Proiect: 7 PTE/2016 - Etapa II

Proiect: 7 PTE/2016
Cod proiect: PN-III-P2-2.1-PTE-2016-0060

Titlu proiect: SISTEM INOVATIV PENTRU EPURAREA APELOR UZATE INDUSTRIALE UTILIZAND MATERIALE MAGNETICE NANOSTRUCTURATE
Acronim: SIMAG


Etapa II: Testare soluţie tehnică pentru validarea modulului magnetic funcţional cu dublă funcţionalitate la scară redusă, cu reproducerea  prin similitudine a condiţiilor reale cu funcţionare


TERMEN DE REALIZARE: 30 decembrie 2017


Cuvinte cheie: materiale magnetice nanostructurate, particule NspFe, epurare apa industriala


În cadrul etapei a II-a aferente contractului de cercetare „SISTEM INOVATIV PENTRU EPURAREA APELOR UZATE INDUSTRIALE UTILIZAND MATERIALE MAGNETICE NANOSTRUCTURATE”, s-au realizat activităţile necesare testării şi validării modulului magnetic de către UPB-ECOMET (P1) şi CO-SC ICPE Bistriţa SA, si de asemenea proiectarea prototipului sistemului inovativ de epurare a apelor uzate de catre CO-SC ICPE BISTRITA SA care are experienţă în tratarea şi epurarea apelor şi care va fi implement în etapa următoare la o societate care se ocupă cu acoperiri galvanice - SC BETAK SA Bistriţa partener P2. Lucrările desfăşurate în acestă etapă din cadrul proiectului au acoperit următoarele direcţii:

  • - Realizare model experimental – modul experimental cu dubla funcţionalitate şi realizare NpsFe;
  • - Testare şi validare model funcţional;
  • - Stabilirea eventualelor modificări tehnice;
  • - Elaborare referenţial iniţial;
  • - Proiectare prototip.

În primul capitol sunt prezentate metodele prin care s-au realizat nanoparticulele NspFe şi de asemenea realizarea modelului experimental pentru modulul magnetic cu dublă funcţionalitate.
Pentru obţinerea materiale oxidice pe bază de Fe nanostructurate (NpsFe), au fost utilizate două metode de obţinere prin coprecipitare, metoda clasică Massart (1981) şi o metodă de reducere parţială. In figura 1 sunt prezentate cele doua metode de obtinere a magnetitei. Dupa aceea s-a proiectat şi s-a realizat modelul funcţional al modulului magnetic cu dublă funcţionalitate. Modulul magnetic experimental proiectat şi executat de către CO-SC ICPE Bistriţa SA împreună cu P1-UPB-ECOMET, conţine o coloană de sticlă, în interiorul căreia se află un miez magnetic. Pe partea exterioară a coloanei de sticlă, în dreptul miezului magnetic, este dispus un solenoid, care crează un câmp  magnetic necesar reţinerii nanooxizilor utilizaţi în experiment. Apa reziduală cu concentraţii de metale grele este introdusă într-un  rezervor unde totodată se adaugă nanoparticule pe bază de Fe produse de P1- UPB-ECOMET, în suspensie, fiind mixate. Suspensia de apă  reziduală amestecată cu nanoparticule se trimite prin intermediul unui sistem de pompare spre coloanele de tratare.

 

modul_de_lucru_400_01

a)                                                               b)

Fig. 1: Modul de lucru pentru formarea magnetitei prin: a) prin metoda coprecipitării şi b) metoda reducerii parţiale prin coprecipitare

 

Standul este prevăzut cu 2 coloane de tratare C1, respectiv C2. Apa tratată în coloane ajunge într-un rezervor de apă tratată. Spălarea  coloanelor se face cu apă curată, respectiv tratată.
Schema tehnologică şi poza standului de tratare a apelor cu conţinut de metale grele sunt prezentate în figura 2.

 

Modul_experimental1

Modul_experimental2

Fig.2: Model experimental modul magnetic cu miez magnetic şi solenoid pentru reţinerea nanooxizilor de fier: 1-vas de alimentare,  2-coloană de apă, 3- vas de evacuare, 4- solenoid

 

În etapa următoare s-a testat modelul funcţional, pentru testarea şi validarea modulului magnetic cu dubla funcţionalitate s-au realizat probe sintetice de apă cu conţinut diferit de metale, care să imite apele uzate provenite din industria galvanizării.

În final s-a proiectat prototipul sistemului inovativ pentru epurarea apelor uzate industriale utilizând materiale magnetice nanostructurate.


Apele reziduale provenite din procesul de productie (galvanizare) de la P2 – SC BETAK SA sunt stocate într-un rezervor din oţel inoxidabil  cu volumul de 30 m 3 . În scopul reutilizării acestei ape în procesul de producţie s-a conceput un flux de procesare a apei care sa asigure corecţia parametrilor acesteia, oxidarea metalelor grele din apa prin tratare electrochimică, coagularea şi flocularea acestora în vederea  reţinerii prin precipitare într-un decantor lamelar. După decantare, substanţele dizolvate în apă rămase sunt reţinute într-o nouă treapta de  tratare, adsorţie pe nanoparticulele de Fe 3 O 4 introduse în apa, care apoi sunt reţinute în câmp magnetic, particule care sunt reutilizate şi periodic spălate. Nămolul din decantorul lamelar bogat în oxizi metalici şi săruri este stocat într-un rezervor de nămol din care este preluat de către pompa unui filtru presă, masa solida, turtele se depozitează într-un container dedicat acestui scop sau pe o platformă  betonată, iar apa rezultată este recirculată.

Fluxul de tratare a apei din cadrul proiectului trebuie să asigure corecţia pH-ului şi reţinerea substanţelor dizolvate, aici fiind cuprinsă şi procesarea nămolului decantat.

Debitul maxim al apei care poate fi procesat este de 2,5 m 3 /h.
Pe baza acestor considerente se face proiectarea prototipul staţiei compacte de epurare a apei de spălare care este redat în figura 3.
Staţia compactă se compune din:

 

  1. Treapta de tratare electrochimică (treapta de pre-oxidare-reducere) şi de neutralizare a pH-ul (dozarea de soluţie de hidroxid de sodiu şi omogenizarea soluţiei într-o coloana de aerare, după care se măsoară pH-ul acesteia, hidroxidul are dublu rol, de  neutralizare şi de coagulant);
  2. Treapta de decantare a metalelor dizolvate în apă după adăugarea suplimentara de coagulant, floculant şi polielectrolit în decantorul lamelar, nămolul rezultat la baza acestuia este preluat şi compactat într-un filtru presă;
  3. Treapta de finisare: dozare şi amestecarea apei decantate cu nanoparticule de NspFe la suprafaţa cărora să adere metalele rămase în apă după treapta de decantare şi modul magnetic de reţinere (recuperare) a magnetitei şi reutilizarea acesteia;
  4. Tablou de automatizare si senzori.

Schema_tehnologica

Fig 3 . Schema tehnologica a modulului SIMAG


În urma experimentărilor efectuate pe apele uzate industriale provenite de la societatea P2- SC BETAK SRL Bistriţa, tratate cu magnetita în  scopul reducerii concentraţiei metalelor dizolvate în apă, modulul magnetic a fost modificat faţă de modelul experimental în scopul  intensificării câmpului magnetic şi diminuării consumului de energie electrica. Astfel modulul magnetic este constituit din doua tronsoane de conducta verticale cu diametrul exterior de Φext=114 mm şi grosimea peretelui de 5 mm din oţel cu conţinut mic de carbon, tronsoane care se racordează la circuitul hidraulic prin flanşe cu diametrul de Dn 100, Pn 10. După flanşele de racordare a celor două coloane sunt montate reducţii tot din oţel până la diametrul de 32 mm (1+1/4 ţoli). În fiecare tronson vertical este montată câte o bobină sub formă de solenoid având un miez magnetic central din oţel-siliciu care este susţinută în partea superioară de o diafragma din oţel cu conţinut scăzut de carbon în care sunt găuri de trecere (12 x 8 mm) pentru apă. În faza de filtrare-reţinere a magnetitei din apă, bobina din submodulul utilizat pentru această fază a procesului este alimentată cu tensiunea de 24 Vcc, astfel încât se crează un câmp magnetic în interiorul bobinei, câmp care se propagă prin diafragma de oţel către peretele conductei din oţel şi apoi se închide prin stratul de apă din zona bobinei şi a miezului magnetic. Forţa de atragere a magnetitei către bobina imersată şi miezul magnetic al acesteia este data de campul magnetic. Astfel magnetita din apă se va aglomera la suprafaţa solenoidului şi în partea de jos a miezului magnetic, magnetita incarcata la suprafata cu metalele grele absorbite din apa. Ca măsura de siguranţă pentru captarea certă a magnetitei în faza de filtrare, deasupra solenoidului în fiecare coloana metalică wqedeste fixat un strat din burete cu înălţimea de 100 mm (FILTREN). Cele două coloane funcţionează alternativ, una în filtrare, iar cealaltă în faza de pauză urmată de recuperarea magnetitei din interiorul ei şi recirculare. În scopul verificării condiţiilor de curgere a apei în faza de filtrare (reţinerea magnetitei) s-a apelat la un modul de simulare a curgerii bifazice (apa şi particule de magnetită) pentru a vedea valoarea vitezei, gradientul acesteia (COMSOL 5.3)-figura 4.

simularea_vitezelor

Figura 4. Simularea vitezelor de curgere a apei în modulul magnetic obţinută cu softul COMSOL

Simularea câmpului magnetic cu ajutorul softului mai sus amintit în interiorul modulului magnetic de separaţie a magnetitei este redat în figura 5 pentru un curent continuu de alimentare a solenoidului de 1 A. Forţa de atracţie a particulelor de magnetită este proporţională cu  pătratul intensitătii curentului electric aplicat solenoidului.

intensitatea_fluxului_magnetic

Figura 5. Intensitatea fluxului magnetic in interiorul modulului magnetic-prototip la aplicarea unui curent de 1A prin solenoid