Українська   English
ДонНТУ   Портал магистров

РЕФЕРАТ

Содержание реферата


Введение

Самое привычное и самое невероятное вещество на Земле – вода. Значение воды невозможно переоценить в жизни всего живого на планете. Являясь преобладающим элементом в составе любого организма, вода руководит и его жизнедеятельностью. Всем известно выражение вода – это жизнь, поэтому в настоящее время экологическая проблема загрязнения водных объектов (рек, озер, грунтовых вод и т.д.) является наиболее актуальной. Современные темпы развития промышленности и сельского хозяйства с каждым годом требуют все большие объемы водных ресурсов для удовлетворения нужд городов, населенных пунктов, заводов, фабрик, а также для оросительных систем земледелия. Очевидно, что одновременно с увеличением потребления воды промышленностью и сельским хозяйством растет и ее загрязнение, поскольку главным источником загрязнения водной среды являются сточные воды.

Качественное и количественное определение состава загрязнений в стоках необходимо не только для выбора технологии их очистки, но и для соблюдения норм сброса очищенных сточных вод в водоемы. Существующие нормы предельно допустимой концентрации нефтепродуктов в воде установлены для нефтепродуктов и их фракций.

Нефть и нефтепродукты являются одним из основных загрязнителей. Поэтому перед всеми отраслями промышленности стоит задача контроля выброса загрязняющих веществ (нефти и ее фракции) в окружающею среду.


1. Актуальность темы

В настоящее время сооружения очистки сточных вод неэффективно, по причине морального и физического износа оборудования, недостаточной квалификации персонала, вследствие недостатка данных для принятия решений. Это вызвано тем, что ряд значений параметров трудно определяемы из–за отсутствия соответствующих измерительных средств.

Жесткие условия эксплуатации при несовершенстве технологического режима приводят к систематическим нарушениям условий работы. Попытки улучшить работу существующих сооружений путем изменения системы впуска сточных вод, увеличения расхода воздуха, подаваемого дополнительной установками, часто оказываются технически трудно осуществимыми и приводят к незначительным результатам. Поэтому лучшим выходом из ситуации является использование забора воды, для контроля и прогнозирования концентрации нефтепродуктов.


2. Цель работы и область применения

Разработать прибор контроля концентрации нефтепродуктов в сточных водах промышленного предприятия

Область применения

Прибор предназначен для измерения концентрации нефтепродуктов в составе выбросов сточных вод промышленного предприятия. Может быть использован в нефтеперерабатывающей и др. промышленности:


3. Постановка задачи исследований

Для достижения поставленной цели необходимо исследование и решение следующих задач:

  1. Источники загрязнения воды, методы и средства их очистки.
  2. Проанализировать существующие методы определения концентрации нефтепродуктов в сточных водах промышленного предприятия, выбрать метод, который позволит более точно обнаружить нефтепродукты в воде.
  3. Разработать структурную схему прибора измерения концентрации нефтепродуктов в сточных водах промышленного предприятия.
  4. Разработать математическую модель и настроить её для прибора измерения концентрации нефтепродуктов в сточных водах промышленного предприятия.
  5. Оценка метрологических параметров и характеристик прибора контроля.

4. Обзор источников загрязнения воды в городе Донецк и методы их очистки

В Донецком регионе заложено большой промышленный потенциал. Здесь расположено около 1,5 тыс. крупных промышленных предприятий. По объему реализованной продукции в структуре промышленного производства более 82% приходится на экологически опасные производства: металлургическую (48%) и добывающую (12%) промышленности, электроэнергетику (10%), химическую, нефтехимическую и коксохимическую промышленность (13%). [1, 2]

В табл. 1 представлена сравнительная характеристика основных методов очистки сточных вод[3].

Таблица 1. Сравнительная характеристика основных методов очистки сточных вод

5. Обзор методов определения концентрации нефтепродуктов

Существует множество методик определения концентрации нефтепродуктов в сточных водах. Рассмотрим основные 4 методики, которые имею свои преимущества и недостатки[4, 5].

5.1. Гравиметрический метод

Гравиметрический метод основан на экстракции НП из пробы малополярными растворителями (хлороформ, гексан, четыреххлористый углерод, пентан, петролейный эфир, фреон (хладон) – (1,1,2–трихлор – 1,2,2–трифторэтан); очистке экстракта от полярных веществ пропусканием его через колонку с сорбентом (оксид алюминия II степени активности (содержащий 3% H2O), силикагель, флоросил (основной силикат магния), удалении экстрагента путем его выпаривания и взвешивания остатка для определения суммы нефтепродуктов.

Обычно для анализа берут 0,1–3 л воды, подкисляют HCl до рН<5, экстрагируют двумя порциями по 20 см^3 растворителя и объединяют экстракты. При концентрации НП в воде <0,3 мг/литр пробы 3 л недостаточно для их надежного определения гравиметрическим методом. В этом случае рекомендуется извлекать сумму неполярных органических соединений из больших объемов воды (10–20 л) с помощью непрерывной жидкостно-жидкостной экстракции или сорбентов типа активного угля и др.

Сорбированные вещества затем десорбируют четыреххлористым углеродом в аппарате Сокслета. Различна степень экстракции для разных компонентов нефти: алифатических углеводородов – до 85%, для ароматических УВ – 20%.

Как правило, метод применим для анализа природных вод и промышленных стоков при концентрации нефтяных углеводородов от 5 до 1000 мг/литр. В процессе пробоподготовки и хода анализа возможны потери углеводородов, температуры кипения которых менее 100 °С.

Непосредственное экстрагирование гексаном приводит к заниженным результатам. Погрешность может доходить до 30%, если исследуемая вода содержит взвешенные частицы.

Чувствительность метода 0,02 мг в пробе. При содержании взвешенных веществ менее 10 мг/л можно использовать один растворитель – гексан, что значительно упрощает и уточняет определение, так как исключает испарение хлороформа и потерю легких нефтепродуктов.

5.2. Флуориметрический метод

Флуориметрический метод основан на экстракции нефтепродуктов гексаном, очистке при необходимости экстракта с последующим измерением интенсивности его флуоресценции, возникающей в результате оптического возбуждения. Метод отличается высокой чувствительностью (нижняя граница диапазона измерений 0,005 мг/л), экспрессностью, малыми объемами анализируемой пробы (100 см^3) и отсутствием значимых мешающих влияний липидов. В формировании аналитического сигнала участвуют только ароматические углеводороды. Поскольку они обладают различными условиями возбуждения и регистрации эмиссии, наблюдается изменение спектра флуоресценции экстракта в зависимости от длины волны возбуждающего света. При возбуждении в ближней УФ, а тем более в видимой области спектра, флуоресцируют только полиядерные углеводороды. Поскольку их доля мала и зависит от природы НП, наблюдается очень сильная зависимость аналитического сигнала от типа НП.

Таким образом, флуориметрический метод определения НП, основанный на регистрации эмиссии в видимой области спектра, не пригоден для массовых аналитических измерений. С помощью флуориметрического метода определяются не только нефтепродукты как таковые, но и многие другие органические соединения иного происхождения. Наиболее распространены в легких фракциях нефтепродуктов среди полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) нафталин и метилнафталины. Авторами в пробах воды, загрязненной НП в концентрациях 0,01, 0,1 и 0,3 мг/л, с использованием метода ВЭЖХ с флуориметрическим детектированием установлено, что основное содержание суммы ПАУ составляют нафталин, 1– и 2–метилнафталины. Показано, что значительное отклонение от постоянных фоновых концентраций и увеличение относительного содержания нафталина и его монометилзамещенных в сумме 17 ПАУ может служить характерным индикатором загрязнения водоисточника нефтепродуктами.

5.3. УльтраФиолетовый–спектрофотометрический

УФ-спектрофотометрический метод для определения НП в ООС применяется достаточно редко, что связано с бесструктурностью спектров поглощения НП. Разработан экспресс-метод определения суммарного содержания нефтепродуктов в воде. Методика определения тяжелых НП основана на их извлечении экстрагентом (гексан, CCl4, хлороформ, толуол) с последующим измерением оптической плотности на спектрофотометре при длинах волн 206; 265; 241 (247); 281(287) нм. Оптимальное время полного извлечения НП – 4 мин, соотношение объемов органической фазы к водной – 1:10, оптимальный интервал рН 4–7 независимо от природы растворителя.

Нижняя граница определяемых концентраций составляет 0,1 мг/литр, длительность анализа – 20 мин. В работе предложен новый метод экстракционного концентрирования НП для анализа в потоке природных и сбросных вод. Концентрирование осуществляют в экстракционно хроматографической колонке, концентрат элюируют экстрагентом с последующим отделением экстракта от водной фазы на хроматомембранной ячейке. Возможности метода проиллюстрированы на примере проточно-инжекционного определения НП в природных водах. Предложенная схема, включающая экстракционно–хроматографическое концентрирование и хроматомембранное отделение экстракта, может быть адаптирована к любой экстракционной системе, применяемой в экстракционно-фотометрических и экстракционно-люминесцентных методах анализа.

5.4. ИнфраКрасная–спектроскопия

Для мониторинга нефтяных УВ наиболее распространен метод ИК–спектрометрии, который позволяет определять сумму алифатических УВ и ПАУ. При этом измеряют содержание как нефтяных УВ антропогенного происхождения, так и продуцируемых морскими организмами.

Соответствующие методики анализа основаны на экстракции НП из пробы органическим растворителем (CCl4 или хладон 113), очистке экстракта от полярных соединений методом колоночной хроматографии на оксиде алюминия и последующей регистрации ИК–спектра в области 2700–3200 см^-1, обусловленного валентными колебаниями CH3- и CH2-групп алифатических и алициклических соединений и боковых цепей ароматических углеводородов, а также связей CH ароматических соединений.

ИК-спектроскопия применима для анализа природных вод и промышленных стоков при концентрации нефтяных углеводородов от 0,1 до 50 мг/л (при использовании кюветы с длиной оптического пути 10 мм), не требует отгонки растворителя и нагрева экстракта, что исключает потерю УВ с низкой температурой кипения.

5.5. Вывод и выбор метода

В результате обзора был выбран метод Инфракрасной–спектрометрии[6]. Преимущество метода – меньшие потери легких фракций, чем при определении нефтепродуктов другими способами. Нижняя граница диапазона измерения – 0,05 мг/л. Основное достоинство метода – слабая зависимость аналитического сигнала от типа нефтепродукта, составляющего основу загрязнения пробы.

Недостатки: невозможность регистрации слабых сигналов из-за малого отношения сигнал: шум, что имеет место при концентрации нефтепродуктов в сотые доли предельно допустимой концентрации (ПДК) и менее.

6. Разработка структурной схемы прибора

Для реализации метода бездисперсионной инфракрасной спектрометрии в составе устройства необходимо присутствие: источника излучения, фотоприемника. Поскольку анализируемая среда жидкая, то необходимо использовать кювету, в которой будет анализируемое вещество (сточные воды). Выходной сигнал фотоприемника составляет десятки микроампер. Для последующих устройств сигнал должен быть преобразован в напряжение, затем требуется усилить это напряжение до необходимого уровня[7]. Таким уровнем может быть уровень входного напряжения аналого-цифрового преобразователя (АЦП).

Для решения этой задачи в состав схемы необходимо ввести преобразователь тока в напряжение и нормирующий усилитель. Согласно принципу работы измерительного преобразователя информацию несет изменение величины потока, при этом источник излучения должен быть с достаточно стабилизированным значением потока излучения. Для обеспечения этого условия в состав устройства следует ввести устройство стабилизации источника излучения.

Исследование сточных вод не сводится к определению только лишь параметра содержания нефтепродуктов. Так же могут решаться другие задачи, в частности: обнаружение в составе сточных вод тяжелых металлов, засоленности сточных вод, кислотности. Все это предполагает наличие канала измерения концентрации нефтепродуктов и каналов измерения других экологических параметров сточных вод в целях автоматизации процессов измерения, а так же пробоподготовки. В состав устройства следует ввести микропроцессорную систему для решения всех этих задач.

Кроме отмеченных задач, микропроцессорной системой также должны решаться задачи обеспечения требуемого метрологического уровня измерительной системы, то есть периодически устраняться накапливающиеся за счет старения компонентов средства измерения погрешности, а также устраняться дополнительные погрешности от воздействия внешних возмущений: изменения температуры окружающей среды, влажности, давления, напряжения источников питания, деградации оптических компонентов. Отображением полученных данных тоже должна заниматься микропроцессорная система.

Микропроцессорная система также должна устанавливать результат измерения. Для связи микропроцессорной системы с аналоговыми источниками информации в состав системы следует ввести мультиплексор, устройство выборки хранения (устройство фиксации выходных сигналов) и аналого–цифровой преобразователь.

С учетом всего отмеченного, схема измерительной системы должна иметь структуру, приведенную на рисунке 1, где:


Рисунок 1 – Структурная схема проектируемого прибора


7. Разработка первичного измерительного преобразователя

Измерительный преобразователь реализует метод ИК бездисперсионной спектрометрии. Схема измерительного преобразователя приведена на рисунке 2.[8]

Рисунок 2 – Первично измерительный преобразователь

Основу измерительных процессов составляет поглощение нефтепродуктами оптического излучения в области 3,4 мкм. Спектр поглощения приведен на рисунке 3.

Рисунок 3 – Спектр поглощения нефтепродуктов

Спектр поглощения для выполнения аналитических расчетов аппроксимирован набором простейших спектров согласно следующему описанию:


7.1 Выбор источника и приемника излучения

В качестве источника излучения может быть использован СИД типа LED–34PR с параметрами и характеристиками: диапазон от 1600 до 3600 нм и срок службы более 10000 часов. Параметры представлены в таблице 2.[9, 10]

Таблица 2 – Параметры LED-34PR

Фотоприемником может служить PD36–03–TEC–PR с характеристиками: диапазон от 1500 до 3800 нм. Параметры представлены в таблице 3.

Таблица 3 – Параметры PD36–03–TEC–PR

Спектральный отклик приведен на рисунке 6.

Рисунок 6 – Спектральный отклик

Информация в сигнале формируется в результате взаимодействия оптического излучения с веществом (нефтепродуктом). Взаимодействие описывается как изменение спектрального состава оптического излучения за счет поглощения отдельных спектральных составляющих оптического сигнала НП.

Используя математическую модель измерительного преобразователя, строится зависимость величины фототока от концентрации НП.

Рисунок 7 – Зависимость величины фототока(мкА) от концентрации(мг/л)

Полученная зависимость представляет собой характеристику преобразования концентрации НП в выходной сигнал преобразователя – фототок.


7.2. Оценка метрологических характеристик

Для оценки инструментальной погрешности на вход модели подавался случайный стационарный сигнал, имеющий размерность концентрации нефтепродуктов в диапазоне от 0 до 10 млг/л. Испытательный сигнал выбран наихудшего вида для измерительной системы. В силу принципа максимума энтропии при нормальном распределении плотности вероятности значения сигнала погрешности измерений оказываются максимальными, поэтому при любых других законах распределения реального измерительного сигнала погрешности не превысят полученных оценок.

Испытательный сигнал формируется процедурой Mathcad rmd. Это процедура формирования псевдослучайных чисел, спектр которых соответствует белому шуму. Белый шум далее пропускается через фильтр 6 порядка и приобретает характер случайного стационарного процесса со спектром, равным спектральной характеристике фильтра. Параметры и характеристики выходного сигнала фильтра устанавливались в ходе выполнения работ по дисциплинам Теоретические основы измерительных приборов и систем и Измерительные преобразователи. Методика анализа изложена в работах [11, 12].

Испытательный сигнал вводится в качестве входного сигнала в модель средства измерения. Значения входного сигнала далее рассматриваются как истинные значение измеряемой величины, с которой осуществляется сравнение результатов измерения, полученного по алгоритму масштабирования. Выполняется 500 измерений. Оценки статических параметров погрешности измерения устанавливаются по формулам

В результате выполненного моделирования получены следующие оценки параметров погрешности средства измерения:

Полученная модель не учитывает ряд факторов, таких как:

Погрешности измерения прибора могут быть сведены к аддитивной и мультипликативной составляющим и в процессе анализа автоматически устраняться средствами микропроцессорной системы.


Заключение

В проделанной работе: