- •Учебно-методические разработки для самостоятельной работы студентов по курсу «Теоретические основы защиты окружающей среды»
- •Часть I
- •Обезвоживание и методы очистки сточных вод
- •Введение
- •Глава 1. Основные законы термодинамики. Понятие энтропии как функции обесценивания энергии и стремления системы к хаосу
- •1.1 Понятие «энтропия». Принцип существования и возрастания энтропии
- •1.2. Энергоэнтропийная концепция аварийности и травматизма
- •1.3. Воздействие промышленного производства на природу. Ресурсосберегающая технология. Материальный баланс производства
- •1.4. Классификация основных процессов
- •1.5. Общие принципы анализа и расчета процессов и аппаратов
- •1.5.1. Материальный баланс
- •1.5.2. Энергетический баланс
- •1.5.3. Интенсивность процессов и аппаратов
- •1.5.4. Определение основных размеров аппаратов
- •1.5.5. Моделирование и оптимизация процессов и аппаратов
- •Контрольные вопросы
- •Глава 2. Классификация двухфазных систем
- •2.1. Методы обезвоживания
- •2.2. Формы связи воды с твердым телом. Энергия связи различных форм воды с твердым телом
- •2.3. Влагоудерживающая способность твердых тел. Влияние основных факторов на степень обезвоживания
- •Контрольные вопросы
- •Глава 3. Отделение жидкости под действием механических методов
- •3.1. Обезвоживание кускового материала дренированием
- •3.1.1. Гидродинамика течения жидкости под влиянием собственного веса в порах осадка
- •3.2. Отстаивание под действием силы тяжести
- •3.2.1. Основные понятия. Классификация суспензий
- •3.2.2. Способы выражения и расчета концентрации твердого в пульпе
- •3.2.3. Исследование скорости расслоения суспензий I-го и II-го классов методом длинной трубки
- •3.2.4. Качественное описание процесса расслоения суспензий III и IV классов
- •3.2.5. Расчет удельной поверхности сгущения по методу Коу и Клевенжера
- •3.2.6. Расчет удельной поверхности по методу Кинча
- •3.2.7. Определение высоты сгустителя
- •3.2.8. Пример расчета сгустителя по методу Кинча
- •Контрольные вопросы
- •Глава 4. Применение центробежной силы при обезвоживании
- •4.1. Основные понятия
- •4.2. Особенности применения гидроциклонов для обезвоживания
- •Порядок расчета гидроциклона.
- •4.3. Особенности применения центрифуг для сгущения суспензий
- •4.4. Основные закономерности разделения суспензий в осадительных центрифугах. Индекс производительности
- •4.5. Физические основы разделения суспензий в фильтрующих центрифугах
- •Контрольные вопросы
- •Глава 5. Фильтрование
- •5.1. Основные понятия. Классификация
- •5.2. Физические основы фильтрации с образованием осадка. Гидродинамика течения жидкости через пористые и зернистые слои
- •5.3. Основное уравнение фильтрации
- •5.4. Определение оптимальных условий работы фильтров. Экономически выгодный цикл фильтрации
- •5.5. Применение уравнения фильтрации. Определение удельного сопротивления осадка и его сжимаемости
- •5.6. Фильтровальные перегородки
- •5.7. Конструкции фильтров. Периодически и непрерывно действующие. Классификация. Фильтры, работающие под давлением. Вакуум-фильтры. Способы снятия осадка
- •5.8. Выбор и расчет фильтров
- •5.9. Схемы подсоединения вакуум-фильтров
- •Контрольные вопросы
- •Глава 6. Агрегирование
- •6.1. Теория процесса агрегирования. Механизмы встреч частиц друг с другом. Понятие о расклинивающем давлении Теория процесса агрегации
- •Два механизма соударения или встречи частиц
- •6.2. Три слагающие поверхностных сил (расклинивающего давления). Двучленный закон взаимодействия
- •6.3. Силы Ван-дер-Ваальса. Слагающие сил Ван-дер-Ваальса. Ван-дер-ваальсово взаимодействие между молекулами и конденсированными фазами Силы Ван-дер-Ваальса
- •Электромагнитная теория взаимодействия конденсированных фаз
- •6.4. Природа ионно-электростатических сил. Закономерность изменения их вглубь раствора
- •6.5. Гидратационная слагаемая поверхностных сил (расклинивающего давления)
- •6.6. Три механизма агрегирования: коагуляция, флокуляция, мостиковая флокуляция
- •6.7. Основные принципы селективной агрегации частиц
- •6.8. Характеристика применяемых высокомолекулярных синтетических флокулянтов
- •Контрольные вопросы
- •Глава 7. Абсорбция
- •7.1. Общие сведения
- •7.2. Равновесие при абсорбции
- •7.3. Материальный и тепловой балансы процесса
- •7.4. Скорость процесса
- •Контрольные вопросы
- •Глава 8. Адсорбция
- •8.1. Общие сведения
- •8.2. Характеристики адсорбентов и их виды
- •8.3. Равновесие при адсорбции
- •8.4. Кинетика адсорбции
- •8.5. Десорбция
- •Контрольные вопросы
- •Глава 9. Флотация
- •9.1. Общие сведения
- •9.2. Теоретические основы процесса флотации
- •9.3.Флотационные реагенты и их классификация
- •9.4. Механизм действия собирателей
- •9.5. Реагенты-депрессоры
- •9.6.Реагенты-активаторы
- •9.7. Реагенты-регуляторы среды
- •9.8. Реагенты-пенообразователи
- •Контрольные вопросы
- •Глава 10. Экстракция
- •10.1 Процессы экстракции в системах жидкость-жидкость
- •10.1.1. Общие сведения
- •10.1.2. Равновесие в системах жидкость - жидкость
- •10.1.3. Методы экстракции
- •10.2. Процессы растворения и экстракции в системах твердое тело - жидкость
- •10.2.1. Общие сведения
- •10.2.2. Равновесие и скорость выщелачивания
- •Контрольные вопросы
- •Глава 11. Сушка
- •11.1. Основные понятия. Параметры, подлежащие расчету
- •11.2. Равновесное содержание влаги при сушке. Кинетика сушки. Понятие о напряжении объема сушилки
- •11.3. Основные параметры влажного воздуха
- •11.5. Изображение процессов изменения состояния воздуха на j - X на диаграмме
- •11.6. Материальный и тепловой балансы сушки
- •11.7. Расчет удельных расходов воздуха и тепла на сушку
- •11.8. Расчет сушилки в случае частичной рециркуляции обработанного воздуха
- •11.9. Сушка топочными газами
- •11.10. Конструкции сушилок
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •Оглавление
- •Глава 1. Основные законы термодинамики. Понятие энтропии как функции обесценивания энергии и стремления системы к хаосу 6
- •Глава 2. Классификация двухфазных систем 41
- •Глава 3. Отделение жидкости под действием механических методов 50
- •Глава 4. Применение центробежной силы при обезвоживании 75
- •Глава 5. Фильтрование 86
- •Глава 6. Агрегирование 117
- •Глава 7. Абсорбция 144
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное агентство по образованию
Московский государственный институт электронной техники
(технический университет)
Кольцов В.Б.
Учебно-методические разработки для самостоятельной работы студентов по курсу «Теоретические основы защиты окружающей среды»
Часть I
Обезвоживание и методы очистки сточных вод
Москва 2007
УДК 658.362.3
Рецензенты: д.х.н., проф. Минаев В.С.,
д.х.н., проф. Потемкин А.Я.
Учебно-методическая разработка для самостоятельной работы студентов по курсу «Теоретические основы защиты окружающей среды», часть I (Обезвоживание и методы очистки сточных вод). - М.: МИЭТ, 2007. -290 с: ил.
Учебно-методическая разработка для самостоятельной работы студентов.
Рассмотрены фундаментальные проблемы обезвоживания твердых материалов. Исходя из результатов исследований физико-химических свойств материала различной крупности, проведен сравнительный анализ механических методов обезвоживания (дренирования, отстаивания, обезвоживания под действием центробежной силы, а также фильтрования). Описаны основные принципы агрегирования и флотации, физико-химические процессы разделения твердых и жидких материалов - адсорбция, экстракция и сушка.
Изложенные в работе физические и физико-химические закономерности лежат в основе очистки сточных вод от опасных и вредных примесей.
Разработка предназначена для студентов, обучающихся по специальности 28020265 «Инженерная защита окружающей среды». Она может быть также полезна студентам и аспирантам других технических специальностей вуза.
© МИЭТ, 2007
Введение
Грандиозные масштабы производственной деятельности человека привели к большим позитивным изменениям в мире - созданию мощного промышленного и сельскохозяйственного потенциала, мелиорации больших земельных площадей и как следствие, созданию систем искусственного климата. Однако вместе с этим в XX веке резко ухудшилось состояние окружающей среды, которое выражается в глобальном загрязнении атмосферы, водоемов и почвы твердыми, жидкими и газообразными отходами различных производств. Кроме того, происходит истощение не возобновляемых природных ресурсов и в первую очередь это касается полезных ископаемых и пресной воды. Поэтому защита окружающей среды от загрязнений стала одной из насущных проблем человечества.
Для сокращения выбросов загрязнений в биосферу и поддержания качества окружающей среды на должном уровне академиками Н.Н. Семеновым и И.В. Соколовым-Петриковым выдвинута концепция безотходной (малоотходной) технологии. Эта технология подразумевает такое производство, при котором минимизируется объем газообразных, жидких, твердых и тепловых отходов в процессах переработки природного сырья. Это связано в первую очередь с разработкой таких процессов переработки сырья, в которых используется замкнутая система водооборота, а также полная рекуперация (улавливание и пользование) газообразных отходов производства.
По этой проблеме написано достаточно большое количество монографий и учебников. В качестве примера приведем знаменитую книгу А.И. Радионова, В.Н. Клушина и В.Г. Систера «Техника защиты окружающей среды», которая стала основным учебником для студентов и аспирантов, обучающихся по специальности «Технологические процессы экологической безопасности», вышедшая в 2000 году.
Однако к настоящему времени появилась в системе экологического образования России новая технологическая специальность 3302 - «Инженерная защита окружающей среды», в которой согласно общеобразовательному стандарту введены предметы «Теоретические основы защиты окружающей среды» и «Процессы и аппараты защиты окружающей среды».
Согласно общеобразовательному стандарту выпускник этой специальности должен хорошо представлять себе, что человек - это часть природы, и в этом отношении является неправомерным противопоставление природы и человека, как внешних сил по отношению друг к другу. А раз это так, то и появление в недрах человеческого общества техники - закономерное явление в процессе эволюции Земли. Поэтому главные усилия инженера-эколога должны быть направлены на гармоничное развитие природы и техники, которое возможно только в результате научно-обоснованного компромисса между объектами природы и социальной деятельностью человека. Ответственность за такой компромисс лежит на инженерной экологии - этой многопрофильной области знания о законах природосберегающего формирования техносферы планеты и ее сбалансированного экологического безопасного развития.
Данное учебное пособие по «Теоретическим основам защиты окружающей среды» является общеобразовательным, приемлющим цель усвоения единой системы обязательного экологического образования инженеров, которое обеспечит стабильный минимально подходимый уровень природоохранной подготовки специалистов по всем отраслям науки, техники, производства, строительства и т.д. с учетом новых концепций управления техносферным развитием на локальном, региональном и глобальном уровнях. Вместе с тем данное учебное пособие ориентированно на подготовку инженеров-экологов по защите окружающей среды в области микроэлектроники и электронной техники, которая обладает определенными специфическими особенностями. Используемые электронной промышленностью вредные вещества As, P, Hg, Pb, Cd, Te и их соединения, HCl и другие кислоты, различные органические растворители, к сожалению, часто попадают в среду обитания человека в качестве сточных вод и вносят свою существенную лепту в ухудшение экологии мегаполиса, где расположены эти производства.
Поэтому курс «Теоретические основы защиты окружающей среды» - является базовым курсом подготовки специалистов по специальности 28020265 - «Инженерная защита окружающей среды». Большое внимание уделено разделам обезвоживания материала: дренированию, фильтрованию, агрегированию, флотации, экстракции и абсорбции.
В задачу курса входят ознакомление студентов с теорией и методами расчёта процессов, рассмотренных в вышеперечисленных разделах.
К сожалению, ограниченный объем пособия не позволил включить вопросы переработки твердых и газообразных отходов производств электронной техники. Авторы глубоко признательны аспиранту кафедры ПЭ М.Г. Вахрамеевой и студентам группы ЭТМО-42 за подготовку и редактирование пособия в электронном виде.