Русский   English
ДонНТУ   Портал магістрів

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

Вступ

Важкі метали надходять в організм людини з їжею і водою, накопичуються там, оскільки не виводяться з організму, і викликають різні захворювання. У невеликих дозах залізо, цинк та інші метали життєво необхідні, тому що беруть участь в різних формах метаболізму, перенесення, синтезі речовин. Але в концентраціях, що перевищують гранично допустимі ці метали стають шкідливими, тому стічні води необхідно очищати від важких металів.

1. Актуальність

Стічні води, що містять важкі метали (промислові стічні води), утворюються в багатьох областях промислового виробництва. При цьому гальванічне виробництво є одним з найбільш небезпечних джерел забруднення навколишнього середовища, головним чином поверхневих і підземних водойм, зважаючи на утворення великого обсягу стічних вод, що містять шкідливі домішки важких металів, неорганічних кислот і лугів, поверхнево-активних речовин та інших високотоксичних сполук, а також великої кількості твердих відходів, особливо від реагентного способу знешкодження стічних вод, що містять важкі метали в малорозчиненій формі.

Проблема видалення важких металів з стічних вод зараз особливо актуальна. Погано очищені стічні води надходять у природні водойми, де важкі метали накопичуються в воді і донних відкладеннях, стаючи таким чином джерелом вторинного забруднення. Сполуки важких металів порівняно швидко поширюються за обсягом водного об'єкта. Частково вони випадають в осад у вигляді карбонатів, сульфатів, частково адсорбуються на мінеральних і органічних опадах. Внаслідок чого вміст важких металів у відкладеннях постійно збільшується, і коли адсорбційна здатність опадів вичерпується, важкі метали надходять в воду, що і призводить до екологічної кризи. Штрафні санкції за скидання важких металів в воду стають дедалі жорсткішими, але це не вирішує проблеми.

2. Стічні води та аналіз їх складу

Стічні води – будь-які води та атмосферні опади, що відводяться у водойми з територій промислових підприємств і населених місць через систему каналізації або самопливом, властивості яких виявилися погіршеними в результаті діяльності людини.

Аналіз складу стічних вод підприємств.

На заводах використовується гаряче цинкування для продовження терміну служби металевих деталей. Це найпрогресивніший, надійний, високоефективний спосіб захисту від різних видів корозії. Цинкова оболонка є захисним бар'єром, що зводить до мінімуму дію навколишнього середовища, а також стійким до механічних впливів. Цинк також забезпечує електрохімічний захист, так як при зіткненні зі сталлю створює гальванічний елемент [1].

Однак сучасне гальванічне виробництво значно відстає від вимог часу як в області технології, так і в області екології. При виборі технології гальванічного виробництва практично не враховуються екологічні вимоги. Діючі гальванічні виробництва побудовані за однією технологією, розрахованої на рішення тільки одного завдання – нанесення покриттів або обробка поверхні металу – без урахування процесів переробки і утилізації гальванічних відходів, а також проблем захисту навколишнього середовища. В результаті чого в стічні води потрапляє значна кількість важких металів [2].

До важких металів відноситься більше 40 хімічних елементів періодичної системи Д. І. Менделєєва. Важкими металами є хром, марганець, залізо, кобальт, нікель, мідь, цинк, галій, германій, молібден, кадмій, олово, сурма, телур, вольфрам, ртуть, талій, свинець, вісмут та інші.

Як контрольованого параметра був обраний Кобальт (Со).

Річки та озера можуть забруднитися кобальтом як наслідок вилуговування мідних та інших руд, з грунтів під час розкладання вимерлих організмів (тварини і рослини), ну і звичайно ж в результаті активності хімічних, металургійних та металообробних підприємств.

Головні форми сполук кобальту знаходиться в розчиненому і зваженому станах. Варіації між цими двома станами можуть відбуватися, через зміни рН, температури і складу розчину. У розчиненому стані, кобальт міститься у вигляді органічних комплексів. Річки та озера мають характерність, що кобальт представлений двовалентним катионом. при наявності великої кількості окислювачів в розчині, кобальт може окислюватися до тривалентного катіона. ГДК кобальту для водного середовища становить 0,1 мг/л.

3. Вибір методу оцінки концентрації іонів важких металів

В якості основного методу оцінки концентрації іонів важких металів був обраний – Екстракційно-фотометричний метод.

Щоб забезпечити метод екстракції необхідна підсистема підготовки проб, яка повинна періодично, дозуючи екстракт, забезпечувати доповнення його в робочу кювету. Необхідно встановити найбільш сприятливі умови освіти пофарбованого з'єднання, тобто стабілізувати температуру, витрата рідини, витрата екстракту, часу. Встановлення концентрації відбувається через інтервал часу, рівний восьмикратний оновленню рідини кювети (3–5 мл3). обсяг проби - Не більше 50 мл.

Для реалізації використовуваного методу створюється світловий потік (потік випромінювання), частина якого проходить через кювету з заздалегідь підготовленої пофарбованої рідиною, а частина відбивається і перетворюється в електричний сигнал.

Фотометрична технологія - основна технологія для визначення концентрацій багатьох рідин і газів, що використовуються в промисловості, на ppm і процентному рівнях. Прилади, засновані на даній технології, називають фотометрами. Кожен газ або рідина мають своїм характерним спектром поглинання електромагнітного випромінювання. Можна підібрати такий діапазон довжин хвиль, на якому спектр поглинання вимірюваного компонента буде кардинально відрізнятися від спектрів поглинання інших компонентів. Якщо пропускати випромінювання необхідної довжини хвилі через осередок з пробою, то по зміни спектра поглинання можна дізнатися концентрацію вимірюваного компонента [3].

Наприклад, спектр поглинання розчинів роданида кобальту в залежності від концентрації роданида наведено на рис. 1 [4].

Спектры поглощения растворов роданида кобальта

Рисунок 1 – Спектри поглинання розчинів роданида кобальту в залежності від концентрації 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

Залежно від довжини хвилі джерела випромінювання аналізатори можуть працювати в інфрачервоному, ультрафіолетовому або оптичному діапазоні.

Вимірювальний осередок складається з наступних основних частин: широкосмугового джерела випромінювання, одного або декількох фільтрів і приймача випромінювання. Випромінювання від джерела направляється через відповідний світлофільтр в вимірювальну кювету. Після проходження променя через фільтр в випромінюванні залишаються тільки ті довжини хвиль, які поглинаються вимірюваним речовиною і не поглинаються іншими компонентами проби. Такий пучок світла проходить через пробу газу і поглинається досліджуваним компонентом пропорційно його концентрації.

Далі залишився випромінювання потрапляє на приймач випромінювання, за допомогою якого оцінюється його інтенсивність і визначається концентрація досліджуваного компонента.

При необхідності контролю концентрації кількох речовин одночасно, прилади комплектуються декількома осередками (зазвичай число фотометричні вічок не перевищує чотирьох в одному приладі) або в самій комірці встановлюється кілька світлофільтрів, перемикання яких дозволяє вимірювати концентрації кількох речовин.

При необхідності вимірювання таких речовин, як кисень, водень та інших, додатково монтуються всередину корпусу, відповідно, електрохімічні, парамагнітні, цирконієві і кондуктометрические вимірювальні осередки.

4. Реалізація обраного методу

Для реалізації екстракційно-фотометричного методу при вимірюванні концентрації кобальту (Со) необхідно мати джерело випромінювання з постійним рівнем випромінювання, для цього підійде напівпровідниковий світловипромінювальних діод (СВД). Випромінювання проходить через розсіюють лінзу об1 і надходить в досліджуваний зразок, в який додається роданид і ацетон для зв'язування іонів кобальту і фарбування його в синій колір. Після проходження через досліджуваний зразок випромінювання проходить через збирає лінзу О2 і потрапить на фотоприймач (ФП1). Як фотоприймача обраний фотодіод.

Повна вимірювальна схема представлена на рис. 2.

Структурная схема измерительного канала

Рисунок 2 - Структурна схема вимірювального каналу

Світлодіод необхідно живити постійним джерелом струму для підтримки стабільного випромінювання. На приймальній стороні фотодиод перетворює світловий сигнал, пройшов через досліджуваний зразок, в електричний. Оскільки вихідним сигналом фотодіода є струм, то для спрощення роботи з ним перетворимо його в напругу за допомогою фотодіодний підсилювача, вихідний сигнал якого становить сотні мВ.

Для приведення вихідного сигналу вимірювального каналу до вхідного формату АЦП використовується нормирующий підсилювач, який доводить максимальний рівень сигналу до значення 5 В. Завдяки наявності фільтра низьких частот на виході вимірювального каналу прибираються високочастотні шуми.

У складі приладу також застосовуються канали вимірювання температури і кислотності (pH) для внесення поправки в результат вимірювання за даними і скорочення часу необхідного для підготовки проби.

Сигнали від вимірювальних каналів йдуть до мультиплексору, а потім через аналого-цифровий перетворювач на мікроконтролер, який передає сигнал на блок індикації або ж через блок зв'язку передається на інший пристрій.

Повна структурна схема приладу вимірювання концентрації важких металів в стічних водах представлена на малюнку 3.

Повна вимірювальна схема представлена на рис. 3.

Структурная схема измерительного канала

Рисунок 3 – структурна схема приладу вимірювання концентрації важких металів в стічних водах

  1. ИТ – джерело постійного струму.
  2. РЛ – ассеивающая лінза.
  3. СД – світлодіод.
  4. СЛ – збирає лінза.
  5. ИК – вимірювальний канал, кювету.
  6. ФД – фотодіод, приймач оптичного випромінювання.
  7. ФДУ – фотодіодний підсилювач.
  8. НУ – нормуючий підсилювач.
  9. ФНЧ – фільтр нижніх частот.
  10. КИТ – канал вимірювання температури.
  11. КИрН – канал вимірювання рН.
  12. МАС – мультиплексор.
  13. АЦП – аналого-цифровий перетворювач.
  14. БС – блок зв'язку, призначений для передачі даних.
  15. МК – мікроконтролер.
  16. К – клавіатура, для управління пристроєм.
  17. БИ – блок індикації, служить для відображення результату вимірювання

5. Математичне моделювання параметрів вимірювальної кювети

Для визначення концентрації іонів кобальту необхідно побудувати математичну модель обраних світлодіода і фотодіода [5, 6].

Математичний опис процесу проходження випромінювання через оптичну частину приладу

Спектр випромінювання світлодіода представлений на рис. 4.

Структурная схема измерительного канала

Рисунок 4 – спектра випромінювання світлодіода

Для аналітичного опису спектру випромінювання світлодіода використовуємо вираз виду:

де S0 - спектральна щільність потужності випромінювання, що дорівнює:

Ф0 - потік випромінювання на центральній довжині хвилі Ф0 = 4.32 мВт;

0u - центральна довжина хвилі спектру випромінювання 0u = 625 нм;

bu - коефіцієнт, що залежить від півширини спектра 0u = 30 нм.

Коефіцієнт пропускання однолінзового об'єктива з лінзою з плавленого кварцу визначається як:

Визначимо проходження оптичних потоків через стінки кювет. Коефіцієнт пропускання визначається з умов, що зовні стінки оточує повітря, а всередині вони контактують з водою (при малих концентраціях розчинених речовин вони практично не впливають на коефіцієнт заломлення води).

Визначити потік на вході оптичного каналу:

Визначимо спектральну щільність вхідного потоку:

Далі зробимо побудова математичної моделі спектра кобальту. Для цього зробимо апроксимацію спектра методом найменших квадратів:

Опис апроксимованої залежності має вигляд:

Отримана залежність представлена на рис. 5.

Математическая модель спектра кобальта, аппроксимированная методом наименьших квадратов

Рисунок 5 – Математична модель спектру кобальту, аппроксимированная методом найменших квадратів

Визначаємо похибка апроксимації:

Знайдіть оптичну щільність і світловий потік оптичного каналу:

Спектральна щільність потоку на виході оптичного каналу описується виразом:

Як фотоприймача використовуємо фотодіод, спектральна чутливість якого описується виразом:

Отримаємо залежність струму фотодіода від концентрації іонів кобальту[7]:

Графік залежності струму фотодіода від концентрації іонів кобальту представлений на рис. 6.

Зависимость тока фотодиода от концентрации ионов кобальта

Рисунок 6 – Залежність струму фотодіода від концентрації іонів кобальту

Висновки

Як контрольованого параметра обраний Кобальт (Co), як роданідного комплекс при концентрації 0.1 г×моль/л роданида.

Вироблено математичний опис процесу поглинання випромінювання в оптичній частині приладу. Отримано вихідна залежність оптичного каналу. Оцінені метрологічні характеристики розробленого вимірювального каналу.


При написанні даного реферату кваліфікаційна робота магістра не завершена. Дата остаточного завершення роботи – червень 2017 р. Повний текст роботи та матеріали по темі роботи можуть бути отримані у автора або його наукового керівника після зазначеної дати.

Текст реферату є інтелектуальною власністю, яку заборонено використовувати і копіювати без домовленості з автором.

Список джерел

  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.