Разработка метода очистки загрязненных вод от тяжелых металлов и органических веществ сочетанием физико-химических и естественно-биологических процессов
Диссертация
Практическая ценность работы состоит в том, что полученные теоретические и экспериментальные результаты могут быть использованы при создании управляемых технологий очистки загрязненных вод. Сочетание лазерной активации и физико-химических методов, предложенных в данной работе, позволяет расширить диапазон применения и повысить эффективность естественно-биологических процессов при очистке стоков… Читать ещё >
Содержание
- Глава I. Современное состояние исследований по воздействию излучения на окружающую среду
- 1. Окружающая среда как сложная система
- 1. 1. Природная среда. Современное состояние
- 1. 2. Антропогенное изъятие биосферных ресурсов
- 1. 2. 1. Земля
- 1. 2. 2. Вода
- 1. 2. 3. Лес
- 1. 2. 4. Кислород
- 1. 3. Техногенное загрязнение среды
- 1. 3. 1. Воздух
- 1. 3. 2. Вода
- 1. 4. Влияние состояния окружающей среды на здоровье людей
- 2. Воздействие света на биологические объекты
- 2. 1. Анализ спектра солнечного и космического излучения и его влияния на биологические объекты
- 2. 2. Общая характеристика эффекта
- 2. 3. Действие лазерного излучения на биологические объекты
- 2. 3. 1. Инактивация фагов и плазмид
- 2. 3. 2. Инактивация клеток
- 2. 3. 3. Взаимодействие лазерного излучения с биологической тканью
- 1. Окружающая среда как сложная система
- 3. Лазерное излучение и его взаимодействие с органическим и неорганическим веществом
- 3. 1. Лазерное излучение
- 3. 2. Вещество
- 3. 3. Взаимодействие лазерного излучения с органическим веществом
- 3. 3. 1. Объекты селективной лазерной фотофизики и фотохимии
- 3. 3. 2. Фотовозбуждение
- 3. 3. 3. Селективная лазерная биохимия
- 3. 3. 4. Селективное возбуждение оснований в ДНК
- 3. 3. 5. Пространственная локализация молекулярных связей
- 3. 4. Взаимодействие лазерного излучения с неорганическим веществом
- 3. 4. 1. Изменение оптических характеристик твердых тел под действием мощного лазерного облучения
- 3. 4. 2. Резонансное взаимодействие импульсного лазерного излучения с полупроводпиками и металлами — объемные и поверхностные эффекты
- 3. 4. 3. Тепловые эффекты при взаимодействии мощного лазерного излучения с веществом
- 4. 1. Солнечное излучение
- 4. 2. УФ-излучение
- 4. 2. 1. Принцип действия установок УФ-обеззараживания воды
- 4. 2. 2. Основные причины распространенности метода
- 4. 2. 3. Универсальность и эффективность поражения микроорганизмов
- 4. 2. 4. Безопасность метода для природы и человека
- 4. 3. Лазерное излучение
- 5. 1. Фильтрация
- 5. 2. Аэрация
- 5. 3. Химическая коагуляция
- 5. 4. Поглощение активированным углем
- 5. 5. Ионный обмен
- 5. 6. Мембранный процесс
- 5. 7. Сорбциоппые методы очистки
- 5. 8. Биохимические методы очистки
- 5. 9. Остальные способы водоподготовки
- 5. 10. Постановка задачи
- 1. Эксперимент по изучению жизнедеятельности растений в присутствии высоких концентраций металлов и влияние на процессы самоочищения солнечного излучения
- 1. 1. Биоиндикация стока с помощью высших водных растений
- 1. 2. Виды загрязнений и каналы самоочищения водной среды
- 1. 3. Физико-химические процессы па границе раздела фаз
- 1. 4. Микробиологическое самоочищение
- 1. 5. Химическое самоочищение
- 1. 5. 1. Фотолиз
- 1. 6. Результаты проведенного эксперимента
- 2. Эксперимент по изучению влияния на процессы самоочищения реактива
- 1. Реактивы и материалы
- 2. Стандартное оборудование и средства измерений
- 2. 1. Основное оборудование
- 2. 2. Методы измерения
- 2. 3. Обработка результатов измерений. Оценка повторяемости результата
- 3. Экспериментальная установка
- 4. Оценочный расчет мощности излучения
- 5. Общая характеристика проблемы и некоторые определения
- 5. 1. Получение и стабилизация наночастиц
- 5. 2. Теоретические методы исследования
- 5. 3. Фото- и радиационно-химическое восстановление
- 5. 3. Организация и самоорганизация коллоидных структур
- 5. 5. Энергия ионизации
- 6. Нелинейная регрессия
- 7. Технико-экономическое обоснование целесообразности применения метода лазерной активации загрязненной воды
Список литературы
- Акасофу С.И., Чепмен С. Солнечно-земная физика. Ч. 1. М.: Мир, 1974.-200 с.
- Акимова Т.А., Хаскин В. В. Основы экологии. М.: Изд-во Рос. экон. акад., 1994.-312 с.
- Горохов В.Л., Кузнецов Л. М., Шмыков А. Ю. Экология: Учебное пособие. СПб: Издательский дом «Герда», 2005. — 688 с.
- Одум Ю. Экология: в 2 т. M., 1975. — 740 с.
- Цыганков А.П., Балацкий О. Ф., Сонин В. Н. Технический прогресс-Химия-Окружающая среда. М.: Химия, 1979. 295 с.
- Карлович И.А. Геоэкология: Учебник для высшей школы. М.: Академический проект Альма-Матер, 2005. 512 с.
- Охрана водных ресурсов. Отв. ред. Бородавченко И. И., Зарубаев Н. В., Васильев Ю. С., Вельнер Х. А. Яковлев C.B. М.: Колос, 1979. 247 с.
- Проблемы изучения и комплексного использования водных ресурсов. М.: Наука, 1978.-255 с.
- Соколов A.A. Вода: проблемы на рубеже XXI века. Л.: Гидрометеоиздат,. 1986.- 165 с.
- Проблемы экологического мониторинга и моделирования экосистем. Том IV. Л.: Гидрометеоиздат, 1981. 285с.
- Савинов E.H. Фотокаталитические методы очистки воды и воздуха, СОЖ, 2000, № 11, с. 52−56.
- Экологический прогноз. Под ред. Максимова В. Н. Изд-во Московского Университета, 1986.-197с.
- Stumm W., Morgan J.J. Aquatic chemistry. An introduction emphasizing. Chemical equilibria in natural waters. John Wiley and Sons, Inc., 1970.-583p.
- Фальковская Л. Об охране водных ресурсов за рубежом. Водные ресурсы, 1973, № 6, с. 169−179.
- Емельянова В.П., Данилова Г. Н., Родзиллер И. Д. Об использовании общесанитарного индекса для оценки качества воды. Гидрохимические материалы, 1980, т. 77, с. 88−96.
- Красовский Г., Егорова Н. Ведущие оценочные показатели в системе контроля качества воды. Гигиена и санитария, 1990, № 11, с. 27−29.
- Варне Ф.С. // Биофизика. 1996. Т. 41. Вып. 4. С. 790 797.
- Дубров А.П. Геомагнитное поле и жизнь. JI., 1974. 175 с.
- Пономарев O.A., Фесенко Е. Е. Свойства жидкой воды в электрических и магнитных полях // Биофизика. 2000. Т. 45. Вып. 3. С. 389 398.
- Иванов-Муромский К. А. Электромагнитная биология. Киев, 1978. 311 с.
- Антонов В.Ф., Черныш A.M., Пасечник В. И., Вознесенский С. К., Козлова Е. А. Биофизика: учебник для студентов высших учебных заведений.- М. Гуманитарное издательство ВЛАДОС, 1999. 288 с.
- Владимиров Ю.А., Потапенко А. Я. Физико-химические основы фотобиологических процессов: Учебное пособие для медицинских и биологических спец. вузов. -М.: Высшая школа, 1989. — 199 е.: илл.
- Конев C.B., Болотовский И. Д. Фотобиология. — Минск: Изд-во БГУ, 1979.-385 е.: илл.
- Дрокина Т.В., Попова Л. Ю., Лисин В. В., Битехина М. А., Баландина А.Н.- Действие электромагнитных полей на бактерии, Тезисы 1-й Троицкой конференции по медицинской физике, 2004.
- Воробьева Е.В., Захаров В. П. и др. Экспериментальные исследования воздействия оптических полей малой интенсивности на живые и растительные ткани, — Тезисы 1-й Троицкой конференции по медицинской физике, 2004.
- W.Q. Betancourt, J.B. Rose Drinking water treatment processes for removal of Cryptosporidium and Giardia. — Veterinary Parasotology, № 126, 2004. pp. 219−234.
- P. A. Wilderera, H.-J. Bungartzb, H. Lemmerc, M. Wagnerd, J. Kellere, S. Wuertza Modern scientific methods and their potential in wastewater science and technology. — Water Research, № 36,2002, pp. 370−393.
- Делоне Н.Б. Взаимодействие лазерного излучения с веществом: Курс лекций. Учебное руководство. — М.: Наука, 1989. — 280 с.
- Звелто О. Принципы лазеров: Пер. с англ. — 3-е перераб. и доп. изд. -М.: Мир, 1990.-560 с.
- Бритова А.А., Адамко И. В., Бачурина B.J1. Активация воды лазерным излучением, магнитным полем и их сочетанием. — Вестник Новгородского Государственного Университета, № 7, 1998
- Страшкраба М., Гнаук А. Пресноводные экосистемы. Математическое моделирование. М.: Мир. 1989.-375с.
- M.G. Gonzalez, Е. Oliveros, М. Worner, A.M. Braun Vacuum-ultraviolet photolysis of aqueous reaction system. — Journal of Photochemistry and Photobiology, C: Photochemistry Reviews, No. 5,2004, pp. 225 — 246.
- Семенов И., Тарасов M. О кинетике биохимического окисления загрязняющих веществ. Гидрохимические материалы, 1974, Т. 60, с. 103−109.
- Бондаренко Н.Ф., Гак Е.З. Электромагнитные явления в природных водах. Л.: Гидрометеоиздат, 1984. — 153 с.
- Davis L.A., Leckie J.O. Surface ionization and complexation at the oxide/water interface. J. Colloid Interface Science, 1978, Vol. 67, p.90−107.
- S. Bertilsson, p. Carlsson, W. Graneli Influence of solar radiation on the availability of dissolved organic matter to bacteria in the Southern Ocean. -Deep-Sea Research, № 51, 2004, pp. 2557 — 2568.
- P. Maletzky, R. Bauer The photo-Fenton method — degradation of nitrogen containing organic compounds. — Chemosphere, Vol. 37, No. 5, 1998, pp. 899 909.
- A. Archer, E. Fisher, R. Turnheim, Y. Manor Ecologically friendly wastewater disinfection techniques. — Water Resourses, Vol. 31, No. 6, 1997, pp. 1398- 1404.
- A. Hameed, M.A. Gondal, Z.H. Yamani, A.H. Yahya Significance of pH measurements in photocatalytic splitting of water using 355 nm UV laser. -Journal of molecular catalysis, A: Chemical, № 227,2005. pp. 241−246
- K. Chiba, S. Tanaka, T. Yoneoka Desorption of water absorbed on iron oxide by laser irradiation. — Journal of Nuclear Materials, № 335, 2004, pp. 493 -500.
- A. Hameed, M.A. Gondal, Z.H. Yamani Effect of transition metal doping on photocatalytic activity of WO3 for water splitting under laser illumination: role of 3d-orbitals. — Catalysis Communications, № 5,2004. pp. 715 — 719.
- M.I. Franch, J. Peral, X. Domenech, R.F. Howe, J.A. Ayllon Enhancement of photocatalytic activity of TiC>2 by absorbed aluminium (III). — Applied Catalysis B: Environmental, № 55, 2005. pp. 105−113.
- M. Rodriguez, A. Kirchner, S. Contreras, E. Chamarro, S. Esplugas Influence of H202 and Fe (III) in the photodegradation of nitrobenzene. — Journalof Photochemistry and Photobiology, A: Chemistry Reviews, No. 133, 2000, pp. 123 127.
- Y.-P. Chen, M. Yue, X.-L. Wang Influence of He-Ne laser irradiation on seeds thermodynamic parameters and seedlings. — Plant Science, № 168, 2005, pp. 601 -606.
- H. Bettermann, I. Dasting, U. Wolff Kinetic investigations of the laser-induced photolysis of sodium rhodizonate in aqueous solutions. Spectro-chimica Acta. № 53, 1997, pp. 233−245.
- E. Haggi, S. Bertolotti, N. A. Garcia Modeling the environmental degradation of water contaminants. Kinetics and mechanism of the riboflavin-sensitised-photooxidation of phenolic compounds. — Chemosphere, № 55, 2004, pp. 1501−1507.
- O. Carp, C.L. Huisman, A. Reller Photoinduced reactivity of titanium dioxide — Progress in Solid State Chemistry, № 32, 2004, pp. 33−177.
- F. Vargasa, M. V. Hisbeth, J. K. Rojas Photolysis and photosensitized degradation of the diuretic drug acetazolamide — Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry, № 118, 1998, pp. 19 — 23.
- Y. W. Shi, K. Iwai, Y. Matsuura, M. Miyagi, H. Jelinkova Self-cleaning effect of sealing caps for infrared hollow fiber delivering pulsed Er: YAG laser light — Optics & Laser Technology, № 38, 2006, pp. 107−110.
- L. Rizzi, G. Petruzzelli, G. Poggio, G. Vigna Guidi Soil physical changes and plant availability of Zn and Pb in a treatability test of phytostabilization -Chemosphere, № 57,2004, pp. 1039−1046.
- J. Chen, Q. Dong, J. Yang, Z. Guo, Z. Song, J. Lian The irradiation effect of a Nd-YAG pulsed laser on the Ce02 target in the liquid — Materials Letters, № 58, 2004, pp. 337−341.
- Duca Gh. Advances and prospects of ecological chemistry. Mediul Ambiant, 2002, № 3, p. 4−9.
- Malina J.F. Environmental engineering is key to sustanaible development. Mediul Ambiant, 2002, № 3, p. 22−26.
- Williams J.D.H., Syers J.K., Shukla S.S., Harris R.F. Levels of inorganic and total phosphorus in lake sediments as related to other sediment parameters. Environmental Science and Technology, 1971, Vol.5, No. l 1, p. 1113−1120.
- Wesley L. Bradford and Arthur J. Horowitz. U.S. Geological Survey Circular 969, 1988, p. 3−6.
- Stoffers P., Summerhayes C., Forstner U., Patchineelam S.R. Copper and other heavy metals contamination in sediments from New Bedford Harbor, Massachusetts. Environmental Science and Technology, 1977, Vol. 11, p. 819−821.
- Forstner U. Chemical forms of metal enrichment in recent sediments. In Ore genesis. Ed. By Amstutz G., New York, Springer-Verlag, 1982, p. 191−199.
- Biermans V., Baert L. Selective extraction of the amorphous Al, Fe and Si oxides, using an alkaline iron solution. Clay Minerals, 1977, Vol. 12, p. 127 135.
- Parks G.A. Aqueous surface chemistry of oxides and complex oxide minerals. Equilibrium concepts in natural water systems. Advances in chemistry series, No. 67, American chemical society, Washington, D.C., 1967.
- Thurman E.M., Wershaw R.L., Malcolm R.L., Pinckney D.J. Molecular § ize of aquatic humic substances. Organic Geochemistry, 1982, Vol. 4, p. 27−35.
- Davis J. A., Gloor R. Adsorption of dissolved organics in lake water by aluminum oxide. Effect of molecular weight. Env. Sci. and Techn., 1981, Vol. 15, p. 1223−1228.
- Kemp A.L.W., Wong H.K.T. Molecular weight distribution of humic substances from lakes Ontario and Erie sediments. Chemical Geology, 1974, Vol. 14, p. 15−22.
- Westal J.C. Adsorption mechanisms in aquatic surface chemistry. In Aquatic surface Chemistry. Ed. by W. Stumm, Wiley-Interscience, New York, 1987, p.3−32.
- Sposito G. Surface reactions in natural aqueous colloidal systems. Chimia, 1989, Vol. 43, p. 169−176.
- Trojanovski J. Sorptive properties of bottom sediments of the Gardno Lake. Pol. Arch. Hydrobiol., 1991, vol. 38, no. 3−4, p.361−374.
- Buffle J., Stumm W. General chemistry of aquatic systems. In Chemical and biological regulation of aquatic systems. Ed. by Buffle J., De Vitre R.R. Lewis Publishers, Baca Raton. 1994, p. 1−43.
- Gibbs R.J. Mechanisms of trace metal transport in rivers. Science, 1973, Vol. 180, p.71−73.
- Gibbs R.J. Transport phases of transition metals in the Amazon and Yukon rivers. Geological Society of America Bulletin, 1977, Vol. 88, p. 829−843.
- Fisher F.M., Dickson K.L., Rodgers J.H., Anderson J.K., Slocomb J. A statistical approach to assess factors affecting water chemistry using monitoring data. Water Resources Bulletin, 1988, Vol. 24, No. 5, p. 1017−1026.
- Клименко О., Тарасов M., Семенов И. К методике полевых наблюдений за загрязненностью рек с учетом процессов самоочищения. Гидрохимические материалы, 1972, Т. I, с. 188−204.
- Forstner U., Wittman G.T. Metal pollution in the aquatic environment. New York: Springer-Verlag, 1979.-486p.
- Тарасов M., Клименко О., Семенов И. и др. Вопросы исследования и прогнозирования загрязненности рек. Гидрохимические материалы, 1977, Т. 67.-115с.
- Айзатуллин Т.А. Расчет и моделирование трансформации органических веществ. В кн. Методы исследования органического вещества в океане. М., 1980, с. 311−331.
- Семенов И.В., Семенова Г. В. Об использовании математических моделей при изучении процессов самоочищения речных вод. Гидрохимические материалы. 1972, Т.1, с. 205−211.
- Теоретические проблемы водной токсикологии. Норма и патология. Под ред. Строганов Н. С. М.: Наука, 1983.-185с.
- Синельников В. Механизм самоочищения водоемов. М., 1980.-1 Юс.
- Воюцкий К.К. Курс коллоидной химии. М.: «Химия», 1964.-575с.
- Джейкок М., Парфит Дж. Химия поверхностей раздела фаз. М.: Мир, 1984.-270с.
- Эмануэль Н.М., Кноре Д. Г. Курс химической кинетики. Москва: Наука, 1974.-350 с.
- Salomons W., Forstner U. Metals in the hydrocycle. New York: Springer, 1984.
- Davis J.A. Adsorption of natural organic matter from freshwater environments by aluminum oxide. Contaminants and sediments. Ed. by Baker R.A. Ann Arbor Science, 1980, Vol. 2, p.279−304.
- Hirsch R.M. Statistical methods and sampling design for estimating step trends in surfacewater quality. Water resources bulletin. American- water resources assotiation. 1988, Vol.24, No.3, p.493−503.
- Каминский B.C. Современные проблемы нормирования качества поверхностных вод. Водные ресурсы, 1980, № 3, с. 160−168.
- Вельнер X., Лойгу Э. Об едином нормировании биогенных веществ в воде рек. В кн. Самоочищение воды и миграция загрязнений по трофической цепи. М.: Наука, 1984, с. 42−45.
- Berruman D., Bobee В., Cluis D., Haemmrli J. Nonparametric tests for trend detection in water quality time series. Water Resources Bulletin, 1988, Vol. 24, No. 3, p. 545−555.
- Матвеев В., Садчиков А. Биоиндикация водоемов Подмосковья. Биоиндикация состояния окружающей среды Москвы и Подмосковья. М., 1982, с. 61−65.
- G. M. Hale and M. R. Queny, «Optical constants of water in the 200nm to 200|im wavelength region,» Appl. Opt., 12, 555 563, (1973)Hipel K.W. Time series analysis in perspective. Water Resources Bulletin, 1985, Vol. 21, No. 4, p. 623.
- Hipel K.W., Mcleod A.I., Weiler R.R. Data analysis of water quality time series in lake Erie. Water resources Bulletin, 1988, Vol. 24, No. 3, p. 533−544.
- Семенов И., Семенова Г. Об использовании математических моделей при изучении процессов самоочищения речных вод. Гидрохимические материалы, 1972, Т. I, с. 205−211.
- Ю1.Лаврик В., Мережко А., Сиренко Л., Тимченко В. Экологическая емкость и ее количественная оценка. Гидрологический журнал, 1991, № 3, с. 13−23.
- Трифонова Н.А., Былинкина А. А. О влиянии донных отложений на содержание биогенных элементов в воде. В сб. Гидрологические и гидрохимические аспекты изучения водохранилищ. Борок, 1977, с. 74−91.
- Денисова А.И., Шебетаха Р. Г. Донные отложения и гидрохимический режим водоемов. В сб. Круговорот вещества и энергии в водоемах. Иркутск, 1981, Вып. 5, с. 41−42.
- Драчев С., Буторин Н., Былинкина А. Факторы определяющие качество воды в водохранилищах. В кн. Факторы формирования водных масс и районирование внутренних водоемов. Л., 1974, с. 3−18.
- Леонов А.В., Осташенко М. М., Бердавцева Л. В. Окислительные процессы в воде Можайского водохранилища. Характеристика методом главных компонент. Водные ресурсы, 1991, № 2, с.76−88.
- Серышев В.А. Обмен биогенных элементов в системе вода-донные отложения мелководий Братского водохранилища. Водные ресурсы, 1988, № 5, с. 107−114.
- DeHaan Н., DeBoer Т. A study of the possible interactions between fulvic acids, amino acids and carbohydrates from Tjeukemmer, based on gel filtration at pH 7. Water Research, 1978, Vol. 12, p. 1035−1040.
- James R.O., Parks G.A. Characterization of aqueous colloids by their electrical double layer and intrinsic surface chemical properties. Surface and Colloid Science, 1982, Vol. 12, p. 119−216.
- Jeenne E.A., Kennedy V.C., Burchard J.M., Ball J.W. Sediment collection and processing for selective extraction and for total metal analysis. Contaminants and sediments. Ed. by Baker R. Ann Arbor., Mich., Ann Arbor Science, 1980, Vol. 2, p. 169−189.
- D.N. Nikogosyan, D.A. Angelov Formation of free radicals in water under high-power laser UV radiation. — Chemycal Physics Letters, № 77, pp. 208 -210.
- Ефремов И.Ф. Периодические структуры. JT.: Химия, 1971, с. 372
- Kreibig U., Vollmer М. Optical properties of metal clusters. Berlin: SpringerVerlag, 1994
- Суздалев И.П. Нанотехнология: физико-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов. М.: КомКнига, 2006. — 562 с.
- Исходная концентрация Си (И) = 0,25 мг/л
- Концентрация Си (И) после облучения Аг лазером и экспозиции, мг/л без облучения (холостая проба), исходная концентрация 0,25 мг/л1. О 24 46 721. Время «кегюэиции, ч
- Концентрация Си (И) после облучения Аг лазером и экспозиции, мг/л исходная концентрация 0,25 мг/л, время облучения указано в таблице справа1 минут*имиуты•¦"10 мимут
- Концентрация Си (II) после облучения Аг лазером и экспозиции, мг/л исходная концентрация 0,5 мг/л, время облучения указано е таблице справаш 1 минута т2 минуты •5 минут «10 минут1.