Научный журнал
Современные наукоемкие технологии
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,021

ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ДЛЯ ДЕМЕРКУРИЗАЦИИ БИОТЫ БАЙКАЛО-АНГАРСКОГО БАССЕЙНА

Вертинский А.П.
Ртуть известна человечеству с незапамятных времен. В той или иной форме ее применение для практических целей началось несколько тысячелетий назад. С момента ее применения до наших дней на земную поверхность поступило и было рассеяно в окружающей среде большое количество этого металла. Интенсивность воздействия ртути и ее соединений год от года увеличивается, поскольку не только возрастает активное практическое применение ртути и ее соединений, но и расширяются источники и пути их поступления в окружающую среду.

В течении XX столетия структура использования ртути претерпела значительные изменения. Почти полностью прекратилось ее использование для амальгамирования золота при его добыче, для производства взрывчатых веществ, косметических средств, фетра, заметно сокращено использование в медицине и фармакологии. Наблюдалось некоторое увеличение ее использования в химической, электротехнической и приборостроительной отраслях.

В Иркутской области концентрация ртути в воде у левого берега Ангары, где в основном и  расположены основные промышленные предприятия почти в 4 раза выше, чем у правого [1].

В Иркутской области главным поставщиком ртути в окружающую среду является химическая промышленность, представленная ОАО «Усольехимпром» и ОАО «Санск-химпласт», где до недавнего времени получали хлор и каустическую соду электролизом на ртутном катоде.

С течением времени, элементарная ртуть окисляется до растворимых в воде ионов Hg(II), которые вместе с дождевой водой выпадают на землю. Поступив в водную среду, неорганическая ртуть растворяется в ней, оседает в донных отложениях, либо при помощи бактерий трансформируется в метил-ртуть или демитилртуть . После чего метилированная ртуть начинает свое движение по трофической цепи: фитопланктон → зоопланктон → планктоноядные виды рыб → хищные виды рыб → человек. Рыбы также поглощают метилртуть из воды, фильтруя ее жабрами при дыхании. В итоге по сравнению с содержанием ее в воде, в рыбе ее концентрация увеличивается в 103-104 раз в зависимости от вида рыбы и ее возраста.

Широкую известность проблема «ртутной интоксикации» приобрела в мире после событий в Японии, произошедших в 1956 году. Здесь была открыта так называемая «болезнь Минамата» и было установлено, что соединения ртути, использующиеся на химическом предприятии «Chisso СЬешіеаІ» в качестве катализатора при производстве винилхлорида, ацетилена и азотных удобрений, вместе со сточными водами сбрасывались в залив и стали источником отравления рыбы и моллюсков, употреблявшихся в пищу жителями близлежащих городов и деревень.

Массовое отравление ртутьсодержащими соединениями имело место не только в Японии. Симптомы ртутной интоксикации уже четко проявились в рыбацких поселках Амазонки, где золотая лихорадка привела к интенсивному использованию ртути. По оценкам экспертов, здесь ежегодно выбрасывается в окружающую среду до 200 тонн ртути.

Ртуть и ее соединения являются веществами первого класса опасности и их содержание строго лимитируется во всех компонентах окружающей среды, питьевой воде, воздухе рабочих помещений и продуктах питания.

Длительное поступление ртутьсодержащих сточных вод крупных химических производств в Братское водохранилище, р. Ангару и ее притоки привело к накоплению ртути в донных отложениях. В силу особенности ртути сохраняться в воде и почве создалась реальная угроза передачи ее в метилированной форме по трофическим цепям и концентрирования в продуктах питания основных источников поступления метилированной ртути в организм человека. По содержанию ртути среди продуктов питания для жителей побережья Братского водохранилища наиболее опасной является рыба. Высокие концентрации ртути (от 1 до 8 ПДК) зарегистрированы в мышцах и печени сома, окуня, леща, сороги. Минимальные уровни отмечаются в омуле, хариусе, сиге. Необходимо отметить, что интоксикация метилированной ртутью представляет собой серьезную опасность для человека, поскольку характеризуется в отличие от интоксикаций неорганической ртутью и ее соединениями необратимостью патологических процессов.

Автором были исследованы сточные воды цеха 2101 АО «Усольехимпром».

После цеха 2101 вода до очистки поступает в колодцы 401 и 412, после очистки поступает в колодцы 324 и 616. В сточных водах до очистки присутствуют компоненты-NaOH и Hg, в воде после очистки присутствуют компоненты - NaOH, Hg, NaHS, Cl1, H1.

Сточные воды цеха 2101(ртутный электролиз) обрабатывались индукционными токами 1= 0,5; 1; 2; 3; 4 A и результаты измерений свели в табл. 1. По данным табл. 1 автором было выполнено математическое моделирование поверхности Бн = D(t, T, I) изучаемого процесса, получено предварительно уравнения 2-поверхностей DH= F(I, t), DH.= Ф(1, T) [2].

Таблица 1. Результаты измерений очистки сточных ртутьсодержащих вод, обработанных индукционными токами I= 0,5; 1; 2; 3; 4 A   

Ток

I=0,5А

I= 1 А

I=2А

I= 3А

I= 4А

N

t

Т0

C

Плотн.

оптичес.

Т0

С

Плотность оптическая

Т0

С

Плотн

оптичес.

T0

С

Плотность оптичес.

Т0

С

Плотн

оптич.

DH.

DK

DH

Dк

D*K

DH

Dк

DH

Dк

D*K

DH

Dк

1

0

24

0.85

0.60

24

0.85

0.60

0.56

24

0.85

0.56

24

0.85

0.60

0.56

24

0.85

0.60

2

6

24

0.58

0.50

24

0.50

0.45

0.30

26

0.48

0.24

26

0.44

0.30

0.08

26

0.39

0.2

3

10

25

0.49

0.40

25

0.42

0.38

0.2

27

0.38

0.18

27

0.35

0.29

0.06

27

0.32

0.16

4

20

25

0.36

0.28

26

0.25

0.21

0.15

27

0.23

0.1

29

0.22

0.15

0.03

31

0.2

0.09

5

30

25

0.31

0.23

26

0.2

0.15

0.12

28

0.21

0.08

31

0.2

0.11

0.02

33

0.18

0.07

6

40

26

0.29

0.2

27

0.15

0.12

0.1

28

0.19

0.06

33

0.2

0.09

0.02

35

0.14

0.05

7

50

26

0.24

0.18

28

0.1

0.08

0.06

29

0.16

0.04

35

0.18

0.07

0.01

37

0.09

0.04

1

Из уравнения модели (3) вычисляем оптимальные значения входящих параметров, которые будут равны

tопт= 20,5 мин.,

Топт = 35 0С,

Iопт. = 4A.

В результате исследований установлено, что с увеличением тока интенсивность очистки сточных вод повышается, время обработки сточных вод достаточно в течение 20 мин.

Решение проблемы ртутного загрязнения Братского водохранилища можно представить в виде ряда комплексов организационно - технологических мероприятий, модели которых основаны на исследованных и разработанных автором электрохимических способах обработки электролитов [3] и др.

I. Прежде всего, представляется важным провести мониторинг концентрации ртути в донных отложениях по всей площади Братского и Усть-Илимского водохранилищ, в результате которого выявятся локализованные места с наиболее высокой концентрацией ртутных соединений и скоплений металлической ртути. Систему спектральных фотоколориметров возможно создать на основе активизации водной среды с помощью индукционных токов, в результате чего селективными фотоэлементами можно выявлять локализованные скопления ртути и её соединений.

II. Следующим важным и сложным комплексом мероприятий представляется удаление больших скоплений металлической ртути путём отсасывания специальными насосами, описанными в литературе, например по [4] и др. Принцип действия такого насоса также основан на индуцировании электротока в электролите - жидком проводнике, например, в металлической ртути с помощью бегущей волны электромагнитного поля, создаваемой трёхфазной зигзагообразной обмоткой. Действительно, при включении электропитания на трехфазную зигзагообразную обмотку каждая ее фаза создает магнитный поток, величина которого может быть выражена:

Фа = Ф0 sin ωt         (4)

Фb = Фo sin(ωt +120o -120o)=Фo sin ωt    (5)

Фc = Фo sin (ωt + 240o - 240o)= Фo sin ωt   (6)

В результате суперпозиции этих фазных магнитных потоков вблизи внутренней поверхности корпуса насоса образуется общий магнитный поток величиной:

Фобщ = 3Фо sin ωt  (7)

Таким образом, вдоль образующей цилиндрической поверхности внутри корпуса создается бегущая волна магнитного поля, амплитуда которой 3Фо смещается с течением времени на величину:

φ = ωt                (8)

В результате в электропроводящей рабочей среде индуцируется асинхронный короткозамкнутый ток, который увлекается за бегущей волной магнитного поля вместе с рабочей средой, что и приводит к образованию гидропотока по каналу насоса в направлении порядка следования фаз напряжения на фазах обмотки насоса. Так как по каналу насоса предотвращаются помехи гидропотоку, а взаимодействие магнитного поля с рабочей средой предотвращает деформации корпуса и абразивное трение частиц рабочей среды по внутренней поверхности корпуса, то этими обстоятельствами и обеспечиваются высокая надежность работы насоса и длительные сроки его эксплуатации при низком гидравлическом сопротивлении. При этом осуществляется возможность изменения направления гидропотока путем переключения порядка следования фаз напряжения на фазах обмотки с помощью коммутационной аппаратуры. Так как электропроводность электролитов различается в широких пределах в зависимости от состава, концентрации, температуры рабочей среды и частоты тока, то необходимым требованием к блоку электропитания насоса является наличие преобразователя частоты, например, тиристорного типа и др.

III. Очередным комплексом мероприятий в этом ряду представляется организация химическо
го связывания ртути в нерастворимые и инертные соединения. Эти процессы возможно осуществить с помощью, например, системы упомянутых выше многофазных индукционных электрокоагуляторов по патенту РФ 2077954, установив их на заданных глубинах с помощью системы понтонов и подключив к кабельной сети электропитания. В результате активизации индукционными токами ионы ртути вступают в связь с растворенными в водоёме веществами, образуя нерастворимые соединения [5].

Автор считает, что в данной работе новым являются следующее положение: до исследований автором считалось, что большие токи нельзя получать в электролитах, но индукционный способ позволил получать высокие токи вблизи первичной обмотки трансформатора, вторичной обмоткой которого является электролит.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

  1. Янин Е.П. Ртуть в окружающей среде промышленного города. М.: Изд-во института минералогии, геохимии и кристаллохимии редких элементов, 1992.
  2. Вертинская Н. Д. Математическое моделирование многопараметрических процессов в мнопокомпонентных системах /Вертинская Нелли Дмитриевна; ИрГТУ, 2001.- 289 с.
  3. Вертинская Н. Д. Математическое моделирование безэлектродного электрохимического и биологического процессов при обеззараживании природных вод: методическое указание для студентов специальностей ХТО, ХТС, ТЭП.- Иркутск: ИрГТУ, 2005.-234с.
  4. Вертинский П. А. Обоснование и расчёт работы и устройства магнитодинамического электролитного насоса. / П. А. Вертинский // Механизация строительства. № 11/2006.
  5. Патент № 2077954 РФ, В 03 С 5/00, C 02 F 1/46 Многофазный индукционный электрокоагулятор / А. П. Вертинский - № 94027789/2; заявлено25.04.94; Бюл. № 12/97.

Библиографическая ссылка

Вертинский А.П. ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ДЛЯ ДЕМЕРКУРИЗАЦИИ БИОТЫ БАЙКАЛО-АНГАРСКОГО БАССЕЙНА // Современные наукоемкие технологии. – 2009. – № 3. – С. 52-55;
URL: http://top-technologies.ru/ru/article/view?id=26262 (дата обращения: 17.06.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074