Термодинамические основы эффективности экозащитных процессов очистки хромосодержащих промывных стоков тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.00.16, кандидат химических наук Харламова, Марианна Дмитриевна

• Харламова, Марианна Дмитриевна
• кандидат химических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат химических наук Харламова, Марианна Дмитриевна

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД ГАЛЬВАНИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ

1.1. Проблема загрязнения водных ресурсов сточными водами промышленных предприятий.

1.1.1 .Источники и виды загрязнений гидросферы.

1.1.2. Классификация промышленных сточных вод.

1.1.3. Классификация химических загрязнителей промышленных стоков.

1.2. Современные методы очистки сточных вод.

1.2.1. Выбор методов извлечения химических веществ с учетом их фазового состояния.

1.2.2. Способы обработки сточных вод в зависимости от количества и состава загрязнений.

1.2.3. Классификация методов извлечения примесей по скорости протекания процессов.

1.3. Особенности организации малоотходных и безотходных производств.

1.3.1. Критерии безотходности и экологичности производства.

1.3.2. Принципы организации безотходных технологий.

1.3.3. Требования, предъявляемые к безотходному производству.

1.4. Использование сточных вод в оборотных и замкнутых системах водоснабжения.

1.5. Проблемы разработки экозащитных процессов и технологий.

1.5.1 Основные факторы, характеризующие производственный процесс.

1.5.2. Выбор технологической схемы экозащитного процесса.

1.6. Проблемы очистки сточных вод гальванических производств.

1.6.1. Характеристика стоков гальванических производств.

1.6.2. Способы очистки промывных и сточных вод гальванических производств от ионов тяжелых металлов.

ГЛАВА 2. ОБОСНОВАНИЕ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОЛИЧЕСТВЕННЫХ КРИТЕРИЕВ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭКОЗАЩИТНЫХ ПРОЦЕССОВ.

2.1. Задачи исследования.

2.2. Основные факторы, влияющие на выбор экозащитных процессов и технологий.

2.2.1. Химические факторы.

2.2.2. Технологические факторы.

2.2.3. Экологические факторы.

2.3. Разработка технологической схемы экозащитного процесса.

2.4. Количественные критерии оценки техногенного загрязнения окружающей среды.

2.5. Термодинамическая оценка эффективности экозащитных технологий.

ГЛАВА 3. АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ КОНКУРИРУЮЩИХ МЕТОДОВ ОЧИСТКИ ХРОМОСОДЕРЖАЩИХ ПРОМЫВНЫХ СТОКОВ.

3.1. Анализ химических особенностей методов очистки хромосодержащих промывных стоков.

3.1.1. Реагентный метод.

3.1.2. Электрокоагуляционный метод.

3.1.3. Ионообменный метод.

3.2. Разработка технологических принципов для конкурирующих методов очистки хромосодержащих промывных стоков.

3.3. Качественная оценка эффективности применения предложенных методов очистки сточных вод.

3.4. Использование количественных критериев для экспресс-оценки эффективности сравниваемых методов очистки.

ГЛАВА 4. ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИОНООБМЕННОГО МЕТОДА ОЧИСТКИ ХРОМОСОДЕРЖАЩИХ СТОКОВ.

4.1. Адаптация метода в производственных условиях.

4.2. Разработка конструкции локальной очистной установки для обезвреживания хромосодержащих промывных стоков.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Термодинамические основы эффективности экозащитных процессов очистки хромосодержащих промывных стоков»

Вода - ценнейший природный ресурс. Объем потребляемой в мире воды достигает 4 трлн. куб.м в год, а преобразованиям со стороны человека подвергается практически вся гидросфера. Так, например, при получении ядерной энергии, в США вовлекается в использование почти половина всех водных ресурсов страны [5]. За время существования человечества в природную среду было введено около миллиона новых веществ (всего известно свыше 6 млн. химических соединений) [2]. Основными источниками загрязнения окружающей среды в нашей стране являются черная и цветная металлургия, химическая, нефтехимическая, лесная и деревообрабатывающая промышленность, жилищно-коммунальное и сельское хозяйство, теплоэнергетика и транспорт[3]. Вредные химические вещества попадают в водоемы, ухудшая их санитарное состояние и вызывая необходимость специальной глубокой очистки воды перед использованием ее для хозяйственно-питьевых и некоторых промышленных целей.

Машиностроительные предприятия не перерабатывают значительных количеств первичного сырья (руд, концентратов, нерудных ископаемых), как это имеет место в металлургической или химической промышленности, и не сжигают больших объемов топлива, подобно энергетике или автомобильному транспорту. Общая сумма выбросов этих предприятий в воздушную среду и водоемы не превышает 2,5% от общего количества загрязнений, выбрасываемых всеми отраслями народного хозяйства РФ. Однако, по отдельным загрязнителям, например по шестивалентному хрому, отечественное машиностроение занимает лидирующее положение [6 ]. Таким образом, воздушные и водные сбросы машиностроительных предприятий, характеризующиеся умеренными объемами, тем не менее, имеют разнообразный химический и физический состав и агрегатное состояние, многокомпонентны и трудно утилизируются, что вызывает особые экологические проблемы. Многие примеси нельзя извлечь из воды механически, они не нейтрализуются при биологической очистке, не удаляются такими традиционными методами как отстаивание, коагуляция и флотация. Это обуславливает введение в комплексную технологическую схему водоподготовки комбинированных методов: электрокоагуляции, совместного использования коагулянтов и флокулянтов, использование реагентного метода с применением физических воздействий на обрабатываемую воду, а также методов сорбционной доочистки. Сложный, комплексный характер этих производств требует комплексного подхода к решению возникающих на них экологических задач.

Учитывая, что машиностроительные предприятия загрязняют окружающую среду сравнительно небольшими количествами вредных веществ, для их улавливания не целесообразно использовать сложные и рассчитанные на значительные объемы экозащитные установки и процессы, как, например, это делается в металлургической промышленности. Необходимо стремиться к использованию максимально компактных, простых, дешевых и высокоэффективных экозащитных процессов и аппаратов, локальных очистных установок, подавлению выделения вредных веществ в источнике их образования, созданию универсальных очистных сооружений для обезвреживания многокомпонентных выбросов.

В связи со всем вышесказанным в данной работе нами были поставлены следующие задачи:

1. Рассмотреть основные методы существующих экозащитных процессов очистки промышленных сточных вод, и, в частности, сточных вод гальванических производств, являющихся основной составной частью машиностроительной промышленности.

2. Рассмотреть особенности и основные факторы, характеризующие экозащитный производственный процесс (химический, технологический, экологический)

3. Проанализировать экологические особенности и сравнить эффективности применения трех сравниваемых методов очистки сточных вод (реагентного, электрокоагуляционного и ионообменного)

4. Выбрать и использовать термодинамические количественные критерии для экспресс-оценки эффективности сравниваемых методов

5. Разработать конструкцию локальной очистной установки для обезвреживания хромсодержащих промывных стоков.

Цель работы - анализ и обобщение основных химических, технологических и экологических подходов при создании новых и совершенствовании существующих экозащитных процессов очистки сточных вод гальванических производств, выбор критериев для оценки их эффективности.

Заключение диссертации по теме «Экология», Харламова, Марианна Дмитриевна

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Проведен анализ различных классификаций типовых экозащитных процессов, установлена последовательность стадий разработки технологической малоотходной схемы хромирования. Оценены границы применимости наиболее широко используемых методов очистки хромосодержащих стоков: реагентного (Свх<500 мг/л); электрокоагуляционного (Свх<100 мг/л); ионообменного (Свх<300 мг/л).

2. Изучены химические, технологические и экологические факторы и сформулированы требования, определяющие выбор оптимальной схемы экозащитного процесса. Выявлены особенности протекания химических экозащитных процессов: гетерогенность большинства процессов и зависимость их от диффузионного торможения; неравновесность процессов и необходимость смещения химического равновесия; снижение скорости обезвреживания токсических веществ вследствие их малых концентраций.

3. Сформулированы основные требования к количественным критериям оценки эффективности экозащитных процессов и технологий: учет влияния всех факторов, математическая простота, безразмерность, минимальное количество исходных данных, удовлетворительная точность оценки воздействия процесса на ОС.

4. Для оценки загрязнения окружающей среды обосновано введение следующих критериев:

- при одностадийной очистке введен критерии: А>, = —^——, где г|

ПДК характеризует эффективность очистки;

С л

- при многостадийной очистке введен критерий, Кгп =——ПО-^,), где т||

ПДК ,=1 эффективность очистки на \ -ой ступени, а п- число ступеней очистки.

5. Предложен универсальный термодинамический критерий оценки качества окружающей среды и эффективности экозащитных процессов С

298 = — = 2,ЗЯТ\£(\ — т] ) ? где и сн концентрации в конечном н и начальном состояниях; разработана методика практического использования данного критерия.

6. Экспериментальные исследования позволили определить оптимальные технологические параметры ионообменной очистки: рН очищаемых стоков 4-8 ; скорость пропускания очищаемых стоков через слой анионита от 0.25-7,5 м/ ч; порозность слоя смолы в колонне 0,08 -0,16.

7. На основе теоретических и экспериментальных данных сконструирована локальная очистная установка, которая показала высокую эффективность в производственных условиях: возможность возврата в технологический цикл более 90 % воды и свыше 98 % соединений хрома; сокращение технологических единиц оборудования с13 до 7.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных в данной работе исследований разработаны принципы создания новых, а также совершенствования существующих экозащитных процессов, применяемых в машиностроении.

Результаты, полученные в работе, можно разделить на результаты прикладного характера, имеющие практическое применение, и результаты, необходимые для понимания закономерностей, лежащих в основе создания эффективных экозащитных процессов.

К числу теоретических результатов можно отнести сформулированные требования, которые следует использовать при разработке технологической схемы экозащитного процесса. К ним также относятся сформулированные химические, технологические и экологические факторы и особенности, влияющие на процесс. К этим результатам можно также отнести разработанные количественные критерии техногенного загрязнения окружающей среды и термодинамические критерии эффективности экозащитных процессов. Предложены методы количественной оценки технологического принципа наилучшего использования разницы потенциалов с применением понятия интенсивности процесса или аппарата, а также способ расчета высот слоев катеонита и анионита в локальной ионообменной колонне, при которых происходит одновременное насыщение слоев.

К результатам, имеющим практическое применение, относятся данные, касающиеся разработки эффективной технологии очистки хромосодержащих стоков и создание на ее основе локальной ионообменной установки, позволяющей осуществить малоотходную технологическую схему хромирования. Для решения этой задачи проведен комплекс экспериментальных исследований, направленных на изучение закономерностей ионообменной сорбции хрома (VI) и регенерации насыщенного анионита кислотными растворами. Разработанные технические решения были опробованы в производственных условиях, где показали высокую эффективность.

Проведенные исследования позволили ответить на ряд вопросов, возникающих при разработке, совершенствовании и оценке эффективных экозащитных процессов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат химических наук Харламова, Марианна Дмитриевна, 2003 год

1.Жуков А.И., Монгайт И.Л., Родзиллер И.Д. Методы очистки производственных сточных вод. -М.: Стройиздат, 1992 г.

2. Удаление металлов из сточных вод. Под. ред. Дж. К. Кушни, -М.: Металлургия, 1989 г.

3. Яковлев С.В. Очистка производственных сточных вод. -М.: Стройиздат, 1979 г.

4. Esber I. Shaneen Technology of Environmental Pollution Control, Second edition, HennWell Publishing Company, 1992

5. American Institute of Chemical Engineers. Industrial Process Design for Pollution Control. Vol. 1. New York: American Institute of Chemical Engineers Workshop, Feb. 9-10,1967.

6. Экология, охрана природы и экологическая безопасность. Учебное пособие для системы повышения квалификации и переподготовка государственных служащих. Под ред. В.И.Данилова-Данильян.- М.: МНЭПУ, 1997г.

7. Clark, J. W., W. Viessman, Jr. and M.J. Hammer, Water Supply and Pollution Control. International Textbook Co., 1971.

8. Беспамятное Г.К., Кротов Ю.А. Предельно допустимые концентрации химических веществ в окружающей среде. -JL: Химия, 1987 г.

9. Кафаров В.В. Принципы создания безотходных химических производств. -М.: Химия, 1984 г.

10. Health Education Service. Recommended Standards for Waterworks, rev. ed. Health Education Service, 1972.

11. Ласкорин Б.Н., Громов Б.В., Цыганков А.П., Сенин В.Н. Проблемы развития безотходных производств. -М.: Стройиздат, 1985

12. Cooper Р.Е., Thomas E.V. Recent developments in sewage treatment based on physico-chemical methods.- Water Pollut. Contr. (Gr.Br.), 1974, №5, p. 506-516; Diss.ss/p.516-520

13. Grieves, R. В. and W. L. Conger. The Treatment of Low-Quality Water Supplies: Batch and Continuous Foam Separation. American Institute of Chemical Engineers, 64th National Meeting, March 16-20,1969.

14. Dejak M. Ion exchange electro winning recovery at Hewlett Packard // Plat/ and Surface Finish.-1988.- V.75.- №4.p.35-38

15. Аширов А. Ионобменная очистка сточных вод, растворов, газов. —Л.: Химия, 1983

16. Когановский A.M. Адсорбция и ионный обмен в процессах водоподготовки и очистки сточных вод. Киев: Наук. Думка, 1983 г.

17. Gulf General Atomic Inc. Study and Experiments in Wastewater Reclamation by Reverse Osmosis. Prepared for the U.S. Department of Interior, May 1970.

18. Jacangelo, J. G., N. L. Patania, and R. R. Trussell. "Membranes in Water." Civil Engineering (May 1989): 68-71.

19. Harned H.S., Owen B. The Physical chemistry of Electrolytic Solutions. 3-rd ed., Reinhold, New York, 1958

20. Marion, L. "Biological, Mechanical Methods Compete for Wastewater-Cleanup Job." Chemical Engineering (June 16,1980): 82-86.

21. Бейгельдруд Г.М., Макаренко C.H. Очистка сточных вод от ионов тяжелых металлов. Изд.2-ое, М.: 1999 г., с. 7-19

22. Меньшутина Н.В., Гончарова С.В., Колесников С.В. Информационная система «WAAM» для решения экологических проблем в области очистки сточных вод. Прикладное программное обеспечение. М.: Изд. РХТУ им Д.И. Менделеева, 2002г.,с. 25-95

23. Бесков B.C., Сафронов B.C. Общая химическая технология и основы промышленной экологии. М.: Химия, 1999. с. 25-28,41-56, 64-71.

24. Кульский JI.A. Очистка воды на основе классификации ее примесей. / Укр.НИИ НТИ и ТЭИ, Киев, 1967,с.14

25. Калиновский Е.А., Саранин O.JI. Безотходные технологии очистки сточных вод. 1. Очистка гальванических стоков / Экотехнология и ресурсосбережение. 1999 г. №1, с.48-53

26. Walker Т. The influence of surface active agents on the structure of water.- J. Colloid and interface Sci., 1973, 45, №2, p.372-377

27. Kirkwood J.G., Oppenheim I. Chemical Thermodinamics.- McGrow-Hill, New York, 1961

28. Tamamushi В., Tamaki K. Adsorption of Long-chain electrolytes at the solid — liquid interface. Pt.2 The adsorption on polar and non-polar adsorbents. Pt.3 The adsorption on ion-exchanged Resins. —Trans. Faraday Soc., 1959, 55, №6, p. 1007-1013

29. Michaels A.S. Simplified method of interpreting kinetic data in fixed-bed ion exchange. -Ind. Eng. Chem., 1952,44, №7, p. 1922-1926.

30. Джумагулов M.T., Недюжина E.C. Транзит хрома в подземных водах./ Изучение загрязнения подземных вод на опытно-производственных полигонах. Сб. научн. трудов. Отв. Ред. В.М. Гольдберг. М., ВСЕГИНГЕО, 1990,с. 69-71

31. Зайцев В.А., Крылова Н.А. Промышленная экология. М.: 2002г.

32. Сенявин Н.Н., Рубинштейн Р.Н., Комарова И.В. Теоретические основы деминерализации пресных вод. М.: Наука, 1975,с.326

33. Мельников П.С. Справочник по гальванопокрытиям в машиностроении. М.: Машиностроение, 1991, с.384.

34. Бейгельдруд Г.М. Создание оборотного цикла гальванических производств. Предисловие. М.: ОАО «НИИТЭХИМ», 1996г.

35. Дасоян М.А. Технология электрохимических покрытий. JL: Машиностроение, 1989, с.391.

36. Тихонов К.И., Бодягина М.М. Очистка технических растворов гальванических производств от ионов тяжелых металлов. Л.: О-во «Знание» ЛДНТП, 1990.С.5-22

37. Соловьева H.Д., Савельева Е.А. Экологические проблемы гальванических производств. Учебное пособие. Саратов: Изд-во СГТУ, 1997г.с. 12-43

38. Рузин Л.И., Шилин А.И. Безотходные процессы в гальванотехнике. Журнал ВХО им. Менделеева, 1988. т.ЗЗ, №2, с. 192-199

39. Смирнов Д.Н., Генкин В.Е. Очистка сточных вод в процессах обработки металлов. М.: Металлургия, 1989, с. 94-96

40. Low cost and energy-saving wastewater treatment technologies: Proc. of ISLEWTT. Harbin" 90 held at Harbin inst. of architecture & civil engineering: Harbin, China,6.10 Aug. 1990/ Ed.W.Z.Wang et al -Oxford etc: Pergamon Press, Cop. 1991 -V I, p. 256

41. Временные методические указания по определению соответствия процессов и производств химической промышленности требованиям мало- и безотходной технологии. ВСН 57-84.-М.: Минхимипром, 1985 -47с.

42. Родионов А.И., Клушин В.Н., Торочешников Н.С. Техника защиты окружающей среды. М.: «Химия», 1989, с. 185-196

43. Бретшнайдер С., Кавецкий В., Лейко Я. и др. Общие основы химической технологии.1. Л.:Химия, 1977, -504 с.

44. Риман В., Уолтон Г. Ионообменная хроматография в аналитической химии. Перевод с английского под ред. К.В.Чмутова. -М.: Мир, 1973, -376 с.

45. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии — М.: Химия, 1973.-752 с.

46. Белов C.B., Барабанов Ф.А., Козьяков А.Ф. и др. Охрана окружающей среды. Под ред. C.B. Белова. М.: Высшая школа, 1991. — 319 с.

47. Ливчак И.Ф., Воронов Ю.В. Охрана окружающей среды. -М.: Стройиздат, 1988.- 191с.

48. Справочник химика. Под ред. В.П. Никольского. Т.З-М-Л.: Химия, 1964, -1008 с.

49. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. Учебник для ВУЗов. 9-ое издание, исправленное. -М.: Химия, 1973, -752 с.

50. Лапин В.Л., Мартинсен А.Г., Попов В.М. Основы экологических знаний инженера. — М.: Экология, 1996. 176 с.

51. Балацкий О.Ф., Ермоленко Б.В., Журавский А.Ю. и др. Безотходное производство: экономика, технология, управление. «Охрана природы и воспроизводство природных ресурсов», т. 17. Итоги науки и техники. М.: ВИНИТИ, 1987.-184 с.

52. Кафаров В.В. Принципы создания безотходных химических производств. — М.: Химия, 1982. 288 с.

53. Романенко В.И., Орлов А.Г., Никитин Г.В. Книга для начинающего исследователя-химика. Л.: Химия, 1987. - 280 с.

54. Бондарь А.Г. Математическое моделирование в химической технологии. — К.: Вища школа, 1973. -280 с.

55. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. — М.: Наука, 1986. — 544 с.

56. Кривошеин Д.А., Муравей Л.А., Роева H.H. и др. Экология и безопасность жизнедеятельности. / Под ред. Л.А. Муравья. М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2000.-447 с.

57. Одум Ю. Экология. В 2-х томах. М.: Мир, 1986. - 328 с.

58. Клименко-Мешкова H.A., Буравлева Е.П. Оценка антропогенных влияний на водный бассейн. «Вюник академп наук украшсы«м PCP». К., Наукова думка, №9, 1984, с. 79 82.

59. Хейвуд Р. Термодинамика равновесных процессов. — М.: Мир, 1983. -492 с.

60. Мюнстер А. Химическая термодинамика.-М.: УРСС, 2002, 296 с.

61. Эткинс П. Физическая химия. Т. 1. M.: 1980. - 584 с.

62. Полянский Н.Г., Горбунов Г.В.,Полянская Н.Л. Методы исследования ионитов. -М.:Химия, 1976, -208 с.

63. Кострикин Ю.М., Мещерский H.A., Коровина О.В. Водоподготовка и водный режим энергообъектов низкого и среднего давления. Справочник.-М.:Энергоиздат, 1990, -254 с.

64. ГОСТ 20255-74. Методы определения динамической обменной емкости.

65. Канализация. Наружные сети и сооружения. СНиП 2.04.03-85. Госкомитет СССР по делам строительства.-М, 1986

66. Куролап Н.С., Измайлова Д.Р. Ионообменный метод очистки хромосодержащих промстоков и отработанных электролитов галь ванических цехов.- Сб. «Теория и практика сорбционных процессов», Вып.12.-Воронеж: Изд-во ВГУ, 1978,с. 103-108

67. Кривошеин Д.А., Харламова М.Д., Остаев Д.Г., Зволинский В.П. Основные методы разработки новых экозащитных процессов и технологий // «Вестник РУДН». Сб. научн. тр.,-М.: Изд-во РУДН, 2003, Вып.7, с.66-73

68. Кривошеин Д.А., Харламова М.Д., Зволинский В.П. Количественные критерии для оценки эффективности экозащитных процессов и технологий. //Актуальные проблемы экологии и природопользования, Сб.научн. тр., -М.: Изд-во РУДН, 2003. Вып. 3 ч.2 , с.149-151

69. Кривошеин Д.А., Харламова М.Д., Зволинский В.П.Термодинамическая оценка загрязнения окружающей среды и эффективности применения экозащитных мероприятий. // «Вестник РУДН». Сб. научн. тр., -М.: Изд-во РУДН, 2003. Вып.7, с 74-79

70. Кривошеин Д.А., Харламова М.Д., Зволинский В.П. Термодинамическая оценка эффективности работы очистных сооружений и устройств // «Вестник РУДН». Сб. научн. тр., -М.: Изд-во РУДН, 2003. Вып.7, с. 122-129

71. Запольский А.К., Образцов В.В. Комплексная очистка сточных вод гальванического производства. -К.: Техника, 1989, -300 с.

72. Белевцев А.И., Субботин В. А., Александрова Т.И. Извлечение шестивалентного хрома из сточных вод анионитом АН-251. -Сб. тр. ВНИИВОДГЕО.-М.:, 1984,с. 52-56.

73. Гельферих Ф. Иониты. -М.: Издатинлит, 1962,490 с.

74. Ямпольский A.M., Ильин В.А. Краткий справочник гальванотехника.З-е изд. Переработанное и дополненное. -JL: Машиностроение, 1981 -269 с.

75. Пашков А.Б., Замбровская Е.В., Медведев И.Н. Ионообменная очистка сточных вод гальванических и металлургических производств. Пластмассы. №5, 1975, с.55-56