Синтез углеродных адсорбентов из отходов переработки древесины для производства питьевой воды тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.21.03, кандидат технических наук Артемова, Людмила Васильевна

• Артемова, Людмила Васильевна
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Артемова, Людмила Васильевна

Страница

ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1. Синтез активных углей из древесины и отходов ее переработки.

1.1.1. Парогазовые способы активирования.

1.1.2. Химическое активирование.

1.1.3. Химическое активирование с использованием гидроксидов щелочных металлов.

1.2. Использование активированных углей в процессах приготовления питьевой воды.

1.2.1. Общие принципы формирования технологии адсорбционной очистки воды.

1.2.2. Адсорбционная очистка с использованием порошкообразных активированных углей

1.2.3. Адсорбционная очистка с использованием гранулированных активных углей.

1.2.4. Реактивация отработанных углеродных адсорбентов.

1.3. Основные закономерности адсорбции растворенных загрязнений из водных растворов углеродными адсорбентами.

1.4. Теоретические основы адсорбции.

1.5. Выводы по аналитическому обзору.

1.6. Цель и задачи исследований.

2. МЕТОДИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ.

2.1. Характеристика сырья.

2.2. Подготовка образцов.

2.3. Получение активных углей.

2.4. Методика выщелачивания угольных остатков пиролиза.

2.5. Методика балансовых исследований.

2.6. Методы анализа активных углей.

2.7. Оценка достоверности полученных экспериментальных данных.

2.8. Методика испытания углей в водоподготовке.

2.9. Методы определения качества питьевой воды.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.

3.1. Подбор условий углевания.

3.1.1. Характеристика угля, используемого для подбора условий углевания.

3.1.2. Определение времени контакта угля с водой.

3.1.3. Определение оптимальной дозировки угля.

3.1.4. Выводы по разделу 3.1.

3.2. Получение образцов активных углей из черного щелока и оценка их сорбционных свойств.

3.3. Испытание сорбентов из черного щелока в процессе очистки природной воды на различных стадиях технологии водоподготовки.

3.3.1. Углевание воды до введения коагулянта и флокулянта.

3.3.1.1. Общие условия.

3.3.1.2. Испытание сорбентов в летний период.

3.3.1.3. Испытание сорбентов в зимний период.

3.3.1.4. испытание сорбентов в паводковый период.

3.3.1.5. Выводы по разделу 3.3.1.

3.3.2. Углевание воды после введения коагулянта и флокулянта.

3.3.2.1. Введение сорбентов сразу после ввода реагентов.

3.3.2.2. Введение сорбентов сразу после стадии осветления.

3.3.2.3. Выводы по разделу 3.3.2.

3.3.3. Результаты развернутых испытаний сорбента.

3.3.6. Выводы по разделу 3.3.

3.4. Наработка активированных углей из коры и опилок и оценка их сорбционных свойств.

3.5. Испытание углей из коры и опилок в процессе водоподготовки.

3.5.1. Общие условия.

3.5.2. Испытание сорбентов в период низких показателей загрязнения водоема.

3.5.3. Испытание сорбентов во время паводка.

3.5.4. Результаты развернутых испытаний сорбентов из коры и опилок.

3.5.5. Выводы по разделу 3.5.

3.6. Применение углевания при сниженных дозах реагентов.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Синтез углеродных адсорбентов из отходов переработки древесины для производства питьевой воды»

Вода необходима для всех живых организмов, но можно сказать без преувеличения, что нет и отрасли промышленности, которая не испытывала бы потребности в ней. Снабжение населения кондиционной водой в достаточном количестве имеет важное социальное и санитарно-гигиеническое значение, предохраняет людей от эпидемических заболеваний, распространяемых через воду. В связи с этим, наиболее важной проблемой является гарантия необходимого для потребителей количества и качества воды [1].

В качестве источников водоснабжения часто используются воды поверхностных водоемов. В настоящее время на процессы формирования качества природных вод влияет большое число факторов, к основным из них относятся «организованные» сбросы промышленности, энергетики, сельского и коммунального хозяйства, транспорта. Источником загрязнений могут быть также мелиоративные работы, водный транспорт, лесосплав, разработка и транспортировка полезных ископаемых и другое. В результате в водные источники попадает огромное количество загрязняющих веществ (тяжелых металлов, азота, фосфора, нефти, различных органических веществ), являющихся продуктами антропогенной деятельности человека. Кроме того, возрастает и бактериальное загрязнение водоемов, в том числе и патогенными микроорганизмами [2].

Одновременно с тенденцией ухудшения качества природной воды ужесточаются требования к качеству питьевой воды, в том числе и по указанным примесям [3]. Таким образом, проблема подготовки питьевой воды в условиях повышенных антропогенных нагрузок на водоисточники является весьма актуальной.

Известно, что в США, Японии и западноевропейских странах современные технологии очистки питьевой воды основываются на широком использовании сорбционных процессов с применением активированных углей или их аналогов - природных сорбентов [4]. В России сорбционные методы при приготовлении питьевой воды применяются значительно реже. Так, если в США активный уголь применяют более 1500 станций очистки воды, расположенных более чем в 1000 городах, то в нашей стране угли используют на водоочистных станциях только в некоторых городах (Тюмень, Уфа, Ижевск, Глазов, Н. Новгород, Москва) [5].

Для решения проблемы централизованной сорбционной очистки питьевой воды в масштабе всей страны нужны колоссальные затраты на создание новых мощностей по производству активных углей и реконструкцию водоочистительных станций. В ближайшей перспективе это неосуществимо, так как связано не только с промышленным спадом и экономическими трудностями, но и со сложностями получения активных углей, пригодных именно для водоподготов-ки. Подобные активные угли должны отличаться своеобразной пористой структурой и развитой внутренней поверхностью, кроме того, при включении их в процессы водоподготовки, необходимо строго учитывать процессы формирования качества природных вод. Помимо выше перечисленного существует проблема, связанная с сырьевыми источниками для получения активных углей. Поэтому актуальны исследования, направленные на синтез сорбентов, пригодных именно для водоподготовки, с использованием многотонажных дешевых источников сырья. Такими источниками могут быть отходы переработки древесины - опилки, кора, черный щелок, лигнин и так далее.

Экспериментальными исследованиями, проводимыми в Архангельском Государственном техническом университете, было доказано, что методом пиролиза различного сырья в присутствии КаОН получаются высококачественные активные угли, основные свойства которых можно варьировать в широких пределах. Это открывает возможность направленного синтеза углеродных сорбентов, пригодных именно в технологических схемах производства питьевой воды.

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

Заключение диссертации по теме «Технология и оборудование химической переработки биомассы дерева; химия древесины», Артемова, Людмила Васильевна

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Введение стадии углевания в технологический процесс производства питьевой воды на МУП «Водоканал» г. Архангельска значительно улучшает ее качественные показатели (цветность, мутность и окисляемость), а также приводит к резкому снижению содержания специфических загрязнений: алюминия, железа, аммиака, некоторых других.

2. Для углевания воды угли, синтезируемые методом термохимической активации черного щелока, опилок и коры, использовать целесообразно, так как их адсорбционные свойства превышают таковые для угольных адсорбентов, выпускаемых промышленностью.

3. Наиболее предпочтительно проводить углевание воды до стадии введения основных реагентов при дозировке угля 20 мг/дм3 и продолжительности контакта угля с водой 15 минут

4. При испытании адсорбентов, полученных из черного щелока, установлена корреляция между их адсорбционными свойствами с традиционными показателями адсорбционной активности по йоду и метиленовому голубому. В отношении углей полученных из коры и опилок такой зависимости не наблюдалось.

5. Производство активных углей целесообразно организовать непосредственно под юрисдикцией МУП «Водоканал» в объеме 500-1000 т/год. Это позволит за счет реализации 200-700 т/год сорбентов окупить все затраты на углевание с повышением качества воды без увеличения тарифа.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Артемова, Людмила Васильевна, 2005 год

1. Храменко С. В. Сорбционная очистка воды для питьевого водоснабжения Москвы // Водоснабжение и санитарная техника. 2000.-№ 5.-С.5-7.

2. Олонцев В.Ф. Некоторые тенденции в производстве и применении активных углей в мировом хозяйстве // Химическая промышленность. -2000.-№8.-С.7-14.

3. Глушанков C.JL, Олонцев В.Ф., Пепеляев Ю.Г. Перспективы использования сорбционных технологий в подготовке питьевой воды // Докл. VIII ме-ждунар. конф. «Теория и практика адсорбционных процессов». - Москва, 1996. -С. 53

4. Беляев Ю.Е. Получение и применение древесных активированных углей в экологических целях//Химия растительного сырья.- 2000.- №2.-С. 5-15.7. — Вахтель В.Н., Петров B.C. Активные угли из лесосечных отходов Сибири // Лесной журнал. 1985. - №5. - С. 87-92

5. Мосягин В.И. Экономические проблемы использования лигнина. -Л.: Изд. Лен. универ., 1981. - 195 с.

6. Цыганов Е.А., Рык В.А. и др. Термическая переработка древесины и ее компонентов // Тез. докл. конф. 1-3 июня. - Красноярск, 1988. - С. 65-66

7. Симкин Ю.Я., Петров B.C. Альтернативные технологии получения активных углей из формованного гидролизного лигнина // Лесной журнал. -1997. - №4. - С.63-67

8. Пиялкин В.Н., Грязнов С.Е., Никифоров А.Г. Активные угли из древесного сырья. 4.1. Свойства, применение, производство.: учеб. пособ. — СПб ГЛТА. - СПб, 2000. - 66 е., ил.14.-Смирнов А.Д. Сорбционная очистка воды.-JI.: Химия, 1982.-168 е., ил.

9. Кельцев Н.В. Основы адсорбционной техники. 2-е изд., перераб. и доп.- М.: Химия, 1984. - 592 е., ил.16. — Кинле X., Бадер Э. Активные угли и их промышленное применение. Пер. с нем.- Л.: Химия, 1984- 216 е., ил

10. Бутырин Г.М. Высокопористые углеродные материалы. - М.: Химия, 1976. -190 с.

11. Хитрин С.И., Нефедов О.А., Соколов И.Б. и др. К вопросу влияния активных добавок на структуру и реакционную способность коксов. // ХТТ. -1968.-№2.-С. 37-45

12. Радич М. Б. Поверхностное горение. - M.-JI.: Изд-во АНССР, 1949. -354с.

13. Hippo Е., Jenkins R., Walker Ph. Enhancement of liquite char reactivity to steam by cation addition // Fule, 1979. - 58, №5. - P. 338-344

14. Lineas - Solano A., Mahajan O., Walker Ph. Reactivity of carbonized coals relating to vapouz at high temperature // Fule, 1979. - 58, №5. - P. 327-33222. — Мухин B.M., Тарасов A.B., Клушин B.H. Активные угли России. -М.: Металлургия. 2000. - 352 с.

15. Youtin Gou,Yong Zou. Study on high adsorptive activated carbon from lignin // Chemistry and Industry of Forest Products.- 1990. - V.10, №4. - P.273-280.

16. Otowa Т. Получение и свойства активного угля с высокой удельной поверхностью // Кагаку то коге. Sei. And Ind. - 1990. - 64, №7. - P. 331-335

17. Tanibata R., Otowa Т., Shiroishi M., Tanaka N. Производство активного угля с высокой удельной поверхностью // Aromatics. — 1992. — 44, №7-8. — Р. 204-210

18. Пат. №5064805 США, МКИ5 COI В31/12. Production of high quality activated carbon / T. Otowa. - Опубл. 12.11.91. Приор. 01.10.88, №63-248754 Япония, НКИ 502/427.

19. Богданович Н.И., Черноусов Ю. И. Сорбенты для очистки сточных вод ЦБП на основе отходов переработки древесины // Обзор, инф. ВНИПИЭИ-леспром. - М., 1989. - 44 с.

20. Богданович Н. И., Добеле Г.В., Кузнецова JI.H. и др. Углеродные адсорбенты на основе окисленных лигносульфонатов // Тез. докл. III Национального симпозиума «Теоретические основы сорбционных процессов».-1997-С. 45.

21. Богданович Н. И., Цаплина С.А., Кузнецова JI.H. и др. Синтез углеродных супермикропористых адсорбентов на основе технических лигнинов II Сб. науч. тр. VIII Межд. конф. «Теория и практика адсорбционных процессов». - М.: ИФХ РАН, 1997. - С. 247 - 249.

22. G. Dobele, N. Bogdanovich, G. Telysheva, T. Osadshaja. Lignin activated carbons // In: «Biomass for energy and industry». - Ed. D. 0. Hall, G. Grassi; Ponte Press, Brassell-Luxembourg, 1994. - P. 1040 - 1043.

23. Browne F.L., Tang W.K. Thermogravimetric and differential analysis of wood treated with inorganic salts during pyroly-sis // U.S.Forest Serv.Res.Paper FPL. - 1963.-V6.-№.76-91.

24. Ouchi К., Yamashita Y. Effect of alkali on the devola-tilisation of carbonaceous materials. 2.Effect of species of car-bonaceuos materials and alkalies // 3th Int.Carbon Conf.- Baden-Baden, 1980. - P.361-364.

25. Yamashita Y., Ouohi K. Influence of alkali on the carbonisation process. 2.Carbonization of various coals and asphalt with NaOH. // Carbon. - 1982. - V.20, №1. - P.47-53.

26. Yamashita Y., Ouohi K. Influence of alkali on the carbonization process. 1. Carbonization of 3,5-dimetilphenolformaI-dehyde resin with NaOH // Carbon. - 1982.-V.20, №l.-P.41-45.

27. Боголицин К.Г., Богданов М.В., Айзенштадт A.M. и др. Разработка оптимальных технологий подготовки питьевой воды.// Экология Северной Двины -Архангельск, изд. дом «Элпа», 1999. - С. 142-152.

28. Роденко В.П. Природные сорбенты для водоподготовки.// Водоснабжение и санитарная техника. — 1994. - №2. — С. 27

29. Тарасевич Ю.И. Природные сорбенты в процессах очистки воды. -К.: Общество «Знание» УССР, 1981. -23 с.

30. Дистомов У.Г., Михайлов A.C. и др. Природные сорбенты СССР. -М.: Недра, 1990. - 208 с.71. — Тамамьян А.Н. Сорбенты и наполнители для фильтров доочистки питьевой воды. // Водоснабжение и санитарная техника. 1994. - №12. - С. 8-10

31. Кудрин С.А., Ковалев М.П., Новиков C.B. Применение углеродных волокнистых сорбентов для доочистки питьевой воды. // Труды 2-го междунар. семин. «Углеродные сорбенты». — Кемерово, 2000. — С. 127-129.

32. Vincent A. Applications of granular activated carbon in industrial water and waste water treatment // Proc. Eng. Soc. West Pa. - 32 — Int. Water Conf. -Pitesburgh, Pa. 1971 -P. 188-193.

33. Schlunder E.U., Sontheimer H. Die Wasserreinigung als Aufgabe des Chemieing - enieurwesens "Fridericiana", 1972. - №10. - P. 27-38

34. Mery - sur - Oise., Schulha F.P. L'évolution resente de l'usine de Mery -sur - Oise. " Techn. et sei. Munie", 1978. - 73, №2. - P. 53-63

35. Sontheimer Heinrich. Use of activated carbon in warte treatment practice and its regeneration. // Int. Water Supply Assoc. 10 - Conf. Brighton, 1974. - P. 1-11

36. Wisfeid W., Lots W., Wirth H. Verfahren zur Gewinnung von Trinkwasser. - швейц. пат. кл. С 02 bl/00, 529694, заявл. 24.06.70, опублик. 15.12.72

37. Weber W.J., Smith E.H. Activated carbon adsorption. // Chem. Prot. Eviron, 1985. Ргос. 5 л Int. Conf., Leuven . Amsterdam 1986. - P. 455-492

38. Pejey Teju, Kojceva G., Zur nutrung von aktivkohle zur Trinkwasseraufbereitung inder VR Bulgarien // Wasserwirt — wassertechn. - 1988. - 38, №2. - P. 33-34

39. Hude R.A. Application of granular activated carbon in the water industry // J. Ints. Water and Enviro Manag. - 1989. - 3, №2. - P. 174-181.

40. Baldauf G., Zimmer G. Removal of volatile chlorinated hydrocarbons by adsorption in water treatment // Vom Wasser. - 1986 - 66, № 1. - P. 21 - 27.

41. Montemarano J. Activated carbon systems // Water Technol.—1990.— 13, №4.-P. 26-29.

42. McCarty P.C., Argo D., Reinhard M. Operating experiences with activated carbon adsorbers at water factory // J.AWWA. - 1979. - 71, №11. - P. 683-69190. -Shiroda R. Natural charcoal // Inst. Water. Offic. I. 1993. -30, №2. - P. 25-28

43. A.-S. C. Chen, V. L. Snoeyink, J. Mallevialle, F. Fiescinger. Removing dissolved organic compounds with activated alumina // J. AWWA - 1989 - 81, № 11. Р. 55 60.

44. Малахова J1.A. Применение сорбентов для очистки питьевой воды // Гигиена населенных мест. - 1990. - №29. - С. 31-35.

45. Збруев Н.И., Галкин Д.В. Очистка питьевой воды от бора на природных сорбентах. М., 1988.-7 е.-Деп. в ЦНИИТЭИ.МПС 20.05.88 №4531 ->вд.

46. Olthoff R. Erfahrungen wit speziell gebrochenem bazalt als Filtermaterial //BBR: Brunnenban. Van. Wasserwerken,Rohrleitungban.-1989.-40,№ 8.P.463 - 471.

47. Baudn M., Le Cloirec Р., Martin G. Caracterestiques et Performances des fibres de charbonactif applications an traitement d'eau // Techn. sei. metn. - 1990. -№. 12.-P. 621 -625.

48. Лавров B.B, Гомолицкий Н.П. и др. Глубокая адсорбционная очистка воды от растворенных органических веществ // Сорбенты и сорбционные процессы.-Л., 1989.-С. 169-177.

49. Garsia Herrero F.,Noques Garsia L., Mirada Coronet F. I. Elimination de man-ganeso de las aquos por adsorpcion//Afinidad.-1987.-44,№409.- P. 209 - 212.

50. Pat. 0228497 ЕПВ, МКИ С 02 F 9/00. A process for water purification and a filter for carrying out the process / W. Manojlovic. - Опубл. 15.07.87.

51. Алексеев Л.П., Драгинский В.Л., Михеева СЛ. и др. Выбор эффективной марки активных углей // Водоснабжение и санитарная техника. — 1995. -№5.-С. 8-10.

52. Зорина Е.И. Активные угли для водоподготовки // Водоснабжение и санитарная техника. - 1998.- № 8.-С.22-23103. — Кульский Л.А. Обработка воды на водопроводах пылевидным активированным углем. К.: Наукова думка, 1965. - 140с.

53. Кульский Л.А. Теоретическое обоснование и технологические решения проблемы чистой воды. К.: Наукова думка, 1970. - 96 с.

54. Драгинский B.JI., Новиков В.К., Паскуцкая JI.H. Применение гранулированного активированного угля в технологии очистки питьевой воды // Углеродные адсорбенты и их применение в промышленности. — М.: Наука, 1983.-С. 277-287.

55. Рыбакова Л.П., Вейцер Ю.П., Стерина P.M. Применение окислителей и активных углей в технологии очистки воды: Обзор. — М.: ЦБНТИ МЖКХ, 1976. - С. 73-75

56. Glaze W. Н. Drinking-water treatment with ozone // Environ. Sei. Technol. - 1987. - 21, №3.-P. 224.

57. Glaze W., Kang I. W. Chapih D. N. The chemistry of water treatment processes involving ozone, hydrogen peroxide and ultraviolet radiation // Ozone Sei. Engrg. - 1987. - 9, № 4 - P. 335 - 342.

58. Servais P., Billen G. A pilot study of biological GAC filtration in drinking - water treatment // Aqua. - 1992. - 41, №3. - P. 163-168

59. Merlet N., Prévost M., Coallier Y. Enlevement de la matiere organique clans les fittres CAB // Rev. Sei. Eau. - 1992. -№5. - P. 143-163

60. Швецов В.И., Морозова K.M. Биосорберы - перспективные сооружения.// Водоснабжение и санитарная техника. — 1994. - №1. - С. 8-12

61. Найденко В.В., Колесов Ю.Ф., Кубарев A.B. Опыт эксплуатации аппаратов биосорбционной очистки. // Водоснабжение и санитарная техника. — 1993.-№11-12.-С. 14-15.

62. Лукин В.Д., Анцынович И.С. Регенерация адсорбентов. - Л.: Химия, 1983.-214 с.

63. Лазарева Л.П., Лисицкая И.Г. Электросорбция, как метод извлечения, концентрирования компонентов раствора и регенерации адсорбентов // VIII междунар. конф. « Теория и практика адсорбционных процессов» . - Москва, 1997. — С. 94-98

64. Лазарева Л.П. и др. Исследование закономерностей электрохимической регенерации углеродных сорбентов после адсорбции красителей // Химия и технология воды. — 1991. - Т. 13. - №11. — С. 980-983.

65. Когановский A.M. Адсорбция и ионный обмен в процессах водо-подготовки и очистки сточных вод. - К.: Наукова думка. 1983. - 240 с.

66. Дубинин М.М., Поляков Н.С., Катаева Л.И. К теории адсорбции в микропорах углеродных адсорбентов // Современные проблемы теории адсорбции. - М.: Наука, 1995. - С.5-9.

67. ГОСТ 12596-67. Активные угли. Методы определения зольности. Введен 01.01.69 до 01.01.97. - М. 1968. - 5 с.

68. ГОСТ 4453-74. Уголь активный осветляющий древесный порошкообразный. - Введен 01.01.76 до 01.01.91. - М., 1973. - 12 с.

69. Дрожалина Н.Д., Булгакова И.О. Определение удельной поверхности активных углей с развитой переходной пористостью по адсорбции фенола из водных растворов// ЖПХ. - 1974. - №2. - с. 298-301.

70. Пуляревич М.Я. Измерение изотермы адсорбции на адсорбци-онно-вакуумной установке с пружинными микровесами: Метод, указ.-Л.: ЛГИ, 1971.43 с.

71. Богданович Н.И. Расчеты в планировании эксперимента. Л.: ЛТА, 1978. - 80с.

72. ГОСТ 3351-73 . Методы определения вкуса, запаха, цветности и мутности. Введен 01.07.75 до 01.07.95 Вода питьевая. Методы анализа./ под. Ред. Шалаева В.Н. - Изд-во стандартов, Москва, 1984. - С. 166-172

73. ГОСТ 4151-72 Методы определения общей жесткости. Введен 01.01.73 до 01.01.92. Вода питьевая. Методы анализа./ под. Ред. Шалаева В.Н. — Изд-во стандартов, Москва, 1984. — С.21-24.

74. ГОСТ 4011-72. Метод определения содержания железа Введен 01.06.87 до 01.01.92. Вода питьевая. Методы анализа./ под. Ред. Шалаева В.Н. -Изд-во стандартов, Москва, 1984. - С.60-68.

75. ГОСТ 18165-81. Метод определения массовой концентрации алюминия. Введен с 01.07.82 до 01.07.90 Вода питьевая. Методы анализа./ под. ред

76. Шалаева В.Н. Изд-во стандартов, Москва, 1984. - С. 25-29

77. РД 52.24.493-95. Титриметрическое определение гидрокарбонатов в поверхностных водах суши. Разработчик: ГХИ и МНПП «АКВАТЕСТ», Ростов на Дону 1995,- 12 с.

78. ПНД Ф 14.1:2. 100 - 97. Методика выполнения измерений химического потребления кислорода в пробах природных и очищенных сточных вод титриметрическим методом.- Разработчик: ГХИ и МНПП «АКВАТЕСТ», Москва 1997, - 8 с.