📄Работа №217663
Тема: Оптимизация технологии переработки гальванического шлама
Тип работы
Бакалаврская работа
Предмет
Экология и природопользование
Объем:
60 листов
Год:
2023
Просмотров:
1
4600
руб.
🛒 Купить работу
Не подходит эта работа?
Закажите новую по вашим требованиям
Узнать цену на написание
Закажите новую по вашим требованиям
Представленный материал является образцом учебного исследования, примером структуры и содержания учебного исследования по заявленной теме. Размещён исключительно в информационных и ознакомительных целях.
Workspay.ru оказывает информационные услуги по сбору, обработке и структурированию материалов в соответствии с требованиями заказчика.
Размещение материала не означает публикацию произведения впервые и не предполагает передачу исключительных авторских прав третьим лицам.
Материал не предназначен для дословной сдачи в образовательные организации и требует самостоятельной переработки с соблюдением законодательства Российской Федерации об авторском праве и принципов академической добросовестности.
Авторские права на исходные материалы принадлежат их законным правообладателям. В случае возникновения вопросов, связанных с размещённым материалом, просим направить обращение через форму обратной связи.
Настоящий учебно-методический информационный материал размещён в ознакомительных и исследовательских целях и представляет собой пример учебного исследования. Не является готовым научным трудом и требует самостоятельной переработки.
📋 Содержание
Аннотация
Введение 5
1 Литературный обзор 10
1.1 Образование, свойства и состав гальванических шламов 10
1.2 Утилизация гальваношламов 13
1.2.1 Захоронение 14
1.2.2 Использование гальваношлама в производстве пигментов 15
1.2.3 Использование гальваношламов в металлургии 15
1.2.4 Использование гальваношламов в производстве продукции
различного назначения 16
1.2.5 Сорбенты на основе гальваношламов 17
1.3 Патентный поиск 17
1.3.1 RU 2 217 529 C1 Способ утилизации шламов гальванических
производств 17
1.3.2 RU 2 170276 С1 Способ переработки шламов гальванических
производств 18
1.3.3 RU 2397829 C1 Способ переработки промышленных отходов в
строительный материал 20
1.3.4 RU 2 152 253 C1 Способ утилизации гальванического шлама 22
1.3.5 HU 0 401 131 A2 Утилизация гальваношламов сложного состава24
2 Экспериментальная часть 28
2.1 Определение элементного состава шлама 28
2.2 Экспериментальное исследование подбора состава композита 30
2.2.1 Исследование процесса миграции металлов при контакте с
дистиллированной водой 31
2.2.2 Исследование прочности на сжатие образцов строительных
композитов 33
2.2.3 Исследование гальванического шлама на процесс выщелачивания 34
2.2.4 Проверка на прочность строительного композита, в состав
которого входит кек 35
2.3 Технологическая схема процесса оптимизации переработки
гальванического шлама 37
2.4 Подбор оборудования и установок 38
2.5 Расчет материального баланса 44
2.5.1 Материальный баланс получения строительного материала
состава №1 44
2.5.2 Материальный баланс получения строительного материала
состава №2 49
3 Экономический расчет производства строительного композита, учитывая плату за негативное воздействие на окружающую среду 51
3.1 Расчет платы за сброс сточной воды 51
3.2 Расчет платы за размещение отходов 55
Заключение 57
Список используемых источников 58
Введение 5
1 Литературный обзор 10
1.1 Образование, свойства и состав гальванических шламов 10
1.2 Утилизация гальваношламов 13
1.2.1 Захоронение 14
1.2.2 Использование гальваношлама в производстве пигментов 15
1.2.3 Использование гальваношламов в металлургии 15
1.2.4 Использование гальваношламов в производстве продукции
различного назначения 16
1.2.5 Сорбенты на основе гальваношламов 17
1.3 Патентный поиск 17
1.3.1 RU 2 217 529 C1 Способ утилизации шламов гальванических
производств 17
1.3.2 RU 2 170276 С1 Способ переработки шламов гальванических
производств 18
1.3.3 RU 2397829 C1 Способ переработки промышленных отходов в
строительный материал 20
1.3.4 RU 2 152 253 C1 Способ утилизации гальванического шлама 22
1.3.5 HU 0 401 131 A2 Утилизация гальваношламов сложного состава24
2 Экспериментальная часть 28
2.1 Определение элементного состава шлама 28
2.2 Экспериментальное исследование подбора состава композита 30
2.2.1 Исследование процесса миграции металлов при контакте с
дистиллированной водой 31
2.2.2 Исследование прочности на сжатие образцов строительных
композитов 33
2.2.3 Исследование гальванического шлама на процесс выщелачивания 34
2.2.4 Проверка на прочность строительного композита, в состав
которого входит кек 35
2.3 Технологическая схема процесса оптимизации переработки
гальванического шлама 37
2.4 Подбор оборудования и установок 38
2.5 Расчет материального баланса 44
2.5.1 Материальный баланс получения строительного материала
состава №1 44
2.5.2 Материальный баланс получения строительного материала
состава №2 49
3 Экономический расчет производства строительного композита, учитывая плату за негативное воздействие на окружающую среду 51
3.1 Расчет платы за сброс сточной воды 51
3.2 Расчет платы за размещение отходов 55
Заключение 57
Список используемых источников 58
📖 Аннотация
В данной работе исследуется проблема утилизации гальванических шламов и предлагается технология их переработки в строительные композиционные материалы. Актуальность исследования обусловлена тем, что данные отходы, содержащие токсичные соединения тяжелых металлов (меди, цинка, никеля, хрома), представляют значительную экологическую опасность, а их накопление на промышленных площадках влечет за собой существенные экономические издержки в виде платы за негативное воздействие на окружающую среду. Основным результатом работы является разработка и технико-экономическое обоснование принципиальной технологической схемы, основанной на выщелачивании металлов серной кислотой с последующим использованием обезвреженного остатка для производства декоративных панелей или керамического кирпича. Расчеты показывают, что за один оборот возможно получить до 518 тонн отделочных материалов или около 135 тысяч штук кирпича, что не только решает проблему отходов, но и приносит экономический эффект, замещая затраты на штрафные платежи (составляющие, по расчетам, порядка 384 тыс. рублей) доходом от продажи продукции. Научная значимость заключается в синтезе и анализе существующих методов переработки, а практическая – в предложении конкретной, экономически целесообразной технологии для машиностроительных предприятий. В ходе исследования проанализированы работы таких авторов, как А.Г. Ветошкин, рассматривающий общие технологии защиты окружающей среды, В.Н. Волкова, изучающая методы соосаждения тяжелых металлов, а также патенты (RU 2 170 276 C1, HU 0 401 131 A2), легшие в основу предлагаемого технологического решения.
📖 Введение
«Стремительное развитие различных сфер промышленности, увеличение численности населения и рост городов негативно отразились на состоянии окружающей среды, вызвав ряд перемен, включая неблагоприятные изменения, связанные с воздействием на биологическую оболочку Земли. Человеческая деятельность приводит к образованию вредных веществ, оказывающих значительное влияние на природу» [13].
«В настоящее время большинство машиностроительных предприятий, имеющих гальваническое производство, сталкиваются с проблемой утилизации гальванических отходов шламов, в частности ионов тяжелых цветных металлов, которые относятся к отходам 2-4 класса опасности, оказывающих значительное влияние на состояние окружающей среды, а также здоровье человека. Помимо токсического воздействия на живые и растительные организмы, тяжелые металлы имеют способность накапливаться в пищевых цепочках, что увеличивает их опасность для человека. Главным источником токсикантов в гальванике являются отработанные электролиты и промывные воды, после очистки, которых образуются осадки в виде шламов, имеющие влажность 75-95 % и
содержащие в себе соединения меди, цинка, никеля, хрома» [22]. «Поэтому из-за отсутствия специальных полигонов и высоких штрафных санкций, данные отходы складируются непосредственно на территории предприятия или вывозятся на несанкционированные свалки, создавая реальную угрозу вторичного загрязнения окружающей среды своим достаточно великим объемом. Так при хранении на открытых площадках гальваношлам высыхает, пыль разносится ветром, попадает на природные объекты, в почву, воду, организм человека, а находящиеся в этой пыли примеси могут вызвать появление злокачественных опухолей, заболеваний органов дыхания» [5].
Также было замечено, что в районах, где складируются
гальваношламы, все чаще идут кислотные дожди, которые растворяют
5
гидроксиды тяжелых металлов, содержащиеся в шламе. Растворенные вредные вещества впитывались в почву и отравляли ее.
«Во многих странах мира используется метод обезвреживания токсичных отходов с помощью захоронения специальных хранилищ, представляющие собой котлованы, с применением защитных облицовочных материалов из глины, полиэтилена, поливинилхлорида и других водостойких материалов.
С одной стороны, это кажется удобным. Но с ростом промышленности возникла необходимость строить все больше и больше таких полигонов. Занятые под хранилища земли невозможно использовать в целях развития сельского хозяйства (под пахоту или пастбище), велики затраты и на транспортировку шламов с предприятия до места хранения.
Вместе с тем шламы могут быть перспективным минеральным сырьем в производстве строительных материалов различного вида.
Наиболее распространенной разновидностью шламовых отходов гальванических производств являются хромосодержащие отходы на машиностроительных предприятиях, образующиеся после проведения технологических операций, таких как хромирование, никелирование, электрохимическое полирование деталей и их промывка» [12].
Тяжелые металлы, попадающие в окружающую среду вместе со сточными водами и отходами, имеют способность перемещаться из отходов в биоактивную среду при взаимодействии этих отходов с ней.
Ежегодно в России образуется порядка 7 миллиардов тонн твердых отходов, из которых только 28 % используются повторно. Количество
загрязняющих вод, которые сбрасываются в водоемы по всему миру, составляет от 250 до 300 миллиардов кубических метров в год.
Шламы, образующиеся в процессе нанесения гальванических покрытий, представляют собой один из наиболее опасных видов техногенных отходов. Однако, учитывая высокое содержание в них цветных металлов, они являются ценным источником сырья.
«Для решения проблемы эффективной утилизации таких отходов выполнены предварительные экспериментальные исследования, которые показывают возможность повторного использования гальванического шлама в строительных материалах» [26].
«Например, известен благоприятный опыт использования гальванических отходов в керамической промышленности при производстве стеновых и кровельных материалов.
Добавка шламов положительно сказывается на прочности, морозостойкости керамических материалов. Так механическая прочность керамических изделий увеличивается в среднем на 15-20 % [27].
Перспективным направлением утилизации гальванического шлама может стать их использование в производстве строительных материалов на основе гидравлических вяжущих, используемых в производстве бетонов и растворов.
Для получения экспериментальных данных обрабатывался гальванический хромосодержащий шлам машиностроительного
производства. Исследуемый шлам представляет суспензию с высоким содержанием электролитов. На предприятии осуществляется обработка отходов сульфатом натрия в кислой среде для восстановления шестивалентного хрома в трехвалентный с последующей нейтрализацией щелочными растворами, при которой трехвалентный хром переходит из раствора в осадок в виде гидроокиси Cr(OH)3. При этом в состав шлама входит гидроокись цинка, меди, никеля, хрома.
Перед вывозом с завода гальванический шлам проходит обработку на фильтр-прессах, в результате чего его влажность снижается до 85-88 %.
Химический состав гальванического шлама представлен такими соединениями как Cr(OH) - 22 %; Zn(OH)2 - 20 %; Cu(OH)2 - 18 %; Ni(OH)2 - 21 %; прочие - 19 %.
«Гидроксиды, гидроксокарбонаты и карбонаты тяжелых металлов легко входят в силикатные соединения и кристаллизуются в труднорастворимые соединения.
Для проверки целесообразности использования шлама в строительных растворах и бетонах проводились исследования для выявления каталического и пластифицирующего действия.
Эти эксперименты показали, что использование шламов уместно в виде добавок в бетон и растворы.
Добавка гальванических шламов в количестве не более 1 % по массе приводит к снижению расхода цемента при равной прочности на 10-15 % за счет пластифицирующего эффекта в тяжелых бетонах. Также в строительных растворах наблюдается экономия цемента до 10 %.
Таким образом, использование гальванических шламов в качестве добавок бетонам и строительным растворам в большей мере утилизировать вредные отходы производства и при этом повысить качество связующего материла бетона и растворов.
Однако токсикологическая экспертиза произведенных образцов показала, что применять гальванические шламы необходимо с повышенной осторожностью, так дозировка добавок шлама требует высокой точности» [2].
При применении гальванических шламов в виде добавки в бетоны и строительные растворы могут быть достигнуты следующие эффекты:
- существенное снижение уровня и объема воздействия их на окружающую среду, за счет перевода ионов тяжелых металлов в безопасные связанные твердые соединения;
- ресурсосбережение за счет замены природного сырья на шлам;
- предотвращение экологического ущерба окружающей среде, который зависит от состава гальванического шлама;
- отсутствие отходов при подготовке шлама к утилизации;
- технология утилизации может быть применена на машиностроительных заводах, имеющих гальванические цеха.
Целью выпускной квалификационной работы является возможность применения гальванического шлама машиностроительного предприятия в качестве строительного композита.
Для реализации вышеназванной цели необходимо решить следующие задачи:
- провести анализ проблемы влияния гальванических отходов на окружающую среду;
- провести патентный поиск существующих методов переработки гальванических шламов;
- осуществить лабораторные исследования по определению элементного состава гальваношлама;
- предложить технологию по реализации производства строительного композита;
- провести экспериментальные исследования по использованию шламов в составе экологически безопасных минеральных композитов;
- провести расчет материального баланса;
- рассчитать экономический эффект, учитывая плату за негативное воздействие на окружающую среду;
- представить выводы по результатам проведенной работы о возможности и целесообразности предложенной оптимизации.
«В настоящее время большинство машиностроительных предприятий, имеющих гальваническое производство, сталкиваются с проблемой утилизации гальванических отходов шламов, в частности ионов тяжелых цветных металлов, которые относятся к отходам 2-4 класса опасности, оказывающих значительное влияние на состояние окружающей среды, а также здоровье человека. Помимо токсического воздействия на живые и растительные организмы, тяжелые металлы имеют способность накапливаться в пищевых цепочках, что увеличивает их опасность для человека. Главным источником токсикантов в гальванике являются отработанные электролиты и промывные воды, после очистки, которых образуются осадки в виде шламов, имеющие влажность 75-95 % и
содержащие в себе соединения меди, цинка, никеля, хрома» [22]. «Поэтому из-за отсутствия специальных полигонов и высоких штрафных санкций, данные отходы складируются непосредственно на территории предприятия или вывозятся на несанкционированные свалки, создавая реальную угрозу вторичного загрязнения окружающей среды своим достаточно великим объемом. Так при хранении на открытых площадках гальваношлам высыхает, пыль разносится ветром, попадает на природные объекты, в почву, воду, организм человека, а находящиеся в этой пыли примеси могут вызвать появление злокачественных опухолей, заболеваний органов дыхания» [5].
Также было замечено, что в районах, где складируются
гальваношламы, все чаще идут кислотные дожди, которые растворяют
5
гидроксиды тяжелых металлов, содержащиеся в шламе. Растворенные вредные вещества впитывались в почву и отравляли ее.
«Во многих странах мира используется метод обезвреживания токсичных отходов с помощью захоронения специальных хранилищ, представляющие собой котлованы, с применением защитных облицовочных материалов из глины, полиэтилена, поливинилхлорида и других водостойких материалов.
С одной стороны, это кажется удобным. Но с ростом промышленности возникла необходимость строить все больше и больше таких полигонов. Занятые под хранилища земли невозможно использовать в целях развития сельского хозяйства (под пахоту или пастбище), велики затраты и на транспортировку шламов с предприятия до места хранения.
Вместе с тем шламы могут быть перспективным минеральным сырьем в производстве строительных материалов различного вида.
Наиболее распространенной разновидностью шламовых отходов гальванических производств являются хромосодержащие отходы на машиностроительных предприятиях, образующиеся после проведения технологических операций, таких как хромирование, никелирование, электрохимическое полирование деталей и их промывка» [12].
Тяжелые металлы, попадающие в окружающую среду вместе со сточными водами и отходами, имеют способность перемещаться из отходов в биоактивную среду при взаимодействии этих отходов с ней.
Ежегодно в России образуется порядка 7 миллиардов тонн твердых отходов, из которых только 28 % используются повторно. Количество
загрязняющих вод, которые сбрасываются в водоемы по всему миру, составляет от 250 до 300 миллиардов кубических метров в год.
Шламы, образующиеся в процессе нанесения гальванических покрытий, представляют собой один из наиболее опасных видов техногенных отходов. Однако, учитывая высокое содержание в них цветных металлов, они являются ценным источником сырья.
«Для решения проблемы эффективной утилизации таких отходов выполнены предварительные экспериментальные исследования, которые показывают возможность повторного использования гальванического шлама в строительных материалах» [26].
«Например, известен благоприятный опыт использования гальванических отходов в керамической промышленности при производстве стеновых и кровельных материалов.
Добавка шламов положительно сказывается на прочности, морозостойкости керамических материалов. Так механическая прочность керамических изделий увеличивается в среднем на 15-20 % [27].
Перспективным направлением утилизации гальванического шлама может стать их использование в производстве строительных материалов на основе гидравлических вяжущих, используемых в производстве бетонов и растворов.
Для получения экспериментальных данных обрабатывался гальванический хромосодержащий шлам машиностроительного
производства. Исследуемый шлам представляет суспензию с высоким содержанием электролитов. На предприятии осуществляется обработка отходов сульфатом натрия в кислой среде для восстановления шестивалентного хрома в трехвалентный с последующей нейтрализацией щелочными растворами, при которой трехвалентный хром переходит из раствора в осадок в виде гидроокиси Cr(OH)3. При этом в состав шлама входит гидроокись цинка, меди, никеля, хрома.
Перед вывозом с завода гальванический шлам проходит обработку на фильтр-прессах, в результате чего его влажность снижается до 85-88 %.
Химический состав гальванического шлама представлен такими соединениями как Cr(OH) - 22 %; Zn(OH)2 - 20 %; Cu(OH)2 - 18 %; Ni(OH)2 - 21 %; прочие - 19 %.
«Гидроксиды, гидроксокарбонаты и карбонаты тяжелых металлов легко входят в силикатные соединения и кристаллизуются в труднорастворимые соединения.
Для проверки целесообразности использования шлама в строительных растворах и бетонах проводились исследования для выявления каталического и пластифицирующего действия.
Эти эксперименты показали, что использование шламов уместно в виде добавок в бетон и растворы.
Добавка гальванических шламов в количестве не более 1 % по массе приводит к снижению расхода цемента при равной прочности на 10-15 % за счет пластифицирующего эффекта в тяжелых бетонах. Также в строительных растворах наблюдается экономия цемента до 10 %.
Таким образом, использование гальванических шламов в качестве добавок бетонам и строительным растворам в большей мере утилизировать вредные отходы производства и при этом повысить качество связующего материла бетона и растворов.
Однако токсикологическая экспертиза произведенных образцов показала, что применять гальванические шламы необходимо с повышенной осторожностью, так дозировка добавок шлама требует высокой точности» [2].
При применении гальванических шламов в виде добавки в бетоны и строительные растворы могут быть достигнуты следующие эффекты:
- существенное снижение уровня и объема воздействия их на окружающую среду, за счет перевода ионов тяжелых металлов в безопасные связанные твердые соединения;
- ресурсосбережение за счет замены природного сырья на шлам;
- предотвращение экологического ущерба окружающей среде, который зависит от состава гальванического шлама;
- отсутствие отходов при подготовке шлама к утилизации;
- технология утилизации может быть применена на машиностроительных заводах, имеющих гальванические цеха.
Целью выпускной квалификационной работы является возможность применения гальванического шлама машиностроительного предприятия в качестве строительного композита.
Для реализации вышеназванной цели необходимо решить следующие задачи:
- провести анализ проблемы влияния гальванических отходов на окружающую среду;
- провести патентный поиск существующих методов переработки гальванических шламов;
- осуществить лабораторные исследования по определению элементного состава гальваношлама;
- предложить технологию по реализации производства строительного композита;
- провести экспериментальные исследования по использованию шламов в составе экологически безопасных минеральных композитов;
- провести расчет материального баланса;
- рассчитать экономический эффект, учитывая плату за негативное воздействие на окружающую среду;
- представить выводы по результатам проведенной работы о возможности и целесообразности предложенной оптимизации.
✅ Заключение
В ходе работе достигнута цель, которой являлось возможность применения гальванического шлама.
В ходе литературного обзора рассмотрены методы переработки и утилизации отходов. Для реализации поставленной цели был проведен патентный поиск. За основу были выбраны два наиболее подходящих патента RU 2 1702 276 C1 и HU 0 41 131 A2, учитывая все преимущества и исключая недостатки. В качестве выщелачивателя была выбрана серная кислота, так как она является самым распространенным и доступным реагентом.
В экспериментальной части представлена принципиальная технологическая схема получения строительного композитного материала. Рассчитаны материальные балансы получения строительного материала с возможностью получения 517 993,4 кг отделочных материалов (декоративных панелей) или 470959,5 кг керамического кирпича с оборотов в 1 год. Примерное количество керамического кирпича около 135000 шт при средней массе от 3400 до 3700 г.
В третьем разделе был проведен растёт платы за негативное воздействие на окружающую среду при сбросе гальванических стоков и захоронении отходов. Общая сумма платы за сбросы сточной воды и размещение отходов составила 383792,59 руб.
Итогом данной работы стало, что использование гальванического шлама в качестве сырья для производства строительного композита ведет к экономическому эффекту, который достигается за счет продажи изготовленной продукции и ненадобностью оплачивать штрафные санкции в виде платы за негативное воздействие на окружающую среду.
В результате работы выполнены поставленные задачи по представлению технологической реализации производства строительных материалов путем оптимизации существующих технологий переработки гальванических шламов.
В ходе литературного обзора рассмотрены методы переработки и утилизации отходов. Для реализации поставленной цели был проведен патентный поиск. За основу были выбраны два наиболее подходящих патента RU 2 1702 276 C1 и HU 0 41 131 A2, учитывая все преимущества и исключая недостатки. В качестве выщелачивателя была выбрана серная кислота, так как она является самым распространенным и доступным реагентом.
В экспериментальной части представлена принципиальная технологическая схема получения строительного композитного материала. Рассчитаны материальные балансы получения строительного материала с возможностью получения 517 993,4 кг отделочных материалов (декоративных панелей) или 470959,5 кг керамического кирпича с оборотов в 1 год. Примерное количество керамического кирпича около 135000 шт при средней массе от 3400 до 3700 г.
В третьем разделе был проведен растёт платы за негативное воздействие на окружающую среду при сбросе гальванических стоков и захоронении отходов. Общая сумма платы за сбросы сточной воды и размещение отходов составила 383792,59 руб.
Итогом данной работы стало, что использование гальванического шлама в качестве сырья для производства строительного композита ведет к экономическому эффекту, который достигается за счет продажи изготовленной продукции и ненадобностью оплачивать штрафные санкции в виде платы за негативное воздействие на окружающую среду.
В результате работы выполнены поставленные задачи по представлению технологической реализации производства строительных материалов путем оптимизации существующих технологий переработки гальванических шламов.
ИЛИ
Поиск аналога
📕 Список литературы
🖼 Скриншоты
🛒 Оформить заказ
⚡ Работу высылаем в течении 5 минут после оплаты.