|
Факультет: "Комп'ютерні інформаційні технології та автоматика" Кафедра:електронної техніки Спеціальність: "Наукові, аналітични та екологічні прилади та системи" Тема магістерської роботи: "Обґрунтування і дослідження структури приладу для вимірювання концентрації розчиненого кисню в стічних водах" Науковий керівник: доц., к.т.н. Коренєв Валентин Дмитрович |
|
Реферат на тему: "Обґрунтування і дослідження структури приладу для вимірювання концентрації розчиненого кисню в стічних водах"
Вступ
Проблеми екології відіграють величезну роль в житті кожної людини окремо і суспільства в цілому. Найважливішою такою проблемою є забруднення води. Як відомо, вода має ключове значення у створенні і підтримці життя на Землі, грає виняткову роль у процесах обміну речовин, що складають основу життя.
На сьогоднішній день, жахлива картина в плані води у східній України, особливо в Луганській, Донецькій, Миколаївській та Одеській областях. Тут із-за слабкої системи очищення забрудненої промисловістю води люди змушені пити воду, з відхиленнями від норми до 80 відсотків [1].
Для того щоб захистити поверхневі води від забруднення одним з необхідних умовою є очищення стічних вод. Найкращим способом захисту поверхневих вод від стічних є розробка та впровадження безводній і безвідходної технології виробництва, початковим етапом якої є створення оборотного водопостачання. Для організації системи оборотного водопостачання необхідно впровадити ряд очисних споруд і установок, що дозволяє створити замкнений цикл використання виробничих і побутових стічних вод. При такому способі водопідготовки стічні води весь час знаходяться в обігу і потрапляння їх у поверхневі водойми повністю виключено [2].
У результаті того, що склад стічних вод різноманітний існують різні види очищення, такі як: механічне, фізичне, хімічне, біологічне та ін. Очищення води можна робити як одним видом так і комплексом, в залежності від забруднювачів.
Механічне очищення необхідне для виділення зі стічних вод нерозчинних мінеральних та органічних домішок, частіше за все вона є методом попереднього очищення і призначена для підготовки стічних вод до біологічних або фізико-хімічних методів очищення. Кінцевим результатом такої очистки відбувається зниження завислих речовин до 90%, а органічних речовин до 20% для виробничих стічних вод і 60% для побутових.
Хімічні та фізико-хімічні методи очищення відіграють значну роль при обробці виробничих стічних вод. Вони застосовуються як самостійні, так і в поєднанні з механічними і біологічними методами. Хімічним очищенням досягається зменшення нерозчинних домішок до 95% і розчинних до 25%.
Біологічне очищення - найчастіше застосовується на практиці метод обробки побутових та виробничих стічних вод. Основу даного методу складає процес біологічного окислення органічних сполук, що містяться у стічних водах. Біологічне окислення здійснюється співтовариством мікроорганізмів, які мають масу різноманітних бактерій, найпростіших і ряд більш високоорганізованих організмів-водоростей, грибів тощо, пов'язаних між собою в єдиний комплекс складними взаємовідносинами (метабіозу, симбіозу і антагонізму). Стічні води очищаються в аеротенках - спеціальних закритих резервуарах, за якими повільно пропускають стоки, збагачені киснем і змішані з активним мулом. Активний мул являє собою сукупність гетеротрофних мікроорганізмів і дрібних безхребетних тварин (цвілі, дріжджів, водних грибів, коловерток і ін), а також твердого субстрату. Важливо правильно підбирати температуру, рН, добавки, умови перемішування, окислювач (кисень), щоб максимально сприяти інтенсифікації гідробіоценозах, що становить активний мул. Даний метод є найбільш ефективним і економічним. Ефективність очищення на станціях досягає 98%. Вода на виході порівнюється за якістю з технічною водою і може використовуватися для відповідних потреб [3].
Цілі і завдання
Метою даної роботи є розробка та обгрунтування структури приладу для безперервного вимірювання концентрації розчиненого кисню в стічних водах на очисних спорудах.
Для досягнення поставленої мети, необхідно:
Актуальність теми
Розчинений кисень є основним параметром в біологічному очищенню стічних вод, так як концентрація кисню визначає природу і швидкість процесів в аераційних відтінком.
Для розкладання вуглецю, нітрифікації, денітрифікації та біологічного видалення фосфору необхідною умовою є тимчасове або просторове розділення аеробної та безкисневому або анаеробної зон. Контроль над забезпеченням характерних для цих різних зон умов є одним з найбільш важливих завдань моніторингу процесів на станціях очищення стічних вод. Для цього обов'язково необхідно отримання інформації про зміст кисню в активному мулі. Таким чином, з точки зору технологічного процесу, питання не в тому, проводити безперервні вимірювання концентрації кисню, а в тому, як саме це робити.
Величезна частина енергії, яка споживається очисною спорудою використовується для аерації активного мулу. У слідстві чого проблема контролю витрати і керування зниженням енергоспоживання є вельми важливою для кожного очисного спорудження, отже необхідно оптимізувати надходження кисню в аераційний відтінком. На чолі оптимізації лежить правильне і точне вимірювання розчиненого кисню. Тому безперервне і точне вимірювання кисню має величезне значення.
Передбачувана наукова новизна
Широковживаних на сьогоднішній день датчики розчиненого кисню базуються на електрохімічних методах вимірювання мають ряд недоліків. Таких як: деградація анода і витрата електроліту в результаті того, що для кожної відновленої на катоді молекули має місце відповідна окислювальна реакція на аноді, а це є причиною дрейфу показань і заниження результатів. Такі похибки можна утримувати в певних межах шляхом регулярної калібрування датчика і заміни електроліту. Застосування нового методу - люмінесцентного дає кращі результати і має ряд достоїнств. Таких як висока чутливість до низьких концентрацій кисню, відсутність необхідності в калібруванні, відсутність до потоку і стійкість до забруднень.
Плановані практичні результати
Результатом магістерської роботи будуть дослідження, пов'язані із з'ясуванням залежності вимірювань розчиненого кисню в стічних водах від різних неінформативних параметрів, таких як температура, тиск тощо. Також в результаті планується отримати структурну схему з докладним описом і побудувати математичну модель приладу.
Огляд досліджень і розробок по темі
Реферат по темі випускної роботи Пилипенко Дмитра Вадимовича
"Обгрунтування та дослідження структури електронної системи контролю розчиненого кисню аеротенка очисних споруд"
МЕТТЛЕР ТОЛЕДО - найбільший в світі виробник вагового обладнання: лабораторних і торгових ваг, платформних ваг і систем динамічного зважування, автомобільних і вагонних ваг, аналітичних та контрольних приладів для лабораторій і промисловості: тітратори, густиноміри, рефрактометри, pH-метри, аналізатори вологовмісту, прилади термоаналізу, лабораторні реактори, промислові аналітичні системи, вимірювачі габаритів вантажу. Крім того, компанія проводить промислові металодетектори та обладнання для виявлення неметалічних включень.
ВЗОР. Область діяльності підприємства - розробка і виробництво приладів аналітичного контролю водних середовищ в тепловій, атомній енергетиці, екології та інших галузях. Виробнича програма включає 19 моделей приладів у різних виконаннях, включаючи портативні і стаціонарні, одно-і багатоканальні, зі ступенем захисту від IP30 до IP65:
ТОВ "Антех" підприємство, орієнтоване на розробку і виробництво сучасних аналітичних приладів. За час своєї діяльності підприємство придбало великий науково-технічний, виробничий потенціал. Створена структура, що забезпечує постійний контроль якості продукції на всіх етапах - від розробки до продажу. Підприємство виробляє портативні, лабораторні та промислові стаціонарні pH-метри, іономірів та кіслородомери використовуються в багатьох галузях народного господарства, в тому числі промислові прилади для контролю активності іонів водню і натрію в системах водопідготовки та водопаровой трактах ТЕЦ і АЕС. Запатентований метод і розроблена установка УПР-1 для приготування контрольних розчинів і повірки аналізаторів кисню. Сьогодні ТОВ "Антех" є одним з провідних виробників в області аналітичного приладобудування. Ми пропонуємо аналітичні прилади, за своєю якістю стоять на рівні світових аналогів. Краще підтвердження цього статусу - це наші покупці. Ними є найбільші компанії Росії - ДАК "Оборонпромкомплекс", НВП "Буревісник", ГРЦ Атомного суднобудування, ВАТ "Невінномисський Азот", концерн "Росенергопром", підприємства РАО "ЄЕС Росії", компанії і підприємства в Республіці Білорусь і Україна - концерн "Біленерго "," Белмедтехніка ", ВАТ" Беленергоремналадка ", ДП" Укренергокомплект ", ВАТ" Укренергопром "та багато інших.
ТОВ "Антех" постійно приймає участь у міжнародних спеціалізованих виставках, неодноразово нагороджувалося дипломами і медалями, підтверджують високий рівень продукції, що випускається. Прилади постійно модернізуються, що дозволяє розширювати їхні сервісні функції, підвищувати якість і конкурентоспроможність з метою збереження ринку збуту в країнах СНД і за кордоном.
Корпорація HACH-Lange об'єднала найбільших світових виробників аналітичних систем для аналізу якості води: HACH (США), Dr. Lange (Німеччина), Polymetron (Франція), American Sigma (США), LACHAT (США), Hydrolab (США), Radiomert analytical (Данія). Наснилося-Lange пропонує готові рішення для польового, лабораторного та промислового аналізу.
Досконалі портативні та лабораторні прилади з запрограмованими методиками аналізу в поєднанні з готовими до вживання, дозованими реактивами скорочують час аналізу та зводять імовірність помилки вимірів до мінімуму. Промислові аналізатори наснилося-Lange призначені для безперервної роботи, мають величезний ресурс, прості у використанні, відрізняються низькою витратою реагентів і вимагають мінімального обслуговування. Прості і випробувані методики наснилося-Lange заслужили широке визнання по всьому світу як у досвідчених аналітиків, так і в непрофесійних користувачів. Перераховані достоїнства - вагома підстава заплатити більш ніж розумну ціну за гарантовану точність і надійність вимірювань, так само як за задоволення від роботи з продукцією наснилося-Lange протягом багатьох років. Неухильно зростає число споживачів продукції наснилося-Lange в Росії і країнах СНД. Найбільш популярні моделі устаткування наснилося-Lange внесені до державного реєстру засобів вимірювань РФ. Інструкції до приладів і методики аналізу переведені на російську мову. ТОВ ЕкоІнструмент - офіційне представництво фірми фірми HACH Lange в Росії (Москва, Нижній Новгород, Єкатеринбург), в Украніне (Київ) та на території СНД. Також представлені входять до концерну компанії American SIGMA і B?HLER (витратоміри, пробовідбірники), GLI і Polymetron (промислові аналізатори та контролери для стічних вод, водопідготовки та енергетики), LACHAT (іонна хроматографія і проточно-інжекційні аналізатори) і RADIOMETER ANALYTICAL (електрохімічні прилади і тітратори).
ТОВ "Техногазкомплект" пропонує широкий спектр контрольно-вимірювальних приладів та засобів автоматизації підприємств електротехнічного, машинобудівного, хімічного та паливно-енергетичного комплексу.
Компанія HANNA INSTRUMENT розробляє і виробляє інструменти, якісні, високо ефективні, прості у використанні і недорогі. HANNA INSTRUMENT - Німеччина, була заснована в 1986 році. Ключем до успіху є тісна співпраця з клієнтами та пропозиція асортименту продукції, який адаптований до їх потреб.
В даний час широке поширення і застосування отримали датчики розчиненого кисню, засновані на електрохімічних методах вимірювання (полярографической, амперометричного та ін)[4]. Такі датчики потребують постійного обслуговування (очищенню, калібрування, заміни мембрани і електроліту, полірування анода)[5]. При цьому можна утримувати значення показань у певних межах. При використанні датчиків, заснованих на електрохімічних методах, достовірність залежить від якості виконання робіт з обслуговування датчика.
Новий метод вимірювання концентрації розчиненого кисню - люмінесцентний. Процес люмінесценції включає в себе перехід молекул на збуджений електронний рівень, коливальну релаксацію в збудженому стані, перехід на основний електронний рівень або з випусканням світла (власне люмінесцентне випромінювання), або безвипромінювальної і коливальної релаксації в основному стані [6].
Даний метод має низку переваг в порівнянні з електрохімічними методами. При вимірі концентрації розчиненого кисню відбувається вимір часу загасання люмінесценції. Матеріал, що люмінесцирує наноситься безпосередньо на кришку датчика в разі його пошкодження або зносу може вплинути лише на інтенсивність випускається випромінювання, яке жодним чином не впливає на час загасання даного матеріалу. При вимірах молекули кисню вступають в контакт з люмінесцентних матеріалів (люмінофором), не поглинаючи їх. Для датчика підбирається люмінофор таким чином, щоб він був стійкий до сірководню і до інших хімічних сполук, що дає можливість використовувати датчик в агресивних середовищах. Даний метод має високу чутливість (відношення зміни часу загасання люмінесценції до зміни концентрації) до низьких концентрацій [7].
Одним з найбільш чутливих і селективних методів визначення малих концентрацій речовин можна вважати люмінесцентний (флуоресцентний) метод аналізу. Суть його в найпростішому вигляді полягає в наступному. При поглинанні кванта світла електрон переходить з основного стану в збуджений. Повертаючись у вихідний стан, він може втратити частину отриманої енергії у вигляді теплових коливань і опинитися при цьому в проміжному стані. Перехід електрона з проміжного стану в основний супроводжується виділенням кванта світла з більшою довжиною хвилі. Спеціальні оптичні прилади фіксують отриманий таким чином спектр люмінесценції, і ці дані можна використовувати для аналізу. Здатністю до люмінесценції володіють далеко не всі елементи і з'єднання, що зумовлює винятково високу вибірковість люмінесцентного методу; його точність і чутливість теж досить високі [8].
В якості матеріалів, що люмінесцирують можуть бути застосовані полімерні композиції на основі поліароматичних барвників, наприклад, пірену або декаціклена, а також на основі флуоресціюючих комплексів рутенію (Ru (bpy) 3, Ru (phen) 3, так само можна застосовувати фосфоресціюючі барвники порфириновой природи Pt- і Pd-комплекси порфіринів [9].
Для вимірювання концентрації розчиненого кисню використовується гасіння, пов'язане з випадковими зіткненнями між флуорофорів і гасників (киснем), називається динамічним, або гасінням при зіткненнях.
Для гасіння потрібно контакт між молекулами флуорофорів і гасників (кисню). У випадку динамічного гасіння гасників (кисень) повинен дифундувати до флуорофорів протягом часу перебування у збудженому стані. У результаті контакту флуорофорів повертається в основний стан без випромінювання фотона
Динамічне гасіння флуоресценції описується рівнянням Штерна-Фольмера [10]:
де F0 i F – інтенсивності флуоресценції в відсутність і в присутності гасників відповідно; kq – бімолекулярний константа швидкості гасіння; τ0 – час загасання флуоресценції в відсутність гасників; [Q] – концентрація гасника; kдин=kq·τ0 – штерн-фольмеровская константа гасіння.
Структурна схема приладу для виміру концентрації розчиненого кисню може мати наступний вигляд:
Рисунок 1 – Структурна схема приладу для виміру концентрації розчиненого кисню
Мембрана, що люмінесцирує має дифузійний контакт із стічною водою. Оптичний канал: світлодіод, мембрана, фотодіод також оснащений оптичними фільтрами для ефективної дискримінації збуджуючого світла і фосфоресценції. Світлодіод забезпечує збудження люмінесценції композиції в області поглинання фарбника, фотодіод - реєстрацію фосфоресценції, що випускається фарбником, у відповідної спектральної області. Електричний сигнал з фотодіода проходить схему передпосилення і посилення і при необхідності перетвориться з аналогового в цифровій. Схеми модуляції, що працюють в погодженому режимі з основною частотою порядка 1 кГц, необхідні для виміру робочого і опорного сигналів. Робочий сигнал з фотодіода вимірюється через певний час після загасання світлодіода (час затримки), яке порівнянне з тривалістю люмінесценції фарбника: діапазон 10-100 мікросекунд. При роботі в режимі виміру часів життя робочий сигнал вимірюється при декількох значеннях часу затримки. Опорний сигнал вимірюється при часі затримки значно більше тривалості люмінесценції: порядка 300-1000 мікросекунд. Час інтеграції одиничного сигналу (ворота рахунку) порівнянний з часом загасання фарбника і складає порядка 100 мікросекунд. Час накопичення сигналу еквівалентний часу 100-1000 спалахів джерела світла. Схеми обробки і виведення інформації з врахуванням величини опорного сигналу розраховують інтегральні специфічні сигнали (у одиницях інтенсивності люмінесценції або часів життя) і відповідні їм вміст кисню в аналізованому середовищі.
Рисунок 2 – Анімація принципу роботи датчика кисню (кількість кадрів – 7; кількість циклів повторення – завжди; об'єм – 150кБ
В процесі виміру синій світлодіод випускає імпульс світла, яке частково поглинається шаром люмінофора. Електрони в молекулах люмінофора переходять на вищий енергетичний рівень (збуджений стан). Протягом декількох мікросекунд електрони повертаються у вихідний стан через декілька проміжних енергетичних рівнів, випускаючи різницю в енергіях у вигляді більш довгохвильового (червоного) випромінювання.
Якщо у цей момент молекули кисню знаходяться у контакті з люмінофором
Обидва аспекти впливу кисню можна віднести до явища, що позначається терміном «гасіння люмінесценції». Їх вплив показаний на малюнку 3: імпульс світла, що посилається синім СИД у момент часу t=0 потрапляє на шар люмінофора, який згодом випускає червоне випромінювання. Максимальна інтенсивність (Imax) і час загасання червоного випромінювання залежать від навколишньої концентрації кисню (час загасання визначається як час між початком збудження і падінням рівня червоного випромінювання до величини 1/e від максимальної інтенсивності).
Рисунок 3 - Криві інтенсивності збуджуючого синього випромінювання і червоного випромінювання люмінесценції
Для визначення концентрації кисню аналізується час загасання люмінесценції [5].
Висновки
Подальші дослідження будуть направлені на температурну корекцію датчика, а також на дослідження впливу неінформативних величин і побудову математичної моделі приладу для виміру розчиненого кисню в стічних водах.
Література
Загрязнение и очистка воды в Украине [Електронний ресурс] - Режим доступу: http://www.filtryplus.com.ua/articles/zagryaznenie_vody.html
Способы очистки сточных вод от загрязнения - защита гидросферы [Електронний ресурс] - Режим доступу: http://www.ecology-portal.ru/publ/12-1-0-389.html
Биологическая очистка сточных вод | Методы очистки сточных вод [Електронний ресурс] - Режим доступу: http://waterclean.com.ua/biologicheskaya-ochistka-stochnyih-vod.html
СИСТЕМАТИКА, ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ДАТЧИКОВ [Електронний ресурс] - Режим доступу: http://jre.cplire.ru/iso/mar09/3/text.html
Волоконно-оптические зонды в сравнении с электродами [Електронний ресурс] - Режим доступу: http://www.oemoptic.ru/sensorsvselectrodes.php
Люминесцентный метод анализа [Електронний ресурс] - Режим доступу: http://www.eurolab.ru/lyuminescentnye_metody
LDO - люминесцентный метод измерения растворенного кислорода в воде, оптический датчик кислорода [Електронний ресурс] - Режим доступу: http://www.ecoinstrument.com.ua/index.php?option=com_content&view=article&id=80:serviceldo&catid=41:supplementinfo&Itemid=81
Люминесцентный (флуоресцентный) метод анализа [Електронний ресурс] - Режим доступу: http://www.chemweek.ru/Mikrokontsentratsii_elementov_v_prirode_i_tehnike/ Lyuminestsentnyy_fluorestsentnyy_metod_analiza.htm
Папковский Д.Б.; Пономарев Г.В.; Курочкин И.Н.; Чернов С.Ф. Металлокомпелексы порфирин-кетонов, чувствительный элемент для определения кислорода в жидкой или газовой среде и способ определения кислорода. Патент РФ № 5055439/04, 1996
Принцип работы оптических сенсоров кислорода - флуоресцентный метод измерения кислорода [Електронний ресурс] - Режим доступу: http://www.oemoptic.ru/sensorsworkprinciple.php
При написанні даного реферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: грудень 2011 року. Повний текст роботи та матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після зазначеної дати.