XIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

ВОДОПОДГОТОВКА С ПОМОЩЬЮ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Дударенко И.В. 1

---

1МБОУ-Алданский лицей

Фалина А.С. 1

---

1МБОУ-Алданский лицей

Работа в формате PDF

0.9 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Актуальность выбранной темы

Сегодня воды, пригодной для питья, промышленного производства и орошения, не хватает во многих районах мира.

Практически любое промышленное предприятие не может обойтись без воды и для каждой сферы ее применения существуют свои нормы по содержанию жесткости. Даже на одном производстве может использоваться несколько вариантов умягченной воды. Таким образом, подбор промышленного оборудования для умягчения воды является ответственной задачей, так как следует учесть много факторов: требуемая производительность и исходный анализ, особенности местности, где расположено производство. Самую высокую жесткость имеют морские воды и источники, граничащие с залежами известняка, доломитов, различных минералов. Соли жесткости присутствуют по большей части и в глубоких артезианских скважинах, так и в верхних водоносных слоях. При этом если водозабор происходит из неглубоких источников или открытых водоемов, всегда стоит учитывать тот факт, что при смене времени года этот показатель колеблется. Так в зимний период содержание солей жесткости достигает пикового значения и резко уменьшается при таянии снегов, в период половодья.

Общая жесткость определяется суммой временной и постоянной жесткостью воды. Постоянная жесткость воды – кальциевые и магниевые соли соляной, серной, азотной кислот, т.е. сильных кислот. Такие соли жесткости в воде при кипячении не выпадают в осадок и не кристаллизуются в виде накипи. Временная жесткость воды – показатель, наличия в воде карбонатов и гидрокарбонатов кальция и магния, которые при кипячении и показателях рН больше 8,3, практически полностью выпадают в хлопьевидный осадок, кристаллизуются в виде накипи или образуют пленку на поверхности воды. Как соли кальция и магния попадают в природную воду, ведь вода, выпадающая в виде осадков, как и талая вода, не содержат солей? Это происходит следующим образом: вода, напитывается солями, содержащимися в известняках, гипсах и доломитах, залегающих в толщах земли. Это основной источник этих солей. Кроме этого, выветривание горных пород, также может оказывать влияние на карбонатную жесткости воды. Согласно методам определения жесткости воды по гидрохимии считается:

0-4 мг-экв./л – мягкая вода

4-8 мг-экв./л – средней жесткости

8-12 мг-экв./л – жесткая вода

Больше 12 мг-экв./л – очень жесткая

Это касается оценки общей минерализации воды, но для питьевой воды российский СанПиН определяет предельно допустимые концентрации 0-7 мг-экв/л. Специалисты в области фильтрации условно делят жесткость питьевой воды так:

0-1,5 мг-экв/л – мягкая вода

1,5-2 мг-экв/л – оптимальная питьевая вода

2-5 мг-экв/л – жесткая вода

5-7 мг-экв/л – сверхжесткая вода

Больше 7 мг-экв./л – не питьевая вода, за пределами рекомендованных значений.

Степень изученности проблемы

В настоящее время наиболее эффективными промышленными методами водоподготовки являются методы обратного осмоса, электродиализа, дистилляции, ионного обмена и вымораживания.

Метод обратного осмоса (международное обозначение — RO).

На сайте «Швейцарская производственно-инжиниринговая компания ENCE GmbH. Опреснение морских и солёных вод. Система обратного Осмоса. «Установки обессоливания» [7] подробно рассказан процесс обратного осмоса.Этот метод основан на пропускании воды под давлением через полупроницаемые мембраны, пропускающие молекулы воды, но задерживающие более крупные молекулы примесей.

В книге Слесаренко В. Н. [4] описано 2 метода опреснения солёной воды: электродиализ и вымораживание.

В журнале [6] были описаны следующие методы опреснения морской воды: дистилляция, дистилляция мгновенным вскипанием, мембранная дистилляция, метод многоколонной дистилляции, компрессионная дистилляция.

Электродиализ (ED) работает на основе мембранного разделения, в котором ионы растворенного вещества переносятся через мембрану под действием электрического поля.

Морскую воду очищают и методом вымораживания (FP), охлаждая до кристаллизации влаги и выделяя кристаллы, из которых впоследствии получается пресная вода.

Дистилляция подразумевает под собой несколько методов, объединенных общим способом последовательного нагревания и фракционирования растворов.

Дистилляция мгновенным вскипанием (MSF) подразумевает испарение морской воды последовательно в нескольких камерах с постепенным снижением давления. Процесс останавливают, когда содержание солей в воде становится 1г на 1 литр.

целесообразности и легкости регулировки процесса. Электродиализ и замораживание с ионообменом применяется значительно реже.

Сокольский Ю. М. в своей книге [5]одним из перспективных методов обработки соленой воды с целью ее опреснения считал обработку электромагнитным полем, так как главная задача при опреснении воды – свести к минимуму энергетические затраты и расходы на оборудование. Этот способ может открыть новую эру в технологии опреснения воды, так как при его использовании установкам не нужны дорогостоящие фильтры и мембраны. Кроме того, воду не нужно предварительно нагревать до температуры кипения, что экономит затраты на электроэнергию.

Цель работы:

Разработка электромагнитного умягчителя-опреснителя воды для технических целей.

Задачи:

Ознакомиться с мировой проблемой дефицита воды пригодной для питья, промышленного производства и орошения.

Изучить способы водоподготовки.

Рассмотреть влияние электромагнитного поля на свойства воды.

Рассмотреть влияние силы Лоренца на ионы растворённых в воде солей.

Разработать принципиальную схему устройства – опреснителя.

Доказать экономическую выгоду электромагнитной обработки морской воды.

Сделать выводы и предложения.

Методы, использованные в работе:

Теоретическое исследование.

Сравнительный анализ.

Информационные методы.

Экспериментальное исследование.

Теоретическое исследование

В книге Слесаренко В. Н. [4]представил ионный состав воды, который определяется в основном концентрациями семи ионов: хлора, сульфатного, гидрокарбонатного, натрия, калия, магния, кальция.

Главнейшие распространенные в воде элементы обычно находятся в ней не в чистом виде, а в виде соединений (солей). Основными из них являются:

1) хлориды (NaCl, MgCl);

2) сульфаты (МgSО₄, СаSО₄, К₂SО₄);

3) карбонаты (СаСО₃).

Жёсткость воды Алданского района по химическому составу воды гидрокарбонатные кальциево-магниевые и магниево-кальциевые. По степени минерализации весьма пресные с минерализацией от 293 мг/л до 315–366 мг/л. На Орто-Салинском месторождении подземных вод эксплуатируются воды четвертичных и архейских образований. По химическому составу воды гидрокарбонатные кальциево-магниевые. По степени минерализации воды весьма пресные (117–234 мг/л), по жесткости - мягкие и умеренно жесткие (2,4–5,5 мг-экв/л).

Молекулу воды можно представить, как элементарный диполь - частицу с положительно и отрицательно заряженными полюсами. Под действием сил взаимного притяжения диполи воды образуют так называемые кластеры, причем не сами по себе, а объединяясь вокруг присутствующих в воде микрочастиц и ионов примесей, не давая им взаимодействовать друг с другом. При обработке воды магнитным полем кластерная структура разрушается, и ионы, которые под действием силы Лоренца (1) осаждаются, образуя соли.

                    _л = q × ( × ) = q ×  × × cosα (1),

где             _л    - сила Лоренца, Н;

                   q     - заряд частицы (иона), Кл;

                   -   скорость движения заряженной частицы, м/с;

                       -   напряжённость внешнего МП, В/м;

                   α   -   угол между векторами    и  , град.

На рисунке 1 (а) изображены два иона в неподвижной воде во взвешенном состоянии. При движении ионов в потоке жидкости (рис 1б), гидратная оболочка деформируется, обретая форму эллипсоида. Между ионами действует сила Кулона F_K (2):

F_K= q_{1 ×} q₂ / d²(2),

где q₁ иq₂ – заряды ионов, Кл;

d – расстояние между ними, м.

В статье Очкова В. Ф. [3] указано, чтоионы противоположные по знаку притягиваются друг к другу, но сильному движению препятствуют гидратные оболочки. На рисунке 1(в) поток воды попадает в зону действия магнитного поля и можно наблюдать действие сил Лоренца на гидратную оболочку и на сам ион, причем эти силы будут направлены противоположно, так как противоположные знаки имеют ион и оболочка. При этом происходит дальнейшая деформация гидратной оболочки и изменение угла в диполе воды.

Изучив книги: Мартыновой О. И., Копылова А. С., Тебенихина Е.Ф., Очкова В.Ф. [1]и Мосина О. В. [2]выяснено следующее: при движении электролита в соленоидальном постоянном магнитном поле разноимённые ионы, испытывая отклоняющее действие сил Лоренца, совершают встречные вращательные движения, благодаря чему в электролите возникают многочисленные локальные изменения концентрации растворённого вещества и появляются предпосылки для возникновения центров кристаллизации солей и ионных ассоциатов. Одновременно появляются возможности для ускорения химических реакций во всей массе электролита, что должно привести к образованию крупных ассоциатов и выпадению их в осадок в виде шлама.

Практическая часть.

1) Первый этап работы. Для опреснения электромагнитным полем собрана установка (рис. 3) из источника постоянного и переменного тока ИП-24 (U=24B, I=6A) (1), ёмкости с водой из скважины (2), ёмкости для опреснения (3), электромагнита с количеством витков катушки индуктивности равным 25 (4), сосуда для обработанной жидкости (5). Вода движется из ёмкости с концентрированным раствором через электромагнит в ёмкость для опреснения, далее в сосуд для обработанной жидкости. Красными стрелками указано движение воды в установке.

1

2

3

4

5

Рис. 3. Экспериментальная установка для опреснения.

2) Второй этап работы. После сбора электрической цепи, состоящей из: источника тока (U=4,2B), ключа, амперметра, ванночки с исходным раствором, электродов, лампочки, соединительных проводов и зажимов. Он хорошо проводил электрический ток, о чём можно судить по показаниям амперметра – 3,1 мА (рис. 4) и горящей лампе (рис. 5). Опыт проводился 10 раз (приложение 1).

Рис.4 - 5. Исследование исходного раствора.

3) Третий этап работы – опреснение электромагнитным полем, созданным источником постоянного тока при параметрах I = 2 А, U = 24 В. Раствор после выхода из установки исследован амперметром. Лампочка не горела (рис. 6). Показания миллиамперметра в среднем составили 0,7 мА (рис.7). Испытания проводились 10 раз (приложение 2). Указаны средние значения. Рассчитаны относительная и абсолютная погрешности. Следовательно, незначительное содержание соли в растворе присутствует.

Рис. 6-7. Исследование раствора при обработке постоянным током.

4) Четвёртый этап работы – опреснение электромагнитным полем, созданным источником переменного тока при параметрах I = 6 А, U = 24 В при температурах 20^оС и 30^оС, а также при различных площадях сечения трубы с целью изменения скорости электромагнитной обработки (приложение 3). Площадь сечения трубы (d_внеш=20мм), входящей в чугунный радиатор, была изменена с помощью конусовидной вставки диаметром выхода 5 мм. Растворы после выхода из установки исследованы миллиамперметром. При использовании конусовидной вставки для исследования раствора температурой 20^оС (приложение 3) миллиамперметр фактически не отреагировал на ток в цепи (рис.8). Показания колебались от 0 мА до 0,6 мА. Сделано заключение, что в результате обработки концентрированного раствора переменным током получена практически дистиллированная вода при температуре раствора 20^оС и малой скорости потока воды (V=0,77м/с (см. расчёты на странице 14)).

Рис. 8. Исследование раствора при обработке переменным током.

5

5)

Рис. 9. Схема электро-магнитного опреснителя.

Краткое пояснение к схеме устройства электро-магнитного опреснителя:

Устройство можно использовать для очистки морской, сточной вод, первичной водоподготовки с выходом технической.

Пройдя через электромагнит, в воде начинает образовываться шлам, который под действием силы Лоренца и силы тяжести оседает, скатываясь в отверстия продува.

Ионы скапливаются на съёмных электродах, которые следует очищать.

Шлам извлекается периодически из отверстия продува.

Расчет гидростатического давления в устройстве

Расчет давления в устройстве проводим по формуле (3):

P=ρ × g × h (3),

где P - давление, Па;

ρ - плотность жидкости, кг/м³;

g - ускорение свободного падения, Н/м, g ≈ 10 Н/кг;

h - высота подъема жидкости, м.

Подставив численные величины, получаем:

P = 1000 кг/м³ × 10 Н/кг × 0,1 м =1000 Па = 0,01 атм.

Расчет радиуса трубы осуществляем по формуле (4):

R = √ (W/ π × V) (4),

где W – расход воды, м³/с;

π ≈ 3,14, число Пи;

V – скорость потока, м/с.

Оптимальное значение расхода воды при минимальном значении силы тока для проводимого эксперимента составили около 11 л/ч.

Скорость потока жидкости регулируем диаметром сечения. Расчет ведем по формуле (5):

V = √ (2 × g × h) (5),

V = √ (2 × 10 Н/кг × 0,03 м) = 0,77 м/с

Подставив численные данные, получаем:

R = √ (1,1 × 10^-2 м³/ 3600 с × 3,14 × 0,77 м/с) ≈ 1,1 × 10^-3 м, тогда получаем минимальный диаметр живого сечения трубы:

D = 2 × 1,1× 10^-3 м = 2,2 × 10^-3 м,

При малой скорости течения воды движение жидкости осуществляется главным образом по оси сечения, то есть ближе к центру, что влияет на эффективность электромагнитной обработки морской воды. Степень кристаллизации солей зависит от времени воздействия магнитного поля. Если скорость потока воды будет большой, кристаллизация примесей и их оседание будут неполными.

7) Седьмой этап работы – доказательство экономической выгоды предлагаемого устройства, которое было проведено расчётным способом (приложение 4).

8) Заключительный этап работы – анализ, выводы и предложения:

1. Электромагнитная обработка воды – дешёвый способ очистки.

2. Полученную в результате электромагнитной обработки воду можно использовать только для технических нужд.

3. Эффективность электромагнитной обработки воды зависит от скорости потока. Степень кристаллизации солей зависит от времени воздействия магнитного поля. Если вода будет проходить быстрее, кристаллизация будет неполной.

4. Эффективность электромагнитной обработки воды зависит от содержащегося в воде железа. Магнитное поле притягивает окалину и растворенные в воде соединения железа. Они оседают на стенках преобразователя и снижают его эффективность.

5. Шлам можно использовать для производства неорганических удобрений.

6. Способ можно использовать индивидуально или как предварительную подготовку воды для очистки обратным осмосом с целью осаждения солей тяжёлых металлов.

7. Способ экологически чистый.

8. Способ апробирован акционерным обществом «Золото Селигдара» на ГРК «Рябиновый».

Список литературы.

Мартынова О. И., Копылов А. С., Тебенихин Е.Ф., Очков В.Ф. «К механизму влияния магнитной обработки воды на процессы накипеобразования и коррозии // Теплоэнергетика», № 6, 1979 г.

Мосин О. В., Электромагнитное поле и опреснение воды, 2012 г. https://www.o8ode.ru/article/planetwa/oprecnenie/elpole.htm

Очков В. Ф., Вода и магнит, Журнал Водоочистка, Водоподготовка, Водоснабжение, № 10, 2011 г.

Слесаренко В. Н., Современные методы опреснения морских и соленых вод, 1972 г.

Сокольский Ю. М., Омагниченная вода: правда и вымысел, 1990 г.

СОК №1 | Инженерная сантехника, Водопровод. Установки опреснения морской воды, 2012 г.

Швейцарская производственно-инжиниринговая компания ENCE GmbH. Опреснение морских и солёных вод. Система обратного Осмоса. Установки обессоливания.

https://tano54.ru/product/ustanovka-obratnogo-osmosa-awt-ro-05-m3-ch/

РИАНОВОСТИ, 2010, www.rian.ru.

Приложение 1

Исследование исходного раствора

∆I=∆_нI+∆₀I;

ε=(∆I/I)×100%,

где I – показания амперметра, мА;

∆_нI – абсолютная инструментальная погрешность, мА;

∆₀I – абсолютная погрешность отсчёта, равная половине цены деления

шкалы прибора, мА;

∆I – максимальная абсолютная погрешность прямых измерений, мА;

ε – относительная погрешность измерения физической величины, %.

Приложение 2

Исследование раствора, обработанного постоянным электрическим током

∆I=∆_нI+∆₀I

ε= (∆I/I)×100%

где I – показания миллиамперметра, мА;

∆_нI – абсолютная инструментальная погрешность, мА;

∆₀I – абсолютная погрешность отсчёта, равная половине цены деления

шкалы прибора, мА;

∆I – максимальная абсолютная погрешность прямых измерений, мА;

ε – относительная погрешность измерения физической величины, %.

Приложение 3

Исследование раствора, обработанного переменным

электрическим током при t=30^oC (d=18мм)

∆I=∆_нI+∆₀I

ε= (∆I/I)×100%

где I – показания миллиамперметра, мА;

∆_нI – абсолютная инструментальная погрешность, мА;

∆₀I – абсолютная погрешность отсчёта, равная половине цены деления

шкалы прибора, мА;

∆I – максимальная абсолютная погрешность прямых измерений, мА;

ε – относительная погрешность измерения физической величины, %.

Исследование раствора, обработанного переменным

электрическим током при t=20^oC (d=18мм)

∆I=∆_нI+∆₀I

ε= (∆I/I)×100%

где I – показания миллиамперметра, мА;

∆_нI – абсолютная инструментальная погрешность, мА;

∆₀I – абсолютная погрешность отсчёта, равная половине цены деления

шкалы прибора, мА;

∆I – максимальная абсолютная погрешность прямых измерений, мА;

ε – относительная погрешность измерения физической величины, %.

Исследование раствора, обработанного переменным

электрическим током при t=20^oC (d=5мм)

∆I=∆_нI+∆₀I

ε= (∆I/I)×100%

где I – показания миллиамперметра, мА;

∆_нI – абсолютная инструментальная погрешность, мА;

∆₀I – абсолютная погрешность отсчёта, равная половине цены деления

шкалы прибора, мА;

∆I – максимальная абсолютная погрешность прямых измерений, мА;

ε – относительная погрешность измерения физической величины, %.

Приложение 4

Доказательство экономической выгоды предлагаемого устройства

Расчёт энергозатрат на дистилляционные способы водоподготовки.

Все дистилляционные способы подразумевают предварительный нагрев воды (6) и ее испарение (7), что исходя из физико-химических свойств воды достаточно энергозатратно (8).

Расчет проведем по формулам Q = c × m × Δt (6) и Q = L× m (7)

Q = m × (c × Δt + L) (8),

где Q – энергия, Дж;

m – масса опресняемой воды, кг;

с – удельная теплоемкость воды, Дж/ кг × ⁰С;

Δt – изменение температуры при нагреве воды, ⁰С;

L – удельная теплота парообразования и конденсации воды, Дж/ кг.

Так как оптимальный результат по степени очистки электромагнитным полем в проводимом эксперименте 11 кг подготовленной воды в час при температуре 20 ⁰С, то рассчитаем каковы будут энергозатраты при применении дистилляционных способов:

Q = 11 кг × ( 4200 Дж/ кг × ⁰С × (100 ⁰С - 20 ⁰С) + 2,3 × 10⁶ Дж/кг) = 29 МДж – такое количество энергии потребуется чтобы обратить в пар воду, взятую при температуре 20 ⁰С. Затем пар обратно конденсируют в воду.

Расчет энергозатрат на водоподготовку по технологии обратного осмоса рассчитаем на примере установки AWT RO производительностью 0,5 м³/ч при мощности 0,8 кВт [8] (9). Так как технология обратного осмоса осуществима лишь в проточной воде под давлением 2–3 атмосферы, то включим в расчеты энергозатраты на работу насоса и с учетом выхода воды из 1000 литров лишь 500 литров подготовленной получаем:

Q_общ = 2 × ( Q_насоса + Q_{установки}) = 2 τ × ( Р _насоса + Р _{установки}) (9),

где τ – время работы, с;

Р _насоса- мощность насоса, Вт;

Р _{установки} - мощность установки, Вт.

Подставляя данные, получим:

Q_общ = 2 × 3600 с (300 Вт + 800Вт) = 7920000 Дж энергии необходимо на получение 500 литров за час. В пересчете на наш оптимальный выход (11 л) – 174240 Дж потребуется на получение 11 литров подготовленной воды методом обратного осмоса. Эти установки помимо энергетических затрат имеют еще ряд недостатков. Это, во-первых, подготовка воды, то есть ее обработка ингибиторами, во-вторых, периодическая обработка с целью очистки дорогостоящих мембран химическими реактивами. Все это еще больше увеличивает стоимость 1л подготовленной воды, полученной рассматриваемым методом.

Проведем расчет энергозатрат предлагаемым методом электромагнитной обработки. По закону Джоуля – Ленца (10):

Q = U × I × τ (10) ,
где U - напряжение источника постоянного и переменного тока, В;

I – сила тока источника, А;

τ = время обработки, с. Подставив данные, получаем

Q = 24 В × 2 А × 3600 с = 172800 Дж.

Мы получили результат, который говорит о том, что способ обработки электромагнитным полем уменьшает энергетические затраты и расходы на оборудование, так как при его использовании установкам не нужны дорогостоящие фильтры и мембраны. Кроме того, воду не нужно предварительно нагревать до температуры кипения, что экономит затраты на электроэнергию.

Приложение 5