Переробка відходів з використанням феритних матеріалів для захисту довкілля
Вантажиться...
Дата
2024
Автори
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
КПІ ім. Ігоря Сікорського
Анотація
Довголап С.Д. Переробка відходів з використанням феритних матеріалів для захисту довкілля. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 101 «Екологія». – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2024 р.
Дисертаційна робота присвячена вирішенню проблеми переробки токсичних відходів, а саме розробці комплексної технології знешкодження рідких скидів та газових викидів промислових підприємств феритним методом. Екологічно безпечною може вважатися лише така технологія, застосування котрої не призводить до забруднення навколишнього середовища шкідливими залишками. У випадку утворення таких залишків їх необхідно переводити в речовини, не шкідливі для біосфери, а ще краще повторно використовувати після додаткової обробки в інших технологіях. У Європейських країнах оборот лише промивних вод гальванічних виробництв становить 97-98 % від загальної кількості стоків. В Україні рівень очищення стічних вод і, зокрема, регенерації кольорових металів, становить трохи більше 10 %. Найпоширенішими забрудниками поверхневих вод від металургійної галузі на території України є сполуки таких важких металів як залізо, мідь, хром тощо. Для очищення промислових стоків найширше використовують реагентне очищення. Також розробляються та впроваджуються безреагентні методи: електрохімічний, застосування іонообмінних смол, випарювання, адсорбція, нанофільтрація. Проблема очищення стічних вод від важких металів вирішена тільки частково, бо відсутні «зелені» рішення щодо переробки та подальшого використання відходів водоочищення таких як тверді осади та кислі розчини. Значний вплив на організм людини та стан навколишнього середовища здійснюють газові викиди в промислових районах України, де висока концентрація монооксиду вуглецю спостерігається не лише за рахунок концентрування індустріальних підприємств в трьох областях України таких як Донецька, Запорізька та Дніпропетровська (наразі деяка територія областей знаходиться в окупації), а й через неефективність роботи газоочисних споруд. Тому розробка екологічно безпечної технології переробки рідких відходів металургійного виробництва є актуальною з огляду високоефективного очищення стічних вод та результативного використання твердих відходів водоочищення для каталітичного знешкодження небезпечних викидів монооксиду вуглецю. У першому розділі описана основна небезпека для навколишнього середовища від скиду стічних вод гальванічного виробництва та наведена класифікація стічних вод гальванічного виробництва за критеріями їх утворення. Окремо було надано характеристику методам очищення стоків гальванічного виробництва. Найбільшого поширення в практиці очищення стічних вод від іонів важких металів отримав реагентний метод, що полягає у переведенні розчинних речовин у нерозчинні при додаванні різних реагентів з подальшим відокремленням їх у вигляді осадів. Однак недостатній у багатьох випадках ступінь очищення стоків, великий об’єм та труднощі зневоднення осадів знижують позитивний ефект. Одним з рішень подальшого промислового використання осадів є застосування феритного методу. Феритний метод очищення стічних вод базується на сорбції іонів важких металів гідрооксидами заліза та утворенні феритів, за якими йде топохімічна реакція захоплення сорбованих речовин кристалічною решіткою фериту. Механічні методи були описані як додаткові методи для підтримки стабільності роботи реагентних або фізико-хімічних методів. Фізико-хімічні методи відіграють істотну роль в обробці виробничих стічних вод. До них належать такі: коагуляція та флокуляція, сорбція, іонний обмін, адсорбція, електрохімічні та мембранні методи. Одним з сучасних методів є електрохімічне очищення шляхом електролізу, що вирізняється перспективністю та екологічною доцільністю. На основі проведення аналізу та систематизації літературних джерел зроблено висновок, що є доцільним проведення дослідження, присвяченого електрохімічному очищенню залізосульфатвмісних стоків з подальшим використанням розчинів сульфатів заліза (ІІ) та заліза (ІІІ) для отримання феритних матеріалів як товарного продукту. Вказані дослідження дозволять забезпечити комплексне ефективне очищення стоків від гальванічного виробництва та скоротити витрати на реалізацію. У даному розділі був проведений аналіз сорбційних методів, були визначені переваги та недоліки іонообмінного очищення води, показано перспективи методу при розділенні іонів важких металів. Проведений аналіз літературних джерел щодо технологій розробки та використання каталізаторів для окиснення СО на основі феритних матеріалів і впливу технологічних процесів на ефективність каталізаторів показав актуальність використання феритних відходів водочищення для знешкодження газоподібних токсичних викидів. В другому розділі дисертаційної роботи представлені об’єкти досліджень, що включають в себе опис, характеристику, властивості досліджуваних середовищ, матеріалів та реагентів, що використовувалися та представлені в наступних розділах дисертації. У розділі описані методології проведення іонообмінної та електрохімічної переробки рідких металовмісних відходів, очищення води сорбційними методами. Наведені методики осадження феритних осадів та нанесення їх на носії з подальшим використанням в якості каталізаторів окиснення СО. Наведий перелік нормативних документів, на якому ґрунтувалися дослідження екологічних ризиків на ПрАТ «Укрграфiт». Третій розділ роботи присвячений дослідженню ефективності очищення сульфатвмісних кислих розчинів від катіонів заліза (ІІ) та міді (ІІ). В якості іонообмінної смоли був застосований катіоніт Dowex HCR S/S в Н+ -формі. Для регенерації використовували 5 та 10 %-вий розчини сульфатної кислоти. Дослідження були розбиті на 4 окремих складових вилучення катіонів заліза з концентрацією 1 г/дм3, де концентрація сірчаної кислоти варіювалася від чистої проби без кислоти до 3,5 г/дм3 сірчаної кислоти, та 5 г/дм3 в діапазоні концентрації сірчаної кислоти від 0,5 г/дм3 до 13 г/дм3. Вилучення іонів міді концентрацією 0,8-1 г/дм3 відбувалось з розчинів без кислоти та з концентрацією сірчаної кислоти 1,2 г/дм3. Проводилось також сумісне вилучення іонів заліза та міді в пристуності сірчаної кислоти. Визначена ефективність регенерації катіоніту з метою отримання концентрованих залізовмісних та мідьвмісних регенераційних розчинів для реалізації феритного методу з метою отримання феритних частинок (магнетиту) з максимальними магнітними властивостями. Розроблена та обґрунтована технологічна схема «зеленої» переробки відходів гальванічного виробництва. В третьому розділі значна увага приділена електродіалізному та феритному методу знешкодження промислових залізовмісних сульфатних розчинів. Досліджено вплив концентрацій розчину сульфату заліза (ІІ) в катодній камері та сульфатної кислоти в анодній камері в двокамерному електролізері на процес розділення домішок з врахуванням заміни анодного матеріалу з титану на свинець. Показано можливість окиснення іонів заліза (ІІ) в анодній камері двокамерного електролізеру в присутності сульфатної кислоти в катодній камері. Значну увагу було приділено дослідженню фізико-хімічного стану феритного матеріалу, одержаного з товарного продукту електродіалізу – концентрованого розчину сульфату заліза (ІІІ). Як підсумок попередніх досліджень, було запропоновано технологічну схему комплексного знешкодження промислових залізовмісних сульфатних розчинів з отриманням продуктів, придатних для повторного використання. Четвертий розділ роботи присвячений дослідженню каталізаторів для окиснення СО з димових газів. Визначено фазовий склад зразку цеоліту до та після термообробки, проведено мікрорентгеноспектральний аналіз поверхні та зламу модифікованого феритними матеріалами цеоліту. Після структурних досліджень каталізаторів представлено результати моделювання процесу окиснення СО, на основі яких було створено 3D–модель багатокамерної печі випалу типу Рідгамера з конструкційними особливостями розташування каталітичних реакторів у вогневих каналах печі. Значну увагу в розділі приділено дослідженню активності волокнистих каталізаторів у реакції окиснення СО з концентраціями 1 -2 % залежно від нанесеного каталітично активного компонента - феритного матеріала без попередньої обробки. Представлено характеристики керамоволокна та процес нанесення на волокно каталізаторів з подальшим мікрорентгеноспектральним аналізом поверхні волокна. Каталізатори на керамоволокнистому носії показали високі результати ефективності, в окремих випадках досягається практично 100 %-ва конверсія СО, в результаті чого була розроблена схема розташування волокнистого каталізатора для знешкодження СО димових газів в печах графітування. П’ятий розділ дисертаційної роботи присвячений дослідженню екологічних впливів забруднюючих речовин, що присутні у викидах ПрАТ «Укрграфіт». В розділі наведені основні технологічні процеси та їх шкідливі викиди із зазначеним складом. Наведена оцiнка ризику дiяльностi для здоров’я експонованого населення та зроблена ідентифікація небезпеки щодо оцінки токсичності викидів від стаціонарних джерел ПрАТ «Укрграфіт». Зроблений розрахунок розсiювання забруднюючих речовин в атмосферi з використанням автоматизованої системи розрахунку забруднення атмосфери «ЕОЛ-2000», та, як підсумок, наведені рекомендації щодо зниження ризиків.
Опис
Ключові слова
феритний метод, стічні води, відходи, іонний обмін, електроліз, магнетит, ферит, залізо, магнітосорбційний метод, цеоліт, керамоволокно, каталізатор, каталіз, окиснення, ferrite method, wastewater, waste, ion exchange, electrolysis, magnetite, ferrite, iron, magnetosorption method, zeolite, ceramic fiber, catalyst, catalysis, oxidation
Бібліографічний опис
Довголап, С. Д. Переробка відходів з використанням феритних матеріалів для захисту довкілля : дис. … д-ра філософії : 101 Екологія / Довголап Сергій Дмитрович. – Київ, 2024. – 263 с.