Научные основы защиты окружающей среды при ликвидации, обезвреживании и блокировании загрязнений железнодорожного транспорта Макарова, Елена Игоревна

Введение к работе

Актуальность темы и направленность исследований. Не решённая на сегодня проблема загрязнения биосферы нефтепродуктами, ионами тяжелых металлов, поверхностно-активными веществами и др. приводит к серьезным последствиям, например, росту заболеваемости населения, истощению природных и энергетических ресурсов, которые наблюдаются по мере роста количества загрязнений.

Анализ состояния вопроса показал, что существующие технологии не способны нейтрализовать все вещества, поступающие в окружающую среду, поэтому поиск научных основ, позволяющих разрабатывать новые технологические решения защиты окружающей среды от загрязняющего воздействия, в том числе, и железнодорожного транспорта, на сегодняшний день актуален.

При поиске основ, формирующих новые технологические решения защиты окружающей среды, было принято во внимание, что существуют достаточно масштабные системы, имеющие, с нашей точки зрения, скрытый, используемый пока ещё не в полном объеме экозащитный резерв, который может быть использован для ликвидации, блокирования и обезвреживания загрязнений транспорта с образованием полезного, экологически чистого продукта. Этот резерв основан на энергетике превращений в таких системах, физико-химических свойствах образующихся в них частиц, в том числе, и наноразмера, и формировании физической структуры некоторых материалов. Примерами масштабных систем, содержащих экозащитный резерв, могут быть системы, образующие искусственный камень (твердеющие вяжущие смеси) или коллоидные растворы. Определению и обоснованию научных основ защиты окружающей среды на железнодорожном транспорте, с учетом такого резерва, а также разработке новых технологических решений, в которых реализуются предлагаемые научные основы, посвящена данная работа.

Работа выполнена в рамках развития критических технологий, утвержденных распоряжением Правительства РФ 25.08.2008 (№ 1243-р) в позициях: «Технологии переработки и утилизации техногенных образований и отходов», «Технологии снижения риска и уменьшения последствий природных и техногенных катастроф».

Исследования по главе 5 проводились при поддержке Министерства транспорта РФ (2007 г), исследования по главе 6 - при поддержке Правительства Санкт-Петербурга (2009 г).

Область исследования соответствует паспорту специальности 03.02.08 - «Экология» по пункту 3.10 «Научное обоснование принципов и разработка методов прогнозирования, предупреждения и ликвидации последствий загрязнения природной среды при техногенных авариях и катастрофах на объектах транспорта».

Цель работы заключалась в определении научных основ, позволяющих разрабатывать новые технологические решения защиты окружающей среды при ликвидации, обезвреживании и блокировании загрязнений железнодорожного транспорта.

В соответствии с поставленной целью сформулированы следующие основные задачи исследования:

определить и обосновать естественно-научные основы, составляющие базу новых методов защиты окружающей среды от загрязняющего воздействия железнодорожного транспорта;

ввести и определить количественный показатель защиты окружающей среды при ликвидации, обезвреживании и блокировании загрязнений железнодорожного транспорта;

использовать новые методы для разработки технологических решений ликвидации, обезвреживания и блокирования загрязнений железнодорожного транспорта с доказательством достигнутой защиты;

оценить качество предложенных технологических решений ликвидации, обезвреживания и блокирования загрязнений железнодорожного транспорта и провести их опытно-промышленное опробование.

Научно-техническая проблема. Разработка научно-обоснованных методов, лежащих в основе технических и технологических решений защиты окружающей среды от загрязняющего воздействия транспорта при ликвидации, обезвреживании и блокировании загрязнений на базе самопроизвольных, энерговыделяющих и гель-образующих процессов.

Научная новизна

1. 1. Разработаны и научно обоснованы методы защиты окружающей среды от загрязнений железнодорожного транспорта, включающие использование процессов, в результате которых понижение уровня свободной энергии Гиббса обеспечивает малоотходность и формирование экологически чистого полезного продукта. Показано, что в качестве примера таких процессов для обезвреживания, ликвидации и блокирования загрязнений можно использовать процессы твердения вяжущих смесей и образования коллоидных растворов.

   2. Для характеристики технологических решений защиты окружающей среды при ликвидации, обезвреживании и блокировании загрязнений железнодорожного транспорта предложен параметр - экозащитная ёмкость, С, кг/т, представляющий собой отношение количества загрязнителя, кг, на тонну твердеющей вяжущей смеси.

   3. Предложено технологическое решение ликвидации аварийных разливов мазута на железнодорожном транспорте, базирующееся на использовании систем с самопроизвольным искусственным камнеобразованием; при этом показано, что энергетический аспект ликвидации зависит от природы вяжущей смеси и сопровождается понижением свободной энергии Гиббса от -49,3 до -2148,5 кДж/моль и энтальпии от - 80,01 до -3042,6 кДж/моль, что зависит от природы вяжущей смеси и сопровождается образованием труднорастворимых веществ с частицами, в том числе, и наноразмера, имеющими соответствующие свойства. Физический аспект ликвидации связан с формированием при твердении искусственного камня системы пор, обеспечивающих капиллярный подсос аварийных разливов мазута с минеральной поверхности. Определены размеры таких пор, капиллярное давление, возможная высота поднятия мазута по капиллярам вяжущей смеси и экозащитная ёмкость процесса твердения. Прослежена взаимосвязь между уровнем понижения свободной энергии Гиббса и скоростью транспорта мазута по капиллярам вяжущей смеси.

   4. Предложено технологическое решение защиты окружающей среды на железнодорожном транспорте при очистке металлических поверхностей от нефтезагрязнений без применения поверхностно-активных веществ и с последующей утилизацией отработанных моющих растворов, базирующееся на использовании самопроизвольных процессов, формирующих коллоидные растворы определенной природы. Энергетической основой процесса очистки является понижение свободной энергии Гиббса от -146,7 до -180,3 кДж/моль и понижение энтальпии от -154,2 до -328,5 кДж/моль, что позволяет вести процесс очистки без нагрева. Прослежена взаимосвязь между уровнем понижения свободной энергии Гиббса и качеством очистки поверхности.

   5. Предложено технологическое решение обезвреживания загрязнений железнодорожного транспорта, содержащих ионы тяжелых металлов (ИТМ), базирующееся на использовании самопроизвольных процессов и образовании малорастворимых гидрофосфатов этих металлов при твердении глинофосфатных вяжущих систем. Энергетической основой обезвреживания является понижение свободной энергии Гиббса от -423,6 до -1252,5 кДж/моль.

   6. Предложено технологическое решение блокирования загрязнений железнодорожного транспорта органической и минеральной природы. Энергетической основой блокирования является понижение свободной энергии Гиббса системы, связанное с прочностью искусственного камня.

   Практическая значимость диссертационной работы состоит в следующем.

   1. 6. 1. Предложенные научно обоснованные методы могут быть использованы для разработки технологических решений защиты окружающей среды на железнодорожном транспорте.

         2. Определены стадии технологического решения ликвидации аварийных разливов мазута на железнодорожном транспорте и критерии его осуществления, включающие определение экозащитной ёмкости процесса ликвидации, которая составляет 300 кг/т, контроль безопасности по водным вытяжкам и анализ качества решения по индексу PQ, значения которого составляют от 0,74 до 0,89, что зависит от природы вяжущей системы.

         Новизна предложенного технологического решения ликвидации аварийных разливов нефтепродуктов защищена 2 патентами РФ.

         1. 6. 3. Определены стадии технологического решения обезвреживания загрязнений железнодорожного транспорта, содержащих ИТМ, включающие определение экозащитной ёмкости, которая составляет от 32 до 340 кг/т, контроль безопасности по анализу водных вытяжек и анализ качества решения по индексу PQ, значения которого составляют от 0,82 до 0,95, что зависит от природы отхода. Новизна разработанного технологического решения защищена 8 патентами РФ. На материалы, содержащие ИТМ, получены санитарно-эпидемиологические заключения и разработан пакет документов в виде ТУ и технологических регламентов.

               4. Определены стадии технологического решения блокирования отходов железнодорожного транспорта в виде резиновой крошки, отработанных моющих растворов, нефтезагрязненных древесных опилок и других, включающие определение экозащитной ёмкости, которая составляет от 50 до 350 кг/т, контроль безопасности по анализу водных вытяжек и анализ качества решения по индексу PQ, значения которого составляют от 0,73 до 0,97, что зависит от природы отхода. На материалы получены санитарно- эпидемиологические заключения и разработан пакет документов в виде ТУ и рекомендаций по применению. Новизна разработанного технологического решения защищена 21 патентом РФ.

               5. Определены технологические стадии процесса очистки нефтезагрязненных металлических деталей железнодорожного транспорта с использованием новых, не содержащих ПАВ и не требующих нагрева моющих средств, включающие блокирование отработанного моющего раствора в глинофосфатных системах, контроль безопасности по водным вытяжкам, определение экозащитной ёмкости глинофосфатной системы, которая составляет 110 кг/т и анализ качества технологического решения по индексу PQ, который составляет 0,82. Установлено рациональное соотношение компонентов в моющих средствах. Выявлены зависимости между температурой моющего раствора, вязкостью нефтепродуктов и качеством очистки. На моющие средства получены 3 патентами РФ, санитарно-эпидемиологические заключения и разработан пакет документов в виде ТУ и рекомендаций по применению.

               6. По всем разработкам подсчитан предотвращенный экологический ущерб, общий предотвращенный ущерб составляет 1 586,4 тыс. руб. Материалы диссертационной работы использованы в учебном процессе кафедры «Инженерная химия и естествознание» Петербургского государственного университета путей сообщения для студентов, обучающихся по специальности «Инженерная защита окружающей среды», а также слушателей института повышения квалификации и переподготовки специалистов. Материал диссертации опубликован в учебном пособии УМЦ по образованию на железнодорожном транспорте, в 5 учебных пособиях института повышения квалификации и переподготовки специалистов железнодорожного транспорта, а также в справочнике научно - промышленной энциклопедии России (2010 г.).

               Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждена результатами экспериментальных исследований, выполненных с применением современных методов физико -химического анализа, рентгенофазового, дифференциально -термического,

               калориметрического методов, а также хорошей сходимостью данных, полученных в лабораторных и промышленных условиях. Исследования, необходимые для решения поставленных задач, проводились в аккредитованном центре кафедры «Инженерная химия и естествознание» ПГУПС на поверенном оборудовании.

               На защиту выносятся:

               1. научные основы защиты окружающей среды от загрязняющего воздействия железнодорожного транспорта при ликвидации, блокировании и обезвреживании загрязнений, базирующиеся на использовании систем, образующих коллоидные растворы и твердеющие вяжущие смеси с формированием экологически чистого полезного продукта и сопровождающиеся понижением свободной энергии Гиббса и энтальпии, образованием труднорастворимых веществ, в том числе, и наноразмера, и формированием системы пор, способных к капиллярному подсосу;

               2. количественный показатель достигаемой защиты окружающей среды при ликвидации, обезвреживании и блокировании загрязнений железнодорожного транспорта, С, кг/т;

               3. технологические решения защиты окружающей среды на железнодорожном транспорте при ликвидации аварийных разливов мазута с контролем чистоты поверхности и сравнительным анализом качества технологических решений;

               4. технологические решения защиты окружающей среды на железнодорожном транспорте при обезвреживании ИТМ в глинофосфатных вяжущих системах с контролем водных вытяжек и сравнительным анализом качества технологических решений;

               5. технологические решения защиты окружающей среды на железнодорожном транспорте при утилизации отходов органической и минеральной природы в искусственный камень с контролем водных вытяжек и сравнительным анализом качества технологических решений;

               6. технологические решения защиты окружающей среды на железнодорожном транспорте при очистке нефтезагрязненных металлических поверхностей с использованием моющих средств, не содержащих ПАВ и не требующих нагрева, с последующей утилизацией отработанных моющих растворов в искусственный камень, с контролем качества очистки и доказательством достигнутой экозащиты по водным вытяжкам из полученного камня и сравнительным анализом качества технологических решений;

               - результаты опытно-промышленного внедрения разработанных технологических решений защиты окружающей среды.

               Апробация работы

               Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях в ПГУПСе: «Шаг в будущее» (1999, 2000, 2001, 2004);

               на Международных научно-практических конференциях: «Города России: проблемы строительства, инженерного обеспечения, благоустройства и экологии» (Пенза, 2005, 2008), «Управление качеством образования, продукции и окружающей среды» (Бийск, 2005), «Экология и безопасность жизнедеятельности» (Пенза, 2005), «Наука и образование» (Белово, 2006), «Повышение эффективности работы путевого хозяйства и инженерных сооружений железных дорог» (Екатеринбург, 2006), «Материалы и технологии ХХІ века» (Пенза, 2006), Internationale Baustofftagung Bauhaus-Universitat (Weimar Deutschland, 2006, 2009), «Trans- Mech-Art-Chem» (Москва, 2010), «Научные основы охраны окружающей среды» (Пенза, 2011), на XVII Международной интернет-конференции молодых ученых и студентов по современным проблемам машиноведения «МИКМУС Пробмаш 2005» (Москва, 2005), на I Международной научно- технической конференции НОР «Нанотехнологическое общество России» (СПб, 2009);

               на VII Всероссийской конференции Ассоциации технических университетов России и представительств отраслевых академий наук при СПбГПУ по проблемам науки и высшей школы, (СПб, 2003, 2008), на академических чтениях «Новые исследования в областях водоснабжения, водоотведения, гидравлики и охраны водных ресурсов», (СПб, 2004); на III Всероссийской INTERNET-конференции с международным участием «Проблемы экологии в современном мире» (Тамбов, 2006); на XXV Российской школе по проблемам науки и технологий, посвященной 60 - летию Победы (Екатеринбург, 2005); на Круглом столе МАНЭБ (СПб, 2005); на 63-й научной конференции профессоров, преподавателей, научных работников, аспирантов, инженеров и студентов ГАСУ. (СПб, 2006); на Региональном экологическом конкурсе «Мой вклад в охрану окружающей среды» (Москва, 2005);

               на Всероссийских научно-технических конференциях: «Новые химические технологии: производство и применение», (Пенза, 2003), «Экологическая безопасность регионов России и риск от техногенных аварий и катастроф», (Пенза, 2004), «Экология автомобильного транспорта: передовой опыт России и стран Европейского Союза», (СПб, 2004), «Экономика природопользования», (Пенза, 2005), «Фундаментальные исследования в технических университетах», (СПб, 2005), «Окружающая среда и здоровье», (Пенза, 2005, 2008), «Образование, наука, медицина: эколого-экономический аспект» (Пенза, 2005), «Геология, геохронология и геоэкология: исследования молодых» (Апатиты, 2005), «Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте» (Красноярск, 2005), «Наука - производство - технологии - экология» (Киров, 2006), «Естественные и инженерные науки - развитию регионов Сибири», (Братск, 2008).

               Опытно-промышленное внедрение технологических решений

               Ликвидация аварийных разливов нефтепродуктов: на железнодорожном транспорте - ТЧ-20 Октябрьской железной дороги, а также в транспортной компании ООО «Барс», ООО «ЭК-ПО», ООО «Петростром».

               Обезвреживание ИТМ: на железнодорожном транспорте - ТЧ-20 и ТЧ- 10 Октябрьской железной дороги, а также в ОАО «Пролетарский завод», ЖЭУ № 21.

               Отходсодержащие глинофосфатные материалы использованы: на железнодорожном транспорте - в депо ТЧ-8 и ТЧ-15 Октябрьской железной дороги, СПМС № 330 Куйбышевской железной дороги, а также в ООО «БалтСтрой», ЖЭУ № 21, войсковых частях 22966 и 15196.

               Моющие средства опробованы на железнодорожном транспорте - в депо ТЧ-20, ТЧ-8, ВЧ-8 Октябрьской железной дороги, а также в транспортных цехах ОАО «Медполимер», ЗАО «Метробетон», ОАО «Армалит», ООО «Скан».

               Все внедрения подтверждены соответствующими актами.

               Публикации Основные положения диссертационного исследования достаточно полно отражены в 146 публикациях, в число которых входят 5 монографий, 52 работы, опубликованные в изданиях, рекомендованных Перечнем ВАК, в том числе 34 патента РФ.

               Структура и объем диссертации

               Диссертация изложена на 363 странице машинописного текста, состоит из введения, 6 глав, заключения, общих выводов, 46 приложений, включает 155 таблиц и 85 рисунков, содержит список литературы из 333 наименований.

               Похожие диссертации на Научные основы защиты окружающей среды при ликвидации, обезвреживании и блокировании загрязнений железнодорожного транспорта

               

               Эколого-технологические основы формирования визуальной среды крупного городаФедосова Светлана Игоревна

               

               Экологические основы диагностики процессов биодеструкции природных и синтетических полимерных материалов в условиях воздействия ряда абиотических факторов внешней средыКряжев Дмитрий Валерьевич

               Комплексная оценка загрязнений почвы полосы отвода железнодорожного транспорта и рекомендации по ее восстановлениюКрошечкина, Ирина Юрьевна

               

               Предотвращение загрязнения окружающей среды на внутреннем водном транспорте управлением антропогенной нагрузкой Наумов Виктор Степанович

               

               Снижение уровня загрязнения атмосферы промышленного центра за счет перевода автомобильного транспорта и систем отопления на альтернативные топлива и проведения организационно-технических мероприятий (На примере г. Бийск) Лиходед Елена Валерьевна

               

               Разработка и исследование стеклоомывающих жидкостей для средств транспорта на основе экологически безопасных компонентовХлесткова Надежда Владимировна

               

               Экологические основы защиты растений от болезней в СибириТоропова Елена Юрьевна

               

               Эколого-токсикологические основы системы защиты медоносных пчел от болезней и вредителейКашина Галина Васильевна

               

               Экологические основы совершенствования системы защиты древесных растений от основных листогрызущих насекомых в лесостепной и степной зонах Российской ФедерацииДубровин Владимир Викторович

               

               Оптимизация интегрированной защиты семечкового сада на основе мониторинга резистентности вредителей к инсектоакарицидамКазадаева Светлана Владимировна