Способ очистки кислых шахтных вод и мобильный технологический комплекс для его реализации
Владельцы патента RU 2739259:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Уральский государственный горный университет» (RU)
Группа изобретений относится к очистке кислых шахтных вод путем обработки ее барьерным разрядом. Изобретение касается мобильного технологического комплекса очистки кислых шахтных вод, содержащего накопительный сборник, насос, регулирующий механизм в виде регулирующей задвижки, датчиков давления и расходомеров на напоре исходной воды и очищенной воды, узел создания с эжектором водогазовой смеси и патрубками подвода воздуха и отвода воздуха и газов, магнетрон с разрядной камерой для СВЧ-обработки очищаемой воды проточного типа, электродную систему с генератором высоковольтных импульсов, узел отвода очищенной воды и твердого металлосодержащего осадка. Комплекс снабжен системами контроля, регулирования и корректирования для комплексного воздействия на технологический режим работы, первая из которых - экстремальная система регулирования величины извлечения осадка из очищаемой воды, выполненная из связанных и взаимодействующих между собой запоминающего устройства, элемента сравнения, сигнум-реле и исполнительного механизма, задает режим ведения технологического процесса по способу запоминания экстремума и корректирует напряженность СВЧ-поля и мощность излучения генератора высоковольтных импульсов, а другая - двухконтурная каскадная система контроля, регулирования и корректирования длительности импульса напряжения - подключена к расходомеру вышеупомянутого регулирующего механизма на напоре исходящей воды и к расходомеру на выходе из комплекса очищенной воды и выполнена с ведущим регулятором внешнего контура и ведомым регулятором внутреннего контура, связанным с электродной системой генератора высоковольтных импульсов, причем во внешнем контуре предусмотрены: ячейка с кварцевой кюветой для измерения среднего размера частиц примесей в пробе воды и проточная ячейка для измерения ее электрокинетического потенциала, при этом мобильный технологический комплекс снабжен магнетизатором с камерой электромагнитной обработки проточного типа, которая связана с разрядной камерой магнетрона для СВЧ-обработки и с узлом отвода очищенной воды в виде рН-анализатора и твердого металлосодержащего осадка в виде декантера, причем все составляющие мобильного технологического комплекса связаны между собой быстроразъемным трубопроводом. Изобретение также касается способа очистки кислых шахтных вод. Технический результат - очистка кислых шахтных вод с максимальным извлечением ионов тяжелых металлов, содержащихся в воде при минимуме удельного расхода энергетических ресурсов. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 4 табл., 2 пр., 5 ил.
Группа изобретений относится к способам и устройствам очистки кислых шахтных вод путем обработки ее барьерным разрядом в процессах водоочистки, питьевого и технического водоснабжения, очистки сточных вод, окисления ионов тяжелых металлов и может быть использовано для очистки кислых шахтных вод, производственных сточных вод предприятий черной и цветной металлургии, химической промышленности, а также для извлечения из них тяжелых металлов с одновременной экологической защитой окружающей среды от загрязнения с низкими энергозатратами на обработку воды.
Глубокая очистка природных и промышленных сточных вод от минеральных, органических и биологических загрязнений в настоящее время является актуальной задачей, особенно на урбанизированных территориях, где интенсивно развивается промышленность и растет антропогенное и техногенное загрязнение особенно водных ресурсов.
Так, сброс сточных вод в поверхностные водные источники от добычи полезных ископаемых достиг: в 2012 г. - 0,93 млрд м3; 2013 г. - 0,85 млрд м3; 2014 г. - 0,81 млрд м3; 2015 г. - 0,84 млрд м3 (Информационно-технический справочник, ИТС 47- 2017, Москва, Бюро НТД, 2017, табл. 1.4).
Шахтная вода представляет собой низкоконцентрированные эмульсии или суспензии, содержащие мелкодисперсные частицы размером 0,001 - 0,1 мкм и коллоидные частицы. Для того чтобы ускорить или инициировать укрупнение взвешенных частиц, необходимо определенное внешнее воздействие, дестабилизирующее равновесие в дисперсной системе и приводящее к агломерации мелких растворенных частиц.
Перспективным направлением повышения эффективности отделения взвешенных частиц является предварительное их укрупнение (коагуляция) под воздействием ультразвуковых (УЗ) колебаний. Для реализации процесса ультразвуковой коагуляции жидкодисперсных систем воздействие необходимо осуществлять в докавитационном режиме, чтобы избежать вторичного разрушения образующихся агломератов. Это требует сильного ограничения интенсивности УЗ колебаний (например, для маловязких жидкостей значениями не более 0,5 Вт/см2) для поддержания устойчивого докавитационного режима, что тем самым ограничивает эффективность коагуляции (Хмелев В.Н. Ультразвуковые многофункциональные и специализированные аппараты для интенсификации технологических процессов в промышленности, сельском и домашнем хозяйстве / В.Н. Хмелев, Г.В. Леонов, Р.В. Барсуков, С.Н. Цыганок, А.В. Шалунов. - Алт. гос. техн. утн-т. БТМ. - Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-т, 2007. - 414 с.).
Известен способ очистки сточных вод от тяжелых металлов, по которому в очищаемую воду добавляют известковое молоко и сульфат железа - после перемешивания цеолита с водой. Цеолит измельчают до фракции не более 0,3 мм. Затем воду последовательно отстаивают, аэрируют, обрабатывают барьерными разрядами из расчета затрат электроэнергии не более 50 Вт×ч/м3 воды и фильтруют.
Недостатками этого способа являются большой расход реагентов, энергии и невысокая степень очистки. (Патент RU 2397959, C02F 1/62, 1/52, 1/48, 103/10, опубл. 2010.08.27.)
Известен способ очистки воды путем воздействия электрического барьерного разряда на смесь воды и смесь кислородсодержащего газа.
Недостатком этого способа являются высокие энергозатраты на ее обработку, что обусловлено отрицательным шунтирующим влиянием электрических водных перемычек, периодически образующихся в разрядном промежутке. Это приводит к значительным дополнительным потерям энергии (Патент RU 2233244, МПК C02F 1/46, опубл. 2004.07.27, БИМП №35).
Известен реактор и способ очистки воды барьерным разрядом при длительности положительных и/или отрицательных высокочастотных импульсов не более 0,5×10-6с и отношении амплитуды импульсного напряжения к расстоянию между электродами в пределах (2-10)×103 В/мм. Способ включает аэрирование, эжектирование - создание водогазовой смеси.
Недостатками этого способа является низкая эффективность обработки воды, так как обработке подвергается не вся вода, а только ее часть, прилегающая к каналу разряда, и, как следствие, высокие удельные энергозатраты (Патент RU 2136600, C02F 1/46, 7/00, опубл. 1999.09.10).
Наиболее близким к заявленному решению является принятый за прототип, способ очистки воды, осуществленный в патенте RU 106130, МПК В01Д 17/06 от 17.03.2010 «Устройство для разделения эмульсий полем СВЧ», по которому после определения среднего размера коллоидных образований в начальной эмульсии воду подают самотеком либо с помощью насоса в рабочий объем, где подвергают воздействию СВЧ излучения, создаваемого магнетроном. На выходе из камеры СВЧ проводят непрерывный контроль размеров капель эмульсии или коллоидных образований, и если этот размер не превышает порога седиментации, мощность магнетрона увеличивают, а скорость протока уменьшают. Контроль размера капель на выходе осуществляют методом динамического рассеяния света с помощью световодного щупа, а их относительное количество определяют по интенсивности рассеянного света в световодном щупе.
Недостатком способа является ограниченный спектр его применения, так как он не предусматривает очистку кислых шахтных вод, представляющих различные эмульсии от вредных тяжелых металлов, отравляющих окружающую среду, к тому же способ сужает свои возможности из-за того, что очищаемая вода может содержать большой набор элементов и их концентрации могут меняться в широких пределах, что будет отражаться на выборе способа управления при большом объеме очищаемой воды. Способ предусматривает регулирование мощности излучения и скорости протекания, но не корректирует длительность импульса напряжения, что делает способ малоэффективным и с большим расходом энергетических затрат, к тому же не предусматривает механизма предварительного расчета очистки и его автоматического ведения в постоянно меняющейся очищаемой жидкой среде.
Задачей, на решение которой направлен предлагаемый способ, является достижение высокой производительности при минимальных удельных энергетических затратах, обеспеченных минимально необходимым временем переработки кислых шахтных вод и полной экологической безопасности.
Технический результат заключается в том, что взаимодействие между собой признаков совокупности способа, воздействующих на очищаемую кислую шахтную воду, с комплексным воздействием: управлением, контролем и корректировкой режимов их работы позволяют обеспечить сочетание требуемого качества очистки кислых шахтных вод, максимальное извлечение ионов тяжелых металлов, содержащихся в воде, и минимум удельного расхода энергетических ресурсов.
Технический результат достигается тем, что в способе очистки кислых шахтных вод, включающем подачу кислых шахтных вод, эжекцию воздуха в поток перерабатываемой воды, обработку водовоздушной смеси регулируемой мощностью излучения СВЧ-поля с формированием аэрозоля, разрушением и диспергированием металла в потоке воды, регулирование скорости протекания аэрозоля в проточной разрядной СВЧ-камере и контроль размеров капель или коллоидных образований на входе и выходе разрядной камеры, выделение нерастворимого металлосодержащего осадка и его удаление, предварительно для насыщенного атмосферным воздухом и характеризующегося расходом и концентрацией извлекаемых компонентов аэрозоля рассчитывают величину извлечения осадка из очищаемой воды и задают режим ведения технологического процесса очистки шахтной воды путем воздействия на напряженность СВЧ-поля, а для управления формированием заданной структуры и магнитных свойств образовавшейся твердой фазы с наноразмерными частицами на выходе после СВЧ-обработки и на основе присутствующих в очищаемой воде ионов железа в качестве сорбента, дискретно измеряют средний размер частиц и электрокинетический потенциал примесей в воде, по результатам которых рассчитывают и корректируют длительность импульса напряжения с обеспечением равенства последнего заданному значению, при этом минимизируют время кавитационной обработки водовоздушной смеси со смещением pH в щелочную область, причем используют в качестве электролита водный раствор солей, растворенных в очищаемой воде, к тому же дополнительным омагничиванием потока воды и присутствием вышеупомянутых соосажденных оксидов железа ускоряют магнитную твердофазную экстракцию и увеличивают ее массовою долю с остаточной концентрацией в очищенной воде, допустимой для сброса на рельеф, а твердый металлосодержащий осадок удаляют.
Пробу для измерения среднего размера частиц примесей в очищаемой воде отсекают от потока и подают в ячейку с кварцевой кюветой, а для измерения электрокинетического потенциала частиц пробу подают в проточную ячейку.
Существенный признак, заключающийся в регулировании и управлении формированием заданной структуры магнитных свойств наноразмерных частиц, позволяет комплексно воздействовать на корректировку параметров, необходимых для эффективной очистки кислой шахтной воды, в которой содержание элементов может меняться в широких пределах, что подтверждается таблицей 1.
Таблица 1 - Результаты измерений образцов шахтных вод Левихинского рудника, отобранных в марте - июне 2018 года содержание элементов, мг/дм3)
| Элемент | март | апрель | май | июнь |
| Mg | 1138 | 1124 | 955 | 539 |
| Mn | 169,5 | 146,5 | 156,4 | 146,4 |
| Fe | 2918 | 2952 | 2902 | 2722 |
| Cu | 17,9 | 13,7 | 12,7 | 16,4 |
| Zn | 746,9 | 708 | 717 | 6713,48 |
Коррекция значений pH обрабатываемой воды влияет на эффективность извлечения и массовую долю твердого металлосодержащего осадка, причем смещение pH в более щелочную область приводит к увеличению всех показателей: извлечение твердого осадка возрастает и содержание каждого из ионов тяжелых металлов увеличивается, причем при минимуме удельного расхода энергетических ресурсов.
Реакции, протекающие между продуктами разложения воды и ионами металлов при электрическом разряде, приводят к образованию гидроксидов, оксидов, выполняющих функцию сорбентов. Установлено, что наночастицы оксидов железа, полученные методом соосаждения, быстрее намагничивались при наложении внешнего магнитного поля, что приводило к ускорению процесса магнитной твердофазной экстракции. Максимальный эффект магнитной обработки отмечен при скорости потока, равной (2,2-2,5) м/с, и только движение обрабатываемой воды увеличивало наводороживающую способность и приводило не только к нарушению водородных связей, но и к увеличению молекулярных диполей и диэлектрической проницаемости раствора, что обеспечивало уменьшение удельных энергозатрат и сокращение времени очистки шахтной воды.
Влияние pH среды на эффективность извлечения и массовую долю тяжелых металлов в осадке показало, что смещение pH в более щелочную область приводит к увеличению этих показателей.
Изобретательский уровень существенных признаков подтверждается тем, что взаимодействие их между собой позволяет получить требуемое нормативом ПДК качество очистки шахтных вод, максимальное извлечение ионов тяжелых металлов, содержащихся в шахтной воде при минимуме времени обработки и минимуме удельного расхода энергетических ресурсов с обеспечением безопасности окружающей среды.
Известно устройство для разделения эмульсий полем СВЧ, включающее резервуар, источник электромагнитного СВЧ-излучения (магнетрон), СВЧ-камеру, рабочий объем, помещенный в СВЧ-камеру, разделительный и выходные объемы и оптическую систему контроля размера капель эмульсии, при этом мощность СВЧ излучения и скорость протекания эмульсии через рабочий объем могут регулироваться так, чтобы на входе рабочего объема размер капель эмульсии превышал порог седиментационной устойчивости. Размер капель на входе и выходе рабочего объема осуществляется методом динамического рассеяния света с помощью световодных щупов (патент RU 106130, МПК B01D 17/06, от 17.03.2010, опубликовано 10.07.2011, Бюл. № 19 - прототип).
Недостатками известного устройства являются:
• отсутствие мобильности установки для очистки кислых шахтных вод в труднодоступном месте для быстрого развертывания и запуска, в том числе в условиях чрезвычайных ситуаций;
• не осуществляется корректировка параметра длительности импульса напряжения - основного технического параметра, что отражается на продолжительности ведения процесса очистки;
• устройство энергоемко и малоэффективно из-за отсутствия автоматического контроля регулирования, управления и корректировки формированием заданной структуры, необходимой для интенсификации процесса очистки шахтных вод.
Задача, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, заключается в том, чтобы создать мобильный технологический комплекс с гибкой системой контроля, управления и корректировки технологией очистки, с учетом свойств шахтной воды из конкретного источника, с обеспечением высокой производительности и качества очистки кислой шахтной воды, в соответствии с ПДК, при минимальных времени переработки и удельных энергозатратах.
Технический результат заключается в том, что мобильный технологический комплекс содержит системы контроля, регулирования и корректировки, которые осуществляют комплексное воздействие на технологической режим работы, и с самого начала поступления шахтной воды в комплекс на очистку корректирует и интенсифицирует технологический процесс, с высокой производительностью при минимальных удельных энергетических затратах, обеспеченных минимально необходимым временем переработки кислых шахтных вод.
Технический результат достигается тем, что мобильный технологический комплекс очистки кислых шахтных вод, содержащий накопительный сборник, насос, регулирующую задвижку, датчики давления и расхода на напоре исходной воды и очищенной воды, магнетрон с разрядной камерой для СВЧ-обработки очищаемой воды проточного типа, узел создания с использованием эжектора водогазовой смеси и патрубками подвода и отвода воздуха и газов, электродную систему с генератором высоковольтных импульсов, узел отвода очищенной воды и твердого металлосодержащего осадка, снабжен экстремальной системой регулирования величины извлечения из аэрозоля твердого металлосодержащего осадка, управлением режимом ведения технологического процесса очистки шахтной воды путем воздействия на напряженность СВЧ-поля и каскадной системой контроля, регулирования и корректирования, выполненной с ведущим регулятором внешнего контура и ведомым регулятором внутреннего контура, связанным с генератором прямоугольных импульсов с наносекундным фронтом для коррекции длительности импульса напряжения, вышеупомянутый эжектор скомпонован в одном узле с разрядной камерой магнетрона для СВЧ-обработки и его электродной системой, подключенной к генератору высоковольтных импульсов, кроме того, комплекс снабжен магнетизатором с камерой электромагнитной обработки, которая с одной стороны связана с разрядной камерой, а с другой - с узлом отвода очищенной воды и твердого металлосодержащего осадка в виде декантера и анализатора pH очищенной воды, причем все составляющие мобильного технологического комплекса связаны между собой быстроразъемным трубопроводом, кроме того, конструкция эжектора выполнена разъемной и снабжена ситом и патрубками датчиков, измеряющих перепады давлений, установленных до и после сита, а вышеупомянутый патрубок подачи воздуха в эжектор выполнен под углом 90° и повернут по ходу движения очищаемой воды к ситу.
Существенный признак, заключающийся в снабжении технологического комплекса очистки системами контроля, регулирования и корректировки, позволяет комплексно воздействовать на эжектор, магнетрон и магнетизатор и осуществлять контроль и управление с самого начала поступления загрязненной кислой шахтной воды на очистку уровнем pH, СВЧ-обработкой водовоздушной смеси, замером размеров капель эмульсии, начальной и остаточной концентрацией ионов извлекаемых компонентов и, основное, воздействовать на длительность импульса напряжения, что позволяет минимизировать время обработки воды и сократить удельные энергозатраты.
Магнетизатор с камерой электромагнитной обработки шахтной воды, при движении последней, стимулирует магнитным полем фазовые переходы из растворенного состояния в твердую фазу, приводит к нарушению водородных связей, изменению наводороживающей способности и способствует повышению величины pH и интенсификации процесса магнитной твердофазной экстракции.
Магнитная обработка очищаемой воды повышает эффективность технологического комплекса очистки при сочетании нужного качества очистки шахтных вод, максимального извлечения ионов тяжелых металлов, содержащихся в воде и минимума удельного расхода энергетических ресурсов.
Патрубок подачи воздуха в эжектор выполнен под углом 90 градусов, что минимизирует давление, создаваемое водой на эжектор.
Для диагностики состояния сита эжектора предложены датчики перепада давлений, позволяющие эжектору поддерживать заданный режим ведения технологического процесса очистки шахтной воды. Комплекс снабжен расходомерами на напоре исходной воды и расходомером очищенной воды для цели управления и контроля баланса системы.
На выходе технологический комплекс снабжен pH анализатором для контроля очищенной воды с возможностью сброса ее на рельеф, в соответствии с ПДК по СанПин 2.1.4.1074-01.
Быстроразъемные трубопроводы обеспечивают мобильность доставки и сборки технологического комплекса очистки кислых шахтных вод. Существенные отличия обеспечивают выполнение поставленной задачи.
Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественные всем признакам заявленного способа очистки и мобильного технологического комплекса отсутствуют, следовательно, каждое из заявленных технических решений соответствуют условию патентоспособности «новизна».
Также не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками каждого из заявленных технических решений преобразований на достижение технического результата и соответствует критерию «существенные отличия».
Предложенные технические решения являются промышленно применимыми существующими техническими средствами и соответствуют критерию «изобретательский уровень», так как не следует непосредственно из достигнутого уровня техники.
В настоящей заявке соблюдено требование единства изобретения, поскольку и способ, и мобильный технологический комплекс предназначены для очистки кислых шахтных вод. Заявленные способ очистки и комплекс решают одну и ту же задачу - обеспечение сочетания требуемого качества очистки кислых шахтных вод, максимального извлечения ионов тяжелых металлов высокопроизводительным комплексом и минимума удельного расхода энергетический ресурсов.
Изобретения поясняются чертежами:
на фиг. 1 - схема мобильного технологического комплекса очистки кислых шахтных вод;
на фиг. 2 - эжектор в разрезе;
на фиг. 3 - схема каскадной системы контроля, регулирования и корректировки технологического процесса очистки кислой шахтной воды;
на фиг. 4 - экстремальная система регулирования величины осадка из кислых шахтных вод;
на фиг. 5 - зависимость концентрации твердой фазы в растворе от удельной энергии обработки.
Мобильный технологический комплекс очистки кислых шахтных вод состоит из накопительного сборника 1 (фиг. 1) для исходной кислой шахтной воды, насоса 2, регулирующей задвижки 3, датчика давления 4 на напоре, расходомеров 5 на напоре исходной воды и очищенной воды, датчика 6 температуры. Накопительный сборник 1 через быстроразъемный трубопровод 7 связан с эжектором 8, расположенным в общем объеме с разрядной камерой 9 магнетрона 10, электроды которого подключены к генератору высоковольтного напряжения СВЧ - 11. Разрядная камера 9 магнетрона 10 связана быстроразъемным трубопроводом 7 с магнетизатором 12 и его камерой 13 электромагнитной обработки, из которой осадок тяжелых металлов поступает в декантер 14, а очищенная вода поступает после анализатора pH 15 - на рельеф.
Конструкция эжектора 8 выполнена разъемной из двух частей, в одной из которых смонтирован патрубок 16 (фиг. 2) подачи воздуха, конец 17 которого под углом 90 градусов и развернут в сторону сита 18, обе части эжектора 8 снабжены патрубками 19 и 20 с датчиками перепада "+" и датчика перепада "-", можно рекомендовать использование перепадомера (на чертеже не показан).
Каскадная система контроля, регулирования и корректировки (фиг. 3) осуществляет комплексное воздействие и контроль технологического процесса и подключена к регулирующему механизму в виде расходомера 5 (фиг. 1, фиг. 3) на напоре исходной воды и к расходомеру 5 на выходе для очищенной воды. Кроме того, снабжена ведущим регулятором 22 и ведомым регулятором 23, датчиком 24 и на выходе из комплекса очищенной воды датчиком 25, воздействующим на расходомер 5 (фиг. 1, фиг. 3) на очищенной воде.
Экстремальная система 26 регулирования величины извлечения осадка (фиг. 4) выполнена из запоминающего устройства 27, элемента сравнения 28, сигнум-реле СР - 29 и исполнительного механизма ИМ - 30, система задает режим ведения технологического процесса очистки кислой шахтной воды по способу запоминания экстремума и корректирует напряженность СВЧ-поля и мощность излучения, эффективно обеспечивая поставленные задачи.
Для обоснования сущности предложенного способа и выявления его преимуществ, по сравнению с прототипом, выполнен большой объем экспериментальных работ.
Способы осуществляли в действующем производстве Левихинского рудника.
Пример 1. Способ по прототипу опробовали с кислой шахтной водой с pH 3,84 и концентрациями Fe = 1224 мг/дм3, Zn = 249 мг/дм3, Cu = 21,5 мг/дм3, Mg= 65,7 мг/дм3. Обработка в камере СВЧ при мощности магнетрона 600 Вт в течение 2 минут.
Способ по прототипу проводили без корректировки длительности импульса напряжения и без омагничевания исходной кислой шахтной воды. Эксперимент показал, что pH и остаточная концентрация тяжелых металлов в очищенной воде значительно уступают показателям проведенного эксперимента по предлагаемому способу. Результаты отражены в таблицах 2 и 3.
Пример 2. Предлагаемый способ
Шахтная кислая вода, насыщенная атмосферным воздухом, из накопительного сборника 1 насосом 2 при статическом давлении Р не меньше 5 ата подают по быстроразъемному трубопроводу 7, диаметром D=150 мм, через датчик 5 давления и расхода на напоре исходной воды в эжектор 8. При расходе 150 м3 /ч скорость воды, рассчитанная по формуле V=4Q/πD2, где Q - расход, м3/с, D - диаметр трубопровода, м, составляет 2,36 м/с.
Режим работы мобильного комплекса рассчитывают и задают экстремальной системой регулирования (фиг. 4) путем воздействия на напряженность СВЧ-поля и мощность излучения магнетрона 10 (фиг. 1), чтобы на выходе из разрядной камеры 9 магнетрона 10 размер капель эмульсии превышал порог седиментационной устойчивости. Экстремальная система регулирования величины осадка исходной воды работает по способу запоминания экстремума следующим образом.
Экстремум функции F величины извлечения осадка является неизвестным и непостоянным, так как и его величина и положение на статической характеристике объекта все время изменяются, поэтому экстремальные системы являются нестационарными. Недостаток априорной информации восполняется за счет текущей информации, получаемой в виде анализа реакции объекта на искусственно вводимые пробные воздействия.
Система действует следующим образом. На вход объекта подается пробное воздействие и оценивается значение управляемой функции (F). Определяются те воздействия, которые приближают F к экстремуму. Затем прикладываются рабочие воздействия к объекту. После прохождения точки экстремума F происходит реверс на входе объекта и начинаются колебания системы вокруг этой точки. В непрерывных экстремальных системах поисковые и рабочие воздействия производятся одновременно. Выходная величина объекта F - 26 подается на запоминающее устройство ЗУ - 27 экстремального регулятора. Поскольку имеем экстремум-максимум, то запоминание происходит только при увеличении F. На уменьшение F запоминающее устройство не реагирует. Сигнал с ЗУ непрерывно подается на элемент сравнения 28 и затем сигнал разности (F-Fэ) поступает на сигнум-реле СР - 29 и далее на исполнительный механизм ИМ - 30, при срабатывании реле запомненное значение F сбрасывается, и запоминание F начинается снова.
При данном значении pH исходной воды (таблица 2) расчетная непрерывная мощность магнетрона составляла 1кВт при частоте 1,38 гГц. Таким образом, из эжектора 8 (фиг.1), формирующего водовоздушную смесь из воздуха из патрубка 16 подачи воздуха (фиг. 2), диспергированную на капли воду подают на систему электродов разрядной камеры 9 с СВЧ-полем магнетрона 10 (фиг. 1), где подвергают воздействию разрядов, инициируемого генератором 11 прямоугольных импульсов с наносекундным фронтом, создающего кавитацию, для перевода ионных и молекулярных компонентов в конденсированную фазу и удаления их из очищаемой воды путем воздействия химически активных частиц, образующихся из молекул воды при схлопывании кавитационных пузырьков.
На выходе после СВЧ-обработки и, на основе присутствующих в очищаемой воде ионов железа в качестве сорбента, подключают каскадную систему контроля, регулирования и корректировки (фиг. 3).
Каскадная система - двухконтурная, в которой во внешнем контуре измеряют средний размер частиц примесей в воде и их электрокинетический потенциал и воздействуют на заданное значение длительности импульса напряжения, а во внутреннем контуре корректируют длительность импульса напряжения, обеспечивая его равенство заданному значению.
Для измерения среднего размера частиц в воде пробу подают в ячейку с кварцевой кюветой, а для измерения электрокинетического потенциала - пробу подают в проточную ячейку.
В способе средний размер частиц равен 6-24 нм, электрокинетический потенциал коллоидных частиц ~150 mV.
По ним рассчитывают задание ведущему регулятору 22 внешнего контура каскадной системы регулирования, с использованием которого рассчитывают задание ведомому регулятору 23 внутреннего контура каскадной системы регулирования для корректирования параметров генератора прямоугольных импульсов с наносекундным фронтом, воздействуя на длительность импульса напряжения. При этом время кавитационной обработки водовоздушной смеси минимизируют со смещением pH в щелочную область. В качестве электролита используют водных раствор солей в очищаемой воде.
Режим: длительность импульса напряжения 0,8×10-6 с, удельная энергия обработки 3,9-6,1 кДж.
Электрический разряд в воде сопровождается электролизом с образованием ионов металла, гидроксильных радикалов и водорода.
Гидроксильные радикалы ОН- приводят к повышению водородного показателя pH воды. Образовавшиеся нерастворимые соединения выпадают в осадок. К тому же очищаемая вода подвергается омагничиванию в электромагнитной камере 13 (фиг.1) магнетизатора 12 с напряженностью магнитного поля 100 кА/м, обеспечивающего выход на насыщение намагниченных частиц. Омагничиванием потока воды и присутствием оксида железа, как было указано выше, ускоряют процесс магнитной твердофазной экстракции с остаточной концентрацией в очищенной воде, проконтролированной на выходе из комплекса pH-анализатором 15, допустимой для сброса на рельеф. Твердый металлосодержащий осадок направляют в декантер 14 для дальнейшей переработки.
Таблица 2 - Концентрации загрязняющих веществ в неочищенной шахтной воде
| pH | Медь мг/дм3 |
Цинк мг/дм3 |
Железо мг/дм3 |
Сухой остаток мг/дм3 |
Хлориды мг/дм3 |
Сульфаты мг/дм3 |
Марганец мг/дм3 |
Нефтепродукты | Мышьяк |
| 3,84 | 21,5 | 249 | 1224 | 37,8 | 14394 | 6662 | 65,7 | - | - |
Таблица 3 - Остаточные концентрации в очищенной шахтной воде
| pH | Медь мг/дм3 |
Цинк мг/дм3 |
Железо мг/дм3 |
Сухой остаток мг/дм3 |
Хлориды мг/дм3 |
Сульфаты мг/дм3 |
Марганец мг/дм3 |
Нефтепродукты | Мышьяк |
| 6-9 | 1,0 | 5,0 | 0,3 | 15,0 | 300 | 500 | 0,1 | - | - |
Таблица 4 - Показатели заявляемого способа по сравнению с прототипом
| Показатель | Способ | Прототип |
| Удельные энергозатраты, Вт×ч/м3 | 50-100 | 110-200 |
| Извлечение ионов тяжелых металлов, о.е. | 0,9 | 0,7 |
Остаточные концентрации ионов тяжелых металлов в очищенной шахтной воде соответствуют нормативным показателям качества очищенной воды (СанПин 2.1.4.1074-01). Предлагаемые способ и мобильный комплекс позволяют обеспечить высокую производительность при минимальных удельных энергозатратах и полную экологическую безопасность.
1. Мобильный технологический комплекс очистки кислых шахтных вод, содержащий накопительный сборник, насос, регулирующий механизм в виде регулирующей задвижки, датчиков давления и расходомеров на напоре исходной воды и очищенной воды, узел создания с эжектором водогазовой смеси и патрубками подвода воздуха и отвода воздуха и газов, магнетрон с разрядной камерой для СВЧ-обработки очищаемой воды проточного типа, электродную систему с генератором высоковольтных импульсов, узел отвода очищенной воды и твердого металлосодержащего осадка, отличающийся тем, что мобильный технологический комплекс снабжен системами контроля, регулирования и корректирования для комплексного воздействия на технологический режим работы, первая из которых - экстремальная система регулирования величины извлечения осадка из очищаемой воды, выполненная из связанных и взаимодействующих между собой запоминающего устройства, элемента сравнения, сигнум-реле и исполнительного механизма, задает режим ведения технологического процесса по способу запоминания экстремума и корректирует напряженность СВЧ-поля и мощность излучения генератора высоковольтных импульсов, а другая - двухконтурная каскадная система контроля, регулирования и корректирования длительности импульса напряжения - подключена к расходомеру вышеупомянутого регулирующего механизма на напоре исходящей воды и к расходомеру на выходе из комплекса очищенной воды и выполнена с ведущим регулятором внешнего контура и ведомым регулятором внутреннего контура, связанным с электродной системой генератора высоковольтных импульсов, причем во внешнем контуре предусмотрены: ячейка с кварцевой кюветой для измерения среднего размера частиц примесей в пробе воды и проточная ячейка для измерения ее электрокинетического потенциала, при этом мобильный технологический комплекс снабжен магнетизатором с камерой электромагнитной обработки проточного типа, которая связана с разрядной камерой магнетрона для СВЧ-обработки и с узлом отвода очищенной воды в виде рН-анализатора и твердого металлосодержащего осадка в виде декантера, причем все составляющие мобильного технологического комплекса связаны между собой быстроразъемным трубопроводом.
2. Комплекс по п. 1, отличающийся тем, что эжектор скомпонован в одном узле с разрядной камерой магнетрона.
3. Комплекс по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что конструкция эжектора выполнена разъемной, снабжена ситом и патрубками датчиков, измеряющих перепады давления, установленных до и после сита.
4. Комплекс по п. 2, отличающийся тем, что патрубок подачи воздуха в эжектор выполнен под углом 90 и повернут по ходу движения очищаемой воды к ситу.
5. Способ очистки кислых шахтных вод, осуществляемый в мобильном технологической комплексе по п. 1, включающий подачу кислых шахтных вод, эжекцию воздуха в поток перерабатываемой воды, обработку водовоздушной смеси регулируемой мощностью излучения СВЧ-полем с формированием аэрозоля, разрушением и диспергированием металла в потоке воды, регулирование скорости протекания аэрозоля в проточной разрядной СВЧ-камере и контроль среднего размера частиц примесей на входе и выходе разрядной камеры, выделение твердого металлосодержащего осадка и его удаление, отличающийся тем, что предварительно для насыщенного атмосферным воздухом и характеризующегося расходом и концентрацией извлекаемых компонентов смеси подключают экстремальную систему регулирования величины извлечения твердого металлосодержащего осадка, рассчитывают величину осадка из очищаемой воды и задают режим ведения технологического процесса очистки кислой шахтной воды по способу запоминания экстремума, корректируют путем воздействия на напряженность СВЧ-поля и мощность излучения генератора высоковольтных импульсов, а для управления формированием заданной структуры и магнитных свойств твердой фазы с наноразмерными частицами на выходе из разрядной камеры после СВЧ-обработки подключают двухконтурную каскадную систему контроля, регулирования и корректирования длительности импульса напряжения и, на основе присутствующих в очищаемой воде ионов железа в качестве сорбента, во внешнем контуре двухконтурной каскадной системы измеряют средний размер частиц примесей путем подачи пробы из потока очищаемой воды в ячейку с кварцевой кюветой, а для измерения электрокинетического потенциала частиц пробу подают в проточную ячейку, по показаниям которых рассчитывают задание ведущему регулятору внешнего контура с использованием полученного результата для расчета задания ведомого регулятора внутреннего контура и корректируют длительность импульса напряжения, подаваемого в проточную разрядную СВЧ-камеру, обеспечивая его равенство заданному значению, при этом минимизируют время кавитационной обработки водовоздушной смеси со смещением рН в щелочную область, причем используют в качестве электролита водный раствор солей, растворенных в очищаемой воде, затем очищаемую воду подвергают омагничиванию в электромагнитной камере магнетизатора с напряженностью магнитного поля 100 кА/м, обеспечивающего выход на насыщение намагниченных частиц, присутствием оксида железа ускоряют процесс магнитной твердофазной экстракции и увеличивают ее массовую долю с остаточной концентрацией в очищенной воде, проконтролированной на выходе из мобильного технологического комплекса рН-анализатором, допустимой для сброса на рельеф местности, а твердый металлосодержащий осадок удаляют.
