Введение к работе
Актуальность работы: Использование методов химической физики является важным направлением применения научных знаний в области обеспечения экологической и технической безопасности промышленных процессов. В настоящее время эти вопросы являются особенно острыми, что показал ряд крупных техногенных аварий (на Чернобыльской АЭС, на химических заводах в г.Бхопале (Индия), г.Совезо (Италия)). Методы физической химии, равновесной термодинамики не дают ответа на вопрос о скорости развития нежелательных процессов, скорости накопления тех или иных веществ и побочных продуктов реакций, увеличивающих риск с точки зрения экологической и технической безопасности процессов. Определение таких параметров реакций может быть осуществлено с позиций химической физики, при исследовании кинетики и механизмов химических реакций. Исследование ки-
ики и механизмов процессов образования, разложения токсичных и нежелательных ве-ггв, отходов; изучение термодинамических характеристик реакций позволяют: определить условия проведения процессов, в которых количество выбросов в окружающую среду токсичных соединений соответствовало бы требуемым нормам экологической и технической безопасности; исключать образование отходов; разрабатывать методы обезвреживания и утилизации отходов.
Следствием образования большого количества промышленных и бытовых отходов стало значительное загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами, диоксинами и ди-оксиноподобными ксенобиотиками, другими токсичными веществами. Являются актуальными проблемы, связанные с повышением безопасности процессов ядерной энергетики, снижением количества образующихся отходов атомной промышленности, безопасностью при уничтожении химического оружия.
Проблемы экологической и технической безопасности промышленных процессов, вопросы обезвреживания отходов, и особо опасных экотоксикантов исследуются в настоящее время в РФ и в других странах. Можно назвать таких известных отечественных ученых и специалистов: вопросы, связанные со снижением загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами, в результате сбросов гальвано-химических производств (д.х.н. Кудрявцев В.Н., д.т.н. Колесников В.А.,РХТУ, г.Москва); проблемы обезвреживания осадков сточных вод, загрязненных тяжелыми металлами (д.т.н. Данилович Д.А., МВКНИИП, г.Москва; д.с.-х.н. Касатиков В.А., ВНИПТИОУ, г.Владимир); расчеты кинетических характеристик процессов дехлорирования диоксинов л диоксиноподобных ксенобиотиков (д.х.н. Юфит С.С., ИОХ РАН, г.Москва); термодинамические расчеты процессов образования диоксинов (д.х.н. Гур-
и Л.В., д.х.н. Иориш B.C., ИВТАН, г.Москва); процессы обезвреживания диоксинов, поли-орированных бифенилов (д.х.н. Клюев Н.А., ИПЭЭ РАН, г.Москва; д.х.н. Тарасов В.В.,РХТУ, г.Москва; д.х.н. Зорин А.Д. Государственный университет, Н.Новгород); безопасность процессов атомной энергетики и экологические проблемы загрязнения отходами атомной промышленности (академик Велихов Е.П., Курчатовский институт, г.Москва);
Также следует назвать известных зарубежных специалистов, занимающимся проблемами обезвреживания отходов и особотоксичных веществ, а также изучением их воздействия на окружающую среду и здоровье населения: вопросы загрязнения диоксинами и диок-синоподобными соединениями (Dr. L. Birnbaum, Агентство по охране природы, Вашингтон, США; Dr. M.S.Denison, Университет Беркли, Калифорния, США; Dr.R.Seeker, Национальная академия наук, США; Prof. J.Paasivirta, Университет в Юваскила, Финляндия; Prof. I.Holoubek, Университет в Брно, Чехия), обезвреживание токсичных веществ и материалов (Dr. B.Brunner, Dr.A.Wicki, Лаборатория в Шпиц, Швейцария; Dr.V.Starrock, Университет в Люнебурге, Германия; Prof. J.Matousek, Университет в Брно, Чехия).
Ьолыпое внимание решению жологических проблем, связанных с обезвреживанием отходов, п Удмуртской республике уделяет академик Липанов Л М , возглавляющий Удмуртским научный центр РАН и ИПМ УрО РАН
Данное псследопание основывается на опыте mix ученых, является развитием их подходов к вопросам уменьшения количества, обезвреживания, утилизации отходов, снижения их офинателыюю воідсиствия на окружающую среду и здоровье населения, для безопасности оїдсльїіьіх технологических процессов
Цель работы и іидача исследовании. Целью работы является разработка прогности
ческого аппарата на основе методов химической физики и ікспериментальньїх исследований
кинетики и термодинамики реакций образования, обезвреживания токсичных веществ и не
желательных примесей в промышленных процессах, методах переработки отходов Для дос
тижения поставленной цели решены следующие задачи ^^
разработана па базе методов химической физики и -жепериментальиых подходов метс^^ логня оценки кинетических характеристик взаимодействия кислотных реагентов с отходами гальвано-химических производств в процессах их обезвреживания и утилизации,
при исследовании кинетики и механизмов гетерогенных реакции, термодинамики процессов проведена оценка условий образования диоксинов и диоксиноподобных соединении при сжигании диоксиноіенньїх материалов.
разработанная методология применения методов химической физики, термодинамических исследований и -жепериментальиых подходов использовалась при определении условий об-рашвания и обеїнреживания отходов некоторых специализированных производств.
Работа выполнена в институте прикладной механики УрО РАН в соответствии с планами научно-исследовательских работ по теме «Исследование кинетики и механизма гетерогенных процессов, протекающих в системах «газ (жидкость) - твердое тело» (№ roe per ()194()()()1 11)8), но региональной научно-технической программе «Урал», проекту «Замкнутые воіирагиьіе гехнолої ни очистки сточных вод предприятии машиностроительной и приборостроительной оіраелеи»
Методы исследовании. В ходе работы, для исследования кинетических характеристик реакций и изучении термодинамики процессов, использовались такие физические, фи-шко-химические (рентгенофлуореспентныи. рентгенофазовыи анализ, ИК-. ЯМР- спектрометрия, іермогравиметрия) и химические методы исследования веществ и материалов и их свойств Использовались специальные установки для определения кинетических характеристик реакции и растворах и свойств суспензии, определения термодинамических характеристик реакции разложения малоизученных соединений Более подробно лот вопрос освещен ниже в описании второй главы диссертации Применялись методы расчета гермодинамі^Л ских свойств органических соединений и методы моделирования равновесия для отдельных процессов, меюды неизотермическои кинетики для определения кинетических характеристик отдельных реакции
Нііучіїпн nimiitna работы заключается в том, что на основе исследований химической кинетики и механизмов реакций впервые разработана комплексная система средств и установок обешреживания и утилизации побочных продуктов современных производств, жоло-гпческои міцнім населения и окружающей среды, а именно
- разработана методология на основе химической физики и жепериментальиых подходов для оценки кинетических характеристик процессов взаимодействия осадков сточных вод муниципальных очистых сооружении, шгрязненных тяжелыми металлами, с растворами КИСЧОІ, впервые сдечапа оценка кинетических характеристик процессов выделения тяжелых меіаллов ні осадков сгонных вод, шламов гальвано-химических производств растворами ки-
слотных реагентов.На основании этих данных разработаны новые способы обезвреживания таких отходов и утилизации получаемых веществ и материалов;
с использованием метода групповых составляющих сделан расчет термодинамических характеристик всех индивидуальных соединений, относящихся к наиболее опасным ксенобиотикам: полихлорированным дибензо-п-диоксинам, дибензофуранам, бифенилам, другим диоксиноподобным соединениям, их Вг- и S- аналогам. На основании расчета термодинамики возможных реакций изучена возможность образования и обезвреживания этих соединений в разных процессах, определен температурный интервал наиболее вероятного образования диоксинов и их аналогов в зоне охлаждения установок по сжиганию диоксиноген-ных отходов и материалов;
в результате расчета кинетических характеристик образования полихлорированных дибензо-п-диоксинов и дибензофуранов в зонах охлаждения установок по сжиганию диок-
«
генных отходов определены необходимые условия для исключения их образования в чествах, превышающих допустимые значения;
с целью изучения поведения соединений фосфора в технологии урана и повышения безопасности и надежности технологическихлроцессов разработаны новые методы синтеза и исследованы свойства фторфосфатов урана; в результате экспериментов впервые определены термодинамические характеристики реакций разложения фторфосфатов урана; с использованием методов химической кинетики, экспериментально получены новые результаты при исследовании реакций с участием фторфосфатов урана; разработаны рекомендации по снижению образования этого вида отходов в отдельных процессах. Синтезированы новые соединения в системе U-P-F.
на основе термодинамических, кинетических исследований и в результате экспериментов впервые изучена возможность осаждения из реакционных масс детоксикации люизита наименее токсичного, наименее растворимого и наиболее термодинамически устойчивого при обычных условиях сульфида мышьяка. Разработаны способ выделения сульфида мышьяка из реакционных масс детоксикации люизита и других мышьяксодержащих растворов уничтожения химического оружия и глубокой очистки таких растворов от мышьяка. Исследование направлено на повышение безопасности процессов уничтожения химического оружия.
Практическая ценность и реализация работы
В результате проведенной работы были подготовлены предложения:
- для МП «Мосводоканал», «Ижводоканал» по утилизации осадков сточных с поуче
нием ораноминерального удобрения и концентратов металлов. Подготовлен проект опытно-
мышленной установки по переработке 1 т. осадков сточных вод в смену; - на ОАО «Ижевский радиозавод» внедрен, на основании проведенных исследований, сгуститель суспензии и проведена замена фильтровального оборудования на очистных сооружениях предприятия. Внедрены способы обезвреживания отработанных концентрированных растворов цинкования. Внедренные мероприятия позволили увеличть эффективность работы очистных сооружений, снизили количество образующихся промышленных отходов;
в Министерство промышленности Удмуртской Республики направлены предложения по проведению мероприятий по кооперации гальвано-химических производств промышленных предприятий г.Ижевска, снижению отходов этих производств;
для Федеральной программы по уничтожению химического оружия были подготовлены предложения по способу переработки реакционных масс детоксикации люизита с получением сульфида мышьяка. Предложения были направлены МО РФ и Министерство экономики РФ;
В ходе работы была создана компьютеризированная база данных по гальвано-химическим ироизволсгпам и очистному оборудованию промышленных предприятий г Ижевска Данная база данных может быть использована при информационном взаимодействии предприятии по данному типу производств
На основании расчетов термодинамических свойств всех типов ксенобиотиков, относящихся к полих юрпропаиным дибензо-п-диоксинам, дибензофураїшм, бнфеиилам. их Вг- и S- аналої ам полі отоплена справочная база данных, которая может быть использована для моделирования различных процессов с участием этих соединении
Личным вклад заключается в следующем- идеи проведения исследований, разработ
ка теоретическою обоснования, разработка схем установок, разработка некоторых методик
анализов тяжелых металлов в осадках с і очных под и гальваношламах, расчет кинетических
и термодинамических характеристик процессов, подготовка публикаций и заявок для пол^ь
чеиия патентов на изобретение сделаны пічно автором, ^^
Вклад других исследователей постановка задачи проведения исследовании - Лиманов А М , Селезнев В П . консультационная помощь- Трубачев А В , Махнев Е С , Хан В П . монтаж установок, проведение исследований - Семакин В П , Поздняков С В , Максимов Б П Драль А С , Мирошкнн М А , Губочкин В А , анализ водных растворов на тяжелые металлы - Шумилова М А , расчет термодинамики реакций - Чечина А А , внедрение, производственные испытания - Меркушев К) Н
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на 23 международном симпозиуме и 6 псероссийских конференциях и симпозиумах, и том чисте Химическое разоружение Чколоіия и технология - (Ижевск, 1996.2000), Окружающая среда и шоровье населения (Ижевск, 2001), Обработка осадков сточных вод (Со-411,1991.1992), Международный симпозиум по внутрикамерным процессам - (Ижевск,1999. Москва.2002). 20-th Int Symp ом Halogcnated Environmental Organic Pollutants & POPS "Di-oxm-2000" (Монтеррей, Калифорнии, США, 2000), 1 i-tli Annual Meeting of International Society of Exposure Analysis "ISEA-200I" (Чарльстон, Южная Каролина, США.2001), tnt Symp oii Nuclear, Biological and Chemical Threats "NBC-1997, 2000, 2003, 2006" (Хувннкая, Чспоо, Юваскила, І ампере, Финляндия, 1997,2000,2003,2006), VI, VII -th Int Symp on Protection Against Chemical and Biological Warfare Agents (Стокгольм; Швеция, 1998,2001), 1,2,3- th Int Chemical and Biological Treatment Symp - Industry, "CBMTS - Indystry- 1,11,III" (Загреб, Дубровник, Хорватия, 1998, 2001,2003), 3,4-th hit Chemical and Biological Treatment Symp "CBMTS - [H,IV" (Шпиц, Швейцария, 2000,2002), 30-lh Annual tnt Symp On Environmental Analytical Chemistry "ISEAC-30" Qcnoo, Финляндия, 2000)
Публикации. Результаты, отражающие содержание диссертационной работы, пз^Ь жены в 125 пубчикацнях. из них монографии-1, препринтов и обзоров по проблеме- 5, сЯг ген в российских изданиях - 22, сіатеи, опубликованных за рубежом - IS, патентов РФ на изобретение - 3, оічетов но НИР- 12, материалов симпозиумов и конференции, вгч изданных іа рубежом (2 стр и более)-41
С щуктура и обьем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных па 392 страницах, содержит 92 рисунки,, 201 таблиш/ллшеок литературы 454 наименовании, 5 приложений в виде отдельной книги на 96 страницах
