Українська   English
ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

Тяжелые металлы поступают в организм человека с едой и водой, накапливаются там, поскольку не выводятся из организма, и вызывают различные заболевания. В небольших дозах железо, цинк и другие металлы жизненно необходимые, потому что участвуют в разных формах метаболизма, переносе, синтезе веществ. Но в концентрациях, превышающих предельно допустимые эти металлы становятся вредными, поэтому сточные воды необходимо очищать от тяжелых металлов.

1. Актуальность

Сточные воды, содержащие тяжелые металлы (промышленные сточные воды), образуются во многих областях промышленного производства. При этом гальваническое производство является одним из наиболее опасных источников загрязнения окружающей среды, главным образом поверхностных и подземных водоемов, ввиду образования большого объема сточных вод, содержащих вредные примеси тяжелых металлов, неорганических кислот и щелочей, поверхностно-активных веществ и других высокотоксичных соединений, а также большого количества твердых отходов, особенно от реагентного способа обезвреживания сточных вод, содержащих тяжелые металлы в малорастворимой форме.

Проблема удаления тяжелых металлов из сточных вод сейчас особенно актуальная. Плохо очищенные сточные воды поступают в природные водоемы, где тяжелые металлы накапливаются в воде и донных отложениях, становясь таким образом источником вторичного загрязнения. Соединения тяжелых металлов сравнительно быстро распространяются по объему водного объекта. Частично они выпадают в осадок в виде карбонатов, сульфатов, частично адсорбируются на минеральных и органических осадках. Вследствие чего содержание тяжелых металлов в отложениях постоянно увеличивается, и когда адсорбционная способность осадков исчерпывается, тяжелые металлы поступают в воду, что и приводит к экологическому кризису. Штрафные санкции за сброс тяжелых металлов в воду становятся все жестче, но это не решает проблемы.

2. Сточные воды и анализ их состава

Сточные воды – любые воды и атмосферные осадки, отводимые в водоёмы с территорий промышленных предприятий и населённых мест через систему канализации или самотёком, свойства которых оказались ухудшенными в результате деятельности человека.

Анализ состава сточных вод предприятий.

На заводах используется горячее цинкование для продления срока службы металлических деталей. Это самый прогрессивный, надежный, высокоэффективный способ защиты от различных видов коррозии. Цинковая оболочка является защитным барьером, сводящим до минимума действие окружающей среды, а также устойчивым к механическим воздействиям. Цинк также обеспечивает электрохимическую защиту, так как при соприкосновении со сталью создает гальванический элемент [1].

Однако современное гальваническое производство значительно отстало от требований времени как в области технологии, так и в области экологии. При выборе технологии гальванического производства практически не учитываются экологические требования. Действующие гальванические производства построены по одной технологии, рассчитанной на решение только одной задачи – нанесение покрытий или обработка поверхности металла – без учета процессов переработки и утилизации гальванических отходов, а также проблем зашиты окружающей среды. В результате чего в сточные воды попадает значительное количество тяжелых металлов [2].

К тяжелым металлам относится больше 40 химических элементов периодической системы Д. И. Менделеева. Тяжелыми металлами являются хром, марганец, железо, кобальт, никель, медь, цинк, галлий, германий, молибден, кадмий, олово, сурьма, теллур, вольфрам, ртуть, таллий, свинец, висмут и другие.

В качестве контролируемого параметра был выбран Кобальт (Со).

Реки и озера могут загрязниться кобальтом как следствие выщелачивания медных и других руд, из почв во время разложения вымерших организмов (животные и растения), ну и конечно же в результате активности химических, металлургических и металлообрабатывающих предприятий.

Главные формы соединений кобальта находится в растворенном и взвешенном состояниях. Вариации между этими двумя состояниями могут происходить, из-за изменений рН, температуры и состава раствора. В растворённом состоянии, кобальт содержится в виде органических комплексов. Реки и озера имеют характерность, что кобальт представлен двухвалентным катионом. При наличии большого количества окислителей в растворе, кобальт может окисляться до трехвалентного катиона. ПДК кобальта для водной среды составляет 0,1 мг/л.

3. Выбор метода оценки концентрации ионов тяжелых металлов

В качестве основного метода оценки концентрации ионов тяжелых металлов был выбран — Экстракционно-фотометрический метод.

Чтобы обеспечить метод экстракции необходима подсистема подготовки проб, которая должна периодически, дозируя экстракт, обеспечивать дополнение его в рабочую кювету. Необходимо установить наиболее благоприятные условия образования окрашенного соединения, то есть стабилизировать температуру, расход жидкости, расход экстракта, времени. Установление концентрации происходит спустя интервал времени, равный восьмикратному обновлению жидкости кюветы (3–5 мл3). Объем пробы – не более 50 мл.

Для реализации используемого метода создается световой поток (поток излучения), часть которого проходит через кювету с заранее подготовленной окрашенной жидкостью, а часть отражается и преобразуется в электрический сигнал.

Фотометрическая технология – основная технология для определения концентраций многих жидкостей и газов, используемых в промышленности, на ppm и процентном уровнях. Приборы, основанные на данной технологии, называют фотометрами. Каждый газ или жидкость обладают своим характерным спектром поглощения электромагнитного излучения. Можно подобрать такой диапазон длин волн, на котором спектр поглощения измеряемого компонента будет кардинально отличаться от спектров поглощения остальных компонентов. Если пропускать излучение необходимой длины волны через ячейку с пробой, то по изменению спектра поглощения можно узнать концентрацию измеряемого компонента [3].

К примеру, спектр поглощения растворов роданида кобальта в зависимости от концентрации роданида приведен на рис. 1 [4].

Спектры поглощения растворов роданида кобальта

Рисунок 1 – Спектры поглощения растворов роданида кобальта в зависимости от концентрации роданида: 1 - 0.1 г×моль/л; 2 – 0.25 г×моль/л; 3 – 0.5 г×моль/л; 4 – 0.75 г×моль/л; 5 – 1 г×моль/л

В зависимости от длины волны источника излучения анализаторы могут работать в инфракрасном, ультрафиолетовом или оптическом диапазоне.

Измерительная ячейка состоит из следующих основных частей: широкополосного источника излучения, одного или нескольких фильтров и приемника излучения. Излучение от источника направляется через соответствующий светофильтр в измерительную кювету. После прохождения луча через фильтр в излучении остаются только те длины волн, которые поглощаются измеряемым веществом и не поглощаются другими компонентами пробы. Такой пучок света проходит через пробу газа и поглощается исследуемым компонентом пропорционально его концентрации.

Далее оставшееся излучение попадает на приемник излучения, при помощи которого оценивается его интенсивность и определяется концентрация исследуемого компонента.

При необходимости контроля концентрации нескольких веществ одновременно, приборы комплектуются несколькими ячейками (обычно число фотометрических ячеек не превышает четырех в одном приборе) или в самой ячейке устанавливается несколько светофильтров, переключение которых позволяет измерять концентрации нескольких веществ.

При необходимости измерения таких веществ, как кислород, водород и других, дополнительно монтируются внутрь корпуса, соответственно, электрохимические, парамагнитные, циркониевые и кондуктометрические измерительные ячейки.

4. Реализация выбранного метода

Для реализации экстракционно-фотометрического метода при измерении концентрации кобальта (Со) необходимо иметь источник излучения с постоянным уровнем излучения, для этого подойдет полупроводниковый светоизлучающий диод (СИД). Излучение проходит через рассеивающую линзу ОБ1 и поступает в исследуемый образец, в который добавляется роданид и ацетон для связывания ионов кобальта и окрашивания его в синий цвет. После прохождения через исследуемый образец излучение проходит через собирающую линзу ОБ2 и попадет на фотоприемник (ФП1). В качестве фотоприемника выбран фотодиод.

Полная измерительная схема представлена на рис. 2.

Структурная схема измерительного канала

Рисунок 2 – Структурная схема измерительного канала

Светодиод необходимо запитывать постоянным источником тока для поддержания стабильного излучения. На приемной стороне фотодиод преобразует световой сигнал, прошедший через исследуемый образец, в электрический. Поскольку выходным сигналом фотодиода является ток, то для упрощения работы с ним преобразуем его в напряжение с помощью фотодиодный усилителя, выходной сигнал которого составляет сотни мВ.

Для приведения выходного сигнала измерительного канала ко входному формату АЦП используется нормирующий усилитель, который доводит максимальный уровень сигнала до значения 5 В. Благодаря наличию фильтра низких частот на выходе измерительного канала убираются высокочастотные шумы.

В составе прибора также применяются каналы измерения температуры и кислотности (pH) для внесения поправки в результат измерения по данным и сокращении времени необходимого для подготовки пробы.

Сигналы от измерительных каналов идут к мультиплексору, а затем через аналого-цифровой преобразователь на микроконтроллер, который передает сигнал на блок индикации или же через блок связи передается на другое устройство.

Полная структурная схема прибора измерения концентрации тяжелых металлов в сточных водах представленна на рисунке 3.

Полная измерительная схема представлена на рис. 3.

Структурная схема измерительного канала

Рисунок 3 – структурная схема прибора измерения концентрации тяжелых металлов в сточных водах

  1. ИТ – источник постоянного тока.
  2. РЛ – рассеивающая линза.
  3. СД – светодиод.
  4. СЛ – собирающая линза.
  5. ИК – измерительный канал, кювета.
  6. ФД – фотодиод, приемник оптического излучения.
  7. ФДУ – фотодиодный усилитель.
  8. НУ – нормирующий усилитель.
  9. ФНЧ – фильтр нижних частот.
  10. КИТ – канал измерения температуры.
  11. КИрН – канал измерения рН.
  12. МАС – мультиплексор.
  13. АЦП – аналого-цифровой преобразователь.
  14. БС – блок связи, предназначен для передачи данных.
  15. МК – микроконтроллер.
  16. К – клавиатура, для управления устройством.
  17. БИ – блок индикации, служит для отображения результата измерения

5. Математическое моделирование параметров измерительной кюветы

Для определения концентрации ионов кобальта необходимо построить математическую модель выбранных светодиода и фотодиода [5, 6].

Математическое описание процесса прохождения излучения через оптическую часть прибора

Спектр излучения светодиода представлен на рис. 4.

Структурная схема измерительного канала

Рисунок 4 – спектра излучения светодиода;

Для аналитического описания спектра излучения светодиода используем выражение вида:

где S0 – спектральная плотность мощности излучения, равная:

Ф0 – поток излучения на центральной длине волны Ф0 = 4.32 мВт;

0u – центральная длина волны спектра излучения 0u = 625 нм;

bu – коэффициент, зависящий от полуширины спектра 0u = 30 нм.

Коэффициент пропускания однолинзового объектива с линзой из плавленого кварца определяется как:

Определим прохождение оптических потоков через стенки кювет. Коэффициент пропускания определяется из условий, что снаружи стенки окружает воздух, а внутри они контактируют с водой (при малых концентрациях растворенных веществ они практически не влияют на коэффициент преломления воды).

Определяем поток на входе оптического канала:

Определим спектральную плотность входного потока:

Далее произведем построение математической модели спектра кобальта. Для этого произведем аппроксимацию спектра методом наименьших квадратов:

Описание аппроксимированной зависимости имеет вид:

Полученная зависимость представлена на рис. 5.

Математическая модель спектра кобальта, аппроксимированная методом наименьших квадратов

Рисунок 5 – Математическая модель спектра кобальта, аппроксимированная методом наименьших квадратов

Определяем погрешность аппроксимации:

Найдем оптическую плотность и световой поток оптического канала:

Спектральная плотность потока на выходе оптического канала описывается выражением:

В качестве фотоприемника используем фотодиод, спектральная чувствительность которого описывается выражением:

Получим зависимость тока фотодиода от концентрации ионов кобальта [7]:

График зависимости тока фотодиода от концентрации ионов кобальта представлен на рис. 6.

Зависимость тока фотодиода от концентрации ионов кобальта

Рисунок 6 – Зависимость тока фотодиода от концентрации ионов кобальта

Выводы

В качестве контролируемого параметра выбран Кобальт (Co), как роданидный комплекс при концентрации 0.1 г×моль/л роданида.

Произведено математическое описание процесса поглощения излучения в оптической части прибора. Получена выходная зависимость оптического канала. Оценены метрологические характеристики разработанного измерительного канала.

При написании данного реферата квалификационная работа магистра не завершена. Дата окончательного завершения работы – июнь 2017 г. Полный текст работы и материалы по теме работы могут быть получены у автора или его научного руководителя после указанной даты.

Текст реферата является интеллектуальной собственностью, которую запрещено использовать и копировать без договоренности с автором.

Список источников

  1. Библиофонд, электронная библиотека студента. Гальваническое производство – электронные данные: [Электронный ресурс ]: – дата доступа: май 2016.
  2. Вредные вещества в промышленности. Справочник для химиков, инженеров и врачей. Изд. 7–е, пер. и доп. В трех томах. Том 3. Неорганические и элементорганические соединения. Под ред. засл. деят. науки проф. Лазарева Н.В. и докт. биол. наук проф. Гадаскиной И.Д. Л., «Химия», 1977. – 608 с.
  3. Библиофонд, электронная библиотека студента. Экстракционно-фотометрический метод определения тяжелых металлов в природных водах – электронные данные [Электронный ресурс ]: – дата доступа: май 2016.
  4. Бабко А.К. и др. Физико-химические методы анализа., 1968. – 335 с.
  5. Alldatasheet, Electronic Components Datasheet Search. APC3216EC Datasheet (PDF) – Kingbright Corporation – режим доступа [Электронный ресурс ]: – дата доступа: май 2016.
  6. Hamamatsu. S5344Si APD. – режим доступа [Электронный ресурс ]: – дата доступа: июнь 2016.
  7. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника: Учебное пособие для приборостроительных специальностей вузов. – 2–е изд., перераб. и доп. – М.: Высшая школа, 1991. – 622 с.