Введение к работе
Предлагаемая диссертация посвящена исследованию течений газожидкостных сред при наличии физико - химических превращений и электрического разряда при высоких объемных газосодержаниях (д>>30%). Созданию, оптимизации (на основе полученных теоретических и экспериментальных исследований фундаментального характера) и испытанию плазменных реакторов применительно к процессам очистки промышленных и бытовых сточных вод.
Актуальность работы: В настоящий момент в мире идет интенсивная работа по поиску и внедрению в народное хозяйство различных методов, в том числе плазменных, очистки жидких отходов человеческой деятельности. В частности, особенно остро стоит проблема очистки отходов промышленного производства химической и нефтехимической промышленности.. Данные отрасли являются одними из самых водоемких, при этом анализ процессов самоочищения промышленных рек показал, что происходит нейтрализация только 1/3 поступающих загрязнений.
Самыми эффективными методами очистки или уничтожения любых отходов, в том числе содержащих микрооганизмы, являются плазменные методы, так как температура плазмы может быть выше температуры диссоциации и ионизации любых молекул, что обеспечивает распад любого устойчивого загрязняющего соединения. Также в газовой плазме образуется большое количество химически активньїх радикалов и ионов, а также колебательно возбужденых молекул, что сильно ускоряет протекание химических реакций. Кроме того, плазменные методы являются единственными, которые позволяют в промышленных масштабах эффективно уничтожать высокостойкие микроорганизмы: вирусы, споры микроорганизмов.
Так как плазменные методы являются энергоемкими, то становится актуальным
поиск методов повышения эффективности плазменных методов при обработке
сточных промышленных и биологически активных вод, уменьшения их энергоемкости, доведения состояния очищенной воды по химическим и биологическим показателям до уровня, позволяющего производить их сброс в водоемы при полном соответствии требованиям действующих санитарных норм.
Для решения данных задач предлагается использовать электрический разряд в микропористой жидкости при высоких газосодержаниях (ф>30%), так как такие среды обладают развитой поверхностью раздела фаз. В процессе решения этих задач требуется исследовать следующие фундаметальные проблемы: -экспериментального определения коэффициентов межфазного взаимодействия, вязкости;
- исследования структуры ударных волн, используемых в устройствах для дробления пузырьков,
-исследование электрического разряда, его свойств и его воздействия на обрабатываемые вещества.
Цель работы и исследований; Получение пузырьковых и пористых жидкостей со значительной удельной площадью поверхности раздела фаз с помощью ударной волны для быстрого межфазного обмена. Экспериментальное и теоретическое исследование неравновесных эффектов в газожидкостных ударных волнах и их влияния на дробление частиц дисперсной фазы. Исследование характеристик электрического разряда в пузырьковых и пористых жидкостях, механизма его влияния на растворенные в жидкости органические соединения и микроорганизмы. Создание на основе проведенных исследований высокоэффективных плазменных методов и устройств для очистки сточных вод от загрязняющих органических примесей и микроорганизмов.
Методы исследований: Исследование заключается в определении параметров разряда (ток, напряжение), расходных характеристик потока (расходы газа и жидкости), определении концентрации растворов фотокалориметрическими и химическими (химическое поглощение кислорода - ХПК) методами, определения
ширины ударной волны в газодисперсной среде с помощью кино и фотокамеры со специальными фильтрами, обработки экспериментальных данных на основе теоретических зависимостей по структуре ударных волн в газодисперсной среде при высоком объемном газосодержании, определение среднего размера микропузырьков в непрозрачной среде химическими методами. Научная новизна работы:
-
Впервые проведены исследования характеристик электрического разряда в газожидкостном потоке при газосодержаниях, превышающих 30% и достигающих 99%.
-
Впервые экспериментально и теоретически исследованы эффекты поступательной неравновесности в ударной волне в гетерогенной среде при высоком объемном газосодержании, их влияние на дробление пузырьков. Впервые введено понятие числа Вебера для этого процесса.
-
Исследовано влияние электрического разряда в пузырьковой и пористой жидкость на растворенные в жидкости органические вещества и микроорганизмы.
-
Впервые разработаны и внедрены реакторы, работающие при стехиометрическом соотношении органические отходы + окислитель, что позволило резко снизить энергетические затраты по сравнению с аналогами.
-
Разработаны плазменные реакторы, работающие на исходных водах практически любой проводимости, это обеспечивается высоким объемным газосодержанием.
Практическая ценность результатов работы заключается в следующем: Показано, что при электрическом разряде в барботированном воздухом водном растворе органических соединений происходит стимулированное окисление кислородом и кислородсодержащими соединениями из газовой фазы, что позволяет наиболее экономичным образом производить очистку сточных вод.
Исследована и подтверждена возможность очистки сточных промышленных вод от органических загрязнителей с помощью разряда в газожидкостной среде при низких энергетических и капитальных затратах.
Исследована и подтверждена возможность высокоэффективной очистки сточных вод, загрязненных микроорганизмами, в том числе, и высокостойкими патогенными микроорганизмами. На защиту выносятся:
-
Экспериментальное и теоретическое исследование структуры ударной волны в газодисперсной среде при высоких объемных газосодержаниях. Введение понятия числа Вебера для описания дробления пузырьков в ударной волне в гетерогенной среде за счет эффектов поступательной неравновесности.
-
Исследование зависимости напряжения пробоя от проводимости жидкости в газожидкостной среде при газосодержаниях 50-90%.
-
Исследование процессов активации полного окисления кислородом воздуха растворенных в воде органических соединений и уничтожения микроорганизмов в мелкодисперсном газожидкостном потоке при использовании электрического разряда.
-
Разработка технологического процесса очистки воды от органических соединений при высокой проводимости исходной среды.
-
Разработка технологического процесса, обеспечивающего стехиометрическое соотношение между органическими отходами и окислителем.
-
Рекомендации к практическому применению электрического разряда для воздействия на растворенные в воде органические вещества, микроорганизмы.
Апробация работы:' Результаты работы прошли апробацию на конференциях, на
которых были представлены следующие доклады:
1. Великодный, В.Ю. Применение объемно-диффузионного разряда для обеззараживания сточных вод в быту и промышленности/В.Ю.Великодный, М.Д.Беркова, А.А.Быков, В.П.Воротилин, В.Г.Гришин, Ю.В.Добрынец,
О.В.Крыченко, В.В.Попов, Е.Н.Рычагов, О.Я.Полотнюк //Энергоэффективность
2007. Тезисы докладов международной научно - практической конференции. -
Киев. - Украина;
-
Великодный В.Ю. Закрученные потоки в решении проблем очистки биологически и химически загрязненной воды (теория и эксперимент)/В.Ю.Великодный, А.А.Быков, В.П.Воротилин, В.Г.Гришин, Ю.В.Добрынец, О.В.Крыченко, В.В.Попов, Е.Н.Рычагов, О.Я.Полотнюк//Вихревые и закрученные потоки. Фундаментальные исследования и новые практические применения. Международная научно-практическая конференция. Тезисы докладов. - Киев. - 2007;
-
Быков, А.А. Исследование возможности очистки фенольных сточных вод плазменным разрядом/А.А.Быков, В.Ю.Великодный, В.В.Попов, О.Я.Полотнюк//Труды 50-й научной конференции МФТИ. - Москва. - 2007;
-
Беркова, М.Д. Плазменные технологии очистки сточных вод/М.Д. Беркова, А.А.Быков, В.Ю.Великодный, В.П.Воротилин, В.Г.Гришин, Ю.В.Добрынец, О.В.Крыченко, В.В.Попов, Е.Н.Рычагов, О.Я.Полотнюк, Б.Н. Толкунов //XXXV Международная (Звенигородская) конференция по физике плазмы и УТС. -
2008. - С. 337;
-
Беркова, М.Д. Исследование плазменного диффузионного разряда в пузырьковой среде на расворенные вредные вещесгва/М.Д. Беркова, А.А.Быков, В.Ю.Великодный, В.П.Воротилин, Ю.В.Добрынец, О.В.Крыченко, В.В.Попов, Е.Н.Рычагов, О.Я.Полотнюк, Б.Н. Толкунов/ГГретья школа-семинар по Магнитоплазменной аэродинамике, 8-Ю апреля 2008 г.
-
Быков, А.А. Исследование спектра по размерам пузырьков по их всплытию/ А.А. Быков, В.Ю. Великодный, В.В. Попов // Труды 51-й научной конференции МФТИ. - Москва. - 2008;
Публикации: Результаты диссертационной работы опубликованы в четырех реферируемых журналах:
1. Великодный, В.Ю. Плазменные технологии очистки сточных вод/В.Ю.
Великодный, М.Д. Беркова, А.А. Быков [и др.]//Прикладная физика. - 2008. - №6.
-С. 105-110;
-
Быков, А.А. Закрученные потоки в решении проблем очистки биологически и химически загрязненной воды (теория и эксперимент)/Быков А.А.,Великодный В.Ю., Воротилин В.П. [и др.]//Известия самарского научного центра РАН. -2008. - доп. выпуск. - с.
-
Битюрин, В.А.Теоретическое и экспериментальное исследование воздействия ударной волны на дейтерированную пористую жидкость/ В.А. Битюрин, А.А. Быков, В.Ю. Великодный [и др.]// Физико -химическая кинетика в газовой динамике, www.
4.Великодный, В.Ю. Структура ударной волны в пузырьковой и пористой жидкости/В .Ю. Великодный, А.А. Быков//физико-химическая кинетика в газовой динамике, .pdf
5.Битюрин, В.А. Теоретическое исследование неравновесных процессов в ударной волне в пузырьковой жидкости/В.А. Битюрин, А.А. Быков, В.Ю. Великодный/Лтисьма в журнал технической физики. - 2011. - Т.37, вып. 4. - 44-52с.
Патенты:
-
Пат № 2008143435 Малогабаритный генератор синтез-газаУБыков А.А., Великодный В.Ю., Сон Э.Е.; Заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО Московский физико-технический институт(государственный университет). -приоритет 01.11.2008., Входящий № 056574;
-
Пат Плазменно-бйохимический реактор/Великодный В.Ю., Быков А.А., Попов В.В.; заявитель и патентообладатель Великодный В.Ю. - № 86941. от 09.06.2009 г.
Структура и объем работы:
