ПРОГНОЗУВАННЯ іНТЕНСИВНОСТі АДСОРБЦії іОНіВ СТРОНЦіЮ З РіДКОї ФАЗИ МОДИФіКОВАНИМИ ГЛИНИСТИМИ МіНЕРАЛАМИ Текст научной статьи по специальности «Экономика и бизнес»

-□ □-

Запропоновано методику дослiдження параметрiв механгзму масообмнного процесу одсорбци Sr-90 з ргдких радюактивних вiдходiв модифшованими бентонтами Язiвського родовища Ырки на основi теори iзотропног турбулентностi. Зокрема, в данш роботi використаний новий пiдхiд до прогнозування iнтенсивностi зовншнього масообмшного процесу адсорбци з урахуванням коефiцieнта дифузи в розчин за залежнстю Ушт i Чанга на пiдставi порiвняння експериментальних i розрахункових знанень коефiцieнтiв масовiдданi в

Клюновi слова: модифтований бентонт, адсорбент, рiдкi радшактивн вiдходи, Sr-90,

зовнШня дифузя

□-□

Предложена методика исследования параметров механизма массообменного процесса одсорбции Sr-90 из жидких радиоактивных отходов модифицированными бентонитами Язивского месторождения серы на основе теории изотропной турбулентности. В частности, в данной работе использован новый подход к прогнозированию интенсивности внешнего массо-обменного процесса адсорбции с учетом коэффициента диффузии в растворе по зависимости Уилки и Чанга на основании сравнения экспериментальных и расчетных значений коэффициентов массоотдани в

Ключевые слова: модифицированный бентонит, адсорбент, жидкие радиоактивные отходы, Sr-90, внешняя диффузия -□ □-

УДК 303.732.4: 66.081.2

ПРОГНОЗУВАННЯ 1НТЕНСИВНОСТ1 АДСОРБЦИ 1ОН1В СТРОНЦ1Ю З Р1ДКО1 ФАЗИ МОДИФ1КОВАНИМИ ГЛИНИСТИМИ М1НЕРАЛАМИ

I. М. Петрушка

Доктор техшчних наук, доцент* E-mail: [email protected] М. С. Мальований

Доктор техшчних наук, професор* E-mail: [email protected] О. Г. Чайка Кандидат техшчних наук, асистент* С. П. Стасевич Кандидат техшчних наук, доцент Кафедра загальноТ екологп та екошформацтних систем** *Кафедра прикладноТ екологи та збалансованого

природокористування **Нацюнальний ушверситет '^BiB^^ пол^ехшка" пл. Св. Юра 3/4, м. Львiв, УкраТна, 79013

1. Вступ

Радюактивш матерiали та джерела юшзуючого випромшювання широко використовуються в ядерно-енергетичнш шдустрп, медицин^ багатьох галузях промисловост та наукових дослщженнях. Утво-рення р1дких радюактивних вiдходiв (РРВ) можли-ве у будь-якш з цих областей. РРВ можуть утворю-ватися в результат порушення правил поводження

з радюактивними матерiалами, розгерметизацп контейнерiв з джерелами юшзуючого випромшювання, в процеа проведення дезактивацшних робiт та зняттi з експлуатацп ядерних установок.

Ефективним методом дезактивацп РРВ е флотацiйно-коагуляцiйний процес. В процес дезактивацп води важко роздшити флотацiю та коагуляцiю, оскшьки здебiльшого реалiзуеться схема посл1довного застосування обох методiв - коагуляцп з наступним флотуванням осадiв з тною [1].

У випадку застосування пдроксиду залiза в парi з флотореагентом за рН=7 ступГнь вилучення Sr-90 становив 35-40%, тодГ як за рН=11 зростав до 98% [2],

що пояснюеться хiмiчним осадженням Sr-90 у виглядi пдроксиду.

Видалення Sr-90 на г1дроксидах залiза та мангану у кислому середовишД не перевищуе 50%, тодi як у нейтральному сягае 70%, а у лужному досягае 98%. На противагу, вилучення Cs-134 на гiдроксидi мангану не проходить у всьому iнтервалi рН. Видалення Cs солями залiза з додаванням вапняного молока проходить лише на 4-25% [2]. Загалом за коагуляцшного вилучення Sr-90 та Cs-137 не вдаеться досягнути високих ступешв вилучення.

Шведськими вченими [3] встановлено, що коагуляцшно-флотацшними методами у випадку застосування солей алюмшш та залiза з наступним фшьтруванням крiзь пiшанi фiльтри можливо практично повтстю видалити ва дослiджуванi радiонуклiди (и, ТЬ, Ри, Ро, Яа), крiм Sr та Cs. Недолiком методу е утворення великих об'емiв радiоактивного осаду.

На тепершнш час значна увага провщних вiтчизняних та зарубiжних вчених придшяеться адсорбцiйним методам, зокрема отримання ефектив-них адсорбентiв на основi природних мiнералiв [2, 4, 10 ].

2. Мета роботи

Дослвдити зовшшньодифузшну кшетику проце-су адсорбцп Sг-90 з рщких радiоактивних вiдходiв модифiкованими глинистими мшералами, та розроби-ти методику прогнозування штенсивност сорбцiйних процесiв на основi порiвняльного аналiзу експеримен-тальних та розрахункових коефщенпв масовiддачi.

3. Результати дослщження та !х теоретична штерпретащя

Адсорбцiйнi процеси характеризуються рiзною формою iзотерм рiвноваги. Для багатьох адсорбцшних систем характерна форма iзотерми Ленгмюра. Характерною рисою цього типу адсорбцшних iзотерм е те, що певному значенню концентрацп компонента в рщкому розчинi, рiвноважна концентращя у твердiй фазi дося-гае значення, яке можна вважати практично постшним (Ц). На рис. 1 представлено iзотерму адсорбцп строн-цда природною глиною Язiвського родовища арки мо-дифiковaну фероцiанiдом залiза при температурi 200 С.

Характер виду iзотерми адсорбцп е визначальним в кшетищ процесу. Для ленгмюрiвського виду iзотерм в облaстi високих концентрацш компонента в розчинi кiнетикa е внутршньодифузшна. В облaстi низьких концентрацш вщповщних лiнiйному характеру iзотерм адсорбцп лiмiтуючою стaдiею процесу е зовшшньоди-фузiйнa кiнетикa (С=5-10-4 моль/дм3). У промiжному iнтервaлi концентрaцiй кiнетикa е змшаною.

ЗФ-ГМ, МФ-ГМ i МКФ-ГМ вщповщно. Однак для таких модифшованих сорбентiв як Т-ГМ, С-ГМ i Ст-ГМ сорбцiйнa емнiсть зростае до значень 0,35; 0,25 та 0, 23 мг-екв Sг на 1 г сорбенту вщповщно[6].

Тому нами проведен дослщження мехaнiзму зовшшньо! дифузп на приклaдi сорбенту модифшованого оксидом титану, який мае найбшьшу здaтнiсть до поглинання стронцiю з розчину.

З щею метою нами дослщжено процес сорбцп Sг2+ модифшованим сорбентом Т-ГМ в динaмiчних умовах.

Для дослщження сорбцп Sг методом наважок готу-вали робочi розчини з концентращею 0,01 моль/дм3, як розводили до необхiдних концентрaцiй дистильо-ваною водою. Таким чином створювали модельнi розчини, що симулювали активш води.

Для проведення сорбцшних експериментiв у ста-тичних умовах у емшсть помiщaли наважку глинистого сорбенту, додавали вщповщний об'ем розчину Sг, дотримуючи оптимальне стввщношення „тверда фаза : рщина" = 1 : 100. [5, 6]. Постшну температуру процесу пщтримували на водянш бaнi за температури 20оС. Пiсля зaкiнчення дослiдiв суспензiю роздшяли центрифугуванням (400 об./хв., час роздшення 15 хв.), вiдбирaли aлiквоту розчину i aнaлiзувaли на вмiст Sг2+.

Дослiдження проводили в aпaрaтi з лопатевою мшалкою, частота обертiв яко! змiнювaлaся в iнтервaлi 50-650 об/хв. Проби вщбиралися через певнi промiжки часу i aнaлiзувaлися на вмют Sг2+ у розчинi.

Дaнi приведет на рис. 2 свщчать, що пщвищення числа обертiв понад 300 об/хв не призводить до збшьшення швидкост процесу сорбцп, що дае змо-гу стверджувати, що процес адсорбцп переходить у внутршньодифузшну область, при якш зовнiшнi пара-метри не впливають на кшетику сорбцп.

б

Рис. 1. Залежнють степеш сорбци стронцiю (S, %) моди-фiкованою бентонiтовою глиною Язiвського родовища арки оксидом титану вщ числа оберлв (п, об/хв.) за ств-вiдношення „рщина : тверда фаза" = 100 см3/мг, рН=7

Нами дослщжено процес поглинання стронцiю при концентрацп С = 1-10"4 - 5-10-4 моль/дм3, що вiдповiдaе забрудненню реальних водних об'екпв i лежить в промiжнiй облaстi.

Природна глина Язiвського родовища сiрки мае емшсть 0,14 мг-екв Sг на 1г глини. Порiвняно висо-ка сорбцшна емнiсть щодо Sг пояснюеться вмютом кaрбонaтiв [4]. Пiдвищену сорбцiйну емшсть можна по-яснити iонообмiнним характером сорбцп, коли юн Са2+, присутнш у структурi глинисто! мaтрицi, замщуеться на iон Sг2+.

Модифiкувaння природно! глини фероцiaнiдaми перехiдних метaлiв суттево збшьшуе сорбцiйну емнiсть щодо Sг до 0,19; 0,20 та 0,25 мг-екв Sг на 1 г

Рис. 2. Залежнють ступеня сорбци стронщю (S, %) бенто-нiтовою глиною Язiвського родовища сiрки модифiковану оксидом титану вщ числа обертiв (п,об/хв) - (а) та трива-лост процесу ( т, хв) - (б). Стввщношення „рщина : тверда фаза" = 100 см3/мг, вихщна концентрацiя стронцiю 5Н0-4 моль/дм3, рН=7

Тривaлiсть перемiшувaння при максимальному ступеш сорбцп знаходиться в межах 40-50 хвилин.

Для експериментального визначення коефщента мaсовiддaчi при зовнiшньодифузiйному процес в почaтковi промiжки часу, коли на поверхш адсорбенту концентрaцiя молекул стронц да дор iвнюе 0, а в розчин i -рiвнa почaтковiй концентрацп використовували за-гальноприйняту зaлежнiсть :

3 =

дм

У F(CП - 0) • Дт '

(1)

де: Сп - концентрац1я стронц1ю в розчиш, кг/м3 ;

EF - загальна площа частинок модиф1кованого глинистого М1нералу, м2 ; Дт - час, с.

Загальну площу частинок модиф1кованого глинистого мшералу 1 середн1й д1аметр визначали вщносно гранулометричного складу наведеного в табл. 1.

Таблиця 1

Гранулометричний склад модифкованого сорбенту (Т-ГМ)

Позначення фракцГ! частинок Д1аметр фракцГ!, мм Масова частка частинок,%

di 0.11 23

d2 0.11-0.25 10

d3 0.25-0.5 65

d4 0.5-1.0 2

ОскГльки площа поверхт частинок е найбГльш важ-ливою для зовнiшньодифузiйних процесГв, визначення сумарно! кiлькостi частинок N проводили вГдповГдно приведених фракцiй, а !х середньостатистичний дiаметр (dcep = 0,253*10-3 м) розраховувався на пiдставi значення загально! поверхнi всiх частинок.

Визначення сумарно! юлькосп частинок N проводили вГдповГдно кожно! з фракцш згГдно залежностi:

N„< =

6 ■ тч1

(2)

де тч - маса частинок, кг; dc- середнiй дiаметр частинок адсорбенту, м; рч - густина частинок адсорбенту, кг/м3 .

Загальна маса частинок рiвна сумi частинок вГдносно фракцiй:

X N = N4l +N,2 + N,3 + N,

(3)

Середнiй дiаметр частинок сорбенту визначали згГдно залежностi:

dcep =

X F

X N ■п

(4)

ВГдповГдно виду 1зотерми, можна припустити, що оп1р зовн1шньодифуз1йного 1 внутршньодифузшного процесу практично р1вн1 [9]. Проте змшюючи г1дродинам1ку процесу (наприклад в апарат з м1шалкою) його величину можна зменшити за рахунок турбулГзацГ! поток1в системи. Разом з тим, необхщно враховувати основн1 чинники, якими потр1бно керува-тися для досягнення ще! мети.

Автори [7] вщмГчають, що обт1канн1 твердого тша родиною поблизу твердо! поверхн1 виникае дифузшний пограничний шар, який характеризуеться поступо-вим затуханням турбулентних пульсацш по м1р1 на-ближення до границ розд1лу фаз. Тобто необхщно визначити оптимальн1 параметри перем1шування для штенсифжацп зовн1шньодифуз1йного процесу адсорбцГ!.

При турбулентних потоках зовшшньо! фази перенесення речовини вщбуваеться в основному м1гращею елементарних вихор1в, як1 перем1щують макроскошчт об'еми середовища, створюючи хаотич-ний перерозподш твердо! фази. При цьому розрахунок коефшДенту турбулентно! дифузГ! ускладнюеться 1 його прир1внюють до числа Рейнольдса при перемшувант, що збшьшуе похибку досл1джень.

З метою прогнозування штенсивност зовн1шньодифуз1йного процесу а також перев1рки адекватност1 експериментальних даних теоретичним, нами використана методика розрахунку теоретичного коефшДенту масов1ддач1 на п1дстав1 теорГ! локально! 1зотропно! турбулентност1 для апарапв з механ1чними пристроями, яка характерна для процесу розчинення твердих частинок, розм1ри яких перевищують товщи-ну дифузшного пограничного шару [7].

Зг1дно ще! методики коеф1ц1ент масов1ддач1 вР може бути розрахований з врахуванням таких важ-ливих чинниюв, як питома енерг1я дисипацГ! твердо! дисперсГ!, а в1дпов1дно 1 ф1зико-х1м1чних характеристик середовища та пдродинам1чних 1 геометричних параметр1в процесу перемшування:

bp = 0,267■ (е0 ■ v)4 -Sc~4,

де: £0- питома енерг1я дисипацГ! твердо! фази; v - кшематична в'язкГсть р1дини, м2/с;

Sc = - число ШмГдта;

(5)

Dp

коефiцiент дифузГ! стронцГю в розчиш,

(3,656*10-11 ), м2/с.

Коефiцiент дифузГ! забрудника в розчинГ визначали за залежтстю УГлкГ i Чанга [7]:

Dp = 7.4 10-

T (x-M )

; 1 \А 1"води/

(6)

де: Т - температура, К; х - параметр асощацГ!, який характеризуе розчин, г/дм3; М во-ди - молекулярна маса води; р - динам1чний коеф1ц1ент в'язкост1 води, Па*с; V - мольний об'ем дифундуючо! речовини, см3/моль.

Питома енерг1ю дисипацГ! прямо пропорцшно за-лежить вщ потужност на перем1шування системи (М, кВт) !! густини (р, кг/м3) та об'ему (V, м3) 1 визначаеть-ся за р1внянням:

£п =

N

p-V ,

(7)

ПотужнГсть на перемшування враховуе геометрич-нГ розмГри перемГшуючих пристро!в та гГдродинамжу потоку вГдносно числа Рейнольдса:

, (8)

N = KN-p-n3- dM

де Kn - коефшдент перемГшування, який залежить вГд числа Рейнольдса;

р - густина рГдини кг/м3 ;

d„

■ дгаметр мгшалки, м;

3

п - число оберпв м1шалки, об/хв. На рис. 3 представлен! експериментальш та розрахунков1 значення коеф1ц1ент1в масов1ддач1 в в залежност1 в1д числа оберпв п. Отриман1 залежност1, яю лежать в однаков1й площин1 дозволяють стверджу-вати про адекватн1сть запропоновано! методики розра-хунку коеф1ц1ента масов1ддач1 з метою прогнозування 1нтенсивност1 процесу сорбцп.

масовiддачi значно наблизяться до теоретичного коефшдента масовiддачi.

Представляючи результати експериментальних дослджень у виглядi узагальнених змшних Sh = f (ReM) (рис.4) маемо можливють отримати вщповщне характеристичне рiвняння.

3,5

Л

м

3 2,5 2 1,5 1

0,5 0

4 ч

1 :г Ч н и 1/1 е н г iJ lb 1 д н

<

Рис. 3. Залежжсть числа оберлв (п,об/хв) в1д коефщкнта масовщдач1 (р,м/с^ для модельного розчину з Бг-90 «сорбент -Т-ГМ»

Незначне в1дхилення теоретичних даних вщ експериментальних пояснюеться р1зницею величи-ни рад1ально! сепарацп твердих частинок б1ля ст1нок перемшуючого апарату 1 в центр1, яка характерна для апаратв малого д1аметру без в1дбивних перегородок. Внасл1док цього явища спостер1гаеться зб1льшення коеф1ц1ента масов1ддач1 в пор1внянн1 з розрахунковим [8]. Для кореляцп даних автори [8] рекомендують вво-дити поправочний коефщ1ент кр, значення 1 визначення якого пов'язане з рад1альною неоднорщтстю розподолу часток. Автори роботи стверджують, що чим менше розм1ри апарату, тим вище значення коеф1ц1ента kв..

Таким чином, враховуючи поправочний коефЩент kв значення експериментального коеф1ц1ента

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 Re„

Рис. 4. Залежжсть числа Шервуда вщ пдродинамки пере-мiшування (числа Рейнольдса- ReM)

Апроксимуючи отриманi значення отримаемо лЬ нiйне рiвняння:

Sh = 0,6 + 3,12 10-4 ■ ReM .

(8)

В данiй залежностi число Шм1дта (Sc) не враховано оскшьки фiзичнi параметри системи шд час дослiдiв не змiнювалися.

4. Висновок

Таким чином, запропонована методика теоретичного визначення в може бути рекомендована для оцшки коефЩента масов1ддач1 у раз1 адсорбцп на др1бнодисперснш фракцп сорбенту, що протжае в зовн1шньодифуз1йн1й област1.

Лiтература

1. Кульський, Л.А. Очистка вод атомных электростанций [Текст] / Кульский Л.А., Страхов Э.Б., Волошинова А.М., Близны-кова В.А. - К.: Наук. думка, 1979. - 209 с.

2. Кузнецов, Ю.В. Основы очистки воды от радиоактивных загрязнений [Текст] / Кузнецов Ю.В., Щебетковский В.Н., Трусов А.Г.; под. ред. чл.-кор. АН СССР В.М. Вдовенко. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Атомиздат, 1974. - 360 с.

3. Gafvert, T. Removal of radionuclides at a waterworks [Text] / T. Gafvert, C. Ellmark, E. Holm // Journal of Environmental Radioactivity. - 2002. - Vol. 63. - p. 105-115.

4. Башарин, А.В. Сорбционное выделения 137-Cs и 90-Sr карбонатосодержащим природным минералом трепелом [Текст] / А.В. Башарин, А.А. Вишневская, М.А. Другаченок, А.С. Лебедев, А.А. Баклай // Радиохимия. - 2003. - Т.43, №3. -с. 262-264.

5. Петрушка, 1.М. Мехашзм сорбцп Cs-137 та Sr-90 з рщких радюактивних вщход1в модиф1кованими Яз1вськими глинами [Текст] / 1.М. Петрушка, М.С. Мальований, К.1. Петрушка // Восточно-Европейский журнал передовых технологий.- 2012.-№4/б (58).- С.28-31.

6. Петрова, М.А. Вплив кислотност1 та йонно! сили сольових розчишв на сорбцшне вилучення стронц1ю та цезш на модифжо-ваних глинистих мшералах [Текст]/ М.А. Петрова, А.Дж. Флауерс, 1.М. Петрушка, 1.М. Кр1п // Вопросы химии и химической технологии. - 2008. - №3. - с. 116-120.

7. Рудобашта, С.П. Массоперенос в системах с твердой фазой [Текст] / Рудобашта С.П. Под редакцией проф. Плановского А.Н. - Москва: Химия.-1980.-247 С.

8. Брагинский, Л.Н. Перемешивание в жидких средах [Текст] / Л.Н. Брагинский, В.И. Бегачев, В.М. Барабаш. - Ленинград: Химик, 1984.- 336 с.

.................................................................................................................................................................................................................................уз

9. Petrus, R. Wymiana masy w ukladzie „cialj stale-ciecz" [Текст]/ Petrus R. Akselrud G., Gumnicki Y., Piantkowski W. - Rzeszow, 1998.-365p.

10. Vorozhtsov, N.N.-Jurn. Intermediates (for synthetic dyes) [Теxt] / Vorozhtsov N.N.-jun.// The chemistry of synthetic dyes / ed. Venkataraman K. - N.Y.; L., 1970. - V.3. - P.85-167.

-□ □-

В статт1 наведет результати дослгджень по впровадженню ттегративного подходу до подготовки студентов техтчних специальностей до техногенних ризикгв та розробки Ыженерних рШень по усуненню та запобканню негативних насл1дк1в техногенного впливу на людину та ото-чуюче середовище

Ключовг слова: техногенш ризики, нтегративний тдх1д, екологхчна безпека, засо-

би пожежогасння, бпшофгт, навчальний процес □-□

В статье приведены результаты исследований по внедрению интегративного подхода к подготовке студентов технических специальностей к техногенным рискам и разработке инженерных решений по устранению и предотвращению негативных последствий техногенного воздействия на человека и окружающую среду

Ключевые слова: техногенные риски, инте-гративный подход, экологическая безопасность, средства пожаротушения, бишофит, учебный процесс

-□ □-

УДК 504.003; 504:338, 504:001.8

П1ДГОТОВКА 1НЖЕНЕР1В ДО УМОВ ВИНИКНЕННЯ ТЕХНОГЕННИХ РИЗИК1В

£. Я. П расолов

Кандидат техшчних наук, доцент Кафедра безпеки життeдiяльностi* E-mail: [email protected] С. А. Браженко 1нженер з патентно!' та винахщницькоТ роботи* E-mail: [email protected] *Полтавська державна аграрна академия вул. Сковороди, 1/3, м. Полтава, УкраТна, 36003

1. Вступ

За останнш час в силу яюсно нових виробни-чих вщносин значно шдвищились вимоги до р1вня подготовки молодих спещал1ст1в. Це в значнш м1р1 пов'язано з проблемою формування 1 розвитку свщомосп майбутшх спещал1ст1в, яким доведеться жити в епоху високих технологш.

Сучасна професшна д1яльтсть шженер1в-механтв АПК в сфер1 техногенно! безпеки вимагае нових п1дход1в до орган1зац1! !х навчання у вищих навчальних закладах, створення гнучких систем освии [1, 2, 3, 4]. Ведомо, що спец1ал1сти зустр1чаються з небезпечними факторами, як1 пов'язат з л1кв1дац1ею насл1дк1в техногенних катастроф, вибух1в, пожеж та проведенням аваршно-ряпвних роб1т.

2. Постановка питання

1снуюче нинГ фрагментарне вивчення матерГалГв по управлГнню техногенними ризиками в областГ охорони навколишнього середовища протягом одного семестру недостатньо ефективне, так як не дозволяе сформува-ти у студента практичт навички [5, 6, 7, 8]. Ратше Гс-нувала практика - студент приймав участь у виконанш науково-дослгдницьких робГт, що дозволило студенту отримати в!д викладача випускаючо! кафедри шдивЬ дуальнГ завдання на курсовГ та дипломнГ роботи, яю були частиною розробки науково-дослгдно! роботи.

Працюючи в колективГ студент залучався до твор-чостГ i ставав спещалГстом, новатором здатним виршу-вати проблеми на достатньо високому рГвнГ Для опти-мГзацГ! професГйно! тдготовки студентГв у вищому навчальному закладГ до умов виникнення техногенних ризиюв пропонуеться Гнтегративний п1дх1д до навчання в три етапи пщготовки: теоретичний, практичний та Гнтегративний.

3. Мета та завдання дослщжень

Мета пгдходу - забезпечення достатнього рГвня загальнотеоретично! пгдготовки та сформованостГ на-вичок у студентГв з питань попередження техногенних катастроф i лжвщащ! !х насл1дюв та використання аваршно-ряпвно! технГки в складних умовах.

Завдання - це отримання знань з екологп, теорп горГння та вибухГв, формування практичних навичок по використанню аварГйно-рятГвно! технГки; розви-ток мислення, творчостГ в професГйнГй дГяльностГ та штелектуальних здГбностей в данГй сферГ знань.

4. основний матерiал дослщжень

Види навчально! роботи: лекцГ!, практичт занят-тя, виробнича практика, самостшна робота, роздГли дипломно! роботи.

с С.