НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Die entwicklung der membrantechnologien in Deutschland

Тесля А.Н., ТюмГНГУ, г. Тюмень

Die Membrantechnologie entwickelte sich über die letzten Jahrzehnte zu einer anerkannten Trennungstechnologie. Der Hauptvorteil der Membrantechnologie ist die Tatsache, dass sie ohne Zugabe von Chemikalien arbeitet, der Energieverbrauch relativ gering ist, die Handhabung einfach ist und die Anlagen gut auf die unterschiedlichen Anforderungen angepasst werden können.

Membrantechnologie ist ein Überbegriff für eine Vielzahl unterschiedlicher Trennungsmethoden, die alle auf dem Einsatz von Membranen basieren.

Membrane werden immer häufiger dafür verwendet, um Prozesswasser aus

Grund-, Oberflächenund Abwasser zu erzeugen, weshalb die Membrantechnologie sicher auch wettbewerbsfähig im Vergleich zu den konventionellen

Techniken ist. Die wichtigste Eigenschaft der Membrane ist deren Semipermeabilität. Das Prinzip ist ziemlich einfach: Die Membran verhält sich wie ein spezieller Filter, der Wasser hindurch fließen lässt, während Schwebstoffe und andere Substanzen zurückgehalten werden.

Es gibt zahlreiche Methoden, die Stoffe daran hindern, eine Membran zu durchdringen. Beispiele für diese Methoden sind die Anwendung von einem hohen Arbeitsdruck, die Aufrechterhaltung eines Konzentrationsgradienten an beiden Seiten der Membran und die Einleitung eines elektrischen Potentials.

Membrane stellen also eine selektive Trennwand dar, durch die bestimmte Substanzen hindurchtreten können während andere zurückgehalten werden.

Die Membranfiltration kann als Alternative zu Flockung, Sedimentation, Adsorption (Sandfilter und Aktivkohlefilter, Unsere Partner Ionenaustauscher), Extraktion und Destillation verwendet werden.

Zwei Faktoren bestimmen die Effektivität eines Membranfiltrationsprozesses: die Selektivität und die Produktivität. Die Selektivität wird in einem Parameter ausgedrückt, welcher Retentionsoder Trennfaktor genannt wird (angegeben in l/m2*h). Der Parameter, mit dem die Produktivität beschrieben wird, heißt Durchflussmenge (angegeben in l/m2*h). Sowohl die Selektivität undals auch die Produktivität sind von der Membran abhängig.

Bild. 1.

181

Die Membranfiltration kann einerseits in die Mikround Ultrafiltration und andererseits in die Nanofiltration und die Umkehrosmose geteilt werden.

Wenn es darum geht, größere Teilchen mittels Membranfiltration zu entfernen, werden die Verfahren der Mikround e-Ultrafiltration angewandt. Wegen des offenen Charakters dieser Membrane ist die Produktivität hoch, während die

Druckunterschiede gering sind. Wenn Salze aus dem Wasser entfernt werden müssen, kommen die Nanofiltrationund die Umkehrosmosezum Einsatz.

Diese beiden Verfahren basieren nicht auf dem Durchsatz durch Poren, sondern dem Trennungsprozess liegt die Diffusion durch die Membran zu Grunde. Der Druck, welcher bei der Nanofiltration und bei der Umkehrosmose notwendig ist, ist viel höher als der bei der Mikround bei der Ultrafiltration, während die Produktivität geringer ist.

Bild. 2.

Die Membranfiltration hat zahlreiche Vorteile gegenüber herkömmlicher

Wasseraufbereitungsverfahren. Einerseits kann der Prozess bei niedrigen Temperaturen stattfinden, was es möglich macht, hitzeempfindliche Substanzen zu behandeln. Aus diesem Grund werden derartigen Verfahren häufig in der

Nahrungsmittelproduktion verwendet. Die Energiekosten sind bei der Membrantechnologie relativ gering. Ein Großteil der Energie wird beim Durchpumpen der Flüssigkeiten durch die Membran gebraucht. Im Vergleich zu alternativen

Techniken, wie der Verdampfung, sind die Gesamtenergiekosten jedoch sehr gering. Ein weiterer Vorteil ist, dass der Prozess leicht erweitert werden kann.

Betriebsarten von Membranfiltrationssystemen

Der Durchfluss durch Membranfiltrationssysteme kann als Dead-End- Flow oder als Cross-Flow geführt werden. Das Ziel bei der Optimierung der Membrantechnologie soll immer das Erlangen einer möglichst hohen Produktion

182

über eine lange Zeit bei einem akzeptablen Gehalt an Schmutzstoffen im Permeat sein.

Membransysteme.

Die Wahl eines bestimmten Membransystems wird von einer Vielzahl an

Faktoren beeinflusst. So richtet sie sich nach den Kosten, dem Risiko für eine Membranverstopfung, der Packdichte und den Möglichkeiten für eine Reinigung. Membrane werden nie in Form von flachen Platten eingesetzt, da die große Oberfläche hohe Investitionskosten verursacht. Aus diesem Grund werden die Systeme in einer dichten Bauweise fabriziert, um eine große Oberfläche in einem kleinstmöglichen Volumen zu erhalten. Die Membrane sind in Modulbauweise verfügbar, von welchen zahlreiche unterschiedliche Typen existieren. Man unterscheidet hauptsächlich die rohrförmigenund die plattenförmigenModule. Die rohrförmigen Module werden wiederum unterteilt in Rohr-, Kapillarund Hohlfasermodule. Die plattenförmigen Module werden untergliedert in die

Spiral-Wickel-Module und in die Plattenmodule. Ablagerungen in der Membran

Bei allen Membranfiltrationsprozessen sind Ablagerungen in der Membran unvermeidbar, sogar bei einer ausreichenden und guten Vorbehandlung.

Die Art und der Grad des Anwuchses sind abhängig von vielen verschiedenen Faktoren, wie etwa der Qualität des Eingangswassers, dem Membrantyp, dem

Membranmaterial, dem Aufbau der Anlage und der Kontrolle.

Partikel, BiofoulingundScalingsind die drei Haupttypen von Ablagerungen, die in Membranen auftreten. Diese Verschmutzungen bewirken, dass ein höherer Arbeitsdruck eingesetzt werden muss, um eine kontinuierliche Kapazität der Membrane zu gewährleisten. Ab einem bestimmten Punkt nimmt der Druck so stark zu, dass er weder ökonomisch noch technisch vertretbar ist.

Reinigung der Membran

Für die Entfernung von Ablagerungen in der Membran gibt es eine Vielzahl von Reinigungstechniken, welche Forward Flush, BackwardFlush, Air Flush und chemische Reinigung sowie jede Kombination dieser Techniken umfassen.

Vorteile der Membrantechnik:

Membrantechnikbietet oft einegünstige Verfahrensalternativebeivielen

Stofftrennungen: Kombinierte Waschung und Konzentrierung von Suspensionen und Lösungen, Trennung von Lösungsmitteln, Entsalzungen, Gastrennung und Lösungsmittelrückgewinnung modularer Aufbau ·geschlossenes, hygienisches System niedriger Energiebedarf ·tiefe Prozesstemperaturmöglich, dadurchproduktschonend vollständigautomatisierbar, einschliesslich CIP.

Научный руководитель: Абсалямова Р.А., к.п.н., доцент.

183

Способ и устройство для тушения горящих торфяных болот

Халилов И.Х., Мерданов Ш.М. Иванов А.А., ТюмГНГУ, г. Тюмень

Ежегодно лесные и лесоторфяные пожары наносят ущерб экономике, который складывается из безвозвратных потерь лесного фонда, запасов добытого торфа и уничтожения торфяных месторождений, а также затрат на локализацию и ликвидацию пожаров.

Во время горения торфяных болот ущерб наносится не только природе, но и человеку. Едкий смог, сажа, ядовитые газы приводят к сильному ухудшению самочувствия людей, дорожно-транспортным происшествиям, которые случаются из-за снижения видимости на дорогах до десятков метров. Кроме того, при тушении пожаров могут погибнуть и сами пожарные.

Существуют три причины возгорания торфа:

1)48% - самовозгорание,

2)27% - возгорание по вине техники,

3)25% - антропогенный фактор.

Но, не смотря на данную статистику, большая часть лесоторфяных пожаров в нашем регионе происходит по вине человека.

Лесные пожары принято подразделять на низовые (составляют по количеству до 90 %), верховые и подземные (почвенные). В свою очередь, низовые и верховые пожары могут быть устойчивыми и беглыми.

Устойчивый низовой пожар распространяется по нижнему ярусу леса с малой скоростью (до 0,5 м/мин), охватывая нижние части стволов деревьев и выступающие на поверхность корни.

Подземные (торфяные) пожары возникают на осушенных участках с торфяными почвами или с мощным слоем лесной подстилки (до 20 см и более). Пожар по слою торфа распространяется медленно – до нескольких метров в сутки. Торф и лесная подстилка сгорают на всю глубину сухого слоя или до минеральной (земляной) почвы.

Таблица 1 Классификация пожаров по величине площади, охваченной огнем

184

Классификация пожаров по величине площади, охваченной огнем, приведена в таблице 1.

Торф – молодое геологическое образование, зарождающееся в результате отмирания болотной растительности при избыточном количестве влаги и недостаточном доступе воздуха. Скопление торфа на определенной площади в виде однородных или различных по характеру и мощности слоев называется торфяной залежью. В зависимости от водноминерологических условий различают три типа торфа: низинный, переходный и верховой.

Под воздействием температуры, влажности и других причин торф постепенно разлагается. Чем выше степень разложения торфа, тем больше он подвержен возгоранию.

Возгорание торфа возможно в течение всего года, но чаще всего во второй половине лета, когда он высыхает. Происходит самовозгорание торфа в результате саморазогрева, а также возгорание из-за попадания на него искр от источников огня и работающих машин; грозовых разрядов и пр.

Процесс самовозгорания торфа имеет четыре периода изменения температуры, продолжающиеся до года, при которых температура внутри торфяной залежи поднимается до 60°С и выше. Серьезную опасность в пожарном отношении представляет и торф, хранящийся в штабелях по месту добычи.

Разогреваясь, торф превращается в сухую перистую массу – полукокс, которая при соприкосновении с кислородом воздуха самовозгорается. При этом образуются отдельные скрытые очаги горения, обнаруживаемые по выделяющемуся дыму. Скорость выгорания торфа в безветренную погоду или при слабом ветре составляет примерно 0,18 кг/м2. Скорость распространения торфяного пожара обычно небольшая – несколько метров в сутки. На такие пожары не влияют ни суточные изменения погоды, ни ветер. Они могут длиться месяцами, даже в дождь и снег.

Из пожаров именно торфяной является самым сложным при тушении, так как в десятки раз превышают затраты на его тушение других видов, так же тушение торфяного пожара требует привлечения значительного числа людей и техники. Даже в зоне активной защиты леса при нынешнем сокращении возможностей авиалесоохраны и системы наблюдения крайне редко удается обнаружить пожар на ранней стадии [1].

Поэтому разрабатывается поэтапная специальная технология по обнаружению и тушению очагов возгорания торфяных пожаров (рис. 1):

1. Через спутниковую систему обнаруживается место, площадь, объем, на какой глубине очаг возгорания и имеются ли по близости подземные воды [2].

185

Рис.1 Схема обнаружения очагов возгорания.

2.Когда все данные определены, делаются точные расчеты для того чтобы разместить специальную технику недалеко от очага. Устанавливается буровая установка ГНБ (горизонтального направленного бурения) с помощью которой, находясь на безопасном расстоянии, можно пробурить скважину [3] и подать туда большое количество воды, что бы потушить возгорание. Для этого рассчитывается диаметр труб и мощность насоса в зависимости от величины пожаров.

3.Приступают к тушению пожара. Длительность тушения пожара будет зависеть от площади местности, и нормативных сроков тушения.

Предлагаемая технология позволяет повысить эффективность обнаружения пожара, а следовательно, сократить затраты и сроки на проведение противопожарных мероприятий. Также такая технология может сократить количество случаев повторного возгорания в том же месте.

Литература 1.Червонный, М. Г. Авиация на охране леса. - М.: Россельхозиздат,

1971. – 128 с.

2. Белов, В.В. Спутниковый мониторинг лесных пожаров в России. Итоги. Проблемы. Перспективы: Аналитический обзор. - Новосибирск: СО РАН. ИОА. ГПНТБ, 2003. - 135 с.

3.Бурников В. Ф Основы технологии горизонтальной скважины. Проселок – Краснодар: «Сов. Кубань», 2003. – 424с.

Научный руководитель: Иванов А.А, к.т.н., доцент.

186

Исследование способов и технических средств для тушения пожаров в труднодоступных районах

Шитикова С.И., ТюмГНГУ, г. Тюмень

Для многих территорий основной источник пожаров носит антропогенный характер.

Основным виновником лесных пожаров является человек - его небрежность при пользовании в лесу огнем во время работы и отдыха. Большинство пожаров возникает в результате сельскохозяйственных палов, сжигания мусора, в местах пикников, сбора грибов и ягод, во время охоты, от брошенной горящей спички, непотушенной сигареты. Во время выстрела охотника вылетевший из ружья пыж начинает тлеть, поджигая сухую траву. Часто можно видеть, насколько завален лес бутылками и осколками стекла. В солнечную погоду эти осколки фокусируют солнечные лучи как зажигательные линзы. Не полностью потушенный костер в лесу служит причиной последующих больших бедствий [1].

В связи с глобальными изменениями климата с каждым годом возрастает количество катастрофических пожаров, увеличивается общая продолжительность пожароопасного периода. Пожары, в свою очередь, приводят к еще большим глобальным изменениям климата и формируют погоду на региональном уровне. В месте действия крупных лесных пожаров формируются устойчивые области высокого атмосферного давления, которые «не подпускают» циклоны с осадками к пожарам [2].

Природные пожары, особенно лесные и торфяные, становятся для России настоящим бедствием. Сгорают гигантские площади лесных массивов, уничтожаются уникальные экосистемы. На тушение лесных пожаров тратятся огромные по масштабам современной России средства [3].

Тушить лесной пожар – занятие сложное и может выполняться различными методами. Тушат, устанавливая заградительные полосы, препятствующие распространению огня либо сбрасывая воду (пену) на очаг пожара. Эффективность тушения в значительной степени зависит от скорости реагирования на начало возгорания. Когда огненная стихия набирает силу, то лишь смена направления ветра или дожди способны остановить ее продвижение.

Недостатком авиационного способа тушения пожаров является высокая стоимость летного часа. Быстрая смена земных ориентиров при большой скорости на малых высотах затрудняют осмотр пожаров, определение курсов захода и точек слива огнегасящих средств. Недостаточная маневренность, большие радиусы разворотов делают опасным и невозможным выполнить комплекс работ в горной местности.

Используемые в настоящее время наземные способы обнаружения не эффективны, что сказывается на времени обнаружения пожаров и времени начала их тушения.

187

Технические средства, используемые для тушения пожаров такие как: самолеты, вертолеты, не могут использоваться в сложных метеоусловиях. Доставка мобильных роботов к месту очага возгорания является сложной задачей.

Использование пожарных десантников связано с опасностью попадания их в очаги пожаров и их гибели.

Таким образом, остро актуальным является разработка и использование новых методов и технических средств тушения пожаров, свободных от перечисленных недостатков.

Решение проблемы - замена существующих способов наиболее современным с использованием спутниковых систем и специальных противопожарных ракет.

Метод тушения лесного пожара с применением противопожарных ракет позволит существенно повысить возможности пожарных служб, значительно сократить время ликвидации очагов возгорания и значительно снизить материальные затраты, связанные с доставкой огнегасящих средств в отдаленные районы. Предлагаемый метод даст возможность производить маневр сил и средств на неограниченной территории.

Данный метод позволяет осуществлять тушение как низовых, так и верховых лесных пожаров, а также точечное подавление остающихся после первоначальной обработки очагов горения.

За счет того, что тушение пожара противопожарными ракетами может использоваться при тушении лесного, степного пожара в условиях любого рельефа местности, метод является наиболее универсальным.

Немаловажное преимущество метода – обеспечение максимальной безопасности личного состава посредством дистанционного принципа тушения.

Литература

1.http://www.mchs.gov.ru/portal_previews/detail.php?ID=44869

2.http://www.greenpeace.org/russia/ru/campaigns/forests/90659/1902203/

3.Иншаков Ю.З. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук «Исследование, анализ и управление процессами пожарной безопасности и рисками экологических последствий воздействия пожаров на окружающую среду», Воронеж, 2008

Научный руководитель: Логачев В.Г., д.т.н., профессор

188

Экологическое значение электромагнитных полей в биосфере

Щинникова А.А., ИМЕНИТ ТюмГУ, г. Тюмень

Электромагнитные поля естественного происхождения являются одним из важных экологических факторов нормального существования живого в биосфере. Электромагнитные излучения внеземного происхождения поглощаются атмосферой Земли. Поэтому к таким волнам живые организмы не имеют адаптации. Естественные электромагнитные поля земного происхождения принимают непосредственное участие в процессах жизнедеятельности любого организма. Для нормального функционирования организма человека и животных необходим определенный электромагнитный фон.

Регулярно изменяющиеся электромагнитные поля биосферы несут информацию организмам, обеспечивающую согласование ритмов их жизнедеятельности с периодическими вариациями геофизических факторов, а также информацию для пространственной ориентации организмов. Спонтанные же возмущения электромагнитных полей могут нарушать физиологические процессы, являясь «помехами» для электромагнитной сигнализации, регулирующей эти процессы в организме. Очевидно, что нормальные организмы эволюционно приспособлены к защите от такого нарушающего влияния электромагнитных полей (как и от других неадекватных воздействий среды). Однако в двух случаях организмы могут быть частично или полностью незащищенными: в период их индивидуального развития, когда защитные механизмы еще не сформировались, и при патологических состояниях, когда эти механизмы ослаблены или даже полностью нарушены. В обоих этих случаях и наблюдают нарушающее воздействие спонтанных возмущений электромагнитных полей на животных и человека [1].

Длительное отсутствие естественных электромагнитных полей в окружающей среде отрицательно сказывается на жизнедеятельности живых организмов, в том числе и человека, приводя к изменению простран- ственно-временной ориентации, перестройке биологических (циркадных) ритмов, снижению иммунитета, нарушению гомеостаза. Это, вероятно, происходит потому, что животные, особенно человек, способны чувствовать изменения естественного электромагнитного поля Земли и отвечать на него физиологическими реакциями. Вполне возможно, такая способность досталась животным и человеку в наследство от их далеких предков. В последнее время считается, что физиологические реакции осуществляются через так называемый биогенный «магнетит», который представляет собой обнаруженные в тканях скопления кристаллов железа или его окислов, участвующих в рецепторном восприятии электромагнитных полей [2].

Все более значительным становится влияние электромагнитных полей, возникающих от высоковольтных линий электропередачи, на распределение напряженности магнитного поля Земли. Источники электромаг-

189

нитных волн делают сейчас сопоставимыми изменения, которые вносят в ионосферные процессы радиоволны, с пертурбациями, возникающими в них от колебания солнечной активности и других космических факторов

[3].

Допустимые пределы электромагнитных полей промышленной частоты регламентирует ГОСТ 12.1.002—84, а также санитарные нормы и правила выполнения работ в условиях воздействия электромагнитных полей промышленной частоты №5802-91.

О.А. Григорьев с группой исследователей предлагает все существующие источники электромагнитных полей разделить на следующие группы:

-системы производства, передачи, распределения и потребления электроэнергии постоянного и переменного тока (0-3 кГц): электростанции, линии электропередачи (ВЛ), трансформаторные подстанции, системы электроснабжения и т. д.

-транспорт на электроприводе (0-3 кГц): железнодорожный транс-

порт и его инфраструктура, городской транспорт метрополитен, троллейбусы, трамваи и т. п.

- функциональные передатчики: радиовещательные станции НЧ (30 300 кГц), СЧ (0,3 3 МГц), ВЧ (3 30 МГц) и СВЧ (30 300 МГц) диапазонов; телевизионные передатчики; базовые станции (БС) систем подвижной (в т. ч. сотовой) радиосвязи; наземные станции космической связи; радиорелейные станции; радиолокационные станции и т. п.

Источники электромагнитных полей, как правило, являются источником комплексного электромагнитного излучения, которое оказывает воздействие на дикие и культурные растения, животных, насекомых и почвенную флору в зоне влияния ЭМП. Кроме того, они занимают большие по площади территории (например, протяженность воздушных линий электропередачи напряжением 6 1150 кВ в нашей стране в настоящее время составляет более 4,5 млн. км) и часто нарушают целостность ареала распространения, пути миграций многих животных. Уровни электромагнитных полей, создаваемые этими источниками в некоторых случаях превышают максимальный зафиксированный природный электромагнитный фон в 200 30000 раз [4].

В биосфере преимущества связей посредством электромагнитных полей по сравнению со звуковой, световой и химической обусловлены следующими причинами:

-сигналы электромагнитных полей (соответствующих частот) распространяются в любых средах обитания жизни – в речной, морской воде,

впочве и, наконец, в тканях организмов;

-такие сигналы могут передаваться при любых метеорологических условиях и в любое время суток;

190