего аппаратурного оформления для изготовления изделий на основе указанных материалов. Поэтому разработка фильтрующих материалов, обладающих оптимальным соотношением «цена – качество», способных производить очистку ПВ и СВ от радиоактивных загрязнений, является перспективным подходом для решения актуальной проблемы защиты населения от последствий радиоактивного заражения окружающей среды.
Отличительной особенностью исследований в рамках ПНИ в 2016 году является разработка метода синтеза многофункциональных адсорбционно-активных капиллярно-пористых сред (КПС) на основе частиц порошков широко распространённого полимера - полиэтилена (ПЭ) и нанодобавок (галлуазит, активированный уголь), разработка методов очистки и проведение поисковых исследований с целью определения и оптимизации условий применения вновь разработанных материалов для очистки природных и сточных вод (ПВ и СВ), загрязнённых радиоактивными примесями. В этом случае очистка ПВ и СВ от примесей радиоактивных загрязнений осуществляется по двум механизмам: а) путём механического захвата и отделения нано-/микрочастиц радиоактивных загрязнений; б) адсорбцией на поверхности и в объёме частиц нанодобавок радиоактивных примесей, растворённых в воде.
Описание исследования

Осуществлена разработка испытательного стенда (ИС-2) для выделения радионуклидов из сточных вод, содержащих радиоактивные загрязнения. Для удаления взвешенных веществ в представленной технологической схеме используются механические фильтры ФПЭ с эффективным размером пор 100 и 50 мкн, что позволяет удалять до 90% всех механических примесей, находящихся в исходной воде. Модификация фильтрующих элементов галлуазита и/или активированного увеличивает степень удержания отфильтрованных загрязнений в фильтрующем элементе и снижает риск вторичных загрязнений в процессе их дальнейшей замены и утилизации. Использование модифицированных фильтров, кроме того, позволяет удалять из очищаемой воды часть растворенных загрязнений за счет их сорбции материалом, используемым в качестве наполнителя. Подобное решение позволяет совместить два технологических процесса в одном сооружении (установке), что существенно упрощает процесс очистки и делает возможности установки более универсальными. Необходимо отметить, что технологическое решение по совмещению процессов удаления механических и растворенных загрязнений в одном сооружении является новым, требующим изучения, поскольку задержание взвешенных веществ и их накопление в пористой структуре фильтрующего элемента может тормозить процессы сорбции. Кроме того, возможности модификации фильтрующего материала сорбентами ограничены технологией производства модифицированных материалов (удельное содержание сорбента составляет около 3% от общего количества фильтрующего материала), поэтому очевидно, что возможности удаления растворенных загрязнений модифицированными фильтрами будут ограничены. Однако, возможность удаления хотя бы части растворенных загрязнений на стадии предварительной очистки, с учетом состава данных загрязнений – радиоактивные загрязнения, а так же возможность накопления данных загрязнений в относительно небольшом объеме фильтрующих элементов, делает данный метод весьма перспективным, особенно применительно к очистке сточных вод, образующихся в результате смыва загрязнений с территорий, подвергшихся радиоактивному загрязнению. Таким образом, использование модифицированных фильтров должно решить главную задачу – удаления основной части загрязнений, находящихся в виде взвешенных веществ и растворенном виде. Использование сорбционного фильтра, загруженного диатомитом или углеграфитовыми волокнистыми материалами марки «Бусофит», позволяет удалять загрязнения, находящиеся в растворенном состоянии. В данном случае используется сорбционный фильтр с нисходящим потоком воды, с высотой слоя загрузки 1 м, снабженный водосборными и водораспределительными системами низкого сопротивления. Использование нефракционированного загрузочного материала требует проведения гидравлической промывки перед началом исследований с целью удаления пылевидных частиц загрузки и гидравлической классификации слоев материала. Для определения концентрации ионов стронция  в растворах  после сорбции на углеграфитовых волокнистых материалах марки «Бусофит» применяется «Методика определения концентрации ионов стронция  в растворах  после сорбции на углеграфитовых волокнистых материалах марки «Бусофит»». При расчете продолжительности работы сорбционного фильтра до начала возможного проскока загрязнений в очищенную воду определяется сорбционная емкость фильтра – Ф3, что позволяет в дальнейшем производить оптимизационные расчеты технологической схемы очистки воды в целом, задаваясь различными параметрами очистки на промежуточных стадиях (после фильтров Ф1 и Ф2) и оптимально распределяя нагрузку по удаляемым загрязнениям на все элементы технологической схемы. Результаты такого расчета позволяют так же упростить процесс управления работой сооружений, поскольку позволяют определить корреляцию между количеством удаляемых загрязнений (гряземкостью) отдельных фильтров и их гидравлическими параметрами – потерями напора в фильтрующей загрузке. Контроль работы по схеме осуществляется на основе показаний расходомеров и манометров. Система автоматики обеспечивает процесс фильтрования с постоянным расходом, для этих целей обеспечивается обратная связь между степенью открывания электромагнитного крана, установленного на линии отвода очищенной воды и потерями напора на фильтрах. При полном открывании крана подается сигнал к исчерпанию грязеёмкости фильтров и необходимости их замены. 

Результаты исследования

1) Обоснованы технологические решения по созданию испытательного стенда ИС-2, которые могут быть основой для разработки Методики выделения радионуклидов из сточных  вод, содержащих радиоактивные загрязнения, с использованием ФПЭ, модифицированного наполнителями различной природы

2) Разработана эскизная конструкторская документация на испытательный стенд для физического имитационного моделирования процессов очистки ПВ и СВ, содержащих радиоактивные загрязнения.  

3) Выполнена разработка программного обеспечения работы испытательного стенда ИС-2. 

4) Разработан способ изготовления микропористых нанокомпозитных фильтрующих элементов (ФЭ) на основе пористого сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМ ПЭ) с наполнителями (галлуазит, активированный уголь, наночастицы серебра), включающий стадии приготовления смеси порошка СВМ ПЭ и наполнителя; спекания (или термопрессования) композиции на основе порошка СВМ ПЭ и наполнителя в закрытой цилиндрической пресс-форме; извлечения изделия из пресс-формы; модификации поверхности и объёма ФЭ наночастицами (НЧ) серебра; контроля качества продукции.

5) Разработаны методики физического имитационного моделирования процессов очистки ПВ и СВ, содержащих радиоактивные загрязнения, с использованием ИС-2, в том числе: а) Методика очистки воды на механических фильтрах с использованием ФПЭ модифицированных различными наполнителями; б) «Методика определения концентрации ионов стронция  в растворах  после сорбции на углеграфитовых волокнистых материалах марки «Бусофит»». 

6) Исследованные образцы фильтрующих материалов на основе микропористого композита на основе порошка СВМ ПЭ и наполнителя галлуазит (3% (масс.)) могут быть эффективно использованы для очистки гидрозолей и аэрозолей от микрочастиц металлов размерами свыше 5,0 мкм. При очистке аэрозолей рассматриваемый вид фильтрующих материалов не обеспечивает задержание частиц металлов размером менее 1 мкм. Модификация фильтрующего элемента сорбционным наполнителем на основе УГВМ обеспечивает глубокое удаление частиц металлов из водных растворов и модельных вод. 

7) Выполнен комплекс проектно-конструкторских, сборочно-монтажных и пуско-наладочных работ, направленных на создание испытательного стенда для физического моделирования процессов очистки ПВ и СВ, содержащих радиоактивные загрязнения – ИС-2. По результатам проверки сборки и гидравлических испытаний, путем заполнения емкостного оборудования и трубопроводов водопроводной водой, ООО «НПП «ИНПРОКОМ» был выдан Акт заводского изготовления от 18 мая 2016 г. № 88, и присвоен заводской № 5.

Практическая значимость исследования
Возможные области применения полученных результатов - коммунальное хозяйство РФ и стран-членов СНГ.
Оценка технико-экономической эффективности работ по четвертому этапу ПНИ:
- повышение надежности и безопасности систем водоснабжения в населённых пунктах численностью до 1000 человек, за счёт повышения барьерной функции станций водоподготовки, улучшения качества питьевой воды.
Новизна технологических решений:
- использование в составе ИС-2 нанокомпозитных фильтрующих элементов на основе радиационно- модифицированного порошкообразного ПЭ с наполнителями различной природы, современной системы сбора, хранения и анализа информации о режимах работы установки, а также управления работой устройства.
Результаты, полученные при выполнении четвертого этапа ПНИ «Разработка новых научно-технических решений по безреагентной очистке 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 свидетельствуют о высокой эффективности предлагаемого метода очистки ПВ и СВ будут использованы при проведении работ по пятому этапу и работ в целом.
Степень внедрения – разработка.