Введение к работе
| Актуальность проблемы. Выгодное стратегическое положение Приморского зая (ПК) на Дальнем Востоке России и наличие богатых месторождений полезных жопаемых предопределило здесь специфичность уклада промышленной и соци-іьной инфраструктуры, развитие горнорудной и горнодобывающей промышлен-эсти, строительство и функционирование предприятий ВПК. Все это техносфер->е давление отрицательно сказывается на биосфере и среде обитания человека в >ае. Добыча, переработка и обогащение минерального сырья, металлургическая и еханическая обработка металлов в совокупности приводят к загрязнению почвы, мосферы, поверхностных и грунтовых вод ионами тяжелых и цветных металлов, есмотря на значительный спад в 1993 - 98 г. г. промышленного и горнорудного юизводства в крае, объем текущих ежегодных сбросов здесь в водные системы іставляет 200 - 400 т металлов. Ежегодно образуется: около 2,9 млн. т твердых гталлосодержащих отходов (3 и 4 классы опасности) горнодобывающих предпри-ий, от 70 до 140т высокотоксичных хромсодержащих отходов (ХСО) металло-їрабатьівающих предприятий. Основными поллютантами в техносфере края яв-потся ионы хрома, меди, цинка, свинца, железа, никеля, ртути, кобальта, кадмия и ). Изучается радиоактивный вклад в техносферу продуктов распада урана, тория, їлия и трансурановых элементов [9, 12, 14].
Анализ уровня загрязнения окружающей среды ионами металлов, вызываю-их серьезные физиологические и неврологические нарушения здоровья человека, шведен в работах В.Н. Адаменко; К.Я. Кондратьева, С.А. Синякова, 1991; Н.И. гзилевича и др., 1971; B.C. Безель, 1994; М. Бигона и Дж. Харпера, 1988; Дж. Бок-tea, 1982; Г.С. Вахромеева, 1995; В.А. Вронского, 1996; Ю.А. Израэля, 1984; А.В. ирмунского, 1995 - 98; Д.Х. Ли, 1982; Д.Х. и Д.Л. Медоуз и др. 1994; Дж Мура и Рамамурти, 1987; Д.П. Никитина, 1980; В.Ф. Протасова и А.В. Молчанова, 1995; ).Ю. Сает, 1990; Ю.И. Скурлатова, 1994; Г.В. Стадницкого, 1988; Н.К. Христофо-івой, 1994-98 и др.
Основным природоохранным направлениям в утилизации хрома посвящены .боты Л.А. Алферова, 1984; В.А. Аникеева, 1982; С.С. Афонского, 1981; 1985; Г. Белобаба, М.В. Певицкой, 1980; О. А. Диденко и др, 1980; М. Исао, М. Хироси, У Тоба, 1991; И.В. Кузьмина, В.П. Пастухова, 1992; Н.В. Манусова и др, 1974; М. ггтинга, 1985, СЕ. Суконникова, 1991 и других исследователей.
Об актуальности проблемы загрязнения металлами организма людей, прожи-ющих в промышленных центрах ПК, свидетельствуют результаты совместных следований, проведенных специалистами «Экоцентра» и «Примгеолкома» (1996 і. Содержание свинца, меди, цинка в волосах жителей Владивостока находится уровне концентраций (по Реймерсу), при которых начинаются поражение нерв-й системы человека. Специфика техногенных нагрузок на экосферу Дальнего )стока и ПК, зависимость здоровья населения края от экологических нагрузок юмышленных центров, возможные катастрофические последствия поражения ксикантами отражены в работах В.А. Абрамова, 1981 - 98; А.И. Агошкова, 1998; С. Аржановой, 1996; П.В. Елпатьевского, 1996; А.В. Жукова, 1997 - 98; Е.М. іанова, 1994, 1996 1998; А.А. Кавтасышна, 1998; И.И. Кондратьева, 1993; Б.И. шдырева, 1998; В.И. Короткова, 1983, 1997, 1998; А.Б. Косолапова, 1996 -98; В.Ф. Мишукова 1990; В.А. Петрова, 1997 - 98; Б.В. Преображенского 1997 -; Г.В. и ВТ. Свинуховых, 1993 и др.
Место хрома в токсичном ряду металлических поллютантов ПК может бі определено только через общую картину загрязнения металлами природных q края и сопоставимые базовые показатели (СБП). В качестве такого показател; данной работе было выбран критерий приведенной массы (КПМ) [9 - 15] усл< но токсичного вещества (УТВ). В диссертационной работе КПМ бьш принят і самостоятельный показатель [9,10,11], позволивший оценить комплексные урс ни загрязнений природной среды ПК металлами от стабильных ежегодных сброс сопоставить их между собой, определить ведущие металлы-токсиканты, оцет потенциальную опасность накопленных на территории ПК металлосодержаш отходов, долю токсичности, вносимую ингредиентами (особенно хромом), ср; нить между собой балансы текущих сбросов и накопленных отходов [1 - 15]. Хр по динамике накопления токсичного вещества и доле токсичности, вносимой ил объемы техногенных загрязнений ПК, относится к ведущим токсикантам в регио ХСО, хранящиеся непосредственно в промышленных центрах, создают дополі тельную нагрузку на районы с уже значительными техногенными уровнями загр нения хромом. Условия хранения ХСО не соответствуют экологическим и санит; ным нормам, неконтролируемые утечки составляют до 15 % от ежегодно образу щихся объемов [9 - 15].
Вместе с ХСО из хозяйственного оборота безвозвратно теряются и доро стоящие металлы; для хрома эта величина в масштабах края составляет 27 т, мед 10 т, железа - 64 т, цинка - 11 т, что противоречит принципу рационального испо. зования природных ресурсов. Сбор и длительное хранение ХСО на территории ] связаны с отсутствием технологий их массовой утилизации. Основной причині сдерживающей их рециркуляцию (см. аббревиатуры и термины, прил. 1), счита* ся сложный полиметаллический состав отходов и высокие температуры восстані ления оксидов хрома. Наиболее перспективными в переработке таких отходов і гут стать термохимические методы восстановления, позволяющие значителі снизить свободную энергию распада окислов хрома и получить полиметалличесі сплавы. Термодинамические особенности восстановительных процессов, проис: дящих в ХСО при их рециклинге (см. прил. 1), показывают на возможность раз ботки специальных режимов и технологических схем получения композиционн и металлических материалов [1 -15].
Следовательно, оценка уровней токсичности по хрому и технология массої регенерации металлов из твердых ХСО является актуальной экологической щ блемой, которая в перспективе позволит разрешить три главных направления: снизить уровень экологического загрязнения ионами металлов окружающей щ родной среды края для ее сохранения и восстановления; б), сократить количес: безвозвратных потерь металлов через рациональное их использование; в), снизі уровень заболеваемости населения ПК.
Целью исследований является разработка эффективных технологий по кращению токсичных хромсодержащих отходов и получению из них вторичні сырья, которое с помощью рециркуляции преобразуется в К0МП03ИЦИІ ные и металлические материалы, годные к применению в промышленности и і родном хозяйстве, что в результате способствует охране окружающей среды и циональному использованию природных ресурсов.
Основные задачи исследования:
-определение уровня экологического загрязнения хромом (на фоне остальн металлов-загрязнителей) окружающей природной среды Приморского края (почв
ідная система, атмосфера); исследование особенностей гидрооксидных юмсодержащих отходов как потенциального вторичного сырья для получения шпозиционных и металлических материалов; исследование влияния на жсичные отходы процессов сушки и отжига; подбор эффективного кхтановителя и выбор оптимальных условий восстановления токсичных ХСО; следование термодинамических параметров технологического процесса ^становления ХСО; исследование экологической чистоты, химического состава и ювня токсичности полученных вторичных материалов и сплавов; разработка жомевдаций по охране окружающей среды и рациональному использованию ісурсов ХСО в техносфере ПК; моделирование экологически «грязных и чистых» уьектов в крае на основе критерия приведенных масс; обобщение результатов следований в виде «экологически чистых» и рациональных технологических :ем рециркуляции ХСО.
Основная идея работы заключается в том, что твердые токсичные щрооксидные ХСО после специальной «экологически чистой» технологической :рсработки могут служить эффективным вторичным ресурсным сырьем для :ономичного воспроизводства композиционных и металлических материалов, что итоге восстанавливает здоровую среду обитания человека.
Защищаемые научные положения.
1. В твердых токсичных гидрооксидных хромсодержащих отходах (ХСО)
эедприятий Приморского края РФ при термической обработке с пониженными
финальными давлениями кислородосодержащих газов установлено соответствие
азовых превращений закономерностям, которые описываются классической
шграммой состояния трехкомпонентной системы [Fe-Cr-O] (изотермический
)сз) и дополнительно определяются особенностями термодинамики процессов
:циркуляции.
2. Разработаны специальные режимы эффективного технологического
^становления хромсодержащих отходов (ХСО) в водородных средах, в средах
іердого углерода при пониженных парциальных давлениях кислородосодержащих
зов и в низком вакууме в присутствии углерода, которые экологически и
юномически приемлемы для горнорудной, горнодобывающей и
:таллообрабатывающей отраслей края.
3. Созданы технологические схемы рециклиига, использующие особенности
руктуры и состава твердых гидрооксидных хромсодержащих отходов (ХСО),
іторьіе позволяют перерабатывать токсиканты во вторичное сырье путем
^становления методами термохимии для получения безопасных и экологически
гстых композиционных и металлических сплавов, близких по составу спеченным
фошковым хромистым сталям.
-
Разработана технология региональной оценки уровня загрязнения хносферы Приморского края тяжелыми и цветными металлами на основе штерпя приведенной массы (КПМ) условно токсичного вещества (УТВ), >торая позволяет определять главные металлические ингредиенты, )едставляющие максимальную опасность для человека и окружающей среды рритории.
-
На основе региональной оценки долей токсичности металлических ігредиентов в промышленных отходах, через универсальный критерий шведенной массы (УКПМ) условно токсичного вещества, обоснованы рвоочередные природоохранные экологические мероприятия, меры по щиональному использованию природных ресурсов через вторсырье, способы
снижения заболеваемости и улучшения здоровья населения, которые учитываю отрицательный вклад хрома в техносферу Приморского края.
Научная новизна: Установлены величины КПМ и доли токсичност основных металлических поллютантов (ведущие токсиканты), поступающих водные системы и атмосферу в районах горной добьии и промышленных зон ПК Выполнена оценка количества токсичной металлической массы, заключенной отходах горнодобывающих и металлообрабатывающих предприятий Приморског края, определены доли токсичности, вносимые ингредиентами. На основе анализ техногенных металлопотоков в природной среде края (величина приведенно массы, доля токсичности ингредиентов) установлены приоритетные направлени природоохранных мероприятий по снижению уровня загрязнений ионами металло окружающей среды ПК. Составлены картограммы загрязнения атмосферь гидросферы и почвы промышленных центров ПК на базе показателей КПМ и доле токсичности, вносимых металлами-загрязнителями в природные среды (п состоянию на 1995 - 98 г.г.). Установлено соответствие фазовых превращение происходящих в хромсодержащих полиметаллических гидрооксидных отхода закономерностям, описанным диаграммой состояния [Fe-Cr-O] (изотермически срез при температуре 1250 С и пониженном парциальном давлении). Разработан диаграмма изменения фазового состава (в координатах «количество фаз - lgP02> для гидрооксидных ХСО при восстановлении для вариантов Fe:Cr = 80:21 Построены зависимости изменения парциального давления от температуры для окисло составляющих основу ХСО (на фоне зависимостей для стандартных окислов Определены специальные режимы получения композиционных металлически материалов и сплавов из ХСО [1 -15].
Практическая ценность работы. Для реализации правительственно программы «Отходы» подготовлен в ДВГТУ и принят Экологическим фондом крі договор на создание научно технической продукции по разработке технологи утилизации ХСО и гальванических шламов. Установленные ведущие металлі загрязнители (токсиканты) и вносимые ими доли токсичности в природную cpez могут быть использованы технологами, экологами, экотоксикологами ді определении дозы токсической нагрузки техносферы на различные биологичесы системы в реальных ситуациях при анализе зависимостей доза-эффект. Результат оценки загрязнения атмосферы городов ПК хромом и другими металлами і показателям КПМ используются при организации учебного процесса в ДВГАЭУ -15].
Методика исследования состояла: в систематизации и обобщении данных і способам термохимического восстановления металлических соединений, входящі в состав гидрооксидных ХСО; в экспериментальных работах по выбо] предварительной термоподготовки ХСО к восстановительным процессам; получении закономерностей протекания фазовых превращений, проходящих в ХС при термической обработке с пониженными парциальными давлениях кислородосодержащих газов; в экспериментальной апробации специальнь температурных режимов восстановления отходов в условиях применен! разных агентов-восстановителей (водород, углерод), гетеров (медных, титановых,
ферротитановых, углеродных); в условиях низкого вакуума; в анализе оценке долей токсикантов в объеме и структуре техносферы края [1-15].
Методы изучения включают: математические и технологические расчет] аналитические и экспериментальные исследования в лабораторных условия рентгеноструктурные и химические анализы, компьютерное моделирование.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждает-ї соответствием результатов математических расчетов, теоретических исследова-ий и выводов результатам лабораторных экспериментов, рентгеноструктурных ^следований и химических анализов, полученных после восстановления материа-эв, а также успешными полупромышленными и стендовыми испытаниями.
Личный вклад автора. Автором выполнен количественный, качественный и эавнительный анализ техногенных металлопотоков (атмосфера, гидросфера, поч-i) промышленных зон и горных отводов ПК; определены ведущие металлы-жсиканты; установлено место хрома в токсичном ряду металлических поллютан-)в, поступающих в природную среду. Оценена динамика роста приведенной мас-л УТВ для водных сбросов (по металлическим компонентам)- Дана оценка накопанных в крае металлосодержащих отходов горнорудной, горнодобывающей от-іслей и металлообрабатывающих предприятий по показателю КПМ с определени-л долей относительной опасности входящих иигредиеіггов. На формирование дис-фтационной идеи оценки техногенных металлопотоков на основе КПМ и УТВ для ромузлов ПК значительное влияние оказал профессор, академик МАНЭБ В.А. брамов, который сформулировал научные подходы к экомониторингу геосферы и :хносферыДВР[9-П].
Автором лично изучены новые особенности ХСО, как сырья для восстановле-ия. Исследованы и соотнесены с изотермическим срезом при 1250 С диаграммы )стояния [Fe-Cr-O] термодинамические особенности фазовых превращений. Отра-зтаны режимы (при участии к.т.н., доцента ДВГТУ, Каяка Г.Л.) предварительной эдготовки отходов к восстановлению, режимы восстановления отходов в водо-эдных средах, в среде углерода, в низком вакууме. Составлены рациональные їхнологические схемы рециклинга ХСО.
Исходные материалы. Проанализированы многочисленные опубликованные фондовые источники по исследуемой проблеме. В основу работы положены соб-шные и систематизированные материалы по видам и объемам металлосодержащих отходов, накопленных на территории России; материалы по токсичности еталлических поллютантов; данные по
^меняемым в промышленности термохимическим методам восстановления чис-лх металлов из их химических соединений. В качестве базовых данных для оцен-і техногенных металлопотоков были использованы материалы ежегодных докла-эв по состоянию окружающей природной ПК (1994 - 98 г.г), в частности, сведения э валовым сбросам металлов в водные системы края, количеству накопленных в зае металлосодержащих отходов, объемам добычи сырья.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы обсуждались докладывались на Международной конференции «Экология и безопасность жиз-гдеятельности» (Владивосток, ТАНЭБ, 1995 г.), Международной конференции "Іроблемьі прочности и эксплуатационной надежности» (Владивосток, ВГТУ, 1996 г), XXXVI1 научно-технической конференции (Владивосток, ВГТУ, 1997г.), Региональной научно-технической конференции «Приморские >ри» (Владивосток, ТАНЭБ, 1998), конференции с международным участием «Но->е в экологии и БЖД» (С-Петербург, МАНЭБ, 1998 г.), заседаниях кафедры тех-элогии металлов и металловедения ДВГТУ 1993-98 г.г.), заседаниях кафедры об-етехнических дисциплин ДВГАЭУ (1993 - 98 г.г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ.
Автор искренне благодарен: руководителю аспирантуры к. техн. наук, доценту ВГТУ Герману Леонидовичу Каяку - за помощь и поддержку, оказанную в ходе
выполнения экспериментальной части работы; д-ру техн. наук, профессору Ко-роткову В.И. - за ценные замечания и рекомендации; д-ру техн. наук, профессору Поповичу А.А. - за моральную поддержку и ценные замечания; ректору ДВГАЭУ, д-ру фил. наук, профессору Белкину В.Г. - за моральную поддержку и спонсор-' скую помощь; к. г.- м. н. Худоложкину В.О. - за квалифицированную методическую помощь; сотрудникам Института Химии ДВО РАН, «Дальэнерго» и химической лаборатории «Дальзавода», где проводились реттеноструктурные и химические анализы; всем соавторам публикаций - за реализацию творческих идей и замыслов по проблеме. Автор выражает благодарность научному руководителю, Со-росовскому профессору по наукам о Земле Абрамову В.А. - за методологическое и методическое руководство разработками, квалифицированные консультации, конструктивные критические замечания, помощь в выборе экологического объекта исследований.
Структура и объем работы. Диссертация объемом \9В стр. состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, приложения. Она содержит 114 стр. текста, 22 таблицы, 48 рисунков, включает список литературы из 200 наименований, приложение - на 5-ти листах.