avroenОмский научный вестник. Серия "Авиационно-ракетное и энергетическое машиностроение"Omsk Scientific Bulletin. Series Aviation-Rocket and Power Engineering2588-03732587-764XОмский государственный технический университет10.25206/2588-0373-2026-10-1-33-38JOUVHGavroen-148Research ArticleЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ И ХИМИЧЕСКОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕPOWER AND CHEMICAL ENGINEERINGДиагностика и прогнозирование срока службы водных фильтровальных установок с кварцевым песком на основе анализа морфологии и элементного состава фильтрующего материалаDiagnostics and predictions of the service life of water silt with quartz sand based on analysis of morphology and element composition of the filter materialhttps://orcid.org/0000-0002-5649-2871ТеплоуховА. А.TeploukhovA. A.

ТЕПЛОУХОВ Андрей Анатольевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Физика»

AuthorID (РИНЦ): 859681 AuthorID (SCOPUS): 57189517666

644050, г. Омск, пр. Мира, 11

TEPLOUKHOV Andrey Anatolyevich, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Physics Department

AuthorID (RSCI): 859681 AuthorID (SСOPUS): 57189517666

Mira Ave., 11, 644050, Omsk

a.a.lektor@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-4570-9721ПостниковД. В.PostnikovD. V.

ПОСТНИКОВ Денис Васильевич, кандидат физико-математических наук, доцент (Россия), доцент кафедры «Физика»

AuthorID (РИНЦ): 684679 AuthorID (SCOPUS): 41762428800

644050, г. Омск, пр. Мира, 11

POSTNIKOV Denis Vasilyevich, Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Associate Professor, Associate Professor of the Physics Department

AuthorID (RSCI): 684679 AuthorID (SСOPUS): 41762428800

Mira Ave., 11, 644050, Omsk

dvpostnikov@omgtu.ruhttps://orcid.org/0009-0007-2653-2637ЗакранцовА. Р.ZakrantsovA. R.

ЗАКРАНЦОВ Александр Романович, ассистент кафедры «Физика»

AuthorID (РИНЦ): 1285352

644050, г. Омск, пр. Мира, 11

ZAKRANTSOV Alexandr Romanovich, Assistant of the Physics Department

AuthorID (RSCI): 1285352

Mira Ave., 11, 644050, Omsk

zakrantsovar@mail.ruГрязновК. Е.GryaznovK. E.

ГРЯЗНОВ Кирилл Евгеньевич, главный инженер

644012, г. Омск, ул. Малиновского, 14, к. 2

GRYAZNOV Kirill Evgenievich, Chief Engineer

Malinovskogo St., 14, bld. 2, 644012, Omsk

kg82@bk.ruОмский государственный технический университетРоссияOmsk State Technical UniversityRussian FederationООО «ТКС»РоссияLLC “TKS”Russian Federation2026310320261013338Copyright © Теплоухов А.А., Постников Д.В., Закранцов А.Р., Грязнов К.Е., 20262026Теплоухов А.А., Постников Д.В., Закранцов А.Р., Грязнов К.Е.Teploukhov A.A., Postnikov D.V., Zakrantsov A.R., Gryaznov K.E.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ariem.omgtu.ru/jour/article/view/148

Статья посвящена исследованию работы кварцевого песка как фильтрующего материала для систем водоподготовки теплоснабжающих установок, а также разработке количественных критериев для прогнозирования срока его службы. Установлено, что в процессе эксплуатации фильтра кварцевый песок трансформируется в композитный материал с покрытием из оксидов алюминия и железа, которые образуются в результате адсорбции и осаждения ионов из исходной воды.Методами растровой электронной микроскопии и энергодисперсионного анализа обнаружено, что при работе фильтра на исходной воде с содержанием Al ≈ 0,58 мг/л и Fe ≈ 0,44 мг/л происходит значительное изменение микрорельефа поверхности частиц песка с развитием микропор. Установлено, что достижение массовых долей алюминия и железа в кварцевом песке порядка 11,78 и 7,11 % является индикатором предельной выработки адсорбционной ёмкости фильтра и обоснованием для планирования его замены.Предложенный подход позволяет осуществить переход от календарного регламента к прогностическому управлению сроком службы фильтра, а также обеспечивает предотвращение превышения предельно допустимой концентрации загрязнителей в сетевой воде и оптимизацию затрат на водоподготовку.

The paper considers the investigation of quartz sand as a filter material for water treatment systems of heat supply installations and to the development of quantitative criteria for forecasting its service life. The quartz sand filter is transformed into a composite material covered with aluminum and iron oxides, which are formed because of adsorption and deposition of ions from the source water during operation.With the methods of electron microscopy and energy dispersion analysis it has been found that when a filter is operated on source water with an Al ≈ 0.58 mg/l and Fe ≈ 0.44 mg/l, there is a significant change in the microlattice surface of the sand particles with the development of the micropore. The authors established that the achievement of mass proportions of aluminum and iron in quartz sand of the 11.78 and 7.11 % order is an indicator of the maximum capacity of the filter adsorption and a justification for planning its replacement.The proposed approach enables a transition from a calendar‑based maintenance schedule to a predictive management of the filter’s service life, prevents the exceedance of permissible concentration limits of contaminants in network water and the optimization of costs for water preparation.

водоподготовкакварцевый песокфильтрацияадсорбциярастровая электронная микроскопияэнергодисперсионный анализwater preparationquartz sandfiltrationadsorptionraster electron microscopyenergy dispersion analysisReferencesБондаренко С. И., Лукина Г. В., Самаркина Е. В. Использования отходов слюды для очистки воды на объектах теплоэнергетики // Вестник ИрГСХА. 2012. № 51. С. 104–111. EDN: OYZOGL.Bondarenko S. I., Lukina G. V., Samarkina E. V. Application of mica waste for water treatment at thermal power facilities. Vestnik IrGSHA. 2012;51:104–111. EDN: OYZOGL. (In Russ.).Maiyo J. K., Dasika S., Jafvert C. T. Slow sand filters for the 21st century: A review. International Journal of Environmental Research and Public Health. 2023;20(2):1019. https://doi.org/10.3390/ijerph20021019. EDN: DRVZOT.Maiyo J. K., Dasika S., Jafvert C. T. Slow sand filters for the 21st century: A review. International Journal of Environmental Research and Public Health. 2023;20(2):1019. https://doi.org/10.3390/ijerph20021019. EDN: DRVZOT.Новиков Ю. В., Тулакин А. В., Цыплакова Г. В. [и др.]. Влияние продуктов коррозии и обрастания трубопроводов на качество питьевой воды // Гигиена и санитария. 1998. № 2. С. 10–13.Novikov Yu. V., Tulakin A. V., Tsyplakova G. V. [et al.]. Influence of corrosion products and pipe fouling on drinking water quality. Hygiene and Sanitation. 1998;2:10–13. (In Russ.).Сколубович Ю. Л., Войтов Е. Л., Цыба А. А. [и др.]. Технология очистки и утилизации поверхностных сточных вод и осадков // Academia. Архитектура и строительство. 2020. № 1. С. 131–137. https://doi.org/10.22337/2077-9038-2020-1-131-137. EDN: RXPUHK.Skolubovich Yu. L., Voitov E. L., Tsyba A. A. [et al.]. Technology for cleaning and disposal surface waste water and sediments. Academia. Architecture and Construction. 2020;1: 131–137. https://doi.org/10.22337/2077-9038-2020-1-131-137. EDN: RXPUHK. (In Russ.).Tripathi V. K., Rajput T. B. S., Patel N. Performance of different filter combinations with surface and subsurface drip irrigation systems for utilizing municipal wastewater. Irrigation Science. 2014;32(5):379–391. https://doi.org/10.1007/s00271-014-0421-z. EDN: LFISEY.Tripathi V. K., Rajput T. B. S., Patel N. Performance of different filter combinations with surface and subsurface drip irrigation systems for utilizing municipal wastewater. Irrigation Science. 2014;32(5):379–391. https://doi.org/10.1007/s00271-014-0421-z. EDN: LFISEY.Высоцкий С. П., Степаненко Т. И. Проблемы загрязнения питьевой воды соединениями алюминия, железа и меди // Вести Автомобильно-дорожного института. 2016. № 1. С. 96–104. EDN: WYBGDX.Vysotskiy S. P., Stepanenko T. I. Problems of drinking water pollution by aluminum, iron and copper compounds. Bulletin of the Automobile and Road Institute. 2016;1:96–104. EDN: WYBGDX. (In Russ.).Benjamin M., Sletten R., Bailey R. [et al.]. Sorption and filtration of metals using iron-oxide-coated sand. Water Research. 1996;30(11):2609–2620. https://doi.org/10.1016/S0043-1354(96)00161-3.Benjamin M., Sletten R., Bailey R. [et al.]. Sorption and filtration of metals using iron-oxide-coated sand. Water Research. 1996;30(11):2609–2620. https://doi.org/10.1016/S0043-1354(96)00161-3.Liu L., Fua Y., Weib Q. [et al.]. Applying bio-slow sand filtration for water treatment. Polish Journal of Environmental Studies. 2019;28(4). https://doi.org/10.15244/pjoes/90588.Liu L., Fua Y., Weib Q. [et al.]. Applying bio-slow sand filtration for water treatment. Polish Journal of Environmental Studies. 2019;28(4). https://doi.org/10.15244/pjoes/90588.Велюго Е. С., Ермак А. А., Ющенко В. Д. Гидрохимические модели удаления железа и марганца на кварцевом песке и сорбенте АС // Вестник Полоцкого государственного университета. Серия F. Строительство. Прикладные науки. 2025. № 2. С. 23–30. https://doi.org/10.52928/2070-1683-2025-41-2-23-30. EDN: HDXXMC.Velyugo E. S., Yermak A. A., Yushchenko V. D. Hydrochemical models of iron and manganese removal on quartz sand and sorbent AC. Vestnik of Polotsk State University. Part F. Constructions. Applied Sciences. 2025;2:23–30. https://doi.org/10.52928/2070-1683-2025-41-2-23-30. EDN: HDXXMC. (In Russ.).Farahbakhsh J., Najafi M., Golgoli M. [et al.]. Microplastics and dye removal from textile wastewater using MIL53 (Fe) metal-organic framework-based ultrafiltration membranes. Chemosphere. 2024;364:143–170. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2024.143170.Farahbakhsh J., Najafi M., Golgoli M. [et al.]. Microplastics and dye removal from textile wastewater using MIL53 (Fe) metal-organic framework-based ultrafiltration membranes. Chemosphere. 2024;364:143–170. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2024.143170.Ayoub G. M., Koopman B., Pandya N. Iron and aluminum hydroxy (oxide) coated filter media for low-concentration phosphorus removal. Water Environment Research. 2001;73(4):478–485. https://doi.org/10.2175/106143001X139533.Ayoub G. M., Koopman B., Pandya N. Iron and aluminum hydroxy (oxide) coated filter media for low-concentration phosphorus removal. Water Environment Research. 2001;73(4):478–485. https://doi.org/10.2175/106143001X139533.Zinicovscaia I., Yushin N., Humelnicu D. [et al.]. Adsorption capacity of silica SBA-15 and titanosilicate ETS-10 toward indium ions. Materials. 2023;16(8):3201. https://doi.org/10.3390/ma16083201.Zinicovscaia I., Yushin N., Humelnicu D. [et al.]. Adsorption capacity of silica SBA-15 and titanosilicate ETS-10 toward indium ions. Materials. 2023;16(8):3201. https://doi.org/10.3390/ma16083201.Khiadani M., Zarrabi M., Foroughi M. Urban runoff treatment using nano-sized iron oxide coated sand with and without magnetic field applying. Journal of Environmental Health Science and Engineering. 2013;11(1):43. https://doi.org/10.1186/2052-336X-11-43. EDN: FIKBDS.Khiadani M., Zarrabi M., Foroughi M. Urban runoff treatment using nano-sized iron oxide coated sand with and without magnetic field applying. Journal of Environmental Health Science and Engineering. 2013;11(1):43. https://doi.org/10.1186/2052-336X-11-43. EDN: FIKBDS.Hraiech I., Zallama B., Belkhiria S. [et al.]. Experimental characterization of silica gel adsorption and desorption isotherms under varying temperature and relative humidity in a fixed bed reactor. Scientific Reports. 2025;15(1):29041. https://doi.org/10.1038/s41598-025-14677-7. EDN: SKQHLG.Hraiech I., Zallama B., Belkhiria S. [et al.]. Experimental characterization of silica gel adsorption and desorption isotherms under varying temperature and relative humidity in a fixed bed reactor. Scientific Reports. 2025;15(1):29041. https://doi.org/10.1038/s41598-025-14677-7. EDN: SKQHLG.McNeill L. S., Edwards M. Soluble arsenic removal at water treatment plants. Journal American Water Works Association. 1995;87(4):105–113. https://doi.org/10.1002/j.1551-8833.1995.tb06374.x.McNeill L. S., Edwards M. Soluble arsenic removal at water treatment plants. Journal American Water Works Association. 1995;87(4):105–113. https://doi.org/10.1002/j.1551-8833.1995.tb06374.x.Luo C., Yu Y., Tang Y. [et al.]. Enhanced retention of small-sized microplastics by iron-containing sand filtration system: Effectiveness and mechanisms. Journal of Hazardous Materials. 2025;489:137–678. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2025.137678. EDN: YECAYN.Luo C., Yu Y., Tang Y. [et al.]. Enhanced retention of small-sized microplastics by iron-containing sand filtration system: Effectiveness and mechanisms. Journal of Hazardous Materials. 2025;489:137–678. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2025.137678. EDN: YECAYN.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.