Розроблено наукові засади стабілізації обробки води з метою забезпечення ресурсоощадження в промисловому водокористуванні. Створено нові реагенти, методи та технології стабілізаційної обробки води для забезпечення впровадження замкнутих систем охолодження в промисловості та енергетиці, запропоновано методи інтенсифікації процесів освітлення води у виробництвах паперу та картону, комплексну технологію очищення води, за яким є можливими повторне використання уловленого волокна, освітленої води, а також утилізація відходів. Знайдено умови ефективної гідрофобізації магнетиту та розроблено ефективний метод вилучення з води нафтопродуктів та створено іонообмінні технології очищення її від іонів важких металів, що дає змогу повторно використовувати воду у замкнутих циклах та сприяє поверненню цінних компонентів і багаторазовому використанню регенераційних розчинів. Модифіковано метод об'ємної коагуляції під час дезактивації води, розроблено новий метод та технологію дезактивації з використанням фероціанідно-полікатіонітних комплексів.

  Скачати повний текст

Дисертаційна робота присвячена розробці екологічно безпечних методів інтенсифікації процесів очищення води від сполук заліза та марганцю. Встановлено, що ступінь окислення іонів заліза у водному середовищі залежить від часу контакту води з повітрям та реакції середовища, а також від початкової концентрації іона металу у воді. При дослідженні процесу окислення іонів марганцю у водному середовищі було встановлено, що значний вплив на проходження процесу має рН середовища та аерування розчину. Визначено окислювальні властивості аніоніту АВ-17-8, модифікованого сполуками хлору та марганцю, в процесі знезалізнення води. Показано, що суміш аніоніту АВ-17-8 в ClO2-формі та катіоніту КУ-2-8 в Na+ формі забезпечує ефективне знезалізнення та пом'якшення води. Визначено оптимальні швидкості фільтрування води на пілотній установці по знезалізненню. В процесі фільтрування спостерігалося зниження концентрацій залишкового заліза до рівня ГДК в очищеній воді на протязі довгого часу фільтрциклу. Встановлено, що при швидкостях 1,5-4,5 м/год відбувається рівномірне накопичення осаду в товщі фільтрувального завантаження, що призводить до ефективного окиснення іонів заліза та подовженню фільтроциклу. При досліджені вилучення сполук марганцю з води на пілотній установці вдалося досягти повного вилучення іонів марганцю незалежно від форми катіоніту. Запропоновано технологічну схему очищення артезіанської води від сполук заліза та марганцю. Розраховано економічний ефект впровадження даної технології.^UThe dissertation is devoted to the development of the ecologically safe methods of the intensification of the water purification processes from iron and manganese compounds. The purification of the natural waters from the compounds of iron and manganese is one of the importance given the toxicity of these elements that can accumulate in the alive organisms, achieve the high concentrations and impose a negative impact on human health. Today, there are a number of typical technologies of disinfection and demagnetization of water, which are presented in the first part of the dissertation. Many works have also been published which describe the purification of water from iron and manganese by sorption, ion exchange, barometric methods, aeration and filtration, catalytic oxidation. However, most of the listed methods have significant disadvantages. In the first stage of the research, it was found that the degree of iron and manganese oxidation in the water environment depends on the time of contact of water with air and the reaction of the environment, as well as from the initial concentration of metal in water. In the study of the process of oxidation of manganese ions in aqueous medium, it was found that significant influence on the passage of the process has the pH of the medium and the administration of the solution. The oxidizing properties of the anion exchanger AB-17-8 modified by chlorine and manganese compounds in the process of water de-ironing were determined. A mixture of anion exchanger AB-17-8 in ClO2- form and cation exchanger KУ-2-8 in Na+ form has been shown to provide effective iron removal and water softening. It has been established that high efficiency of water purification from the iron ions can be achieved by filtering it through an anion exchange agent AB-17-8 in a mixed ClO2- and OH- form. At the same time, the efficiency of removal of iron from water due to the use of chloride anions increases with the increase in ion exchanger volume. Established, the effective removal of iron ions occurred depending on the dose of magnetite and contact time, as well as the initial concentration of iron ions in water. When using magnetite for demagnetization of water, a significantly higher efficiency of water purification from manganese was achieved by increasing the pH of the medium and by blowing air or stirring the solution. It was established that the use of catalytic filtration loading on the basis of ion exchange resin and magnetite significantly accelerates the process of purifying water from iron and manganese compounds. The optimal water filtering speeds at the pilot plant for disinfection have been determined. In the process of filtration, there was a decrease in the concentrations of residual iron in purified water over a long time cycle filter. It was established that at speeds of 1,5-4,5 m/hr there is a uniform accumulation of sediment in the thickness of the filter loading, which leads to the effective oxidation of iron ions and the elongation of the filter cycle. When exploring the removal of manganese compounds from water on a pilot plant, it was possible to achieve the complete removal of manganese ions, regardless of the form of cation. The research of the application of sodium hypochlorite as an oxidizer in the purification of the artesian water from the manganese ions has been carried out. In static conditions, it was determined that the degree of manganese with draw al affects both its initial concentration in water and the dose of sodium hypochlorite. In this case, the water purification from manganese ions is more effective with initial concentrations above 5 mg/dm3. On the basis of the obtained results the technological scheme of purification of artesian water from iron and manganese compounds is presented. The use of filter loading on the basis of ion exchange resin and magnetite as a catalytic filter is proposed, for the removal of iron ions, manganese and rigidity. The economic effect of the introduction of this technology is calculated.

Дисертація присвячена розробці надійних та ефективних методик по вилученню і концентруванню розчинів важких металів.Досліджено процеси іонообмінного вилучення іонів важких металів. Встановлено, що ємність іонітів КУ-2-8 та DOWEX MAС-3 по іонах важких металів не залежить від присутності іонів жорсткості в розчині. Показано, що задовільні результати по концентруванню сильно розведених розчинів іонів міді можна отримати при концентрації іонів міді до 1 мкг/дм3.Вперше проведена оцінка ефективності застосування фільтрів змішаної дії в процесах вилучення і концентрування іонів міді, цинку, кадмію та нікелю із розведених розчинів. Досліджено умови ефективної десорбції іонів важких металів з іонітів. Показано, що в регенераційних розчинах можна підвищити концентрацію металів на декілька порядків.Вперше вивчено процеси баромембранного вилучення та концентрування важких металів із надрозведених розчинів. Визначено вплив іонів жорсткості, гідрокарбонатів, хлоридів та сульфатів на ефективність вилучення цинку, кадмію і нікелю при фільтруванні розчинів через зворотньоосмотичну та нанофільтраційну мембрану. Запропоновані технологічні схеми глибокого очищення води від іонів важких металів, що дозволяють отримувати очищену воду та концентрати, які збільшують точність аналізу металів.^UThe dissertation is devoted to the development of reliable and effective methods for extracting and concentrating heavy metal solutions.Ion exchange is one of the methods that is successfully used in the industry for the removal of heavy metals, including copper ions. It was found that the use of strong acidic cation exchanger KU-2-8 and weakly acid cationite DOWEX MAС-3 provides both water softening and copper ion extraction at its initial concentrations of 30 and 1 mg/dm3. The degree of copper extraction for ion exchangers in 6 dm3 of water was 99,6 – 100,0 %. Regeneration of ion exchangers was carried out with solutions of hydrochloric acid, the degree of desorption was 100 %.It was established that the capacity of ion exchangers on copper ions decreases with decreasing of its concentration in the initial solution. The capacity of the DOWEX MAС-3 cationite at a copper concentration of 2 mg/dm3 reaches 30 mg-eq/dm3, and at 1 mg/dm3 – 17 mg-eq/dm3.The conditions of effective sorption of copper and lead ions from dilute solutions was estimated. Satisfactory results on the concentration of strongly diluted solutions of copper ions can be obtained at a concentration of copper ions up to 1 μkg/dm3. At the same time, the concentration of copper ions in regenerative solutions increases to 1 – 20 mg/dm3, that is 3 – 4 orders. It has been found that weakly acidic cation exchangers should be used when concentrating lead from insoluble solutions using sorption and desorption steps. Strongly acidic cation exchangers are better to use when removing lead ions from water during cleaning.The effectiveness of using mixed filters in the removal of zinc, cadmium, nickel and copper ions has been investigated. For the experiment, cation exchanger KU-2-8 in acid form and an anion exchange agent AB-17-8 in the basic form were used, ion exchanger volume was 50 – 70 cm3. It was shown that copper can be removed from solutions at concentrations up to 0.1 μkg/dm3, whereas zinc, cadmium and nickel ions were completely removed at initial concentrations of 0.1 – 0.2 mg/dm3.In the study of processes for the pretreatment of solutions from zinc, cadmium and nickel by ion exchange, it was important to determine the concentrations of ion leakage under different conditions. Thus, when zinc solution is filtered at a concentration of 0.985 mkg/dm3, the ion exchange rate of zinc ions increases by 13 to 90 μg/dm3 via ion exchanger KU-2-8. It was shown that in the DOWEX MAС-3 cationite the cadmium concentration from tap water was reduced to 0.6 – 3.4 μkg/dm3.It is shown that the degree of extraction of zinc, cadmium and nickel ions depends on the shape of the ion exchanger.Processes of baromembrane purification and concentration of heavy metals from dilute solutions were studied.It was established that the performance of the OPMN-N nanofiltration membrane depends on the working pressure and practically does not depend on the degree of selection of the permate and the concentration of the salt of the metal.It was investigated that the use of phosphonate complexones is not universal for heavy metals. So, when extracting cadmium ions, the most effective was the use of OEDFK. Сomplete removal of zinc and cadmium ions in the processes of nanofiltration cleaning of solutions was achieved only with the use of OEDFK, and nickel ions - with the use of NTMFK. It has been established that for effective removal of zinc, cadmium and nickel from natural water, it is necessary to presoften water and remove hydrocarbons, chlorides and sulfates. It was shown that copper ions present in tap water are completely removed.The technological schemes of deep water purification from heavy metal ions were proposed, allowing to receive purified water and concentrates, which increase the accuracy of the metals analysis.

Дисертація присвячена створенню ефективних комплексних та маловідходних технологій очищення води від біогенних елементів з природних та стічних вод. Встановлено, що на біологічний розклад амонію впливають температура, освітленість та глибина реактору, носій та якість інокуляційного матеріалу, необхідного для формування біоплівки. Визначено, що ефективність сорбції іонів амонію на катіонітах КУ-2-8 та DOWEX знижується по мірі зростання значення жорсткості у воді. Показано, що ефективність іонообмінного вилучення нітратів і фосфатів залежить від вмісту сульфатів та хлоридів у розчині. Вперше вивчено процеси електрохімічного розкладу сполук амонію у одно- та двокамерному електролізерах. Встановлено вплив хлоридів та сульфатів на ефективність окислення амонію. Досліджено метод електрохімічного висадження фосфатів при використанні стального та алюмінієвого анодів. Запропоновано технологічні схеми очистки води від біогенних елементів, які дозволять вирішити питання очистки стічних та природних вод без утворення небезпечних концентратів.^UThe dissertation is devoted to the creation of low-waste methods for extracting nutrients from water. The first section describes the various cleaning methods that have been up-to-date. Each of these methods has its own advantages and disadvantages. It has been shown that sorption and biological degradation are still the most common methods of water purification from nitrogen and phosphorus. It was found that sorption on synthetic materials creates a problem of utilization of concentrated solutions. Natural sorbents are very limited in capacity and need to be refined. The second section of the article presents the objects and methodology of research, description, characteristics and physical and chemical properties of materials and downloads that were used in researches. The third section presents the results of researches on the removal of ammonia by biological, sorption and electrochemical methods. It has been established that the most suitable medium for the efficient removal of ammonium ions in a bioreactor is the hypolymniotic zone of reservoirs. It is shown that the best loading is polystyrene blocks with the addition of clay. It has been established that cationite КУ-2-8 has a higher selectivity for ammonium ions in the Н+-form, in comparison with the Na+-form. The influence of rigidity ions on the efficiency of removal of ammonium has been investigated and it has been established that without the prior mitigation of water use of cation exchangers is inappropriate. It was shown that regeneration was more effective when using acid solutions. It has been established that rigidity ions do not significantly affect the removal of ammonium from zeolite, as compared with ion exchange. The boundary capacity of zeolite by ammonium ions is 40 mg/g. The processes of ammonium oxidation in a two-chamber and one-chamber electrolyzer, depending on the composition of the solution, have been studied. It was found that the presence of chlorides in anolyte catalyzes the process of oxidation of ammonia, and the growth of sulfate concentration slows the destruction of ammonia, which increases the consumption of electricity. In the fourth section, results are given for removal of nitrates and phosphates from water by means of sorption, reagent and electrochemical methods. The efficiency of extracting nitrates from water on anion exchangers is studied, depending on the strength of ion exchangers. It was found that both anion exchangers in sulfate and chloride form ensured the degree of nitrate extraction at 90 % level. It has been established that regeneration of anion is 94 – 97 % with the use of solutions of ammonium chloride, potassium carbonate and ammonia. It was shown that high-base anion exchange agent AB-17-8 in chloride and basic form provided effective removal of phosphates from model solutions. In tap water, the capacity of anion exchangers in phosphates practically does not depend on the shape of ion exchangers and significantly depends on the concentration of sulfates. High levels of desorption of phosphates can be achieved using solutions of sodium chloride or ammonium at a concentration of 10 − 15%. It is shown that phosphates are effectively removed from a solution of ammonium chloride, if you add stoichiometric amount of magnesium chloride at pH ≥ 9. The regeneration solution reconditioned for this purpose is suitable for reuse. The efficiency of precipitation of phosphates from solutions with the use of electrocoagulation methods is investigated. This method provides 99 % removal of phosphates using steel and aluminum anodes. It is shown that in a weakly acidic medium or in the presence of chlorides in the solution, the electrodes are not absorbed, which accelerates the electrocautery process. The mathematical description of the processes was made on the basis of a complete factor-making experiment of the second order. The basic regression equations are shown, which show the interdependence of the main factors of the purification processes. Based on the results obtained, technological schemes for the removal of biogenic elements from water have been developed and described. The technological schemes of water purification from biogenic elements are proposed, which allow solving the problem of sewage treatment without the formation of dangerous concentrates.

Роботу присвячено створенню інтегрованого комплексу засобів екологічно моніторингу для підвищення рівня техніки безпеки на основі новітніх сенсорних пристроїв для газоаналітичних приладів, які використовуються для діагностики, повірки та прогнозування можливих техногенних ризиків. Створені інноваційні сенсори (від 5 до 25000 ppm Cl2) та cірководню (від 1 до 100 ppm H2S). Створені сенсорні пристрої за технічними параметрами переважають закордонні аналоги та мають вартість в 3 рази менше; мікрогенератори мають світовий пріоритет, а блок-модулі не мають аналогів у світі. Придатні для безперервної роботи 2 роки у середовищі з відносною вологістю від 10 до 90 % за температурами від –30 до +50 0С. Замість балонних систем газових сумішей, розроблені мікрогенератори газів, які генерують хлор зі 100 %, а сірководень з 99,6 % виходом за струмом, з основною похибкою генерування не більше 2 %. Доказано, що розроблені мікрогенератори сірководню та хлору можуть бути внесені до Держреєстру як еталони 2 класу. Запропоновано та використано програмний комплекс ТОХІ+ для прогнозування наслідків аварійних викидів на промислових небезпечних об`єктах. Розробки передбачено інтегрувати в Національну систему екологічної безпеки в ролі первинних джерел достовірної інформації. Ключові слова: екологічна безпека, моніторинг, викиди забруднюючих речовин, електроди, чутливі елементи сенсорів, комірки мікрогенераторів, блок-модулі, інтегрований комплекс сенсорних пристроїв.^UThis dissertation is devoted to developing an integrated unit for environmental monitoring based on novel sensor devices for gas detectors and analyzers, which are used for diagnostics, calibration, prediction of technogenic risks, and determination of hazardous gas concentrations in the air. The aim of the dissertation was to develop functionally simple, reliable sensor devices and integrate them to environmental safety systems. To produce multi- and mono-sensor gas analyzers, capable of complex environmental monitoring in terms of safe human exposure or safe technological processes, reliable devices providing information about the condition of strategic works (water-, oil- and gas pipelines, etc.) should be available. In Ukraine, single sensors have been developed so far, but there is no manufacture of integrated units of sensor devices incorporating sensing elements, primary converters, autonomous micro-generators and block-modules. Based on the sensor devices developed in this work, production of portable and fixed gas analyzers or automated fixed systems of continuous monitoring of atmosphere can be launched. Such sensor devices and equipment based on them are of paramount importance to increase the safety in the confined space of industrial and communal enterprises. Taking into account modern tendencies, achievements and standards in this sphere, a novel two-electrode chlorine sensor working in different ranges (from 5 to 25000 ppm) and a three-electrode hydrogen sulfide sensor (from 1 to 100 ppm) were made. By their specifications, these sensors compare favourably with their foreign counterparts, the chlorine and hydrogen sulfide micro-generators take precedence in the world, whereas the block-modules do not have analogues at all. The sensors developed offer continuous performance for 2 years in the air at relative humidities from 10 to 90 %, at temperatures from –30 to +50 0С. Metrological characteristics of the chlorine sensors based on a solid electrolyte and the hydrogen sulfide sensor based on a matrix electrolyte were determined. Solid electrolytes were synthesized and studied, and specimens with a resistance of R = 9 Оhm and conductivity of æ = 1,6∙10-4 Оhm-1∙сm-1 were selected. The sensors without preliminary preparation (activation) measure the concentration of gas pollutants for chlorine (from 0 to 25000 ppm), for hydrogen sulfide ( from 0 to 100 ppm) with a response time (up to 90 % of the signal) less than 15 s or recovery time (up to 95 % of the signal) less than 30 s. The absolute error does not exceed +15. Comparative analysis of the sensors with their foreign counterparts manufactured by leading companies showed that the sensors compare favourably in terms of selectivity, speed of response, life cycle, and dynamic range on both mg/m3 and g/m3 levels, which enables their use in multi-channel gas analysers and their integration into the system of environmental safety. Chlorine and hydrogen sulfide micro-generators, on passing direct current, yield 100 % of chlorine gas and 99,6 % of hydrogen sulfide for current, respectively. Laboratory and industrial specimens of sensing elements, sensors, autonomous micro-generators and block-modules (sensor/micro-generator) were made. Such an idea enabled remote checking, calibration and seasoning of the devices as well as creating instrumentation based on them to monitor the levels of air pollution with toxic gases. The developed low-cost chlorine and hydrogen sulfide sensors proved to be competitive with their foreign counterparts. A range of domestic gas analysers were produced for monitoring harmful emissions at fuel industry enterprises, controlling purification of emissions from heat plants and monitoring of working and living environments for toxic substances. A ТОХІ+ software complex was used to predict the effects of accidental toxic gas leaks at industrial plants. It was revealed that the most favourable conditions for the distribution of hazardous gases are dark (night) time, increased cloudiness, and low wind speeds. It was proposed to the “Ukrainian atom instruments and systems” company to employ the ТОХІ+ software complex in their Ecological Monitoring System in addition to the sensors by KPI Igor Sikorsky which they already use. The instruments developed (the sensor, micro-generator, and block-module) are intended to be integrated into the National system of environmental monitoring as primary sources of reliable information. Two utility model patents of Ukraine were granted. Two licenses were sold: the patent licence and the know-how licence. Product line depth will provide entirely meeting the demands for such instruments in a wide price range and all possible fields of application. Key words: environmental safety, monitoring, pollutant emissions, electrodes, sensing elements of sensors, micro-generator cells, block-modules, integrated unit of sensor devices.

Дисертаційна робота присвячена визначенню рівня впливу промисловості та природних факторів на мінералізацію води у поверхневих водоймах, створенню комплексної технології знесолення води з використанням баромембранних процесів. Проаналізовано вплив шахтних вод на стан природних водних об`єктів, показані екологічні ризики засолення поверхневих вод концентрованими сольовими відходами, представлені результати досліджень при застосуванні зворотнього осмосу в процесах водопідготовки, виведено рівняння, за рахунок якого можна визначити необхідний тиск в системі, приведена принципова технологічна схема опріснення слабомінералізованихх вод зворотнім осмосом.^UThe dissertation is devoted to determining the level of influence of industry and natural factors on water mineralization in surface reservoirs, creating a complex water desalination technology using baromembrane processes. The influence of mine waters on the state of natural water bodies is analyzed, the ecological risks of salinization of surface waters by concentrated salt waste are shown, the results of research on the application of reverse osmosis in water treatment processes are presented, an equation is derived, due to which the necessary pressure in the system can be determined, a basic technological scheme is given desalination of weakly mineralized waters by reverse osmosis.