ЮСТРАТОВ ВЛАДИМИР ПЕТРОВИЧ

Физико-химические и экологические аспекты утилизации органо-минеральных сточных вод предприятий химической промышленности

Специальность 03.00.16 – Экология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора химических наук

Владивосток 2007

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности»

Научный консультант: доктор технических наук, профессор

Краснова Тамара Андреевна

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,

Заслуженный эколог Российской Федерации

Комарова Лариса Федоровна

доктор химических наук, профессор

Земнухова Людмила Алексеевна

доктор технических наук, профессор

Сколубович Юрий Леонидович

Ведущая организация: Институт угля и углехимии СО РАН

Защита диссертации состоится 6 ноября 2007 г. в 1400 час. на заседании диссертационного совета Д 212.056.05 при Дальневосточном государственном университете по адресу: 690950, г. Владивосток, ул. Октябрьская, д. 27. Факс: (4232) 45-76-09

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Дальневосточный государственный университет»

Автореферат разослан «____» сентября 2007 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Свистунова И.В.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. В современных условиях охрана окружающей среды стала одним из решающих факторов, определяющих дальнейшее развитие человечества. Экологические проблемы резко выражены в тех регионах, на территории которых функционируют производства органического синтеза. Жидкие отходы этих производств обычно представляют собой малоконцентрированные многокомпонентные органо-минеральные смеси и относятся к особо сложной для очистки группе сточных вод. Методы переработки таких отходов требуют значительных материальных затрат, достаточно сложного оборудования, дают вторичные загрязнения и, как правило, не позволяют повторно использовать содержащиеся в них ценные вещества. В связи с трудностью очистки такие сточные воды либо сжигаются, либо сбрасываются в водоемы. Так, в г. Кемерово, где сосредоточено большинство химических предприятий Кузбасса, в р. Томь – основной источник водоснабжения Кузбасса - сбрасывается 260-290 млн. м3/год сточных вод, при этом мощность сброса вредных веществ на одного человека составляет 138,4-169,0 кг/год, а суммарное загрязнение р. Томь оценивается как «чрезвычайно высокое». Как правило, органические компоненты сточных вод этих производств являются токсичными веществами I-III класса опасности, поражающими нервную и кровеносную системы, печень, почки, селезенку, и часто обладают канцерогенными и мутагенными свойствами. Поступая в окружающую среду, они наносят вред природным экосистемам, снижают качество питьевой воды и сельскохозяйственной продукции, повышают заболеваемость населения.

Одним из реальных путей решения проблем охраны окружающей среды и ресурсосбережения является разработка и внедрение в практику малоотходных и безотходных технологических процессов с локальной очисткой жидких отходов, обеспечивающих повторное использование очищенной воды и доведение извлеченных ценных компонентов сточных вод до товарного продукта или вторичного сырья.

Перспективным для реализации задачи утилизации жидких малоконцентрированных органо-минеральных отходов химических производств представляется использование активных углей и электромембранных методов.

Данная работа направлена на решение проблемы утилизации сточных вод ряда производств (капролактама, 2-этилгексанола, оксида пропилена), наносящих значительный ущерб окружающей среде, путем их переработки в продукты, рентабельные для дальнейшего использования.

Цель и задачи исследования. Целью работы является теоретическое обоснование и разработка безотходных технологий переработки малоконцентрированных органо-минеральных сточных вод на основе сорбционных и электромембранных процессов, обеспечивающих охрану окружающей среды и ресурсосбережение.

Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи: провести комплексные исследования адсорбции капролактама на активных углях, отличающихся исходным сырьем, способом получения и физико-химическими характеристиками; установить механизм адсорбции капролактама на активных углях; разработать способы повышения сорбционной емкости сорбентов; предложить метод оптимизации параметров фильтров и режима процесса адсорбционной очистки и метод регенерации отработанного сорбента; разработать технологию электродиализной переработки очищенного от капролактама конденсата сокового пара (КСП); разработать технологию утилизации отработанного сорбента в гальванических производствах; разработать математическую модель электродиализа, обладающую достаточной общностью и позволяющую производить расчет режима работы промышленных установок; исследовать закономерности электромембранного разделения различных по природе смесей на органические и минеральные компоненты; разработать безотходную технологию переработки сточных вод производства 2-этилгексанола.

Научная новизна работы. На основе комплексного исследования адсорбции капролактама (КЛ) из модельных растворов и сточных вод активными углями (АУ) установлены закономерности и особенности равновесия адсорбции капролактама на сорбентах, отличающихся исходным сырьем, структурой и состоянием поверхности. Выявлено, что адсорбция КЛ активными углями из водных растворов в присутствии сульфата аммония носит конкурентный характер при концентрации капролактама больше 5 ммоль/дм3. Показано, что адсорбция КЛ зависит не только от пористой структуры АУ, но и от наличия кислородсодержащих функциональных групп (КФГ) различного типа. Первоначально процесс лимитируется внешним массопереносом.

Отмечено, что термическое и реагентное модифицирование окислителями и кислотой практически не затрагивает пористой структуры АУ, при этом происходит изменение состояния его поверхности, заключающееся в изменении содержания КФГ, степень которого зависит от типа используемого модификатора. Установлено, что модифицирование капролактамом с последующей карбонизацией АУ приводит не только к перераспределению соотношения микро- и мезопор, но и к изменению состояния поверхности адсорбента за счет появления азотсодержащих функциональных групп. Обосновано и развито новое направление в теории и практике адсорбции - модифицирование активных углей азотсодержащими органическими соединениями.

Установлены основные механизмы адсорбционного взаимодействия капролактама с поверхностью углеродных адсорбентов. Адсорбция КЛ из водных растворов на активных углях характеризуется как первичными, так и вторичными взаимодействиями. Первичная адсорбция определяется двумя механизмами взаимодействия: неспецифическим (адсорбция в микропорах) и специфическим (адсорбция на поверхности мезопор). Тип реализуемого специфического взаимодействия (водородная связь или ионная) зависит от состояния поверхности адсорбента и способа его модифицирования. Вторичная адсорбция представляет собой образование поверхностных агрегатов или кластеров адсорбата (в качестве активных центров могут выступать адсорбированные молекулы капролактама).

Установлен механизм адсорбционного взаимодействия ионов тяжелых металлов с поверхностью отработанного на стадии адсорбционной очистки в производстве КЛ и прогретого при температуре 250 0С активного угля. Адсорбционная способность данного АУ определяется наличием азот- и кислородсодержащих функциональных групп и полимерной структуры, образованной капролактамом на поверхности угля. Тяжелые металлы образуют с функциональными группами прочные химические связи. Ситовые свойства полимерной сетки проявляют себя в удерживании на поверхности активных углей ионов с большими радиусами, что подтверждается зависимостью адсорбционной активности АУ от эффективного радиуса иона.

Впервые разработана и использована стохастическая модель электродиализа, основанная на марковских случайных процессах, позволяющая проанализировать эффективность процесса в зависимости от его основных параметров.

Установлено, что карбоновые кислоты и органические неэлектролиты не изменяют физико-химических свойств мембран и характер массопереноса минеральных примесей через мембраны при электродиализе органо-минеральных смесей.

Практическая значимость. Разработана безотходная адсорбционно-мембранная технология переработки малоконцентрированных органо-минеральных сточных вод производства капролактама. Разработаны способы повышения адсорбционной емкости АУ. Разработана и апробирована в производственных условиях безотходная технология переработки сточных вод производства 2-этилгексанола электродиализом с биполярными мембранами. Предложена математическая модель на основе теории случайных процессов для расчета режимов промышленных электродиализных установок.

Оригинальность и практическая значимость разработок подтверждена двумя патентами РФ.

Суммарный эколого-экономический эффект от предотвращения сброса вредных веществ составляет 323 млн. руб/год.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Теоретическое обоснование механизма адсорбционного взаимодействия капролактама с поверхностью углеродных сорбентов.