Комплексні ресурсоефективні технології очищення вод паперових виробництв

Ескіз

Файли

Halysh_dys.pdf (7.09 MB)

Дата

2023

Автори

Науковий керівник

Назва журналу

Номер ISSN

Назва тому

Видавець

КПІ ім. Ігоря Сікорського

Анотація

Галиш В.В. КОМПЛЕКСНІ РЕСУРСОЕФЕКТИВНІ ТЕХНОЛОГІЇ ОЧИЩЕННЯ ВОД ПАПЕРОВИХ ВИРОБНИЦТВ. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.17.21 – Технологія водоочищення. – Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського", Київ, 2023. Дисертаційна робота присвячена створенню комплексних ресурсоефективних технологій очищення вод підприємств, які виробляють картонно-паперову продукцію та широко використовують вторинну сировину – макулатуру, шляхом розробки технологічних рішень зі збільшення ефективності очищення підсіткових вод в локальних умовах, зменшення об’ємів утворення забруднених стічних вод, їх ефективного освітлення та повторного використання в технологічних процесах, а також часткової заміни вторинного волокна на первинне з вітчизняної сировини, що також має позитивний вплив на інтенсифікацію очищення забруднених підсіткових вод. У першому розділі розглянуто сучасний стан проблеми утворення та очищення стічних вод паперових виробництв. Описано способи забезпечення ефективного очищення підсіткових вод з використанням механічних, фізикохімічних та біологічних способів, економії водних ресурсів у виробництві паперу та картону з макулатури. Детальну увагу приділено способам підвищення ефективності утримання волокна на сітці під час формування паперу, серед яких використання допоміжних хімічних речовин, таких як зміцнюючі добавки, флокулянти та коагулянти, заміна вторинного волокна первинним целюлозним з дешевої недеревної сировини. Іншим напрямком, який забезпечує зменшення водокористування, є ефективне локальне очищення підсіткових вод з повторним їх використанням в технологічних процесах. Актуальним є також розробка ефективних способів утилізації побічних продуктів процесів очищення стічних вод, виробництва картонно-паперової продукції та целюлозного волокна. Незважаючи на великий обсяг виконаних раніше досліджень, залишаються невирішеними питання, зокрема вибору хімічних речовин для використання у виробництві макулатурного паперу для зменшення втрат волокна, зменшення забрудненості підсіткових вод, збільшення частки використання скопу, що містить велику кількість дрібних волокон, у композиції паперу без втрат його показників міцності та зменшення витрат підготовленої води шляхом заміни на очищену підсіткову. Мало уваги приділено комплексному використанню вітчизняної недеревної рослинної сировини для одержання первинного целюлозного волокна, придатного для заміни неліквідного макулатурного. Важливим та невирішеним є питання використання неволокнистих рослинних відходів у вирішенні проблеми забруднення навколишнього середовища токсичним синтетичними барвниками, які також містяться у стічних водах паперових та картонних виробництв. Другий розділ містить відомості про об’єкти дослідження, матеріали та речовини, що використовувалися в дисертаційних дослідженнях для очищення підсіткових вод від виробництва паперу та картону, одержання зразків паперу та картону, первинного волокна, біосорбентів з неволокнистої рослинної сировини, лігніну з відпрацьованого делігніфікуючого розчину, його карбонізації, утилізації побічних продуктів водоочищення в складі епоксикомпозитів та будівельних сумішей. Наведено методики дослідження структурних та сорбційних властивостей вихідних матеріалів, цільових та побічних продуктів, а також методики очищення підсіткових вод з використанням флокулянтів та коагулянтів. Представлено методи статистичної та математичної обробки експериментальних даних, оптимізації технологічних процесів. У третьому розділі детально досліджено умови використання флокулянтів різної природи для коагуляції дрібного волокна у виготовленні картону тарного з вторинного волокна в композиції зі скопом паперових виробництв за його витрати від 15 до 50 %. Збільшення частки скопу в композиції картону призводить до зниження показників міцності, що є очікуваним з огляду на фракційний склад скопу. За збільшення вимоїв коротких волокон, каламутність підсіткових вод збільшується. Результат використання промислових флокулянтів в обробці макулатурної маси свідчить про їхній неоднозначний вплив, оскільки спостерігається позитивний ефект на якість очищення підсіткових вод, проте відбувається погіршення показників міцності картону. Максимально ефективними виявилися катіонні флокулянти за дози 0,15 % та за вмісту скопу у композиції картону на рівні 15 %. Використання аніонних флокулянтів виявилося малоефективним, що, очевидно, пов’язано з електрокінетичними властивостями флокулянта та волокнистих частинок макулатурної маси, які у водному середовищі набувають негативного заряду, що є причиною виникнення електростатичного відштовхування. Дослідження показують, що за умов використання скопу вторинні волокна та крохмаль не повністю утримуються на сітці. Вміст вуглеводів в підсіткових водах зменшується при переході від нативного до модифікованого крохмалю. У випадку збільшення витрати модифікованих катіонованних крохмалів відбувається зниження каламутності підсіткових вод. В усіх випадках за використання крохмалів зафіксовано зменшення часу зневоднення макулатурної маси на сітці під час формування полотна. За використання катіонних крохмалів з витратою 1,0- 1,3 % було одержано зразки картону макулатурного з необхідними показниками міцності. Результати дослідження використання у композиції картону макулатурного 20 % скопу, а також крохмалів у поєднані з флокулянтами свідчать про ефективність такого поєднання компонентів, що сприяє зменшенню каламутності підсіткових вод. Позитивний вплив флокулянту зафіксовано лише за використання нативного крохмалю. Застосування катіонних флокулянтів у композиції з модифікованими крохмалями є недоцільним, оскільки суттєвого поліпшення процесу з точки зору технічної організації чи ресурсоефективності, чи навіть покращення показників якості кінцевої продукції не відбувається. У результаті модифікування нативного кукурудзяного крохмалю гексаметилентетраміном, гексаметилолмеламіном та епоксипропілтриетаноламонійхлоридом одержано катіонові крохмалі з різним вмістом нітрогену. В усіх випадках використання одержаних модифікованих крохмалів встановлений їхній позитивний вплив на показники каламутності підсіткових вод та якості макулатурного картону. Збільшення витрат крохмалів призводить до збільшення значення показників абсолютного опору продавлюванню та зусилля стиснення на короткій відстані у поперечному напрямі. Аналогічний позитивний вплив на показники міцності має і збільшення вмісту нітрогену в отриманих катіонних крохмалях. Зразки картону, одержані за використання обробленого гексаметилентетраміном крохмалю, за значеннями абсолютного опору продавлюванню відповідають зразкам з нативним кукурудзяним крохмалем. Картон з модифікованим гексаметилолмеламіном крохмалем практично за всіма виміряними фізико-механічними показниками не поступається зразкам з катіонним крохмалем Катіонаміл. За використання крохмалів, модифікованих гексаметилентетраміном, їхній вплив на абсолютний опір продавлюванню може бути співставленним зі значеннями, одержаними за використанні сильнокатіонного крохмалю Церезану. Найкращі результати отримані тільки за використання крохмалю, модифікованого епоксипропілентриетаноламонійхлоридом, застосування якого з витратою 1 % дозволяє значно знизити каламутність підсіткових вод до 26 мг/дм3 . За збільшенням ефективності в підвищенні показників міцності та якості підсіткових вод синтезовані катіоновані крохмалі розташовуються в наступній послідовності: крохмаль модифікований гексаметилентетраміном – крохмаль модифікований гексаметилолмеламіном – крохмаль модифікований епоксипропілтриетаноламонійхлоридом. Результати дослідження процесів освітлення підсіткових вод від виробництва картону з макулатури показали, що найкращими коагулянтами є 1/3 та 5/6 гідроксохлориди алюмінію. Чим більше концентрація завислих речовин у суспензії, тим більшу коагулюючу дію проявляє коагулянт. Під час оброблення води з вмістом завислих речовин 1520 мг/дм3 максимальна ефективність освітлення сягала лише 92,5 %, в той час як для концентрації 3200 мг/дм3 – 98 % за умов однакової витрати коагулянтів. Однак, навіть за цих значень ступеня освітлення, концентрації залишкових завислих речовин сягають 114 та 64 мг/дм3 , відповідно. В окремих партіях освітленої води залишковий вміст завислих речовин сягає 200-400 мг/дм3 , основна частина яких припадає на зміцнюючі добавки та наповнювачі. Результати дослідження свідчать про те, що мінеральні наповнювачі погано видаляються з суспензії як механічними, так і фізико-хімічними методами. Результати дослідження ефективності освітлення промислової підсіткової води свідчать про доцільність проведення попереднього відділення волокнистої фракції з суспензії з наступним видаленням дрібнодисперсних речовин шляхом коагулювання та з наступним фільтруванням. У всіх випадках гідроксохлориди алюмінію значно ефективніше забезпечують видалення завислих речовин. Причому, шляхом двостадійного відстоювання дозу коагулянтів можна знизити з 70-100 мг/дм3 за А12ОЗ до 30 мг/дм3 . Однак у тих випадках, коли у воді є каолін, ефективно освітлювати воду навіть із застосуванням коагулянтів досить складно. Завдання вирішується застосуванні додаткової стадії оброблення - фільтруванні води. Більшість промислових флокулянтів виявилися малоефективними під час освітлення виробничої стічної води через високу залишкову каламутність, яка обумовлена присутністю мінеральних наповнювачів. Флотацією відстояної води з наступним фільтруванням досягнуто суттєве зниження каламутності підсіткових вод. За додаткового використання допоміжних хімічних речовин, ефективність процесу флотації вдалося підвищити. Наступним фільтруванням можна досягти глибокого освітлення води. В четвертому розділі виконано оцінку ефективності очищення підсіткових вод від виробництва картону з первинного целюлозного волокна та встановлено придатність використання волокнистих відходів сільського господарства у вигляді соломи та стебел, а також стебел швидкоростучих технічних рослин для одержання первинного целюлозного волокна, використання якого в композиції паперу та картону дозволить частково або повністю замінити вторинне волокно. Представлені результати розрахунків свідчать про те, що зі збільшенням тривалості варіння ступінь делігніфікації збільшується, але разом з тим, в деякій мірі збільшується і ступінь видалення вуглеводної складової. Збільшення тривалості обробки призводить до зменшення показника селективності. Всі досліджені зразки целюлози характеризуються однаковою тенденцією у зміні оптимальності видалення лігніну та полісахаридів зі збільшенням тривалості обробки і всі одержані залежності проходять через певні максимуми, які відповідають оптимальній тривалості надоцтової делігніфікації. Визначені оптимальні параметри надоцтової делігніфікації, які дозволяють одержати волокнисті напівфабрикати з високими фізико-механічними показниками за прийнятних виходів та вмісту залишкового лігніну. Одержані результати показали, що оптимальними параметрами некаталітичного варіння є концентрація надоцтової кислоти 10,5 % і тривалість 2,0 год. Встановлено, що використання каталізатору дозволяє зменшити концентрацію надоцтової кислоти в реакційній суміші. У випадку використання як каталізатору вольфрамату натрію оптимальна концентрація надоцтової кислоти складає 8,3 %, молібдату натрію – 8,5 %, а змішаного каталізатору – 8,0 %. Виробництво картону тарного зі 100 % целюлози з недеревної рослинної сировини дозволяє одержати кінцевий продукт з високими показниками міцності, що не поступається вимогам діючих технічних вимог. Результати дослідження якості підсіткових вод показали, що використання в композиції тарного картону первинних волокон з недеревної рослинної сировини сприяє зменшенню їхньої забрудненості. Причому збільшення витрат первинного волокна призводить до зменшення каламутності підсіткових вод. Така стічна вода може бути легко освітлена шляхом відстоювання та фільтрування, після чого повернута в технологічний процес для заміни води на спорсках паперо- чи картоноробних машин. П’ятий розділ присвячено розробці способів модифікування неволокнистої рослинної сировини для одержання ефективних біосорбентів – поглиначів синтетичних барвників з підсіткових вод паперових виробництв. Встановлено вплив модифікуючих речовин органічної та неорганічної природи на склад, структуру та сорбційну здатність одержаних продуктів щодо органічних барвників. Визначено закономірності поглинання барвників на лігноцелюлозних та целюлозних сорбентах, досліджено залежності фіксації фарбуючих йонів синтетичних барвників на поверхні біосорбентів в залежності від тривалості процесу. Наведено ізотерми сорбції. Для досліджених зразків одержаних сорбентів процес поглинання органічних синтетичних токсикантів добре описується рівнянням ізотерми Ленгмюра та кінетичним рівнянням псевдо-другого порядку. Шостий розділ присвячено розробці способів утилізації побічних продуктів водоочищення, одержання целюлозного волокна. Досліджено структуру лігніну та його хімічний склад. Показано, що надоцтовий лігнін характеризується наявністю великої кількості оксигеновмісніх функціональних груп, які визначають його сорбційну здатність. Карбонізація лігніну дозволяє підвищити його сорбційні властивості, завдяки утворенню матеріалу з високорозвиненою поруватою поверхнею. Одержаний сорбент на основі надоцтового лігніну характеризується високою сорбційною здатністю, щодо катіонних барвників, які широко використовуються у виробництві паперу та картону. За сорбційною ємністю лігнін майже не поступається, а в деяких випадках перевищує відомі аналоги. Показано, що відпрацьовані матеріали можуть бути ефективно утилізовані як компоненти органічних та неорганічних композитів. Основним ефектом використання відходів целюлозно-паперової промисловості як добавок до будівельних сумішей є прискорення тужавлення, а також твердіння цементних сумішей. Оптимальним є використання волокнистих добавок у кількості, що не перевищує 1 % від маси цементу. Введення скопу паперових виробництв в композицію епоксикомпозиту у кількості 20 % дозволяє підвищити його стійкість до дії агресивних середовищ, таких як органічні розчинники, пероксид водню, нітратна кислота та морська вода. У сьомому розділі представлено схеми технологічних процесів очищення підсіткових вод і наведено їхнє техніко-економічне обґрунтування, яке також підтвердило доцільність повторного використання очищеної підсіткової води як оборотної в технологічних процесах виробництва картонно-паперової продукції. Техніко-економічне обґрунтування свідчить також про доцільність використання допоміжних хімічних речовин та організації процесу локального очищення підсіткових вод для забезпечення економії водних ресурсів в технологічному процесі виробництва картонно-паперової продукції з макулатури. Ефективним з точки зору техніко-економічної оцінки є використання у приготуванні композиції паперової маси 20 % скопу у поєднанні з крохмалем модифікованим епоксипропілтриетаноламонійхлоридом. Такий підхід дозволяє забезпечити відчутну економію у водокористуванні та економію на подальше поводження зі скопом Повторне застосування очищених вод дозволяє забезпечити раціональне їхнє використання, сприяє зменшенню витрат підготовленої води в технологічних процесах. Застосування первинного целюлозного волокна з недеревної рослинної сировини дозволяє відчутно знизити витрати на сировинні ресурси.

Опис

Ключові слова

підсіткові води, процеси водоочищення, очищення стічних вод, обробка рідин, каламутність, макулатура, волокно, промисловий скоп, органічні домішки, крохмаль, флокулянт, коагулянт, целюлоза, модифікування поверхні, лігнін, делігніфікація, біосорбент, дисоціація, композит, переробка відходів, математична модель, фільтрат, sub-grid water, water treatment processes, wastewater treatment, turbidity, liquid treatment, waste paper, fiber, industrial sludge, organic impurities, starch, flocculant, coagulant, cellulose, surface modification, lignin, delignification, biosorbent, dissociation, composite, waste processing, mathematical model, filtrate

Бібліографічний опис

Галиш, В. В. Комплексні ресурсоефективні технології очищення вод паперових виробництв : дис. … д-ра техн. наук : 05.17.21 – Технологія водоочищення / Галиш Віта Василівна. – Київ, 2023. – 417 с.

URI

https://ela.kpi.ua/handle/123456789/64302

DOI

Зібрання

Дисертації (ЕТРП)
Дисертації (вільний доступ)