Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время источники водных ресурсов испытывают значительную нагрузку вследствие усиления антропогенной деятельности предприятий различного профиля: химические, нефтехимические, машиностроительные, металлургические и др. В связи с многообразием промышленных объектов в гидросферные комплексы попадает обширный спектр загрязняющих веществ – поллютантов, наиболее распространенными из которых являются ионы тяжелых металлов (ИТМ), нефть и нефтепродукты (НП), относящиеся к особо опасным токсикантам для окружающей среды.
Добыча, переработка и транспортировка нефти и продуктов ее переработки создают риск техногенных аварий и катастроф, связанных с загрязнением обширных водных территорий. Для минимизации загрязнений необходимо усовершенствование существующих, разработка новых методов, внедрение технологий для очистки сточных (СВ) промышленных вод и ликвидации аварийных разливов. Одним из наиболее эффективных способов очистки сточных вод является сорбционный метод, обладающий рядом преимуществ: очистка водных объектов до требуемой концентрации загрязнений, возможность десорбции с повторным использованием сорбента и адсорбата в промышленном цикле.
В качестве сорбционных материалов часто используют отходы различных производств, благодаря чему получают дешевые сорбенты с уникальными свойствами для применения в процессах водоочистки. При этом одновременно решается острая экологическая проблема утилизации отходов. Исследования в области создания магнитных сорбционных материалов на основе вторичных ресурсов являются актуальными, так как данные сорбенты предполагают технологичность их использования, в частности, возможность нанесения на загрязненную нефтепродуктами поверхность воды или в ее объем с последующим извлечением с помощью магнитной сепарации.
Работа направлена на исследование сорбционных характеристик материалов для
очистки водных сред от нефтепродуктов и ионов тяжелых металлов на основе
ферритизированного гальванического шлама (ФГШгт (гидротермальный метод
ферритизации) и ФГШт (термический метод ферритизации)) предприятия ОАО «РОБЕРТ БОШ САРАТОВ» (г. Энгельс).
Цель диссертационной работы заключается в снижении негативного воздействия нефтепродуктов и ионов тяжелых металлов на окружающую природную среду путем разработки магнитных композиционных сорбентов на основе гальваношлама для очистки воды.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Установить оптимальные параметры ферритизации гальваношлама
гидротермальным и термическим методами для определения возможности его использования
при очистке воды от ИТМ Cu(II), Fe(II) и Fe(III) сорбционным методом, а также в качестве
магнитной составляющей композиционных сорбционных материалов. Определить механизм
протекания процесса сорбции.
2. Определить основные параметры получения и исследовать физико-химические
(магнитные свойства, плавучесть, гидрофобность), сорбционные свойства, в зависимости от
времени композиционных магнитных сорбционных материалов на основе ФГШ: КСМ-1 – со
связующим парафином и КСМ-2 – с полимерным сорбционным материалом (ПСМ-1) на основе отхода полиэтилентерефталата (ПЭТФ) по отношению к нефти и нефтепродуктам.
-
Исследовать структуру поверхности сорбционных материалов (СМ) и ее влияние на их сорбционные характеристики.
-
Исследовать влияние природы нефтепродуктов и толщины пленки на эффективность их удаления с поверхности воды магнитосорбентами КСМ-1 и КСМ-2.
-
Разработать технологическую схему производства сорбционных материалов для удаления нефти и нефтепродуктов с водной поверхности. Установить способы регенерации и обезвреживания СМ.
-
Провести расчет экономической эффективности применения разработанного сорбционного материала и величины предотвращенного экологического ущерба водным и земельным ресурсам.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
Впервые применен предварительно ферритизированный гальваношлам, являющийся отходом гальванического производства, в качестве магнитной составляющей при получении композиционных сорбционных материалов для очистки поверхности воды от нефтепродуктов.
Определены условия получения и применения композиционных сорбционных магнитных материалов (КСМ-1 на основе ФГШ и парафина, КСМ-2 на основе ФГШ и ПСМ-1), при которых достигается максимальная эффективность очистки (89,0-99,0 %) воды от нефти и нефтепродуктов.
Практическая значимость работы. Экспериментально определены параметры ферритизации гальваношлама, при которых он может быть использован как сорбционный материал для очистки воды от ИТМ Cu(II), Fe(II) и Fe(III) и в качестве магнитной составляющей в композиционных сорбционных материалах.
Доказана возможность очистки сточных вод от нефти и нефтепродуктов и ликвидации их аварийных разливов с поверхности воды композиционными магнитными сорбционными материалами КСМ-1 и КСМ-2 на основе ФГШ с эффективностью 89,0-99,0 %. Комплексом методов экспериментально установлено, что КСМ-1 и КСМ-2 гидрофобны, обладают плавучестью 98-100 %, магнитными свойствами, сорбционной емкостью 2-4 г/г по отношению к нефти и НП.
Рассчитан предотвращенный экологический ущерб водным ресурсам при использовании сорбционных материалов КСМ-1, КСМ-2 и ФГШт.
Определена эффективность применения разработанных материалов ФГШт, КСМ-1 и КСМ-2 для очистки сточных вод от ИТМ Cu(II), Fe(II) и Fe(III) и НП в процессе проведения опытно-промышленных испытаний на предприятии г. Энгельса. Результаты работы используются в учебном процессе СГТУ имени Гагарина Ю.А. на кафедре «Природная и техносферная безопасность».
Методологической основой диссертационного исследования послужил современный опыт ведущих отечественных и зарубежных ученых в области создания эффективных сорбентов на основе отходов полимеров. Исследования проведены с применением стандартных гостированных методов определения физико-механических, химических свойств сорбентов, а также методов сканирующей электронной микроскопии на микроскопе MIRA 2 LMU для установления их микроструктуры.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Гальваношлам после процесса ферритизации может использоваться в качестве
сорбционного материала для доочистки воды от ионов ТМ Cu(II), Fe(II) и Fe(III), а также в
качестве магнитной составляющей в композиционных сорбентах, что подтверждается
наличием остаточной магнитной индукции. При сорбции ИТМ ФГШт происходит
физическая адсорбция, что подтверждается исследованием механизма процесса.
-
Композиционные сорбционные магнитные материалы КСМ-1 и КСМ-2 на основе ФГШ позволяют очищать воду от нефти и НП с высокой эффективностью.
-
Принципиальная технологическая схема изготовления сорбционных материалов для очистки водных объектов от ИТМ, нефти и НП отличается простотой, экономичностью и позволяет получать различные сорбционные материалы одновременно – ФГШт, КСМ-1 и КСМ-2.
4. Промышленные испытания очистки СВ предприятия. Ожидаемый
предотвращенный экологический ущерб водным ресурсам от сточных вод составит от
3351 руб./год до 6702 руб./год, при ликвидации разливов нефти и НП с поверхности воды
– 402-452 руб./м2, землям за счет утилизации отходов ГШ – 330,6 тыс. руб./год.
Личный вклад автора заключается в постановке задач исследований, теоретическом и методическом обосновании путей их решения, проведении экспериментальных исследований, обработке, обобщении и интерпретации полученных результатов, подготовке публикаций совместно с соавторами.
Апробация работы. Основные научные результаты диссертационного исследования
докладывались и обсуждались на Всероссийских и Международных научно-практических
конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых: Экологические проблемы
промышленных городов (Саратов, 2017), Актуальные проблемы теории и практики
электрохимических процессов (Энгельс, 2017), Проблемы рекультивации отходов быта,
промышленного и сельскохозяйственного производства (Краснодар, 2017), Экология и
рациональное природопользование аграрных и промышленных регионов (Белгород, 2016),
Неделя науки СПбПУ Петра Великого «Высшая школа биотехнологии и пищевых
технологий» (Санкт-Петербург, 2016), Перспективные полимерные композиционные материалы. Альтернативные технологии. Переработка. Применение. Экология «Композит-2016» (Энгельс, 2016), Татищевские чтения: Актуальные проблемы науки и практики (Тольятти, 2016).
Публикации. Основные положения и выводы диссертации изданы в научных публикациях. По теме диссертации опубликовано 9 работ, включая 2 статьи, входящие в перечень журналов и изданий, рецензируемых Высшей аттестационной комиссией при Министерстве образования и науки Российской Федерации.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5-ти глав, заключения, списка литературы из 150 наименований источников. Работа изложена на 155 страницах, содержит 28 таблиц и 35 рисунков.