Снижени е содержания углекислого газа в процессе улучшения качественных показателей подземной воды способствует эффективной работе сооружений водоподготовки и предотвращению коррозионных явлений трубопроводов. Десорбция газа из подземной воды в процессе дегазации зависит от коэффициента диффузии и состояния пограничного слоя на границе вода-воздух. В общем случае в процессе эксплуатации сооружений по снижению углекислого газа возможны варианты слабой и активной турбулизации потока, соответственно, изменения состояния поверхности воды. Проведены сравнительные исследования по десорбции углекислого газа из покоящегося и перемешиваемого объёма воды.
Ключевые слова: подземная вода, углекислый газ, диффузия, десорбция, коэффициент десорбции.
В технологических схемах обезжелезивания подземной воды в режиме малой или глубокой аэрации применяются контактные резервуары с различной продолжительностью воды, после насыщения воды кислородом воздуха, кроме создания условий для окисления двухвалентного железа, они выполняют роль и десорбера углекислого газа (СО 2 ).
В зависимости от скорости движения воды (фактор принятой продолжительности пребывания) в контактном резервуаре наблюдается ламинарный или турбулентный режим. В основе всех массообменных процессов лежит диффузия распределяемого вещества внутри фазы и через границу раздела фаз. Десорбции углекислоты из объёма воды может происходить в процессе молекулярной, конвективной или совместной диффузии.
Молекулярная диффузия характерна для неподвижной или ламинарно перемещаемой среды. При ламинарном режиме, изменения поверхности потока незначительны, доминирующим процессом десорбции СО 2 является диффузия, при турбулентном режиме в процесс дополнительно включается конвективная диффузия.
Молекулярная диффузия, происходящая в неподвижной среде, протекает весьма медленно. В движущейся среде диффузия — конвективная, углекислый газ переходит из воды не только вследствие молекулярного движения, но и переноса при движении объёма воды относительно воздушной среды [1]. При турбулизации потока в результате пульсации скоростей в объёме жидкой фазы осуществляется перемещение СО 2 во всех направлениях с выравниванием концентрации.
Конвективный перенос под действием турбулентных пульсаций называют турбулентной диффузией в этом случае десорбция осуществляется молекулярной и турбулентной диффузией (рис. 1), общий коэффициент диффузии D общ = D т + D мол [2].
Рис. 1. Диффузии в турбулентном потоке
Процесс десорбции СО 2 можно ускорить взаимным перемещением фаз включив в работу механизм конвективного переноса молекул. В этом случае концентрация СО 2 в объёме воды быстро выравнивается за счет турбулентной и вихревой диффузии, а процесс молекулярной диффузии будет лимитировать скорость переноса молекул только в очень тонком пограничном слое, вблизи границы раздела фаз турбулентность затухает, и молекулярная диффузия становится преобладающей.
В литературе данные по эффективности десорбции СО 2 при наличии контактного резервуара в схеме обработки воды и режима движения воды в нём не приводятся.
В цели исследования входило определение процесса снижения содержания углекислоты в статическом (аналог ламинарного движения) и динамическом режиме.
Методика исследований
В исследовании удаление из воды свободного углекислого газа обеспечивается прямым контактом воды с воздухом. Продолжительности контакта воды и воздуха сориентированы на пребывание воды в контактных резервуарах действующих станций обезжелезивания [3, 4, 5], с поддержанием постоянной температуры.
Концентрация углекислоты определяется методом прямого титрования и рассчитывается по формуле:
где: 44 — эквивалент СО2, соответствующий 1 мг-экв NaOH; n — объем раствора NaOH, израсходованный на титрование, мл; N = 0,1 — нормальность раствора NaOH; V — объем воды, взятый для определения, см 3 .
Для проведения испытаний использовались емкости с одинаковой площадью (0,02 м 2 ), но разными глубинами (3, 4.5, 6 и 9.3 см) по 5 шт. каждая. В емкости заливалась вода вровень с верхними краями и через заданное время производились замеры концентрации углекислоты.
Динамический режим в исследовании создавался лопастной мешалкой с одинаковой скоростью вращения (40 об/мин), для всех принимаемых объёмов воды.
Замеры углекислоты в статическом и динамическом режиме проводились через 15, 30, 60, 90 и 120 минут.
Исследования проводились с подземной водой из скважин «ЦВМиР Сибирь» ‒ исходная концентрация углекислоты 88 мг/дм 3 и Велижанского водозабора Тюменского района Тюменской области концентрация углекислоты 137 мг/дм 3 , температура подземной воды 6–8 °С.
Результаты исследований
По результатам проведенных измерений построены графики зависимости снижения содержания углекислоты от продолжительности контакта воды в статических и динамических условиях, также представлено влияние высоты слоя воды.
Зависимость снижения содержания углекислоты от продолжительности контакта воды с воздухом в статических условиях представлены на рис. 2 и 3.
Рис. 2. Зависимость снижения содержания углекислоты от продолжительности контакта воды с воздухом в неподвижном слое, СО 2 исх = 88 мг/дм 3
Рис. 3. Зависимость снижения содержания углекислоты от продолжительности контакта воды с воздухом в неподвижном слое, СО 2 исх = 88 мг/дм 3
Приведенные выше кривые десорбции имеют характерный первоначальный ускоренный процесс, наличие которого следует связывать с падением давления в процессе извлечения воды из водоносного горизонта [7] и относительно высокими значениями движущей силы процесса. При стабилизации или достижении атмосферного давления в неподвижном слое десорбция связывается с молекулярной диффузией. Кривую десорбции углекислоты в общем виде можно разбить на три участка:
1 — резкое снижение концентрации (зависит от давления в водоносном пласте и характерного содержания СО 2 — как природный фактор);
2 — плавное понижение концентраций, связанное с диффузионным процессом;
3 — незначительное снижение концентрации ввиду малой величины движущей силы, обусловленной низкой разностью содержаний СО 2 в воде и воздухе.
Влияние на снижения содержания углекислоты высоты слоя воды в статических условиях представлены на рис. 4 и 5.
Рис. 4. Снижение содержания углекислоты в зависимости от высоты слоя воды в статических условиях, СО 2 исх = 88 мг/дм 3
Рис. 5. Снижения содержания углекислоты в зависимости от высоты слоя воды в статических условиях, СО 2 исх = 137 мг/дм 3
При турбулизации объёма воды в верхних слоях процесс обновления пограничного слоя протекает непрерывно, соответственно, сопротивление десорбции углекислоты происходит более активно (рис. 6 и 7). Особенно это хорошо наблюдается при снижении значения движущей силы процесса десорбции.
Рис. 6. Снижение содержания углекислоты в статических и динамических условиях, высота слоя 6 см, СО 2 исх = 88 мг/дм 3
Рис. 7. Снижение содержания углекислоты в статических и динамических условиях, высота слоя 3 см, СО 2 исх = 137 мг/дм 3
При перемешивании скорость десорбции увеличивается, это связано с уменьшением толщины и разрывом пограничного слоя и, соответственно, перенос газа увеличивается за счёт конвективной диффузии.
Выводы:
— десорбция углекислоты из неподвижного слоя жидкости происходит медленно;
— с увеличением высоты слоя воды остаточное содержание углекислоты выше по сравнению с малыми высотами;
— турбулизация объёма воды способствует более высокому эффекту снижения содержания углекислоты (увеличивается на 35 %).
Литература:
- Касаткин А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии / А. Г. Касаткин. Москва: Госхимиздат, 1961. ‒832 с.
- Франк-Каменецкий Д. А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике / Д. А. Франк-Каменецкий. Москва: Наука, 1987. 502 с.
- Румянцева Л. П. Брызгальные установки для обезжелезивания воды / Л. П. Румянцева. ‒ Москва: Стройиздат, 1973. ‒104 с.
- Клячко В. А. Очистка природных вод / В. А. Клячко, И. Э. Апельцин. ‒ Москва: Стройиздат, 1971. 560 с. ‒560 с.
- Кастальский А. А. Подготовка воды для питьевого и промышленного водоснабжения / А. А. Кастальский, Д. М. Минц. ‒ Москва: Высшая школа, 1962. ‒559 с.
- Белан А. Е. Технология водоснабжения / А. Е. Белан. ‒ Киев: Наукова думка, 1985. ‒264 с.
- Линевич, С. Н. Комплексная обработка и рациональное использование сероводородсодержащих природных и сточных вод [Текст] / С. Н. Линевич. — М.: Стройиздат, 1987. — 88 с.
