Реферат за темою випускної роботи

План

• 1. Актуальність, мета і завдання роботи
• 2. Твердий залишок низькотемпературного піролізу автомобільних шин і його технічний аналіз
• 3. Загальна характеристика процесів адсорбції
• 4. Методики експериментальних досліджень та отримані результати
• Висновки
• Список використаної літератури

1 Актуальність, мета і завдання роботи

Сорбція є одним з універсальних методів очистки та доочистки стічних вод від розчинених органічних сполук природного і неприродного походження таких виробництв, як коксохімічні, сульфат-целюлозні, хлорорганічні, синтезу напівпродуктів, барвників та ін..

У якості сорбентів використовують різноманітні штучні та природні пористі матеріали: активоване вугілля, золу, коксові часточки, силікагелі, алюмогелі, активні глини і землі. Найбільш поширеним сорбентом у вітчизняній і зарубіжній практиці є активоване вугілля, гранульований та порошкоподібний. Разом з тим, сорбційні властивості активованого вугілля виявляються тільки відносно органічних забруднень, а їх широке використання на практиці стримується високою вартістю і дефіцитністю[1]. Тому актуальним є пошук нових сорбентів, які за своїми характеристиками не поступатимуться відомим маркам активованого вугілля, а їх використання буде економічно доцільним.

Останнім часом намітилася тенденція пошуку нових вуглевмісних речовин для виробництва сорбентів, потреба яких в Україні велика, як для очищення стічних вод, так і для знешкодження відхідних газів. Відомі методи отримання сорбентів з лінгіна (твердий відхід переробки деревини), нафтових відходів, зношених автомобільних шин, сільськогосподарських та інших відходів [2]. Наприклад, такий метод як низькотемпературний піроліз, дозволяє отримати з автошин до 45 % твердого залишку, що містить близько 90 % мас. вуглецю, який за своїми властивостями є хорошим сорбуючим матеріалом. З іншого боку, цей метод дозволяє рекупераювати значну кількість відпрацьованих шин, які важко знешкодити іншими екологічними методами.

Метою магістерської роботи є експериментальне вивчення сорбційних властивостей, якісних і кількісних характеристик твердого продукту піролізу зношених автомобільних шин.

Поставлені завдання:

1. Проведення технічного аналізу твердого залишку.

2. Експериментальне визначення сорбційної ємності твердого залишку щодо йоду і органічних барвників: метиленового синього, метилового червоного і помаранчевого в статичних умовах за стандартними методиками.

3. Дослідження сорбційних властивостей твердого залишку щодо деяких органічних забруднювачів та іонів важких металів.

2 Твердий залишок низькотемпературного піролізу автомобільних шин і його технічний аналіз

Проблема утилізації відходів, у тому числі зношених автомобільних шин, в сучасному суспільстві залишається важливою, незважаючи на розвиток технології виробництва нової екологічно безпечної продукції. Складування, утилізація та захоронення відходів економічно неефективно і екологічно небезпечно, так як при тривалому зберіганні вони можуть виділяти у навколишнє середовище речовини, які здатні привести до порушення екологічної рівноваги [3]. Одним із перспективних методів утилізації є низькотемпературний піроліз - термічний розклад органічних речовин без доступу повітря при температурі (400?500) °С. У даний час пройшла випробування дослідна установка низькотемпературного піролізу з переробки зношених автомобільних шин [4]. У результаті піролізу, крім рідких та газоподібних продуктів, утворюється твердий залишок, який може бути використаний у якості сорбенту.

Показники якості твердого залишку, отримані в результаті технічного аналізу, представлені в таблиці 2.1.

Таблиця 2.1 – Показники якості твердого залишку

Параметр	Твердий залишок
Масова частка вуглецю,%	83,8
Зольність,%	16,2
Масова частка сірки,%	2,31
Масова частка водню,%	0,88
Вихід летких речовин,%	2,3
Масова частка вологи,%,%	1,13

Результати виконаного аналізу свідчать про те, що за основним показником - вміст вуглецю 83,8 %, твердий залишок можливо використовувати у якості сорбенту.

3 Загальна характеристика процесів адсорбції

У даний час немає загальної теорії, яка досить коректно описувала б всі види адсорбції на різних адсорбентах і різних поверхнях розділу фаз. Тому розглядають найбільш поширені теорії, які (не дивлячись на велику кількість припущень) дозволяють на якісному рівні отримати уявлення при такому складному процесі, як адсорбція. Це Теорія молекулярної адсорбції Ленгмюра, Теорія полімолекулярних адсорбції і Узагальнена теорія Брунауела, Еммета і Теллера.

Взаємодія молекул компонентів розчину з атомами або молекулами поверхні твердого тіла призводить до того, що молекули цих компонентів утримуються протягом деякого часу на межі розділу фаз. Чим більше енергія взаємодії молекул речовини з поверхнею адсорбенту, тим більше часу молекула знаходиться на поверхні розділу фаз, тобто існує в адсорбованому стані. Види ізотерм адсорбції приведено на рисунку 4.1.

У більшості випадків рівновагу між молекулами в газовій фазі або розчині і молекулами, пов'язаними поверхнею адсорбенту, в умовах сталості температури виражається рівнянням ізотерми адсорбції, запропонованим Ленгмюром [5]:

Г = Г_∞(ВС/(1+ВС)),                                                                                                                                                 (3.1)

де Г – кількість речовини, адсорбованого 1м² поверхні (або 1 г) адсорбенту (питома адсорбція речовини), г/м² або г/г;

Г_∞ – кількість речовини, адсорбованого 1м² поверхні (або 1г) адсорбенту при максимальному її заповненні, г/м² або г/г;

С – рівноважна концентрація речовини в газовій фазі або розчині;

В – постійна величина, що залежить від будовимолекул.

При адсорбції з водних розчинів рівняння Ленгмюра найбільш придатне у тих випадках, коли адсорбуються великі молекули, наприклад, молекули гумусових речовин, що зумовлюють забарвлення природних вод. При адсорбції менших молекул, зазвичай навіть при великих рівноважних концентраціях, питома адсорбція не досягає межі, а поступово, хоча й повільно, продовжує змінюватися. При цьому умови адсорбційної рівноваги добре виражаються емпіричним рівнянням Фрейндліха (рівняння параболи) [6]:

Г = αС^1/k,                                                                                                                                                         (3.2)

де α і 1/k – константи, що визначають кривизну параболи.

При рівноважної концентрації, що дорівнює одиниці, величина питомої адсорбції Г стає рівною константі α. Чим більше α, тим більше питома адсорбція речовини. Отже, величина α може бути умовною мірою активності адсорбенту при невеликих концентраціях, які поглинаються з розчину речовин. Для визначення адсорбційних констант α, k будують адсорбційні криві в явних і логарифмічних координатах і виконують відповідні розрахунки [7].

4 Методики експериментальних досліджень та отримані результати

Для підтвердження можливості використання твердого залишку у якості сорбенту, були проведені його випробування за стандартними методиками [8]. Згідно [8] визначили адсорбційну активність щодо метиленового синього, метилового помаранчевого і метилового червоного.

Для цього наважку вугілля масою 0,1000 г поміщали в конічну колбу ємністю 200 см³, додавали 25 см³ розчину барвника, закривали кришкою і колотили протягом 20 хв. Після цього визначали оптичну щільність на фотоелектроколориметрі з синім світлофільтром і довжиною хвилі 400 нм в кюветах, з відстанню між робочими гранями 10 мм.

У якості контрольного розчину використовували дистильовану воду. За отриманими оптичними густинами на підставі градуювального графіка визначали залишкову концентрацію барвника.

де С₁ – концентрація вихідного розчину барвника, мг/дм³;

С₂ – концентрація розчину барвника після контакту з активованим вугіллям, мг/дм³;

К – коефіцієнт розбавлення;

m – маса наважки активного вугілля, г;

0,025 – об'єм розчину барвника, який бере участь у дослідженні, дм³.

Дослідження проводили в статичних умовах - сорбент поміщали в замкнуту систему. Результати дослідження адсорбційної ємності наведені в таблицях 4.1-4.3.

Як випливає з даних таблиць 4.1-4.3, величина адсорбційної ємності твердого залишку піролізу автошин становить 60-80 % від величини адсорбційної ємності активованого вугілля, заданої стандартом [8].

Для визначення виду ізотерм адсорбції були проведені дослідження сорбційних властивостей твердого залишку та визначено константи в рівнянні Фрейндліха. Для цього виконали серію дослідів, в яких варіювали вихідні концентрації барвників в діапазонах, наведених в таблицях 4.4-4.6. Значення величин сорбційної ємності розраховували за формулою (3.2), без урахування коефіцієнта розведення і обсягу аналізованого розчину склав 50 см³.

Отримані результати представлені в таблицях 4.4-4.6.

За отриманими даними побудували адсорбційні криві в натуральних і логарифмічних координатах (рис. 4.2-4.4).

У результаті виконаних розрахунків на підставі даних рис. 4.1-4.3 були визначені адсорбційні константи і отримані наступні рівняння:

а) для метиленового синього – Г = 1,000 С^{0, 466};

б) для метилового оранжевого – Г = 0,282 С^{0, 424};

в) для метилового червоного – Г = 0,089 С^{0, 364}.

Отримані коефіцієнти в рівняннях свідчать про достатні сорбційні властивості твердого залишку [9].

Важливою характеристикою вуглевмісних сорбентів є сорбційна ємність по йоду, яка згідно [10] повинна становити для вугілля марки ОУ – 30 %, для БАУ – 60 %.

Для визначення сорбційної ємності взяли наважку твердого залишку масою 1,0000 г після висушування в сушильній шафі до постійної маси, помістили в конічну колбу ємністю 250 см³. Додавали туди 100 см³ 0,1 н розчину йоду в йодному калії, закривали пробками та колотили на апараті для струшування рідини протягом 15 хв. Потім розчину давали відстоятися, обережно відбирали 10 см³ розчину в конічну колбу ємністю 50 см³ і титрували 0,1 н розчином тіосульфату натрію у присутності крохмалю. Одночасно проводили визначення початкового вмісту йоду в розчині.

Обробку результатів проводили за формулою:

де V₁– об'єм розчину тіосульфату натрію (0,1 н), який пішов на титрування 10 см³ розчину йоду в йодистим калії, см³;

V₂– об'єм розчину тіосульфату натрію (0,1 н), який пішов на титрування 10 см³ розчину йоду в йодистим калії, після обробки його вугіллям, см³;

0,0127 – маса йоду, яка відповідає 1 см³ розчину тіосульфату натрію, г;

100 – об'єм розчину йоду в йодистим калії, який брали на освітлення вугіллям, см³;

m – маса наважки вугілля, 1,0000 г.

Адсорбційна активність досліджуваного залишку по йоду склала 73 %, що відповідає адсорбційної активності вугілля марки БАВ-МФ і не нижче аналогічної величини для окремих марок активованого вугілля.

Висновки

У технології водоочищення поряд із відомими сорбентами, такими як активоване вугілля, силікагель, можна використовувати сорбенти, одержані з відходів виробництв. Одним з таких відходів є твердий залишок піролізу зношених автомобільних шин, який за своїми характеристиками та властивостями не поступається активованим вугіллям марки ОВ-А (Б, В, Г), БАВ та інших АВ

У ході експериментального дослідження були отримані дані, на основі яких можна говорити про доцільність використання продукту піролізу для очищення стічних вод від органічних забруднювачів.

Надалі планується дослідження сорбційних властивостей твердої речовини в динамічних умовах, а саме вилучення з стічних вод органічних забруднювачів та іонів важких металів. Будуть проведені дослідження можливості очистки стічних вод коксохімічного заводу на модельній установці.

Список використаної літератури

1. Електронна стаття. Активоване вугілля, очищення води і повітря [Електронний ресурс]: http://www.activcarbon.com.ua
2. Шендрик, Т.Г. Утилізація нафтових відходів з отриманням активованого вугілля / Т.Г. Шендрик, Л.В. Пащенко, В.А. Кучеренко. В.В. Симонов // вуглехімічний журнал. – 2005. № 5. –с. 27-31.
3. Електронна стаття. Утилізація шин та екологія [Електронний ресурс]: http://www.utilrti.ru
4. Булавін А.В., Пашкевич В.М. Переробка відпрацьованих автомобільних шин методом низькотемпературного піролізу. / Наукові праці Донецького національного технічного університету. / / Хімія і хімічна технологія. Випуск 95. – Д: Лебідь, 2005. –с. 98 - 102.
5. Когановський А.М. Адсорбція і іонний обмін у процесах водопідготовки і очищення стічних вод. / А.М. Когановський. – К.: Наукова думка, 1983. – 240 с.
6. Смірнов А.Д. Сорбційне очищення води. / А.Д. Смирнов. – Л.: Хімія, 1982.– 168 с.
7. Адсорбційна технологія очищення стічних вод / А.М. Когановскій, Т.М. Левченко, І. Г. Рода. – К.: Техніка, 1981. – 176 с.
8. ГОСТ 4453 – 74. Вугілля активне освітлююче деревопорошковоподібне. - М.: Державний комітет стандартів, 1974. –11 с
9. Цибульська К.В., Трошина Е.А. Вивчення можливості використання твердого продукту піролізу автомобільних шин. / Збірник доповідей Міжнародної науково-практичної конференції молодих вчених та студентів «Сучасні екологічно безпечні та енергозберігаючих технологи в природокористуванні». – Ч. 2. - К: КНУБА, 2011. –53 - 55.
10. ГОСТ 6217 – 74. Вугілля активний деревне подрібнений. – М.: Державний комітет стандартів, 1974. – 6 с.