Взвешенные частицы негативно влияют на все аспекты работы рециркуляционных систем. Поэтому, основной задачей обработки воды является удаление твердых загрязнений (Timmons et al., 2001). В текущей работе изучали фильтрацию с вовлечением гидроциклона и пеноотделительной колонки.

Общие взвешенные частицы (TSS) в гидроциклоне определяли регулярно каждые 14 дней в t0-t434. Дополнительные измерения выполняли в t668-t690. В экспериментах t668-t690 изучали количество тонкодисперсных частиц, приходящих из пеноотделительной колонки.

2.8.1. Твердые загрязнения в гидроциклоне: взятие проб и проведение анализа

Твердые загрязнения на дне воронки гидроциклона собирали через трубу в ведро. Содержимое ведра аккуратно выливали в конус для осаждения. Спустя 60 минут, осажденные частицы собирали в низкое ведро. Образец постепенно пропускали через серию сит из нержавеющей стали; сначала 1600, 800 и 400 мкм, затем 200, 100 и 50 мкм. Остатки загрязнений аккуратно споласкивали дистиллированной водой в химический стакан. Наконец, получали 7 размерных классов, по одному для каждого размера сита и один после пропускания через сито <50 мкм. Каждый из семи классов загрязнений фильтровали с вакуумом в колбе Эрленмейера, имеющей боковой рукав, колбу объемом 500 мл и стекловолоконный микрофильтр (GF/C, Whatman®) диаметром 90 мм, с номинальным размером пор около 1.58 мкм. Вакуумную фильтрацию проводили под давлением -200 до -500 mbar.

За период t0-t434, в зависимости от количества твердых частиц, получаемых для семи размерных классов, фильтровали все количество частиц или три субобразца. Во время фильтрации субобразцов, колба с пробой одного размерного класса содержала палочку 60 мм от магнитной мешалки (Ika®) для гомогенизации. Из этого однородного раствора отбирали 22 мл субобразца и фильтровали. В ходе экспериментов t668-t690 твердые загрязнения определяли, используя только три субобразца для каждого размерного класса.

Стекловолоконный микрофильтр сначала сжигали при 500°C в течение 12 часов в чашках Петри, охлаждали внутри эксикатора до комнатной температуры (25°C) и взвешивали. В процессе фильтрации фильтрат споласкивали трижды дистиллированной водой во избежание влияния любых солей. После фильтрации фильтры сушили при 60°C в течение 12 часов, вплоть до момента, когда масса стабилизируется. Как только определили массу, фильтры снова воспламеняли при 540°C в течение 8 часов для определения свободных от золы органический материи. Для этих целей использовали алюминиевые чашки.

Для анализа на углерод, азот, фосфор и для определения энергетической ценности (калориметр) дополнительно брали образцы загрязнений. Для этого аккуратно соскабливали загрязнения от микрофильтра тонким шпателем и помещали в алюминиевую чашку. Твердые образцы нагревали при 60°C, взвешивали и хранили в стеклянных пробирках с пластиковыми крышками, внутри экстрактора при 25°C.

На рисунке 24 изображена схема проведения анализа с твердым материалом, собранным в RAS.

2.8.2. Твердые загрязнения в пеноотделительной колонке: забор проб и анализ

Мелкие частицы из пеноотделительной колонки изучали с t668 по t690. Образцы воды со смытой пеной анализировали на углерод, азот и фосфор. Их фильтровали с использованием стеклянного микрофильтра диаметром 25 мм (GF/F, Whatman®) Субобразцы 10 мл забирали для анализа в Multisizer I. Дополнительные 25 мл субобразцы (три параллели) фильтровали через стеклянный микрофильтр диаметром 47 мм (GF/F, Whatman®) для определения массы твердого вещества и свободной от золы органической материи. В этом случае, для определения объемов воды, производимой пеной, также измеряли исходный уровень воды в резервуаре промывки пены.

2.8.3. Анализ для определения углерода и содержания азота в твердых загрязнениях

Для определения содержания углерода и азота (C,N) в твердом образце использовали элементный анализатор (Euro Vector®, модель EA). После высушивания образцов при 60°C в течение 6 часов материал взвешивали (примерно, 1.0-1.5 мг), оборачивали в фольгу и сжигали при 1020°C в колоннах для сжигания. Переносчиком продуктов сгорания служил очищенный гелий. Выделяющееся тепло в ходе горения в фольге гарантировало полное сгорание, даже очень стабильных соединений. Газообразные продукты сгорания проходили через трубу с катализатором. Полученная газовая смесь состояла из оксидов азота, двуокиси углерода, воды и несгоревшего кислорода. Поток газа проходил через восстановительную трубу, кварцевую трубу, наполненную небольшим количеством кусочков медной проволоки. При около 680°C кислород связывается с медью, и оксиды азота переходят в молекулярный азот. Затем, поток газа пропускали через водяную ловушку и разделяли в печи с контролируемой температурой для газовой хроматографии при 95°C. Эта печь состоит из разделительной колонки газовой хроматографии и детектора теплопроводности. Количество углерода и азота определяли, рассчитывая интегрированную поверхность под пиками хроматограм. Калибровку оборудования выполняли путем сжигания ацетанилида, который имеет известный уровень углерода и азота – 7:1.

2.8.4. Определение содержания фосфора в твердых частицах

Для определения общего фосфора в твердой материи, прибегали к аналогичному окислению как в главе 2.7.7.1. Твердые образцы массой (1-2 мг) на ¼ стекловолоконного фильтра (GF/C, диаметр 90 мм) и помещали в чистые стеклянные бутылочки. Окисляющий агент Oxisolv (Merck®) вносили и нагревали (115°C в течение 30 минут). С помощью автоматического анализатора определяли окончательное содержание фосфора.

2.8.5. Определение энергетической ценности твердых частиц

Для определения содержания энергии в твердых образцах использовали адиабатический калориметр (компания Ika®, модель C 4000A). Колориметр соединяли с компьютером, где установлена ПО Ika® CalWin®. Программа позволяла контролировать оборудование, следить за безопасностью, оценивать данные.

Образцы готовили, используя таблеточный метод, в котором 0.1 г высушенного образца прессовали в форме таблетки. Внутри калориметрической бомбы таблетки помещали в кварцевый тигель с нитью, намотанной на нить зажигания. Бомбу наполняли 30 bar кислородом для обеспечения полного сгорания кислорода. Затем бомбу поместили во внутренний сосуд калориметра, наполненный водой. Сгорающий образец выделял тепло, которое переходило к бомбе и воде. Тепло от сгорания повышало температуру в калориметре. Около 10-15 минут после горения теплообмен между бомбой и окружающей водой завершался. Измеряли поднятие T°C и рассчитывали общую теплоту сгорания (H0). Этот расчет возможен, потому что тепловую емкость (C) адиабатической системы ранее определяли, сжигая референс вещество (бензойная кислота).

Тепловая емкость (C) – количество тепла, необходимое для повышения температуры на 1° Кельвина. Ее рассчитывали по формуле (8):

C : Дж/К; HOB : общая теплота сгорания стандартно вещества (Дж/г); mB : масса (г); QF : совокупность всего постороннего тепла (Дж); ΔT : измеренное возрастание температуры (K)

Общую теплоту сгорания (H0) образца рассчитывали по формуле (9):

H0 : Дж/г; C : тепловая емкость калориметрической системы (Дж/К); ΔT : измеренное возрастание температуры (K); QF : совокупность всего постороннего тепла (Дж); mp : измеренная масса вещества  (г).

2.8.6. Определение свободной от золы органической материи

Свободную от золы органическую материю определяли сжиганием образца в муфельной печи при 540°C в течение 8 часов. После сжигания, образец охлаждали до комнатной температуры внутри камеры десикатора, во избежание попадания влаги. Образцы взвешивали до и после сжигания. Процент свободной от золы органической материи (%OC) рассчитывали по разнице массы перед и после сжигания к исходной массе образца.

2.9. Анализ размера частиц

Для определения размера частиц использовали счетчик импульсов сопротивления (Multisizer I,Coulter Counter®). Этот метод позволял определить размер частиц, взвешенных в изотоническом растворе (электролит). Взвесь пропускали через диафрагму (труба с отверстиями) с электрическим полем. Перемещение электролита из-за частиц вызывает изменение сопротивления по разные стороны отверстий диафрагмы. Измеряли это различие сопротивления. Оно коррелировало с объемом частиц. Размер отверстий в диафрагме составлял 140 мкм 1000 мкм. Согласно производителю, диафрагма труба способна измерять лишь 2-60% заданной апертуры, т.е. диафрагма с апертурой 1000 мкм измеряет частицы в диапазоне 22,5-714,7 мкм. Диаграмма с апертурой с номиналом 140 мкм измеряет частицы в диапазоне 2,8-87,8 мкм.

Наконец, для анализа размера частиц, распределения с помощью Multisizer I (компания Coulter Counter®), и сканирования, брали субобразцы по классам размеров (10 мл) в дни t466-t562 и на испытаниях t668-t690.

2.10. Оптическое исследование твердых частиц в RAS

Для лучшего понимания размера частиц, структуры и формы твердой материи, субобразцы каждого размерного класса собирали ситом в чашки Петри (диаметр 65 мм) с 20 мл дистиллированной воды. Субобразцы брали в периоды 2 (t28),4 (t56), 8 (t113), 12 (t176), 16 (t239), 20 (t294), 24 (t361) и 28 (t437).

С помощью сканирующего электронного микроскопа (Zeiss® модель DSM 940) анализировали частицы, относящиеся к размерным классам <50 мкм, 50-100 мкм, 100-200 мкм и 200-400 мкм. Вначале образцы фильтровали через целлюлозно-ацетатный фильтр диаметром 13 мм (Sartorius®) и сушили при 60°C в течение 24 часов. Затем фильтры покрывали золото- палладиевым сплавом в качестве мишени (покрытие компании Balzers модель SCD 004). Делали черно-белые фотографии.

Частицы, относящиеся к размерным классам 400-800 мкм, 800-1600 мкм, >1600 мкм, анализировали с помощью бинокулярного микроскопа Leica®MZ95 с черно-белой видеокамерой (Hitachi® модель CCD), подключенной к ПК. Камера позволяла фиксировать фотографии образцов на ПК-TV.

Изображения анализировали в ПО Adobe® Photoshop 5.0 и Image-J. Image-J публичная программа обработки изображений Java. Adobe® Photoshop 5.0 использовали для очистки сырых фотографий от неинформативных объектов и перевода в 8-ми битное бинарное изображение. Image-J использовали для анализа изображений с «Analyze Particles», которая считает количество и размер частиц.