Введение 5
1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 8
1.1. Сорбционные методы очистки сточных вод 8
1.2. Классификация сорбентов 10
1.3. Сорбенты для очистки сточных вод от тяжелых металлов 14
1.4. Сорбенты для очистки сточных вод от нефтепродуктов 16
1.5. Способы получения сорбентов для очистки сточных вод от тяжелых металлов и
нефтепродуктов 21
1.6. Пиролиз углеродсодержащих отходов для получения сорбентов 23
1.7. Сорбционные материалы, полученные методом пиролиза углеродсодержащих
отходов 28
Выводы по главе 1 30
2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ 31
2.1. Используемые реактивы и растворы 31
2.2. Измерительная аппаратура 31
2.3. Математическая обработка результатов эксперимента 35
2.4. Измерение массовой доли золы 36
2.5. Определение показателей водной вытяжки 37
2.6. Определение насыпной плотности 38
2.7. Определение БПК 38
2.8. Определение величины адсорбционной активности по метиленовому голубому ... 39
2.9. Определение сорбционных свойств по отношению к ионам тяжелых металлов 40
2.10. Определение сорбционных свойств по отношению к нефтепродуктам 40
2.11. Определение токсичности продуктов пиролиза биотестированием 42
2.12. Определение сорбционной емкости 42
Выводы по главе 2 43
3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЯ 44
3.1. Характеристика полученного продукта пиролиза 44
3.2. Показатели водной вытяжки продуктов пиролиза 58
3.3. Токсичность продуктов пиролиза 62
3.4. Сорбционные показатели продуктов пиролиза 64
3.5. Сорбционные показатели продуктов пиролиза после активирования 67
3.5.1. Массовая доля золы полученного сорбента 70
3.5.2. Показатели водной вытяжки полученного сорбента 70
3.5.3. Сорбционные свойства полученного сорбента 71
3.5.4. Сорбционная емкость 78
Выводы по главе 3 86
4. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 88
4.1. Расчет себестоимости получения сорбционного материала из продуктов пиролиза 88
4.1.1. Расчет себестоимости 88
4.1.2. Расчет оплаты труда 89
4.1.3. Амортизационные отчисления 90
4.1.4. Стоимость электроэнергии 92
4.1.5. Стоимость используемых реактивов 92
Выводы по главе 4 94
Общие выводы и результаты работы 95
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 99
Перечень условных сокращений
Негативное техногенное воздействие на окружающую среду связано, прежде всего, с эмиссией загрязняющих веществ в окружающую среду в результате антропогенной деятельности и изъятием из природной среды части природных ресурсов.
Уменьшение такого воздействия возможно за счет:
- перехода на безотходные или малоотходные технологии;
- повышения эффективности очистных сооружений;
- снижения материало- и энергоёмкости производств и повышения их энергоэффективности;
- переработки отходов и прочих вторичных ресурсов.
Одна из острых экологических проблем - проблема обезвреживания от-ходов производства и потребления. Таких отходов накопилось к настоящему времени 35 миллиардов тонн [1]. Свалки под мусор занимают обширные территории, являясь потенциальными источниками эмиссии загрязняющих веществ в окружающую среду.
В связи с накоплением отходов производства и потребления и ежегодным их образованием в больших объёмах актуальной является переработка производственных и твердых коммунальных отходов.
Альтернативной является пиролизная переработка углеродосодержащих отходов (УСО), с получением газообразного, жидкого пиролизных топлив и твердого остатка, содержащего определенное количество углерода и являющегося потому потенциальным сорбентом для очистки сточных вод от тяжелых металлов и нефтепродуктов. Пиролиз УСО экономически более целесообразен, поскольку в отличие от обычного сжигания УСО с одной стороны снижает негативное воздействие на атмосферный воздух, а с другой 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, отработанные автомобильные покрышки, куриный помет, коровий навоз, твердые коммунальные отходы, отходы полимеров и ВМС и т.п.
В области переработки отходов многочисленные исследования и испытания проводятся как в нашей стране, так и за рубежом [2-3].
Нами предполагается, что сорбционные материалы из продуктов пиролизной переработки УСО должны быть эффективными и относительно дешевыми по следующим соображениям:
- твердый продукт пиролиза, как потенциальный сорбент из отходов, содержит углерод, традиционно являющийся эффективным сорбентом по от-ношению к широкому ряду сорбатов;
- твердые сорбенты из отходов образуются совместно с другими продуктами - газообразным и жидким пиролизным топливом, за счет которых возможна энергетически автономная работа комплекса по переработке;
- производство и использование твердых сорбентов из УСО делает возможным уменьшение запасов отходов, иными словами решает не одну, а ряд общегосударственных задач;
- производством и использованием твердых сорбентов из УСО обеспечивается увеличение объемов перерабатываемых отходов;
- вторичное сырье (УСО) для таких твердых сорбентов доступно, его запасы и ежегодное воспроизводство обеспечит сырьем производство сорбентов на многие годы вперед;
- производство и использование твердых сорбентов из УСО приводит к уменьшению эмиссии вредных веществ в окружающую среду, в сравнении с получением сорбентов из первичных ресурсов;
- производство и использование твердых сорбентов из иловых осадков иловых полей водоканалов улучшает санитарно-гигиеническую и эпидемиологическую обстановку на сопредельных территориях.
Объектом исследования являются твердые продукты пиролиза углеродосодержащих отходов - иловых осадков, древесных отходов (опилки), из-ношенных автомобильных покрышек.
Предметом исследования являются показатели, характеризующие сорбционные свойства твердых продуктов пиролиза по отношению к тяжелым металлам и нефтепродуктам - влажность, дисперсионный состав, удельная площадь поверхности, токсичность, эффективность сорбции тяжелых металлов и нефтепродуктов, показатели водной вытяжки - рН, удельная электропроводность, минерализация, БПК.
Цель работы - разработка сорбционных материалов для очистки при-родных и сточных вод от тяжелых металлов и нефтепродуктов на основе продуктов низкотемпературного пиролиза углеродосодержащих отходов (иловых осадков, древесных отходов (опилки), изношенных автомобильных покрышек).
Задачи исследования:
- получение твердых продуктов пиролиза УСО - иловых осадков, древесных отходов (опилки), измельченных отходов отработанных автомобильных покрышек в производственных условиях.
- определение гранулометрического состава твердых продуктов пиролиза УСО;
- изучение токсичности продуктов пиролиза УСО;
- определение элементного состава, удельной площади поверхности;
- изучение пористой структуры продуктов пиролиза УСО;
- исследование влажности, массовой доли золы, насыпной плотности;
- исследование водной вытяжки твердых продуктов пиролиза УСО - рН, удельная электропроводность, минерализация, БПК;
- проведение активации твердых продуктов пиролиза УСО;
- сорбция тяжелых металлов из модельных растворов;
- сорбция углеводородов из модельных растворов;
- оценка эффективности сорбционных свойств твердых продуктов пиролиза УСО и полученных из них методом активирования сорбентов.
1. Посредством низкотемпературного пиролиза в производственных условиях получены образцы твердых продуктов пиролиза иловых осадков, древесных отходов и отходов резины.
2. Методом биотестирования показано, что полученные продукты пиролиза УСО относятся к IV (четвертому) классу опасности.
3. Методом ситового анализа и с помощью лазерного анализатора размеров частиц марки «Microsizer 201С» получены данные о распределение частиц твердых продуктов пиролиза по размерам. Данные гранулометрического анализа предполагают, что различный размер частиц твердых продуктов пиролиза разного происхождения может повлиять на сравнительные сорбционные показатели материалов.
4. Методом сканирующей электронной и рентгеновской микроскопии изучены элементный состав и структура поверхности продуктов пиролиза.
Полученный в ходе исследований электронно-микроскопический снимок структуры твердых продуктов пиролиза показал наличие пористой структуры потенциальных сорбентов.
Согласно рентгенофазовому анализу основными компонентами продукта пиролиза иловых осадков являются углерод, кислород и азот. Высокое содержание органических соединений в сухом веществе илового осадка обуславливает суммарное содержание этих компонентов около 83% от элементного состава анализируемого продукта пиролиза. На минеральную часть приходится менее 17 % от элементного состава.
Основными компонентами продукта пиролиза отходов древесины являются углерод и кислород. Суммарное содержание этих компонентов более 99% от элементного состава анализируемого продукта пиролиза.
5. Удельная площадь поверхности твердого продукта пиролиза иловых осадков по методу БЭТ составила 58,7 м2/г, отходов древесины - 310,5 м2/г. Объем пор по методу БДХ составил для продукта пиролиза иловых осадков 0,155 см3/г, продукта пиролиза отходов древесины - 0,225 см3/г.
Полученные данные свидетельствуют о наличии сорбционных свойств, что подтверждено также сорбционным поглощением метиленового голубого, ИТМ и НП.
6. Влажность продуктов пиролиза во всех случаях меньше нормативного значения. Для твердого продукта пиролиза иловых осадков влажность составила 0,9%, отходов древесины - 2,7%, отходов резины - 1,3%. Норматив равен 10%.
Зольность исследуемых продуктов пиролиза УСО значительна и превышает зольность расщепленного графитового сорбента или активированного угольного сорбента, что свидетельствует о необходимости деминерализации продуктов пиролиза с целью улучшения его адсорбционной емкости.
Для твердого продукта пиролиза иловых осадков массовая доля золы составила 46,9%, отходов древесины - 40,3%, отходов резины - 50,2%.
Полученные в ходе определения значения насыпной плотности продуктов пиролиза не уступают по сравнению с известными адсорбентами. И составляют для иловых осадков- 642,8 г/дм3, древесных отходов - 295,2 г/дм3, отходов резины - 566,8 г/дм3.
7. Исследование водной вытяжки твердых продуктов пиролиза УСО показало, что твердые продукты пиролиза изучаемых отходов не загрязняют водную среду кислотными остатками, катионами I и II групп, ИТМ, НП и органическими соединениями.
8. Оценку адсорбции проводили на основании результатов, полученных с помощью методики определения адсорбции по метиленовому голубому. Сорбционные свойства продуктов пиролиза по отношению к ИТМ изучались методом атомно-эмиссионной спектрометрии на модельных растворах соответствующего ИТМ, по отношению к НП - методом ИК-спектрофотометрии.
Продукт пиролиза иловых осадков показал наилучшие сорбционные свойства к ИТМ, по отношению к ионам железа степень сорбции составила 99,8%, для остальных исследуемых ИТМ варьировалась от 35,4 до 77,6%
Продукт пиролиза отходов резины показал наилучшие сорбционные свойства по отношению к НП. Для модельного раствора керосина степень сорбции составила 88,4%, для остальных исследуемых модельных растворов варьировалась от 33,7 до 85,7%.
9. Для увеличения сорбционной активности продуктов пиролиза изучено их активирование растворами кислот и щелочей. Установлено, что раствор щелочи в большей степени увеличивает сорбционную эффективность продуктов пиролиза.
Исследование сорбционных свойств показало, что активированный продукт пиролиза иловых осадков по уровню эффективности не уступает товарному сорбенту тяжелых металлов марки БАУ.
С помощью инфракрасного нефтеанализатора КН-3 показано, что наилучшие сорбционные показатели по отношению к нефтепродуктом в модельных растворах проявляет активированный раствором гидроксидом натрия продукт пиролиза древесных опилок.
Получены изотермы сорбции ТМ и НП, максимальная удельная ад-сорбция для ионов Fe3+— 8,37 мг/г, Cu2+— 10,9 мг/г для продуктов пиролиза иловых осадков активированных гидроксидом натрия, максимальная удельная адсорбция для толуола продуктами пиролиза древесных опилок - 10,9 мг/г и продуктами пиролиза отходов резины - 14,8 мг/г, гексана 10,9 мг/г и 14,8 мг/г, эмульгированных нефтепродуктов 27,1 мг/г и 20.1 мг/г- соответственно.
10. Стоимость полученного сорбционного материала на основе продукта пиролиза углеродсодержащих отходов в 9-14 раз дешевле, чем у наиболее часто применяемых товарных сорбентов на основе активированных углей и составляет 5305,50 руб/т.
11. Применение предлагаемых сорбционных материалов из продуктов пиролизной переработки УСО будет способствовать:
- уменьшению накопленного экологического ущерба;
- уменьшению площадей под временное и длительное хранение УСО;
- снижению эмиссии вредных веществ при производстве сорбентов из отходов по сравнению с технологиями, где используются природное минеральное или органическое сырье;
- оздоровлению экологической обстановки и сохранению здоровья людей за счет уменьшения запасов УСО и снижения эмиссии вредных веществ;
- развитию технологии пиролизной переработки углеродосодержащих отходов и технологии получения новых сорбентов из отходов производства и потребления;
- расширению номенклатуры сорбционных материалов за счет производства новых эффективных и дешевых сорбентов из отходов;
- увеличению объемов очищенной сточной воды от тяжелых металлов и нефтепродуктов в регионе, где может быть организовано производство и применение таких сорбционных материалов;
- повышению эффективности работ при аварийных разливах нефти и нефтепродуктов с использованием предлагаемых сорбентов;
- получению альтернативных газового и жидкого пиролизных топлив в районе накопления или образования углеродсодержащих отходов;
- росту производства сопутствующей продукции пиролиза УСО - электро- и теплоэнергии, что позволит сделать технологию изготовления сорбентов энергетически самодостаточной;
-снижению логических издержек по обращению с углеродосодержащими отходами производства и потребления.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
