Введение к работе
Актуальность работы. Чрезвычайно важной экологической проблемой, ставшей глобальной, является загрязнение природной среды соединениями тяжелых металлов. С такой проблемой сталкиваются в химической и нефтеперерабатывающей отраслях промышленности, машиностроении, приборостроении и др.. Выбросы тяжелых металлов в окружающую среду происходят либо во время проведения химических процессов (синтез и переработка природного сырья с использованием металлсодержащих реагентов и металлических катализаторов), либо в результате образования отходов (металлоорганические комплексы, дезактивированные катализаторы и др.). Особенно опасной является тенденция все большего выброса в окружающую среду тяжелых металлов не в виде простых неорганических солей, а в виде оргашгческих комплексов, поскольку токсичность металлоорганических соединений значительно выше токсичности неорганических солей. Учитывая, что в настоящее время обезвреживанию стоков, содержащих металлоорганические соединения, уделяется крайне мало внимания, актуальной является разработка методов разрушения таких соединений с выделением металлов в восстановленном виде. Одним из перспективных методов обезвреживания таких стоков представляется непрямое катодное восстановление металлов в растворах металлоорганических комплексов с использованием катодов, содержащих компоненты, химически взаимодействующие с такими комплексами.
Основой для создания таких реакционноспособных катодов могут служить углеродноволокнистые материалы, которые благодаря работам отечественных и зарубежных исследователей хорошо зарекомендовали себя в процессах катодного восстановления ионов металлов. В развитие этих работ для более эффективного осаждения металлов из растворов как оргашгческих комплексов, так и неорганических солей представлялось целесообразным попытаться разработать объемные катоды с частично регулируемым распределением потенциала по толще катода.
Представлялось также актуальным изучение влияния анодной поляризации на свойства углеродных волокон, поскольку регенерация катодов после нанесения металлов производится, как правило, при помощи анодной поляризации.
Столь же актуальным является изучение возможности использования металлических осадков, нанесенных на углеродные носители, служащих основой катодов для выделения металлов из растворов, в качестве катализаторов и электрокатализаторов.
Актуальность работы подтверждается включением ряда разделов работы в федеральные целевые программы "Экологическая безопасность России" и "Отходы", московскую программу "Наука-Москве" и программу создания Московского регионального центра по переработке гальванических отходов.
Нель работы. Решение научной проблемы, имеющей важное народнохозяйственное значение по обезвреживанию промышлишых стоков, содержащих тяжелые металлы и их стойкие органические комплексы. Разработка научных основ создания малоотходных и замкнутых производств, использующих металлоорганические комплексы. Создание методов разрушения и обезвреживания металлокомплексов, отходов химического производства, на основе сочетания методов химического и электрохимического восстановления металлов. Разработка способа интенсификации катодного электрохимического осаждения из про.мышлегашгх стоков трудно осаждаемых металлов за счет частичного регулирования распределения потенциала по толще объёмного катода. Создание математических моделей нестационарных и неидеальных процессов промывки деталей в химическом, гальваническом, травильном и др. производствах, включающих средства локальной очистки, позволяющих оптимизировать потребление воды. Изучение свойств материалов, используемых для электрохимического осаждения металлов, и применение их в катализе.
Научная новизна.
Впервые на примере обезвреживания стоков производства витамина 1 создан комбинированный метод разрушения стойких металлоорганических комплексов Cu(I) с извлечением из них более 99 % ионов металла путем сочетания процессов цементации и катодного восстановления металлов. Детально изучены закономерности протекаїшя отдельных стадий и всего процесса сопряженного разрушения комплекса Cu(I) на поверхности Zn-нанесенного
углеродноволокнистого войлока. Разработан способ извлечения ртути из стоков производства D-рибозы на вращающемся катоде из углеродно-волокнистых материалов.
Разработаны объемные проточные катоды композитного типа. Показана возможность интенсификации катодного осаждения никеля на таких композитных катодах. Проведен математический анализ работы таких катодов и дано теоретическое обоснование возможности интенсификации на них процесса катодного осаждения металлов.
Получены новые данные по кинетике осаждения и структуре осадков меди, никеля и цинка, осажденных на углеродные волокна.
Разработаны процессы очистки промывных вод в гальваническом производстве, включающие в себя средства локальной очистки - электролизеры с плоскими и объемными катодами. Выполнено математическое описание моделей нестационарной и неидеальной промывки деталей в химическом, гальваническом, травильном и др. производствах. Дан детальный технико-экономический анализ различных схем промывки в гальваническом производстве.
Получены новые данные по электрохимическому извлечению ионов меди Б присутствии ионов шестивалентного хрома.
Впервые показано, что при анодной поляризации углеволокнистые материалы приобретают способность к адсорбции ионов металлов, которые способны к многократному обратимому окислению - восстановлению без удаления их с поверхности носителя. Найдено, что такие металлнанесенные системы могут являться высокоселективными катализаторами электрогидрирования органических соединений, обладающими на два порядка большей активностью, по сравнению с катализаторами, осажденными электролитически. Впервые реализовано гидрирование органических соединений на металлсодержащем УВМ in situ за счет генерации восстановленной фазы Ni в ходе реакции без введения ионов № в реакционную среду.
Практическая значимость работы. Решена крупная народно-хозяйственная проблема, связанная с обезвреживанием промышленных стоков, содержащих ионы и органические комплексы тяжелых металлов. Разработаны новые методы для решения проблем экологии химического и гальванического производств.
Разработан способ извлечения меди из стоков химического производства витамина Вг, содержащих стойкие металлоорганические комплексы, путем непрямого катодного восстановления на Zn-нанесённом углеродном войлоке. Разработан способ извлечения ртути из ртутно-органического комплекса производства рибозы .
Разработаны, апробированы и внедрены в производство методы и катоды для аппаратов ступенчатой электрохимической очистки гальваностоков, содержащих соединения меди, никеля и цинка:
реализована в условиях промышленного производства (ПО "Янтарь" Орел) система очистки стоков с использованием электролизеров кассетного типа с проточными объемно-волокнистыми композитными катодами,
создана и передана для промышленной эксплуатации линия электрохимического обезвреживания и утилизации концентрированных электролитов, включающая систему глубокой очистки остаточных растворов ( Москомпр ирода).
Разработана документация на передвижную станцию утилизации и глубокой очистки коіщентрированньїх промышленных стоков и аварийных выбросов, содержащих цветные металлы (Московский городской комитет по науке и технике).
Апробация работы. Основные результаты работы доложены на Всероссийских и Международных конференциях, симпозиумах, выставках и советах российских и зарубежных фирм в России, Казахстане, Белоруссии, Германии, Австрии , Швеции и Финляндии.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 30 печатных работ, в том числе 2 обзора. Получено 6 патентов РФ.
Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на 255 страницах, содержит 50 рисунков, 15 таблиц и состоит из введения, четырех глав: литературного обзора и трех глав, содержащих эксперимент и обсуждение результатов, заключения, выводов и списка литературы.
