ДонНТУ   Магистратура ДонНТУ   Поисковая система ДонНТУ

     [ Главная ]          [ Ссылки ]            [ Поиск]

Факультет экологии и химической технологии

Кафедра ПЭ и ООС

Гуридов С.А.Гуридов

Сергей

Алексеевич

Автореферат магистерской работы на тему:

"Изучение возможности использования твердого

продукта пиролиза автомобильных шин в процессах

сорбционной очистки сточных вод"

Научный руководитель: к.т.н. доцент Трошина Е.А.

 

                                                                ВСТУПЛЕНИЕ

Сорбция широко применяется для глубокой очистки стоковых вод в химической, нефтехимической промышленности, на транспорте, цветной и черной,  металургии и других отраслей промышленности. Во многих случаях без этого ;метода невозможно выдержать санитарные требования по сохранению чистоты водоемов

или техническое условие на качества воды при повторном использовании стоковых вод в замкнутых циклах водного хозяйства предприятий. Удаление биологически

твердых, в том числе токсичных органических веществ в прямоточних системах  одного хозяйства, обеспечение кондиционирования воды перед ионообменным. электродиализной очисткой, перед повторным использованием  стоков в производстве, вот перечень задач успешно решаемых на основе использования  сорбционной очистки. Немаловажным достоинством сорбционной технологии есть простота аппаратурного оформления и возможность полной или частичной автоматизации всего процесса в целом, а также отдельных его частей. К преимуществам сорбционого метода очищения относятся: возможность удаления загрязнений чрезвычайно широкой природы практически к любой остаточной концентрации независимо от их химической стойкости и управления процессом. Как сорбенты используются разные искусственные и естественные пористые материалы, которые имеют розвитую или специфическую поверхность: золы, коксовая мелочь, торф, силикагели, алюмогели, активные глины, пенополистирол и другие. Наиболее  эффектными сорбентами являются активные уголь разных марок. Однако применение  активных углей не всегда экономически целесообразно, что связано с их высокой стоимостью и проблемами регенерации. Потому возникает вопрос о розширении сырьевой базы получения сорбентов, в частности, активных углей.Одним из направлений решения этой проблемы является использовать в качестве сырье для производства активных углей нефтепродуктов, асфальтов, сажи, а также отходов производств синтетических материалов и резины. Потому целью работы появилось экспериментальное изучение свойств и характеристик твердого продукта пиролиза автомобильных шин для возможного применения его как  сорбента при очистке стоковых вод. Задача работы заключается в определении свойств продукта пиролиза и сравнении их с известными марками активных углей.

 

ОБЩАЯ ХАРАКТИРИСТИКА СОРБЦИОЙНОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД

 

    Пористые углеродные материалы как сорбенты человечество использует на протяжении многих столетий. Еще в XVІІI веке была открытая способность древесного угля очищать разные жидкости и поглощать некоторые газы. К началу ХХ века углеродные сорбенты (главным образом древесный и костный активный уголь) применяли преимущественно в пищевой промышленности и виноделии для очистки жидкостей.

        В настоящее время основные направления использования углеродных сорбентов связаны с технологическими процессами адсорбционного очищения. Постоянно растет роль углеродных сорбентов в решении экологических проблем: очистке питьевой воды, стоков, что видодять, газов пидприемств.

        Пористые углеродные материалы сначала получали преимущественно термической обработкой древесины, потом - каменного угля. Сейчас их делают почти из всех видов вуглецевовмiщувальної сырья: древесины и целлюлозы, каменного и бурого угля, торфа, нефтяного и каменноугольного пекiв, синтетических полимерных материалов, жидких и газообразных углеводородов, разных органических отходов.

        Углеродные сорбенты используют в разной форме: в виде порошка с размером частиц до 0,8 мм, гранул большего размера, блоков разной формы и величины, пленок, волокон тканей. Наиболее распространенные порошковидные сорбенты, что достаточно просто получать зi помельченного сырья.

      Пористый  углеродный  материал (ПВМ) являет собой конструкцию, построенную подобно структуре графита, однако в ней чередуются упорядоченные и неупорядкованi области из углеродных колец -  гексогенив [1]. В отличие от графита ПВМ имеет свободное пористое пространство, что обычно представлено трехмерным лабиринтом из взаимозависимых расширений и сужений разного  размера и формы. Различают микропоры (размер _ 2 нм), мезопори (размер в диапазоне от 2 до 50 нм) и макропоры с размером > 50 нм. Среди микропор выделяют супермiкропори с размером в диапазоне 0,7-2 нм и ультрамiкропори с размером < 0,6-0,7 нм. Благодаря наличию пор ПВМ имеют высокую удельную поверхность и способные поглощать (адсорбировать) разные вещества из жидкостей и газов. Понятие "адсорбция" трактуется как повышение концентрацй веществ вблизи деления фаз.

         Способность ПВМ к адсорбции разных молекул визначаеться зданием его поверхности, природой и концентрацией поверхностных реакцийноздатних групп. В качествах последних обычно выступают кисневомiснi функциональные группы, что

 

образуются в результате окислительной обработки поверхности углеродного материала: феноловые (гидроксильные), карбонильные (хиноидни), карбоксильные, эфирные и другие [1] .

Все многообразие углеродных сорбентов можно классифицировать за разными критериями: природы исходного сырья (твердая, жидкая, газообразная), методам получения, структурными и текстурними (пористость, поверхность, размеры 1 деление пор) характеристиками и областям применения.

Пористые углеродные материалы образуются в результате протекания топонимических реакций при пiролiзу (нагревании при отсутствии кислорода воздуха) ископаемого угля, торфа, древесины, целлюлозы, карбидов. В настоящее время из древесины делают около 36 % углеродных сорбентов, из каменных вугiль - 28, из бурых вугiль - 14, из торфа - 10.

 

1.1 Сорбенты для очистки воды и их короткая характеристика

 

Для очистки стоковых вод используют много материалов естественного и искусственного происхождения, но найчастiше используют естественный уголь. Не ввиду интенсивных поисков заминювачив, пока не удалось найти другого матерiла, который был бы таким эффективным как активный уголь (АВ). В настоящее время для сорбции из водных растворов используют гранулированный и порошковидный уголь, а также углеродные волокна.

         Активный уголь - это пористые тверди тела, пустоты которых с' еднанi между собой так, что структура их напоминает древесину. В зависимости от условий формирования весь активный уголь имеет моно- или полидисперсну структуру. Они состоят из многих беспорядочно расположенных микрокристаллов графита, которые образовались в результате соединения углеводных атомов при нагревании углеродного сырья. Для изготовления активного угля может служить: уголь, древесина, полимеры, отходы пищевой, целлюлозной и других отраслей производства. Изготовление активного угля состоит из двух этапов: карбонiзацiя сырья и активация полупродукта [1]. По способу производства АВ делится на дробимое - БАУ, ДАК, КАД - да и собственно гранулировано - АГ-3, АГ-5, скг.

         Предварительно размолотую и отсортированную сырье карбонизируют в барабанных печах (700 – 800 0С) без доступа воздуха.

         Активация - наиболее сложная и ответственная стадия получения АВ.

Активирующими агентами могут быть кислород, водяная пара, углекислый и серный газы, а также неорганические соединения: хлориды цинка и кальция, сульфат, сульфид или карбонат калию, многообразные фосфаты. По окончанию активации неорганические активируя добавки вымывают из продукта.

Основой вещества АВ служит углерод, что составляет в угле марки СКТ - 87 %, а в КАД-йодном - 96,3%. Невугiльну часть материала АВ составляют окислы металлов и кремния, а также азот- и сиркоемни группы. Найменьшу зольная имеет уголь  из древесинного сырья: БАУ - 3.1 %, ОУ-Б - 0,7%.

        Kpiм активного угля широкое применение как сорбенты в процессах адсорбции (для сушки газов, жидкостей от фторвмiщувальних соединений) находит активный окисел алюминия. В промышленных масштабах его получают переосадженням гидрату глинозема путем его растворения в кислотах (серной, азотной) или в лузе (едкому нaтpi) со следующим гидролизом, формированием, сушкой и прожариванием. Свойства синтезированного окисла зависят от структуры и морфологии выходного гидроксиду, а также от условий термообработки. Существует большое число модификаций окисла алюминия. В промышленности активный окисел алюминия в зависимости от назначения,  выпускается в основном трех сортов, каждый Из которых содержит в себе ряд марок [2].

Личные сорбцiйнi свойства имеют цеолит, который являет собой пористые кристаллические алюмосилiкати зi строго регулярной кристаллической структурой.

Они используются в промышленности для глубокой осуши та очистка газов и жидкостей. Общая формула цеолита: М2мО" А12Оз" nSiO2" Н2О. Здесь М - катион, что имеет валентность м; n - коефiцiент, что характеризуе тип цеолита, иногда называется силикатным модулем; к - количество молекул воды.

Цеолит достаточно распространен в природе: встречаются в вулканическом туфе, базальте, пегматитових  жилах и т.д. В  промышленности, как правило . использует  цеолит, полученный синтетическим путем – Гидротермальной кристалiзацiею щелочных алюмосилiкагелей. В процессе кристаллизации гiдрогель превращается в милкодисперсний порошок цеолита, что после промывания гранулюеться с добавлением сопроводительного - глины. Введение соединений приводит к изменению ряда физико-химических свойств цеолита: каталитической активности, адсирбцийной емкости, механической прочности и др. Потому промышленностью освоенный выпуск гранулированного цеолита, который не содержит звъязувальних веществ, кристаллизацией предварительно сформированного алюмосилiкату. Естественный цеолит использует в виде порошков и фильтрующих материалов для очистки воды от синтетических поверхностно активных веществ (СПАРЬ), ароматических и канцерогенных органических соединений, красителей, пестицидов, коллоидных и бактериальных загрязнителей . [3]. Дiатомiти, трепелы и опоки викиористовують в промышленности как адсорбенты разных жидкостей. По природе они являются осадочными горными породами.

Дiатомiт (называемый также горная мука, полировальный сланець, кiзельгур, земля, инфузории) составлен преимущественно с кремнiевих, пустыми внутри панцирей одноклеточными дiатомiтових водорослями. Химический состав (в % масс.): кремнезем - 55,0-95,0; глинозем - 0,1-10,5; окисел железа - 0,2-10,0; окислы кальция и магния - 0,2-4,0; фосфора и натрия - следы. Плотность дiатомiту - 2000-2600 кг/мЗ; суммарный объем пор в среднем равняется 1.10-3 м3/кг, хотя в отдельных случаях может достигать 2,8*10-3м3./кг; удельная  поверхность – 50.*10-3 м 2 /кг.

Трепел состоит из микроскопических зерен опалового кремнезема, а также из частиц слюды, полевого шпата, глины. Его плотность равняется 2000-3000 кг/м3; химический состав (в % масс.): кремнезем - 65-91, глинозем - 3,0-12,0; окисел железа - 0,8-6,0; окисел кальция - 0,9-3,5; окисел магния - 0,5-2,5. Объем пор .. 0,8.10-3 м3/кг; удельная поверхность - (100-150)*10 3 м2/кг.

Опоки более твердые и темные, чем дiатомiти и трепелы. Они состоят из мелкозернистого аморфного кремнезема с примесью глины, песка, глауконита и др. Объем их пор достигает 0,6*10-3 м3/кг; удельная поверхность равняется (100 -150)-10 3 м2/кг[3].

Углеводные волокнистые материалы (ВВМ) имеют высшую сорбцийну способность и повышенную удельную поверхностность - до 2000 м2/г, а главное широкими возможностями для инженерного оформления сорбцiйного процесса с использованием ВВМ. lх получают термообработкой искусственных синтетических волокон диаметром 2 - 12 мкм В потоке инертных газов при 600 – 1500 0С с обгаром 12 - 53 %.

   Для изготовления сорбентов можно также использовать большое количество органических и неоргаючних отходов, которые образуются ежедневно в npомисловостi и сельском хозяйстве.

    Например, зола теплоэлектростанций может быть использована в качестве сорбента для очистки стичнихвод прилегающих предприятий. Она представляет собой сложный сорбент, что складывается с мулиту 3А12Оз.2SiО2, кварца, неоднородной за составом фазы и незгорiлих частей угля. Сорбцiйна емкость золы небольшая: за медью 15-20, за цинком 7-10 и за свинцом 4-7 мг/г, но для нефтепродуктов и миш' которую составляет соответственно 70-75 и 90-94 %. 3мiшаннi с золой промышленные стоковые воды отстаиваются быстрее и пригодные для повторного использования.

         Шлаки, шламы и другие отходы металлургического производства являются хорошими сорбентами, так как к ихного составу входят разные полiкремнiєвi кислоты . Да, наиболее активный ферохромовий шлак Maє емкость за медью 90 -100 но за цинком 50 - 60 мг/г. IIIлаки, что содержат ДО 40 % окислов железа, позволяют очистить стоковые воды от миш' которую на 99 - 99,5 %. Гранулированный шлак очищает стоки от никеля на 99 - 99,6 %, содержание никеля в сорбенте 23-24 мг/г [4].

Для изготовления активного вугля можно также использовать материалы на основе полiакрилонiтрила и сополимеров акрилонiтрила. Из отходов при изготовлении этих продуктов можно получить активный уголь, с содержанием азота, потому оно отличается высокой сорбцiйною емкостью.

Для расширения ассортимента сорбентов на основе растительного сырья и  образования унифицированного сорбента с повышенной сорбцiйною эффективностью предлагается калiєвуглецевовмiсний сорбент, что используется для очищения гидросферы от химических загрязнителей, который получают из калиевовуглевомисной сырья растительного происхождения. Этот сорбент представляет собой органическую матрицу багаторозмiнної пористой структуры из распределенной в ней калiєвмiсної минеральной составляющей при весовым соотношении калию к углероду 1:16-20 и розмиром пор от 2 до 35 мкм [5]. Использование в качестве растительного сырья лучшей является лушпайка гречихи. Сорбент получат термообработкой  при  температуре  460-7000с. Этот сорбент можно использовать в качестве фильтрующую засыпку при очистке стоковых вод [5].

          Использование естественных неорганических сорбентов обусловленно достаточно высокой сорбцiйною емкостью, выборочностью, доступностью.

          Глинистые породы, в состав которых входит материал с регулярной структурой, - наиболее распространенные неорганические сорбенты для очистки воды. За структурой и фiзико - химическими свойствами их можно разделить на несколько групп.

          Слоистые и слоисто - ленточные алюможелезомагниевые силикаты делятся на минералы с расширенной и жесткой структурой.

 

ВЫВОДЫ

 

В технологии водоочистки наряду с активным углем и синтетическими сорбентами можно использовать сор6енти, которые получены из отходов производства. Одним из таких  может выступать твердый остаток низкотемпературного пиролизу изношенных автомо6iльних шин. Потому целью данной работы стало определение возможности использования этого продукта в качестве сорбента при очистке стоковых вод.

          Для этого в работе рассмотрены разные виды сорбентов, как естественного, так и искусственного происхождения, и выяснены, что лучшие сорбенты это активные вуглi, и решение вопросов распространения сырьевой! базы для получения последних являются очень актуальными.

         В работе рассмотрены физико-химические основы сорбцiйного очистки стоковых вод. Потом, согласно рассмотренному материалу, проведены соответствующие исследования для выявления сорбцийних свойств ТЗП. Твердый остаток пиролiзу автомобильных шин перед экзаменами был проверен за компонентным составом, была измерена его удельная поверхность для разных фракций. 3гiдно с требованиями [27, 28] проводились эксперименты для выявления сор6цiйно! емкости за иодом, красителями – метиленовим голубым, метиленовим красным. Сорбцию фенола и меди проводили за отработанными методиками. 3гiдно результатам исследований, все показатели, которые характеризуют свойства предполагаемого сорбента, сравнении с аналогичными для известных марок активного угля.

          Но этот сорбент целесообразно использовать с экономически! точки зрения, поскольку сегодня сорбенты (активный уголь) стоят очень дорого, а этот остаток может заменить уже известные сорбенты да и еще сделать сорбцийне очистку более доступной. Поскольку сорбцийне очистка позволяет удалять загрязнители из воды широкой природы, практически к любым остаточным концентрациям, оно будет использоваться и в дальнейшем еще шире.

 

Список используемой литературы

 

1. Смирнов А.Д. Сорбционная очистка воды. - Л.: Химия, 1982. -168 с.

 2. Когановский А.М. Адсорбция и ионный обмен в процессах водоподготовки и

очистки сточных вод. - К.: Наукова думка, 1983. - 240 с.

3. Бутырин Г.М. Высокопористые углеродные материалы. - М.: Химия, 1976.­

 4. Кинле Х. Бадер Е. Активные угли их промышленное применение.- Л.: -У.., ХИМИЯ, 1984. - 216 с.

5. Гафонов ИТ., Мухаметзянов М.Т., Применение калийуглеродосодержащего сорбента для удаления загрязнений из гидросферы// Энергосбережение и водоподготовка. - 2004. - N 1. - С. 34 - 35.

6. Быков  В.Т Структура и адсорбционные свойства природных сорбентов. ­–M Haукa, 1975. - 88 с.

7. Комаров В.С. Адсорбенты и их свойства. - Минск: Наука и техника, 1977. ­

8. А дсорбционная технология очистки сточных вод/ А.М. Когановский, Т.М.

Девченко И.Г. Рода. - К.: Texнiкa, 1981. - 176 с.

9. Тарасевич Ю. И. Природные сорбенты в процессах очистки воды. - К.:наукова думка,  1981. -208 с.

10. Фiзико - хiмiчнi основи технологiї очищення стiчних вод/ за заг. Ред. А.К. Запольского. - К.: Лiбра, 2001. - 420 с.

11. Тарасевич Ю.И. Физико - .химические принципы рационального подбора природных сорбентов для адсорбционной очистки сточных вод от поверхностно-активных веществ. - К.: Наукова думка, 1977.- 108 с.

 

12. Жуков А.И., Монгайт И.Л., Родзилер  И.Д., Методы очистки производственных сточных вод. - М.: Стройиздат, 1977. - 208 с.

13. Пушкарев В.В. физико - химические особенности очистки сточных вод от СПАВ. - М.: Химия, 1975. - 146 с.

14. Когановский А.М., Клименко Н.А. Физико - химические основы извлечения поверхностно - активных веществ из водных растворов и сточных вод. ­Наукова думка, 1978. - 173 с.

15. Долина Л. Ф. Сорбционные методы очистки производственных сточных вод.- Днепропетровск, 2000.- 84 с.

16. Когановский А.М. Адсорбция расстворенных веществ. - К.: Наукова думка, 1977. - 260 с.

17. Тимофеев Д.П. Кинетика адсорбции. - М.: Изд-во АН СССР, 1962. - 252 с.

18. Буянов Е.И., Буткова Р.Б., Карноухова А.П. Сравнение различных хромотагрофических методов определения удельной поверхности твердых тел по адсорбции аргона // Кинетика и катализ. - 1967. - Т-10, ВЫП.2. - С.428-432.

19. Ризаев Н.У. Производство органических веществ из их экстрактов методом

адсорбции. - Ташкент: Наука, 1975. - 236 с.

20. Туницкий Н.Н., Каминский В.А., Томаmев С.Ф. Методы физико­- химической кинетики. - М: Химияч, 1982. - 197 с.

21. Торочешников Н.С., Кельцев Н.В., Шумяцкий Ю.И. Кинетика и динамика

физической адсорбции. - М.: Наука, 1973. - 220 с.

22. Эрдеи-Рруз Т. Явления переноса в водных растворах. - М: Мир, 1976. - 596 с.

23. Кельцев Н.В. Основы сорбционной техники. - М.: Химия, 1980. - 512 с.

24. Кафаров В.В. Основы массопередачи. - М.: Химия, 1979. - 494 с.

25. Коллоидные Поверхностно - активные вещества/ К. Шинода, Т. Накагава, Б. Тумамуси., Г: Исемура. - М.: Мир, 1976. - 320 с.

26. Исследование ассоциации прямых красителей в разнообразных растворах электролитов/А.М. Когановский, Ф.г. Лупaшку, Н.А. Клименко, В.М. Ропот.­-

Коллоид. журнал., 1979,41, И2 1, с. 134-137.

27. ГОСТ  4453-74. Уголь активный осветляющий  древесный порошкообразный. - М.: Государственный комитет стандартов, 1974. - 11 с.

28. ГОСТ  6217-74.  Уголь активный  древесный  дробленый.  М.: Государственный комитет стандартов, 1974. - 6 с.

( 29. Пичахчи О.Ю., Трошина Е.А. Изучение возможности применения углеродсодержащих отходов для сорбционной очистки сточных вод/ / Охорона навколишнього середовища та раціональне використання природних ресурсів.Збiрка доповiдей  ІІІ  Мiжнародної нанаукової конференцiї аспiрантiв та студентiв. - Т. 1. - Донецьк: ДонНТУ, 2004. - с. 50 - 51.

30. Пичахчи О.Ю., Трошина Е.А. Изучение сорбционных характеристик твepдoгo остатка пиролиза автомобильных шин // Техника экологически чистых производств в ХХl веке: Проблемы и перспективы / УН! Международный Симпозиум молодых ученых, аспирантов и студентов. - Москва, 2004.