Су және сулық жүйелердің құрылымы мен қасиеттері

Жоспар

 

І. Кіріспе

ІІ. Аналитикалық шолу.

1 . Су және сулық жүйелердің  құрылымы мен қасиеттері.

2. Мембраналық үрдістер олардың ілімдік негіздері мен қолдану салалары, болашағы.

 

ІІІ. Ағынды суды мембраналық тазалау технологиясын дайындау.

1. Құрамында металлы барағынды суды тазалап, қайтапайдалану технологиясы.
2. Құрамындаметалы бар ағынды суды тазалаудың мембраналық технологиясының экологиялық – экономикалық тиімділігін бағалау.

 

ІV. Қорытынды.

 

V. Пайдаланған әдебиеттер тізімі.

 

 

І. Кіріспе

 

Тақырыптың өзектілігі.Әрбір мемлекеттің дамуы мен гүлденуі, өркендеуі мен жаҺандануы үшін өмірдегі көкейкесті мәселелерді уақытылы шешіп тұру қажет екені баршаға мәлім.Сондықтан халық шаруашылығы мен ғылыми техника салаларын индустриализациялау бағыттарындағы көкейкесті мәселелерді шешу үшін кез-келген саланың түпкілікті ілімдік маңызын зерттеп, оның қолданбалы техникада алатын орнын нақты белгілеп, айқынанықтау қажет. Осындай көкейкесті мәселелердің қатарына қазіргі таңда экологиялық мәселелер жатады. Осы себепті Қазақстан Республикасының экологиялық қауіпсіздігінің Концепциясы (Қазақстан Республикасы Президентінің 03.12.03.-де .N2 1241 Жарлығы) сияқты негізгі кұжаттарда барлық өндіріс орындарын экологизациялау жолымен қоршаған табиғи ортаны ластауды төмендетуді қамтамасыз ететін жылдам шара кабылдау қажеттігі көрсетілген [1].

Экологиялық мәселелерді шешуде аса тиімділігіне қатысты көп жақты қолданысқа ие болып отырған технологиялардың бірі – мембраналық технологиялар. Бүгінгі күнде мембраналық технологиялар адамзат тіршілігіндегі көптегенөндірістік-технологиялар аумағында өзінің эколого- экономикалық артықшылықтарын дәлелдеуде.

Бүгінгі күнде көптеген өндірістік кәсіпорындардың сулы технологиялық жүйеде жұмыс істейтіндігі белгілі. Ал олардың пайдаланған өте көп мөлшердегі сұйық қалдықтары топыраққа, таза су құрамына еніп, өзінің уытты заттарымен олардың химиялық құрамын өзгертеді және қоршаған ортаның геохимиялық тепе-теңдігін бұзады.

Осыған орай, өндірістік сұйық қалдықтардың құрамындағы заттарды ұстап өндірісте шикізат ретінде қайта қолдану және тазаланған суларды өндірісте айналым су ретінде пайдалану, қалдықсыз немесе аз қалдықсыз сулы технологиялық жаңа үрдістерді жасау Қазақстан үшін өте актуалды мәселе болып табылады [2,3].

Мәселелерді шешу дәрежесі. Бүгінгі күнде жартылай өткізгішті мембраналарда сулы қоспаларды мембраналық ажырату механизімінің бірнеше үлгілері ұсынылған: Рейд үлгісі, Глюкауфтың үлгісі, Сурираджанның сорбциялық үлгісі, ІО.И.Дытнерскийдің капиллярлық фильтрациялық үлгісі, Ф.Н.Карелиннің капиллярлық-диффузиялық үлгісі, Мацуураның гипотикалық үлгісі, Б.В.Дерягиннің, Н.В.,Чураевтың, С.С.Духиннің және басқалардың жаңа көзқарасты үлгісі. Бұл үлгілер туралы толық мағлұматтар Дытнерский ІО.И., Карелин Ф.Н., Кульский Л.Л., Духин С.С., Чураев М.В. және басқалардың еңбектерінде жетік келтірілген. Осы мәліметтерден байқағанымыздай, жасалган үлгілер физико-химиялық, құрылымдық, термодинамикалық және басқа да сипаттыкөп жақтылығыменерекшелінетін бірыңғай үрдістің ғылыми-ілімдік аспектілерінің біршама бөлігін ғана көрсете алады [3,4,5].

Мембраналық үрдістер мен мембраналық матрицаның әртүрлі физико-химиялық, электрохимиялық, термодинамикалық, құрылымдық-реологиялық беттік және басқа да ерекшеліктерін зерттеуге М.Накагаки, С.Ф.Тимашев, Б.В.Дерягин, Н.В.Чураев, Р.Э.Кестинг, В.П. Дубяга және басқалардың еңбектерінде көп бөлінген.

Жақын шетел мемлекеттеріндегі Д.И.Менделеев атындағы РХТУ,РҒА ЖБХИ, «Владипор» ҒТО ЖАҚ және басқа да ғылыми-зерттеу орталықтары мен сынақтық-өндірістік мекемелер сулы қоспаларды ажыратудың мембраналық технологиясын және мембраналық техникасын жасаумен жемісті түрде айналысты және айналысуды жалғастырды.Мембраналдық үрдістердің қазіргі кездегі ілімі, технологиясы және техникаксы Кульский Л.А.,Лейси, Леба, Ю.И.Дытнерский., В.П.Дубяга., Т.Брок.,Ф.Н.Карелин., С.С.Духин., М.Т.Брык., М.Мулдер және басқалардың аударымды баспалары мен ғылыми еңбектерінде,сонымен қатар соңғы жылдардағы мембраналық тақырып бойынша халықаралық конференциялар,симпозиумдар материалдарында жарық көрді.Ұсынылған технико-технологиялық шешімдердің көп бөлігі бірыңғайлау сипат алуда, ал ілімдік мәнісіне қатысты мембрана беті мен ажырататын сулы қоспа шеп аралығында орын алатын беттік құбылыстардың,үрдістердің және күштердің мәні мен ролін қарастырмайды [6].

Сулы жүйелер мен әртүрлі қатты денелердің шебі аралығында орын алатын беттік күштер қасиеттерін РҒА физикалық химия институтында  Б.В.Дерягин, Н.В.Чураев, Украинаның  ҒА ілімдік физика институндағы В.Я. Антонченко серіктерімен зерттеуді нәтижелі орындауда.Қол жеткен жетістіктер беттік күштер бойынша конференция еңбектері жинағында,сонымен қатар ТМД және алыс шетелдердегі көптеген  мемлекеттерге таралатын арнаулы ғылыми баспаларда жарық көрген. Бұл нәтижелердің  ғылыми –қолданбалық мәні өте маңызды.

Жасалған жұмыста көлемдік орта мен шептік қабатта байқалатын су мен сулы ертінділердің ерекшелік сипаттары туралы белгілі мәліметтердің түйіндеу нәтижелері және олардың жартылай өткізгіштігі мембраналарда ажыратудың ілімі мен технологиясының дамуына ықпалын тигізетін қасиеттері туралы қазіргі кездегі қалыптасқан көзқарастар келтірілген [4,6,7.]

Жұмыс мақсаты.Жұмыстың негізгі мақсаты сулы қоспалардың мембраналық үрдістермен ажыратудың заңдылықтары мен молекулалы-кинетикалық аспектілерін зерттеу,өндірістік ағынды суларды мембраналық техналогиясын дайындау және оны экологы-экономикалық бағалау. Алға  қойылған мақсаттарды шешу үшін төмендегідей міндетері анықталады:

-жүйеледің құрылымы ,құрамы және қассиеттері ,сонымен қатар аномальды ерекшеліктері туралы белгілі мәліметтерді талдау ;

- квантттық механикалық  көзқарастардың ілімдік негіздері  тұрғысынан сулы құрылымдардың  көлемдік ортадағы және мембрана  бетіндегі байланысқан қабат  шебіндегі қасиеттерін анықтау ;

- мембрана бетіндегі қабат  шебіндегі тұтқырлық өзгерісінің  сипатын айқандау;

- құрамында металы бар  ағынды суды мембраналық тазалаудың үлгісін дайындау [8,9].

 

 

Жұмыстың ғылыми жаңашылдығы

- алғаш рет көлемдік  сулы жүйелер құрамдастарының  құрамдық және  кванттық-статистикалық сандық көрсеткіштері анықталады ;

- көлемдік сулы жүйелердің құрылымы, құрамы және қасиеттері, аномальды ерекшеліктері туралы кванттық-толқындық  көзқарас қалыптастырды ;

- мембрана бетіндегі байланысқан қабат шебіндегі тұтқұрлық өзгерісінің

Ньютондық емес сипатты екені айқындалады ;

- құрылымында металлы бар ағынды суларды мембраналық тазалаудың

зандылықтарын, ұтымды көрсеткіштерінің анықталып,технологиялық үлгісі дайындалды;

- дайындалған технологияның экологы -экономикалық көрсеткіштері,

тиімділігі анықталады [10].

Қолданбалық құндылығы. Құрамында металлы бар ағынды суды қалпына келтіріп тазалау технологиясы жеткілікті жоғарғы дәрежеде экологиялық және экономикалық тиімді (А=0,9928; Т5=99,28). Технологияны іс-тәжірбиеге ендіру қоршаған ортаға залал мөлшерін қомақты төмендетеді.Есептеу нәтижесі көрсеткендей көлемі 3132012 теңге/сағ құрайды.

Дайындалған технологияның тиімділігі мен нәтижелігі сынақтық актімен куәландырылады.

Зерттеулер нәтижелері СОЗЖ тақырыптары түрінде оқу үрдісіне енгізілді.

Зерттеу нысаны мен әдістері. Жұмыста жеке-дара сулық құрылым мен сулы-ерітінділер және сулы-молекулалық моделдік ерітінділер,шынайы өндірістік ағынды сулар зерттеледі.

Су мен сулы –ерітінділердің көлемдік орта мен байланысқан қабаттағы қасиеттерінің ілімдік негіздерін құру мен оның молекулалық-кинетикалық,экологиялық және технологиялық аспектілерін мақсатты шешуде ғылыми ілімдік және қолданбалық зерттеулердің кешенді әдістері қолданылды.Кинетикалық,экологиялық және технологиялық аспектілерін мақсатты шешуде ғылыми ілімдік және қолданбалық зерттеулердің кешенді әдістері қолданылды.Бұл кезде сулы –ерітінділерді мембраналық болудың сұрыптаушылығына сыртқы факторлардың әсері туралы әдеби және өзіндік эксперименталдық нәтижелерді талдау және жалпыламалау жұмыстары сызбалық әдістерді қолдана отырып жүргізілді.Қазіргі кездегі сұйылтылған жүйе қасиеттері мен құрылымы туралы көзқарастар тұрғысынан сулық құрылымның  құрамдастары мен зерттелген сулы жүйелердің көлемдегі және мембрана бетіндегі байланысқан қабат шебіндегі молекулалық-кинетикалық және құрылымдық қасиеттері,олардың молекулалық-кинетикалық құрылымның  сипаттамалық, сандық-сапалық ерекшеліктері бағаланды. Бұл кезде,ғылыми іс-тәжірбиеде алғаш рет, су құрылымындарына қатысты қазіргі кездегі кванттық – статистикалық зерттеу әдістерінің математикалық аппараттары  мен әдістемелік бағамдары қолданылды [11,12].

Зертелген өндірістік ағынды суды мембранаық бөлудің  технологиясын дайындау, оның эколого – экономикалық аспектілерін бағалаудан Қазақстан Республикасының қоршаған ортаны қорғау комитеті мақұлдаған есептемелік әдістемелік пен түрлі қондырғылар : фотометр ЛМФ-72М, спектрофотометр «Cатурн», интерферометр ИТР, термостат СЖМЛ-19/2,5-И1және т.б. Лабораторриялық зертеулер мен өндірістік – сынақтық байқауларды жүргізуде қалыптаскқан әдістер пайдаланылады .

II. Аналитикалық шолу.

1.Су және сулық жүйелердің құрылымы мен қасиеттері

Мембраналық бөлінуге ұшыратылатын сұйық қоспалардың көпшілігі-бұл әртүрлі табиғаттағы заттардың сулы ерітінділері.Сондықтан мембрана үстіндегі байланысқан қабаттың құрылымы мен қасиеттері негізінен еріткіш - судың молекулаларының құрылысы және қасиеттерімен анықталады. Судың жеке дара молекулалары көптеген әдістермен жеткілікті түрде егжей-тегжейлі зерттелген. Судың молекуласын құрайтын үш атом төбесінде 1090 валенттік бұрыш түзетін тең-бүйірлі ұшбүрышты түзеді. Попл жасаған молекуларлық орбитальдар теориясы негізінде су молекулаларының электрондық құрылысын әркайсысында екі электроннанболатын төрт эллипстік орбитальдар бойынша қозғалатын сегіз сыртқы электрондар түрінде көрсетуге болады. Осы орбитальдардың екеуінің осьтері О-Н  байланыстарының бағытымен сәйкес келеді және олардың арасындағы бұрыш 1090-ты құрайды. Басқа екі орбитальдардың осьтері Н-О-Hжазықтығына перпендикуляр болатын және оттегі атомының ядросы арқылы өтетін жазықтықта жатыр. Бірінші екі орбитальдардың ішінде орналаскаи екі протон молекула перифериясында оң заряд орталығын түзеді.Басқа екі орбитальдің электрондары электрондардың бос жұбын түзеді, олардың қозғалысы протондарға қарама-қарсы молекула жанында артық орташа электрондық тығыздықтың пайда болуына, яғни теріс зарядтың екі орталығының пайда болуына әкеледі. Осылайша, судың молекуласының екі оң және екі теріс полюсі болады және сондықтан да ол дипольдік моменті 1,07 Д тең болатын диполь сияқты болады. Электрондардың сыртқы жұбы судың екі молекуласы арасында сутектік байланыстарды түзуге қатысады. Бұл кезде бір молекуланың сутегі атомдары басқа молекуланың электрондарының бос жұбымен байланысады. Мұндай жүйелерде су молекулаларының біреуі протон доноры ретінде, екіншісі - протон акцепторы ретінде болады. Сонымен бірге, сутек байланысын түзген кезде су молекуласының екі протоны да донор ретінде де, акцептор ретінде де бола алады.Осының салдарынан, сулың әрбір молекуласы байланыстардың кеңістік жүйесін түзетін әртүрлі бағыттарда төрт сутектік байланысқа қатысуы мүмкін.Мұндай сутектік байланыстардың маңызды ерекшелігі - олардың кооперативті сипаты болып табылады. Егер судың кейбір молекуласы басқа молекуламен донор ретінде байланысқан болса, онда ол мономерлік молекулаға қарағанда акцептор ретінде жаңа байланыс түзеді және керісінше. Яғни аутокотализге ұқсас құбылыс байқалады: донорлық және акцепторлық эффектілердің өзара күшеюі. Осылайша, су молекулаларының әрбір сутектік байланысына осы молекулалар түзген басқа сутектік байланыстар [11,12,13].

Соңғы жылдардың зерттеулері сұйық және қатты күйлік судың ішкі

құрылысы өзара тығыз байланысты екенін көрсетеді. Сондықтан мұздың құрылысы туралы мәліметтерсіз судың құрылысын көрсету қиын. Осыған байланысты 1892 жылы Рентген сұйық судың байланысқан молекулаларын мұз молекулалары ретінде қарастыруға болатынын байқады.

Самойловтың мәліметтері бойынша мұздың кристалды торы өте торпылдақ болады және онда ақау болмайтын бірқатар қуыстар болады.Осы қуыстардың әрқайсысы қуыс орталығынан 2,34 А қашықтықта орналасқан судың алты молекуласымен және тағы да 3,47 А қашықтықта орналасқан алты молекуламен қоршалған. Өз кезегінде судыңәрбір молекуласымолекула орталығынанЗ,47 А қашықтықта орналасқан алты қуыспенқоршалған, бұлар судың алты молекуласынантұратын сақиналарменқоршалған біртұтас каналдарды түзеді. Бұл сақиналардағы молекулаларсақина симметриясыныңортасы арқылы өтетінжәнеосындай канал осіне перпендикуляр орналасқан жазықтықтан жоғары немесе төмен жатыр. Самойловқа сәйкес, мұз торында осындай қуыстардың өлшемдері су молекуласының өлшемдерінен артық болады.Осыған байланысты оларда судың мономерлік молекулаларын орналастыру үшін жеткілікті орын бар, сонымен бірге кристалдық торда тәртіп бүзылмауы тиіс.

Судың құрылымы мен қасиеттерін зерттеу саласында қазіргі уақытта елеулі нәтижелерге қол жетті. Судың құрылымдық модельдері мен көптеген теориялары ұсынылған. Алайда, бұлардың бір-біріне қарама-қайшы болатын кемшілігі бар. Қазіргі таңда бар эксперименталдық мәліметтер осы қарамақайшылықтарды шешу үшін жеткіліксіз. Сондықтан су ортасында жүретіннақты процестерді қарастырған кезде бірнеше теорияларды пайдалануғамәжбүр болады, олардың сәйкес аспектілері мәселенің шынайы жағдайын дәл көрсетеді. Су аномальді сұйықтықтар класына жататындығы ертеден мәлім. Оның қасиеттері қалыпты (нормалды) сұйықтықтардың қасиеттерін елеулі ерекше болады [11,12].

Судың осындай қасиеттерінің бірі суды балқыту кезінде және алынған суды әрі қарай қыздырған кезде 00 -тан 40-қа дейінгі температураларда тығыздық артады. Бұдан басқа, сұйық судың жылусыйымдылығы оның қатты аналогы мұздың жылусыйымдылығынан екі есе көп, судың термиялық ұлғаю коэффициенті 0-450С арақашықтықта қысымның жоғарылауымен артады (әдетте, қалыпты сұйықтықтар үшін бұл коэффицент қысыммен төмендейді), дәл сол арақашықтықта судың сығылуының жоғарылайды менкемиді,0-250Стемпературалық арақашықтықта судың тұтқырлығы қысымның артуымен төмендейді, қысымның жоғарлауы кезінде судың диэлектрлік өткізгіштігі мен өздігінен диффузия коэффиценті аномальді түрде болады.

Судың тағы бір аномальды қасиеті оның айнымалы қалпының болуы. Бұлжағдай 4, 15, ЗО, 45, 80, 140, 165, 205, 2700С температура аймақтарында байқалатындығы жұмыстарында нақты көрсетілген.