Переробка відходів з використанням феритних матеріалів для захисту довкілля

Скорочена інформація про документ
dc.contributor.advisorІваненко, Олена Іванівна
dc.contributor.authorДовголап, Сергій Дмитрович
dc.date.accessioned2024-04-26T11:25:33Z
dc.date.available2024-04-26T11:25:33Z
dc.date.issued2024
dc.description.abstractДовголап 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.
dc.description.abstractotherDovholap S.D. Recycling waste using ferrite materials to protect the environment. – Qualifying scientific work on manuscript rights. Dissertation for obtaining the scientific degree of Doctor of Philosophy in specialty 101 "Ecology". - National Technical University of Ukraine "Ihor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute", Kyiv, 2024. The dissertation is devoted to the solution of the problem of processing toxic waste, namely the development of a complex technology for the disposal of liquid discharges and gaseous emissions of industrial enterprises using the ferrite method. Only such technology can be considered ecologically safe, the use of which does not lead to environmental pollution with harmful residues. In the case of the formation of such residues, they must be converted into substances that are not harmful to the biosphere, and even better, they can be reused after additional processing in other technologies. In European countries, the turnover of only washing water of galvanic productions is 97-98% of the total amount of effluents. In Ukraine, the level of wastewater treatment and, in particular, the regeneration of non-ferrous metals is slightly more than 10%. The most common surface water pollutants from the metallurgical industry in Ukraine are compounds of such heavy metals as iron, copper, chromium, etc. Reagent cleaning is the most widely used for industrial wastewater treatment. Reagent-free methods are also being developed and implemented: electrochemical, application of ion-exchange resins, evaporation, adsorption, nanofiltration. The problem of cleaning wastewater from heavy metals is only partially solved, because there are no "green" solutions for the processing and further use of water treatment waste, such as solid sediments and acidic solutions. Gas emissions in industrial areas of Ukraine have a significant impact on the human body and the state of the environment, where a high concentration of carbon monoxide is observed not only due to the concentration of industrial enterprises in three regions of Ukraine, such as Donetsk, Zaporizhzhya and Dnipropetrovsk, but also due to the inefficiency of gas treatment facilities. Therefore, the development of an environmentally safe technology for the processing of liquid metallurgical waste is relevant in view of the highly efficient treatment of wastewater and the effective use of solid waste from water treatment for the catalytic neutralization of hazardous carbon monoxide emissions. The first chapter describes the main danger to the environment from the discharge of wastewater from galvanic production and the classification of wastewater from galvanic production according to the criteria of their formation. Separately, a description was given of the methods of cleaning the effluents of galvanic production. The most widespread in the practice of wastewater treatment from heavy metal ions was the reagent method, which consists in the conversion of soluble substances into insoluble substances by adding various reagents, followed by their separation in the form of sediments. However, in many cases, the degree of sewage treatment is insufficient, the large volume and the difficulty of dewatering sediments reduce the positive effect. One of the solutions for the further industrial use of sediments is the use of the ferrite method. The ferrite method of wastewater treatment is based on the sorption of heavy metal ions by magnetic iron hydroxides and the formation of ferrites, which are followed by a topochemical reaction of capture of sorbed substances by the ferrite crystal lattice. Mechanical methods have been described as additional methods to maintain the stability of reagent or physicochemical methods. Physico-chemical methods play a significant role in the treatment of industrial wastewater. These include: coagulation and flocculation, sorption, ion exchange, adsorption, electrochemical and membrane methods. One of the modern methods is electrochemical cleaning by electrolysis, which is characterized by perspective and environmental feasibility. Based on the analysis and systematization of literary sources, it was concluded that it is expedient to conduct a study devoted to the electrochemical purification of iron sulfate-containing effluents with the subsequent use of solutions of iron (II) and iron (III) sulfates to obtain ferritic materials as a commercial product. These studies will allow to ensure complex and effective treatment of effluents from galvanic production and reduce costs for implementation. In this section, the analysis of sorption methods was carried out, the advantages and disadvantages of ion exchange water purification were determined, the prospects of the method for the separation of heavy metal ions were shown. The analysis of literary sources on technologies for the development and use of catalysts for CO oxidation based on ferritic materials and the influence of technological processes on the efficiency of catalysts showed the relevance of using ferritic waste water treatment for the neutralization of gaseous toxic emissions. The second section of the dissertation presents the objects of research, including the description, characteristics, properties of the studied environments, materials and reagents that were used and presented in the following sections of the dissertation. The chapter describes the methodologies of conducting ion-exchange and electrochemical processing of liquid metal-containing waste, water purification by sorption methods. Methods of deposition of ferrite deposits and their application on carriers with subsequent use as catalysts for CO oxidation are given. Here is a list of regulatory documents on which environmental risk studies at PJSC Ukrgrafit were based. The third section of the work is devoted to the study of the efficiency of purification of sulfate-containing acidic solutions from iron and copper cations. Dowex HCR S/S cationite in H+ form was used as an ion exchange resin. 5 and 10% sulfuric acid solutions were used for regeneration. The studies were divided into 4 separate components of iron cation extraction with a concentration of 1 g/dm3, where the concentration of sulfuric acid varied from a pure sample without acid to 3.5 g/dm3 sulfuric acid, and 5 g/dm3 in a range of sulfuric acid concentration from 0, 5 g/dm3 to 13 g/dm3. Extraction of copper ions with a concentration of 0.8-1 g/dm3 took place from solutions without xylot and with a concentration of sulfuric acid of 1.2 g/dm3. Simultaneous extraction of iron and copper ions in the presence of sulfuric acid was also carried out. The efficiency of cationite regeneration was determined in order to obtain concentrated iron-containing and coppercontaining regeneration solutions for the implementation of the ferrite method in order to obtain ferrite particles (magnetite) with maximum magnetic properties. The technological scheme of "green" processing of galvanic production waste was developed and substantiated. In the third chapter, considerable attention is paid to the electrodialysis and ferrite method of decontamination of industrial iron-containing sulfate solutions. The effect of the concentrations of iron (II) sulfate solution in the cathode chamber and sulfuric acid in the anode chamber in a two-chamber electrolyzer on the process of separation of impurities, taking into account the replacement of the anode material from titanium to lead, was studied. The possibility of oxidation of iron (II) ions in the anode chamber of a two-chamber electrolyzer in the presence of sulfuric acid in the cathode chamber is shown. Considerable attention was paid to the study of the physicochemical state of the ferrite material obtained from the commercial product of electrodialysis - a concentrated solution of iron (III) sulfate. As a summary of previous studies, a technological scheme for the complex decontamination of industrial iron-containing sulfate solutions with obtaining products suitable for repeated use was proposed. The fourth section of the work is devoted to the study of catalysts for the oxidation of CO from flue gases. The phase composition of the zeolite sample before and after heat treatment was determined, and a micro-X-ray spectral analysis of the surface and fracture of the zeolite modified with ferrite materials was performed. After the structural studies of the catalysts, the results of the simulation of the CO oxidation process are presented, on the basis of which a 3D model of a Ridhammer-type multi-chamber firing furnace with structural features of the location of the catalytic reactors in the fire channels of the furnace was created. Considerable attention is paid in the chapter to the study of the activity of fibrous catalysts in the CO oxidation reaction with concentrations of 1-2% depending on the applied catalytically active component - ferrite material without preliminary treatment. The characteristics of ceramic fiber and the process of applying catalysts to the fiber with subsequent micro-X-ray spectral analysis of the fiber surface are presented. Catalysts on a ceramic fiber carrier showed high efficiency results, in some cases the result reached close to 100% CO conversion, as a result of which a scheme of inserting a fibrous catalyst for CO neutralization of flue gases of graphitizing furnaces was developed. The fifth chapter of the dissertation is devoted to the study of the environmental effects of pollutants present in the emissions of PrJSC "Ukrgrafit". The main technological processes and their harmful emissions with the specified composition are given in the section. The risk assessment of the activity for the health of the exposed population is given and the hazard identification is made regarding the assessment of the toxicity of emissions from stationary sources of PrJSC "Ukrgrafit". The calculation of the dispersion of pollutants in the atmosphere was made using the automated system for calculating atmospheric pollution "EOL-2000", and, as a conclusion, recommendations for reducing risks were given.
dc.format.extent263 с.
dc.identifier.citationДовголап, С. Д. Переробка відходів з використанням феритних матеріалів для захисту довкілля : дис. … д-ра філософії : 101 Екологія / Довголап Сергій Дмитрович. – Київ, 2024. – 263 с.
dc.identifier.urihttps://ela.kpi.ua/handle/123456789/66517
dc.language.isouk
dc.publisherКПІ ім. Ігоря Сікорського
dc.publisher.placeКиїв
dc.subjectферитний метод
dc.subjectстічні води
dc.subjectвідходи
dc.subjectіонний обмін
dc.subjectелектроліз
dc.subjectмагнетит
dc.subjectферит
dc.subjectзалізо
dc.subjectмагнітосорбційний метод
dc.subjectцеоліт
dc.subjectкерамоволокно
dc.subjectкаталізатор
dc.subjectкаталіз
dc.subjectокиснення
dc.subjectferrite method
dc.subjectwastewater
dc.subjectwaste
dc.subjection exchange
dc.subjectelectrolysis
dc.subjectmagnetite
dc.subjectferrite
dc.subjectiron
dc.subjectmagnetosorption method
dc.subjectzeolite
dc.subjectceramic fiber
dc.subjectcatalyst
dc.subjectcatalysis
dc.subjectoxidation
dc.subject.udc504.064.43; 628.16; 699.871
dc.titleПереробка відходів з використанням феритних матеріалів для захисту довкілля
dc.typeThesis Doctoral

Файли

Контейнер файлів
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз
Назва:
Дисертація Довголап С.Д.pdf
Розмір:
6.63 MB
Формат:
Adobe Portable Document Format
Завантажити
Ліцензійна угода
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
Назва:
license.txt
Розмір:
8.98 KB
Формат:
Item-specific license agreed upon to submission
Опис:
Завантажити

Зібрання

Дисертації (ЕТРП)
Дисертації (вільний доступ)