Ковжога С.О., Писарєв А.В., Тузіков С.А., Карманний Є.В., Молодцов В.А.

(Національна юридична академія України ім. Я. Мудрого)

Способи очищення води

Очищення води забрудненої радіоактивними речовинами (РА) може бути здійснено за рахунок седиментації або осідання. Під дією сили переборюється опір руху радіоактивних частинок, що створює їм навколишнє середовище , тобто .

В умовах вільного осідання зовнішня сила викликана гравітацією і дорівнює , де - маса частинки, а опір середовища силою тертя. Швидкість осідання частинок — у випадку, коли можна знехтувати їхнім взаємним впливом, підкоряється рівнянню Стокса:

, (1)

де - діаметр частинок; і - щільність матеріалу частинок і середовища відповідно; - в'язкість середовища; - прискорення сили ваги.

Формула (1) справедлива для кулястих частинок діаметром від 1 до 100 мкм. Для частинок інших розмірів і неправильної форми в рівняння (1) уводять відповідні поправки.

Седиментація визначала випадання РА частинок по мірі руху хмари в Чорнобилю, а також у результаті подальшого пилоутворення, коли мав місце перехід у повітря ґрунту разом з РА частинками. Седиментація визначала час перебування цих частинок у зваженому стані і можливість їхнього подальшого поширення.

Швидкість і час осідання тих самих частинок у воді майже в 1000 разів менше в порівнянні з повітряним середовищем у зв'язку зі значним збільшенням в'язкості і щільності середовища. Ці параметри входять у формулу (1).

На основі принципу седиментації відбувається очищення рідких середовищ, головним чином води, від РА забруднень, що знаходяться у виді частинок. Очищення води седиментацією — тривалий процес; він розтягується на десятки годин, а то і кілька діб. Знизити час очищення можна за рахунок збільшення швидкості осідання, що відповідно до формули (1) досягається збільшенням прискорення, що діє на зважені частинки і ростом розмірів самих РА частинок - обидва ці методи застосовуються на практиці.

Зовнішню силу можна різко збільшити центрифугуванням. У результаті виникає відцентрове прискорення, що значно перевищує прискорення сили ваги й інтенсифікує процес осідання РА забруднень.

Збільшення розмірів частинок можна досягти за рахунок процесу флокуляції, що здійснюється після введення в розчин речовин, названих флокулянтами. Як флокулянти застосовують полімери, зокрема, поліакриламід

.

Макромолекули полімеру утворять своєрідні містки між РА частинками, що знаходяться у воді в зваженому стані. У результаті цього процесу відбувається укрупнення частинок, що відповідно до рівняння (1) приводить до збільшення швидкості і скороченню часу очищення води.

Седиментацію можна віднести до екстенсивного способу очищення води, тому що він трудомісткий, вимагає наявності великих ємностей та визначеного часу.

Фільтрацією називають очищення газового або рідкого середовища шляхом осадження домішок на поверхні фільтра. На рис. 1 схематично приведений фільтр для очищення води із зернистим завантаженням [1]. Шихта фільтрів може заповнюватися відносно великими частинками (кварцовим піском, дробленим антрацитом і ін.), а також різними сорбентами. В останньому випадку крім РА частинок відбувається уловлювання розчинених радіонуклідів (РН). При русі рідкого середовища відбувається осідання РА частинок у лабіринтах порового простору. Основна маса РА забруднень затримується на зовнішньому шарі шихти фільтра, а інша частина шихти в процесі фільтрації бере участь неповністю. Для усунення цього недоліку використовують фільтри безперервної дії з завантаженням, що плаває. У Чорнобилю фільтри, що працюють на принципі зернистого завантаження, були широко використані для обволікання берегів водоймищ.

Рис. 1. Зернисті фільтри для очищення води від РА забруднень

У процесі фільтрації води РА забруднення залишаються на фільтруючій поверхні. Фільтри забиваються і після закінчення визначеного часу вичерпують свої можливості. РА забруднення, що накопичуються у фільтруючому середовищі, становлять визначену небезпеку. Виникає необхідність регенерації фільтра і збору уловлених РА забруднень. Значною мірою позбавлений подібних недоліків процес очищення забрудненої води за допомогою мембран [2].

До числа мембранних способів очищення відносяться зворотний осмос (діаліз) і ультрафільтрація. Схема зворотного осмосу в порівнянні з осмосом можна представити за допомогою рис. 2 [1].

Осмос зв'язаний з самочинним переміщенням води 1 через напівпроникну перегородку 3 у розчин 2. При цьому створюється тиск , вимірюваний висотою стовпа рідини і названий осмотичним. Якщо з боку розчину, що містить РА забруднення (рис. 2,б) прикласти тиск вище осмотичного, то вода буде рухатися в зворотному напрямку. З цієї причини рух води через напівпроникну перегородку під впливом зовнішнього тиску й одержав назву зворотний осмос. За допомогою зворотного осмосу вода, що очищається, через мембрану залишає забруднене середовище, відбувається концентрація РА забруднень і виділення чистої води.

Рис. 2. Схема осмосу (а) і зворотного осмосу – діалізу (б); 1 – вода очищена; 2 – вода забруднена РА речовинами; 3 – напівпроникна перегородка

Для здійснення зворотного осмосу надлишковий тиск над розчином Р повинне перевищувати осмотичне , тобто

.

Ця умова є основною і визначає можливість зворотного осмосу. Тиск Р обумовлений осмотичним тиском, що для деяких розчинів РН може коливатися в межах 1,5 - 10 МПа.

Зворотний осмос можна прискорити під дією постійного електричного струму. Цей процес називають електроосмосом або діалізом. Коли осмотичний тиск відносно малий, що має місце для колоїдних розчинів, то очищення розчинів за допомогою мембран відбувається під дією ультрафільтрації.

Зворотний осмос і ультрафільтрація мають багато загального: для мембран використовують ті самі напівпроникні матеріали, аналогічна апаратура для їхнього здійснення. Розходження полягає в механізмі процесу, у тиску, необхідному для їхнього здійснення й у розмірах пір напівпроникної перегородки.

Зворотний осмос і ультрафільтрація в принципі відрізняється від звичайної фільтрації (рис. 1). Через пори мембран проходить чиста незабруднена вода. З цієї причини мембрани не забиваються РА забрудненнями і працюють тривалий час. Використання мембран дозволяє очистити розчин РА речовин, затрачаючи при цьому майже в 10 разів менше енергії в порівнянні з іншими способами.

Випарювання стосовно до РА забрудненої води - це випар води, концентрування РА продуктів до утворення твердої маси. У результаті одержують чисту воду і концентрований осад РА забруднень.

Випарювання здійснюється на випарних апаратах, робота яких заснована на двох принципах. В апаратах першого типу забруднень розчин стикається з поверхнею нагрівання, і кипіння відбувається на цій поверхні рис. 3 [1].

Рис. 3.Схема випарних пристроїв з використанням нагрівання (а) і контактних (б): 1 - теплоносій; 2 - поверхня нагрівання; 3 - забруднений розчин; 4 - осад після випарювання; 5 — пара або очищена вода

Можливий процес адіабатного випару в ємностях зі зниженим тиском. У випарних установок другого контактного типу теплоносій у виді нагрітої води або її пар подається в забруднене середовище, і в результаті безпосереднього контакту відбувається нагрівання і випар води. До цього типу можна віднести установки з зануреними пальниками.

Принцип дії випарних апаратів із зануреними пальниками, поміщеними в рідину, яка випарюється, полягає в безпосередньому впливі на забруднену воду продуктів згоряння палива без усяких проміжних пристроїв.

В одній з конструкцій такої установки забезпечується можливість концентрування РА забруднень до нелетучого стану і багаторазове використання самої установки. Причому концентровані РА забруднення у твердому або рідкому стані спливають і видаляються для захоронення. Таким чином, можна очищати іонообміні смоли, різні олії й інші речовини. Продукти згоряння барботирують через шари рідини, яка випарюється, насичуються водяною парою і віддаляються з апарата [3].

Робота випарних апаратів заснована на передачі тепла від теплоносія до розчину, що очищається, а в контактних апаратах і на передачі маси. Елементарні стадії випарювання визначаються процесами тепло - масопередачі.

Переваги контактних випарних апаратів другої групи полягають у відсутності можливості утворення шумовиння, що містить РА забруднення, і в більш повному використанні тепла теплоносія, але при цьому виключається можливість повторного використання відпрацьованого теплоносія.

Наданий матеріал не претендує на вичерпане викладання проблеми очищення води, а наведено лише в якості ілюстрації, що підтверджує можливість поєднання різних способів обробки забрудненої води в залежності від цільового призначення, яке визначається джерелами РА забруднень та особливостями самої забрудненої води.

Література:

1. Зимон А.Д., Пикалов В.К. Дезактивация. - М.: ИздАТ, 1994. – 336 с.

2. Зимон А.Д. Мир частиц – коллоидная химия для всех. М.: Наука, 1988.

3. А.С. Франции, № 2279205 Концентрирование РА загрязнений /Ж. Ламэ // Опубл. 9.08.1976. РЖ Химия. 1977. Т. 7, № И43П.