ВВЕДЕНИЕ 6
1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 10
1.1. Сорбционные методы очистки сточных вод 10
1.2. Сорбенты и их свойства 12
1.2.1. Классификация сорбентов 13
1.2.2. Устройство и принцип действия сорбентов 14
1.3. Использование различных отходов производств в качестве сорбентов для очистки сточных вод 15
1.3.1. Сорбенты на основе продуктов пиролиза углеродсодержащих отходов 16
1.3.2. Сорбенты на основе полимерных отходов 18
1.3.3. Сорбенты на основе отходов металлургических производств 19
1.3.4. Сорбенты на основе отходов деревообрабатывающего и аграрного
производства 21
1.4. Сорбенты для очистки сточных вод от тяжелых металлов 23
1.5. Способы получения сорбентов для очистки сточных вод от тяжелых
металлов 24
1.6. Сорбционные материалы, полученные методом пиролиза 27
1.7. Загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами 28
2. МЕТОДЫ И АППАРАТУРА 32
2.1. Лазерный анализатор размера частиц марки «Microsizer 201C» 32
2.2. Анализатор влажности ML-50 33
2.3. Метод ультразвуковой обработки 35
2.4. Спектрофотометр UNICO-2800 37
2.5. Потенциометрический анализ 38
2.5.1. Иономер И-160М 39
2.6. Кондуктометрический анализ 40
2.6.1. Кондуктометр АНИОН-7020 42
2.7. Хроматограф изократический жидкостный «Стайер» 43
2.8. Атомно-эмиссионный спектральный анализ 45
2.8.1. Атомно-эмиссионный спектрометр Agilent 720-OES 46
2.9. Определение токсичности веществ по смертности тест-объектов 48
2.9.1. Оценка результатов токсикологического анализа 50
3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЯ 51
3.1. Гранулометрический состав золы твердых продуктов пиролиза 53
3.2 Определение влажности золы твердых продуктов пиролиза 56
3.3. Измерение массовой доли золы 57
3.4. Определение насыпной плотности золы твердых продуктов пиролиза 58
3.5. Общая характеристика водной вытяжки 60
3.5.1 Определение минерализации, УЭП, pH 61
3.7 Содержание ионов тяжелых металлов в водной и ацетат-аммонийной
вытяжках золы ТИП 69
3.8 Адсорбционная активность по йоду и метиленовому голубому 88
3.9 Сорбция ИТМ ТИП и его золы 92
3.10 Определение токсичности продуктов озоления ТИП методом
биотестирования 94
4. ОХРАНА ТРУДА И ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ 99
4.1. Охрана труда при работе в лаборатории 99
Основные правила безопасной работы в лаборатории: 100
4.2. Охрана труда при работе с химической посудой 101
4.2.1 Общие положения 101
4.2.2 Требования безопасности перед началом работы 102
4.2.3 Требования безопасности во время работы 102
4.2.4 Требования безопасности по окончании работы 103
4.3. Охрана труда при работе с химическими веществами 104
4.3.1. Особенности работы с кислотами и щелочами 104
4.3.2. Особенности работы с твердыми веществами 105
4.4. Основные правила противопожарной безопасности 106
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 108
ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ 110
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 111
Экологическая ситуация в Российской Федерации характеризуется высоким уровнем антропогенного воздействия на окружающую природную среду.
Объем сточных вод, сбрасываемых в поверхностные водные объекты без очистки, остается очень высоким. Количество отходов, не вовлекающихся во вторичный хозяйственный оборот, а направляющихся на размещение, возрастает. При этом условия хранения и захоронения отходов не соответствуют требованиям экологической безопасности.
Объем сброса сточных вод по Российской Федерации в 2016 году составил 42,9 млрд.куб.м. Сброс недостаточно очищенной сточной воды составил 355,9 млн.куб.м, а сброс загрязненной сточной воды без очистки 83,5 млн.куб.м.
Среди острых экологических проблем - проблема обезвреживания отходов производства и потребления. Таких отходов накопилось к настоящему времени 35 миллиардов тонн [1].
Свалки под мусор в настоящее время занимают около 48 тысяч гектар, несмотря на то, что законодательством введены жесткие нормы утилизации и обезвреживания коммунальных отходов.
Особую опасность представляют иловые осадки канализационных сточных вод, которые образуются в нашей стране ежегодно в количестве более 150 млн. тонн в пересчете на сухое вещество. Осадки содержат не только минеральные и органические составляющие, но и вредные компоненты, как сероводород, альдегиды, амины и т.д., а также патогенную микрофлору, болезнетворные вирусы, паразитные агенты и другое.
Часто спецификой городских канализационных систем является результат смешивания коммунальных и промышленных сточных вод. Поэтому в осадках могут присутствовать соединения тяжелых металлов, органические соединения типа бенз(а)пирена, пестицидов, фенолов и т.д. Это значит, что использовать такие иловые осадки для изготовления удобрений опасно. В таком случае альтернативой является пиролизная переработка иловых осадков, как углеродосодержащих отходов (УСО), с получением газообразного, жидкого пиролизных топлив и твердого остатка (полукокса, или карбонизата), который содержит некоторое количество углерода и благодаря этому является потенциальным сорбентом для очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов. Пиролиз УСО экономически более целесообразен, так как, в отличие от сжигания УСО, снижается негативное воздействие на атмосферу, а также пиролиз позволяет получить ряд продуктов, которые могут быть реализованы с целью частичной или полной компенсации затрат на переработку. Пиролиз возможен для большинства углеродосодержащих отходов, например, таких как древесные отходы, отходы резинотехнических изделий, куриный помет, коровий навоз, твердые коммунальные отходы, отходы полимеров и т.д. [2].
По причине того, что традиционные угольные сорбенты способны извлекать из водной среды тяжелые металлы, логично предположить возможность применения твердых продуктов пиролиза УСО для сорбции из сточных вод тяжелых металлов.
Настоящая работа актуализируется также благодаря следующим положениям:
- Территориально-производственный кластер «ИнноКам», куда входит город Набережные Челны, является территорией устойчивого и интенсивного промышленного развития, которая находится в Камской агломерации республики Татарстан;
- Набережные Челны имеет статус территории опережающего социально-экономического развития (ТОСЭР или ТОР);
- на территории «ИнноКам» нефтегазопереработка и нефтехимия, автомобилестроение и машиностроение, тепло- и электроэнергетика, агропромышленный комплекс являются источниками сброса значительных объемов загрязняющих веществ в составе сточных вод, в том числе и тяжелых металлов;
- Республика Татарстан является пилотным регионом в РФ наряду с Московской областью по совершенствованию системы утилизации отходов.
Цель работы заключается в том, чтобы на основании оценки встречной миграции вредных ингредиентов из твердых продуктов пиролиза углеродосодержащих отходов в водную фазу обосновать возможность использования таких продуктов в качестве сорбентов для очистки сточных вод от тяжелых металлов.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
- получение твердых продуктов пиролиза УСО - иловых осадков, древесных отходов (опилки), измельченных отходов отработанных автомобильных покрышек, куриного помета в производственных условиях.
- озоление ТПП УСО;
- определение гранулометрического состава продуктов озоления;
- исследование влажности, массовой доли золы, насыпной плотности;
- исследование показателей водной вытяжки твердых продуктов пиролиза УСО после озоления - рН, удельная электропроводность, минерализация, количественное содержание макро-ионов;
- обработка ТПП ультразвуком;
- определение адсорбционной активности по отношению к йоду и метиленовому голубому продуктов пиролиза и озоления;
- изучение токсичности продуктов озоления продуктов пиролиза УСО биотестированием;
- сорбция тяжелых металлов из модельных растворов;
- оценка эффективности сорбционных свойств твердого продукта пиролиза УСО и полученных из них сорбентов методом озоления и обработки ультразвуком.
Для исследования используются образцы продуктов пиролизной переработки УСО, полученных на производственной линии по пиролизу отходов на иловых полях ООО «Челныводоканал».
В работе применены современные методы пробоподготовки и количественного химического анализа: потенциометрия, кондуктометрия, ИК-спектроскопия, спектрофотометрия, атомно-эмиссионная спектроскопия.
1. С целью расширить наименование сорбционных материалов из углеродосодержащих отходов проведено озоление твердых продуктов пиролиза углеродосодержащих отходов и их ультразвуковая обработка.
2. Для оценки эмиссии загрязняющих веществ продуктов переработки углеродосодержащих отходов в водную фазу исследовали миграцию макро - ионов и ионов тяжелых металлов вредных ингредиентов из продуктов переработки углеродосодержащих отходов в водную фазу и обратно.
3. Установили приоритетность продуктов переработки углеродосодержащих отходов с точки зрения эмиссии в водную и ацетат-аммонийную вытяжки (от самого опасного к менее опасному).
4. Определили содержание подвижных форм макро-ионов и ионов тяжелых металлов.
5. Показано методом биотестирования, что твердые продукты пиролиза отходов куриного помета и его смеси с иловыми осадками относятся к 4 классу опасности, а твердые продукты пиролиза илового осадка, отходов древесины и отходов резины относятся к 5 классу опасности.
6. Установлено, что ультразвуковая обработка суспензии продуктов переработки углеродосодержащих отходов приводит к вымыванию из водной фазы макро-ионов и возможно ионов тяжелых металлов, что отражается на увеличении УЭП во времени в ходе эксперимента. Как следствие, обнаружено увеличение сорбционной активности продуктов переработки по отношению к стандартам раствора йода и метиленового голубого, и модельным растворам ионов тяжелых металлов.
Таким образом, подтверждено наличие сорбционной активности твердых продуктов пиролиза углеродосодержащих отходов и продуктов их озоления, а также впервые показано заметное увеличение сорбционной активности в результате применения ультразвуковой обработки. Предложено использовать более эффективную, по сравнению с химической, физическую активацию способом ультразвукового воздействия на суспензию потенциального сорбента, что более безопасно с природоохранной точки зрения.
7. Применение предлагаемых сорбционных материалов из продуктов пиролизной переработки УСО будет способствовать:
- снижению накопленного экологического ущерба;
- сокращению площадей под временное и длительное хранение УСО;
- уменьшению объемом выбросов и сбросов вредных веществ при производстве сорбентов из отходов в сравнении с технологиями, которые основаны на изъятии из окружающей среды природного минерального или органического сырья;
- оздоровлению экологической обстановки и сохранению здоровья людей за счет уменьшения запасов УСО и снижения эмиссии вредных веществ;
- совершенствованию технологии пиролизной переработки УСО и технологии получения новых материалов из отходов производства и потребления;
- увеличению объемов очищенной сточной воды от тяжелых металлов в регионе, где может быть организовано производство и применение таких сорбционных материалов;
- росту потребления сопутствующей продукции пиролиза УСО - электро- и теплоэнергии, что позволит сделать технологию изготовления сорбентов энергетически самодостаточной;
- снижению логистических издержек по обращению с
углеродосодержащими отходами производства и потребления.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
