Введение к работе
Актуальность работы.
При существующих масштабах загрязнений элементов биосферы по России, необходимы экстренные и эффективные научно-технические решения по защите окружающей среды, которые опирались бы на разные области знаний и технологий, давали бы экологу возможность как прогноза развития экологической ситуации, так и возможность к действиям по охране окружающей среды и рационального природопользования данного географического региона. В этой системе обобщенных знаний касающихся защиты окружающей среды обязательно присутствует минеральное твердое тело и поэтому кажется актуальным поиск взаимосвязей между фундаментальными (наиболее общими с естественно-научной точки зрения) характеристиками природы твердого тела и его свойствами, в том числе и свойств поверхности. При этом можно попытаться спрогнозировать "химическое поведение" твердого минерального тела и предложить схему его использования в природозащитных технологиях. Разработке такого рода взаимосвязей необходимых экологу посвящена данная работа. Работа выполнена в соответствии с программами "Основные направления развития социально-экономической полигики железнодорожного транспорта на период до 2005 года" и "Экологической программой железнодорожного транспорта на 1996-2000 годы".
Среди, большого многообразия различных источников загрязнений железнодорожного транспорта, немаловажное значение имеют поверхностные дождевые стоки, отводимые с железнодорожных путей. Их объем составляет до 135 тыс.м3/год. В проекте нового свода правил по земляному полотну рекомендуется расширить возможности очистки стоков железнодорожного полотна непосредственно в водоотводной системе с использованием фильтрующе-сорбирующих материалов. При этом
і '
рекомендуется использовать для укладки фильтрующих веществ такие перспективные нетканные материалы как геотекстиль.
Для очистки стоков железнодорожного полотна, где возможна очистка непосредственно в водоотводных лотках, требуется вовлечение больших объемов адсорбентов - десятки и сотни тысяч кубических метров. В этом случае, следует акцентировать внимание на загрязнениях, связанных с материалами железнодорожного транспорта и железнодорожного полотна - цветные металлы и растворенные нефтепродукты, а также должна учитываться эффективность и экономичность используемого материала.
Поэтому необходим поиск новых перспективных, дешевых адсорбентов на базе природного и техногенного сырья - отходов или искусственно полученных материалов. Одновременно с этим достаточно остро стоит вопрос об утилизации побочных твердых отходов отраслей промышленности, в том числе металлургической, объем которых ежегодно растет и составляет в настоящее время сотни миллионов тонн.
Цель работы: исследовать возможность применения некоторых техногенных продуктов в качестве адсорбентов в комплексной защите окружающей среды.
Для достижения цели определены следующие задачи исследования: -L-определить—способ—предварительной—оценки адсорбционной способности природных, техногенных и искусственных веществ для использования их в качестве адсорбционных материалов при охране окружающей среды;
-
определить свойства и оптимальные условия эксплуатации выбранных адсорбентов;
-
провести опытную эксплуатацию адсорбентов на природоохранных объектах железнодорожного транспорта.
4. определить технологию использования отработанного адсорбента. Научная новизна:
-
В качестве сорбентов ионов Зсі-металлов при защите окружающей среды предложено и обосновано использование веществ, которые содержат гидратационно-активные минералы. Такие минералы имеют отрицательное значение AG298 (изобарно-изотермического потенциала) в реакциях гидратации при стандартных условиях и поэтому потенциально способны к взаимодействию с окружающей водной средой. Примерами гидратационно-активных минералов, гидратирующих с низкими скоростями, являются силикаты кальция и магния.
-
Обнаружена адсорбционная способность гранулированного доменного шлака, содержащего гидратационно-активные минералы в виде простых и сложных силикатов кальция. Полагается, что адсорбция связана с донорно-акцепторными ионнообменными процессами по замещению ионов кальция на ионы Зс1-металлов, имеющих одинаковые акцепторные 4s электронные орбитали. Этот вывод подтверждают данные микрокалориметрни и элементного анализа по замене кальция при адсорбции ионов Зс1-металлов. Показана также способность гранулироанного шлака к адсорбции растворенных нефтепродуктов на активных центрах другой природы.
3. Определена сорбционная емкость доменного гранулированного шлака
по ионам Зсі-металлов на примере марганца (II), никеля (II), железа (ИДИ),
хрома (III), а также по растворенным нефтепродуктам. Сорбционная
емкость составляет от 0,6 мг/г до 2,14 мг/г по ионам За*-металлов и 0,4 мг/г
по растворенным нефтепродуктам. Показано также, что сорбционная
емкость гранулированного шлака по ионам Зс1-металлов не зависит от
емкости по растворенным нефтепродуктам, емкость по нефтепродуктам не
зависит, в свою очередь, от присутствия ионов Зсі-металлов - т.е.
поверхность доменного гранулированного шлака обладает полифункциональной адсорбцией.
4. Определено, что адсорбционная способность гранулированного шлака
по нефтепродуктам обусловлена физической сорбцией и ограничена его
величиной удельной поверхности.
5. Определены оптимальные условия эксплуатации адсорбента по
показателям: линейная скорость фильтрования - бм/час при размере зерен -
0,315...0,630 мм.
6. Определены адсорбционные возможности в динамических условиях
исследуемого доменного шлака по очищаемой воде: они соответствуют
снижению исходной концентрации на уровне 10...40 ПДК для каждого из
исследованных тяжелых металлов, до уровня ПДК каждого. Для
нефтепродуктов, растворенных в воде на уровне 2 мг/л, с помощью
гранулированного шлака концентрация снижается до 0,05 мг/л.
Практическая ценность:
1 .Проведенная работа предлагает комплекс природоохранных мер, которые, во-первых, расширяют базу поиска адсорбентов для гидросферы среди природных, техногенных и искусственных материалов, отличительным признаком которых является наличие в них -гидратационно-активных минералов, во-вторьіхГспособствуїотутилизации веществ-отходов и, таким образом, освобождают земли ими занимаемые; в третьих, способствуют экономии природного сырья и улучшению качества строительной керамики как объекта утилизации отработанного сорбента.
2,Предложен адсорбент из металлургического гранулированного шлака, определены его эксплуатационные параметры и границы использования по очистке от ионов Зс1-металлов и растворенных нефтепродуктов, составлен проект ТУ. На предложенный адсорбент
получено положительное решение о выдаче патента по заявке № 98116012/12(017796) от 24.08.98.
3. Отработанный адсорбент предложено использовать в качестве
отощителя вместо природного песка при дошихтовке в смеси при
производстве строительной керамики. В этом случае при спекании
образуются труднорастворимые соединения, содержащие ионы 3d-
металлов, что повышает прочность изделий при изгибе и морозостойкости
(получен соответствующий акт).
4. Проведена натурная эксплуатация адсорбента по очистки
поверхностных вод в водоотводной системе железнодорожного полотна на
объекте ПЧ-10. Первая партия была уложена в дренажную систему на
перегоне ст. Славянка - ст Колпино завод Окт.железной дороги в
количестве 0,2 т в мешках из геотекстиля (получен соответствующий акт).
5. Материалы диссертационной работы вошли в учебный практикум
по специальности «Инженерная химия и защита окружающей среды на
железнодорожном транспорте» в виде соответствующих методических
указаний по плану изданий Университета путей сообщения 1999г.
Апробация работы. Основные положения работы были доложены и обсуждены на пятьдесят седьмой, на пятьдесят восьмой и пятьдесят девятой научно-технических конференциях ПГУПСа с участием студентов, молодых специалистов и ученых (1997, 1998 и 1999 год), на третьей Санкт-Петербургской ассамблеи молодых ученых и специалистов (1998г.), на научно-технической конференции СПбГТИ(ТУ), посвященной памяти М.М. Сычева (1999 г.), на научно-практической конференции "Ресурсосберегающие технологии и технические средства на октябрьской железной дороге" (1999 г.), на 13 международной конференции в Германии, Веймар, "Ibausul" (1997 г.), на II международной конференции "Цементы и бетоны", Шотландия, Dundee (1999 г.), на конференции
"Современные проблемы водоснабжения, водоотведения и охраны водных ресурсов"; С-Петербург, ПГУПС, каф. "Водоснабжения и водоотведения", 1998г., на I международной конференции "Пенобетоны III тысячелетия. Тепло России", С-Петербург, ПГУПС, (1999 г.). На зашиту выносится:
способ прогнозной оценки продуктов, содержащих гидратационно-активные минералы, для их использования в качестве адсорбционных материалов ионов Згі-металлов на базе техногенного сырья, реализующийся в донорно-акцепторной системе взаимодействия с ионами 3<і-металлов.
оптимальные параметры эксплуатации выбранного адсорбента;
вариант комплексного решения природозащитных мероприятий и рационального использования природных ресурсов.
Объем диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений.