Введение к работе
Актуальность проблемы
Современное состояние и развитие ряда отраслей промышленности, таких как химическая, нефтегазоперерабатывающая, коксохимическая, целлюлозно-бумажная, кожевенная, производство полимерных материалов, в том числе химических волокон, связано с необходимостью решения экологических и ресурсосберегающих проблем. В этом аспекте объединяющим их фактором является наличие в стоках и газовых выбросах значительного количества сульфидов и фенолов.
Актуальность решения проблемы очистки сточных вод этих пол-лютантов и, в особенности, при производстве вискозных волокон, связана, с одной стороны, с запретом сброса сульфидсодержащих стоков в водоемы и низким значением предельно допустимой концентрации фенола в стоках, а, с другой с тем, что существующие методы их очистки либо недостаточно эффективны, либо дорогостоящие.
Наряду с упомянутыми источниками загрязнений существует целый ряд менее заметных, но не менее опасных. К ним, в частности, относятся предприятия текстильной и легкой промышленностей. В стоках этих производств основной вклад в нагрузку дает незафиксированная часть азо- и антрахиноновых красителей, отличающихся высокой токсичностью и стойкостью к биоразложению.
Практически во всех отраслях промышленности и, в частности, при производстве полимерных материалов, химических волокон и волокнистых материалов сбросы и выбросы, как правило, представляют ценное сырье, возврат которого в технологический процесс способствует не только решению экологических задач, но и снижению себестоимости продукции. Поэтому уменьшение удельных расходов сырья и усовершенствование процессов очистки сбросов и выбросов являются основными направлениями на современном этапе ресурсосбережения и охраны окружающей среды.
В результате исследования отмеченных проблем нами предложен рациональный путь их решения - применение изделий, получаемых переработкой моно- и комплексных нитей из полимерных материалов, в волокнистые композиты, получившие названия волокнистые катализаторы, предназначенные для обезвреживания в стоках вредных примесей, контактные элементы (КЭ) и волокнистые (тканые) контактные устройства (ТКУ) для интенсификации тепломассообмена, ресурсосбережения и пылегазоочистки.
Наш выбор полимерных волокон, моно- и комплексных нитей базируется, во-первых, на стремлении решить указанные народно-
РОС национальная!
СПетсрСпг jf О» Щ/tKfJ. , Л
»' <т 1»
хозяйственные задачи путем использования недорогих изделий крупнотоннажных производств, к которым, в частности, относятся полимерные волокна и нити, а во-вторых, широким спектром свойств полиакрило-нитрильных (ПАН) волокон, модификация которых позволяет получать материалы с качественно новыми свойствами, в частности, каталитическими, дающими значительный синергетический эффект.
При этом создание новых полимерных волокнистых катализаторов, а также ТКУ и КЭ связано с необходимостью решения комплекса научно-технических задач, включающих выбор и изучение свойств волокон и нитей как в исходном состоянии, так и в процессе их переработки, разработке новых конструкций, технологий изготовления упомянутых изделий, изучению особенностей и закономерностей физико-химических процессов при их эксплуатации.
Таким образом, очевидно, что создание рассматриваемых волокнистых композитов, устройств и элементов, весьма актуально и, по существу, является новым оригинальным направлением как для переработки полимеров и композитов, так и для решения ресурсосберегающих и экологических проблем.
Цель и задачи работы
Целью настоящей работы явились разработка, исследование и внедрение в промышленность новых типов малозатратных волокнистых композитов, получаемых на основе химических волокон, позволяющих внести существенный вклад в решение важнейших народно-хозяйственных задач за счет интенсификации тепломассообменных процессов, ресурсосбережения и улучшения экологической обстановки на отдельных предприятиях, в регионах и в стране в целом.
Настоящая диссертационная работа посвящена решению следующих задач:
-
Разработке новых принципов решения ряда экологических и ресурсосберегающих проблем за счет применения малоотходных технологий переработки волокон, моно- и комплексных нитей в волокнистые композиты - катализаторы, КЭ и ТКУ.
-
Разработке технологии получения полимерных волокнистых катализаторов, включая выбор вида волокна, разработку режимов модификации, обоснование и создание конструкций катализаторов, работающих при нормальных условиях.
-
Изучению, научному обоснованию закономерностей каталитического окисления, разработке технологических режимов деструкции ток-
сичных ингредиентов в стоках и применению в промышленности разработанного метода очистки сточных вод.
4. Разработке и исследованию ТКУ и КЭ из полимерных волокнистых материалов, включая исследования механической и термохимической стойкости в агрессивных средах различных видов синтетических мононитей и контактных устройств на их основе, гидродинамических и массообменных характеристик этих устройств, и внедрению ТКУ и КЭ в промышленности для интенсификации тепломассообмена, ресурсосбережения и охраны окружающей среды.
Научная новизна работы состоит в следующем:
-
Разработаны технологические принципы модификации поли-акрилонитрильных (ПАН) волокон для придания им каталитических свойств, при этом получены параметры щелочной обработки и условия закрепления ионов переходных металлов на волокне и соотношения: концентраций растворов солянокислых гидразина и гидроксила-мина; массы ПАН волокна и объема модифицирующего раствора.
-
Выявлены особенности структуры ПАН волокна в ходе его модификации и при закреплении ионов переходных металлов.
-
Определены закономерности взаимодействия между волокнистыми катализаторами, кислородом воздуха и пероксидом водорода, и установлены их оптимальные соотношения, приводящие к образованию активного кислорода, входящего в состав радикалов, обезвреживающих примеси сточных вод.
-
Определены параметры процессов каталитического окисления сульфидсодержащих примесей в промышленных сбросах, разработана и зарегистрирована программа расчета скорости реакции.
-
Созданы новые химически устойчивые ТКУ и КЭ, снижающие расходы сырья, энергопотребление и металлоемкость тепломассооб-менных аппаратов.
-
Получены математические зависимости для расчетов гидродинамических и массообменных характеристик химических аппаратов при использовании ТКУ и КЭ.
-
Для волокнистых (тканых) контактных устройств выявлены параметры и особенности структуры газожидкостных слоев и их влияние на эффективность тепломассообмена.
Практическая ценность и реализация результатов работы:
1. Разработаны: технология изготовления волокнистых катализаторов, содержащих ионы переходных металлов, работающих при тем-
пературах сточных вод; методы очистки промышленных сбросов, включающих сульфидсодержащие поллютанты, антрахиноновые красители и фенолы, при производстве химических волокон, в кожевенной, текстильной, коксохимической, нефтеперерабатывающей и других отраслях промышленности.
2. Из полимерных моно- и комплексных нитей создан новый
класс волокнистых контактных устройств и контактных элементов,
которые испытаны в промышленности и применены на предприятиях
по производству химических волокон (ПО «Химволокно», г. Даугав-
пилс) - для очистки вентиляционных выбросов производства шелко
вых нитей; (ПО «Химволокно», г. Балаково) - для очистки газов кон
тактной выпарки осадительной и пластификационной ванн; на произ
водствах фосфорной кислоты (завод Фосфа, Чехия) - для очистки газа
от брызг и тумана фосфорной кислоты; (ПО «Аммофос», г. Череповец)
- для улавливания брызг фосфорной кислоты; и на комбинате по про
изводству минеральных удобрений (ПО «Фосфорит», г. Кингисепп) -
для пылегазоочистки; в градирнях (ПО «Азот», г. Ионава, Литва; ПО
«Азот», г. Гродно, Беларусь; Южно-Уральского криолитового завода,
г. Кувандык) - для охлаждения оборотной воды.
-
Волокнистые катализаторы испытаны при очистке промышленных сбросов на текстильной фабрике «William Baker Ltd», (г. Лестер, Великобритания), на кожевенных заводах АО «Радищев», ОАО «Кожа», (Санкт-Петербург). По результатам исследований и испытаний они рекомендованы для применения в промышленности.
-
Разработанные конструкции устройств и элементов, технологии изготовления волокнистых катализаторов защищены авторскими свидетельствами СССР, патентами РФ и Великобритании.
-
Полученные результаты исследований используются в учебных курсах при подготовке инженеров-экологов по специальности «Инженерная защита окружающей среды».
На защиту выносятся следующие основные положения:
-
Научные принципы и технология модификации химических волокон и материалов из них для получения волокнистых катализаторов, предназначенных для решения задач охраны окружающей среды.
-
Обоснование очистки сточных вод, прежде всего, от сульфид-содержащих поллютантов, красителей и фенолов.
-
Конструкции, гидродинамические и массообменные характеристики полимерных волокнистых (тканых) контактных устройств и
контактных элементов (тарелок, сепараторов, регулярных и нерегулярных насадок) для тепломассообменных аппаратов;
-
Технологические режимы и схемы для обезвреживания сбросов, содержащих сульфиды красители и фенолы;
-
Математические соотношения для расчетов каталитических и массообменных процессов при использовании полимерных волокнистых катализаторов, полимерных тканых контактных устройств и контактных элементов.
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы были доложены и обсуждены на:
-
Международных конференциях: «Автоматизация и управление технологических процессов» (Санкт-Петербург, 1998); «Жидкофазные системы и нелинейные процессы в химии и химической технологии» (Иваново, 1999); «Каталитические технологии» (Манчестер, 1998, 2000); «Техника и технология экологически чистых химических производств» (Москва, 1998, 2001); «Инженерная защита окружающей среды» (Москва, 1999,2002); «Экология-2002» (Бургас, Болгария, 2002).
-
Всесоюзных конференциях и совещаниях: «Создание и внедрение современных аппаратов с активными гидродинамическими режимами для текстильной промышленности и производства химических волокон» (Москва, 1981); «Пути совершенствования интенсификации и повышения надежности аппаратов в основной химии. Надежность машин и аппаратов. Высокоэффективное оборудование для тепломассообменных процессов» (Сумы, 1982, 1989); «Теория и практика ректификации» (Северодонецк, 1984, 1991); «Повышение эффективности тепломассообменных и гидродинамических процессов в текстильной промышленности и производстве химических волокон» (Москва, 1985, 1989); «Технология неорганических веществ и минеральных удобрений» (Дзержинск, 1985); «Химтехника-86», «Химтехника-89» (Сумы, 1986, 1989); «Абсорбция газов» (Таллинн, 1987); «Химтехни-ка-4» (Чимкент, 1988); «Технология неорганических веществ» (Львов, 1988); «Совершенствование агрегатов азотной кислоты» (Харьков, 1988); «Очистка газовых выбросов промышленных предприятий» (Тольятти, 1990); «Основные направления совершенствования испытаний и проектирования энергетических объектов (ТЭС и АЭС)» (Ленинград, 1991); «Охрана окружающей среды и ресурсосбережение» (Санкт-Петербург, 1995).
3. Республиканских и региональных конференциях: «Проблемы инженерной экологии» (Ленинград, 1993); «Перспективные материалы и изделия легкой промышленности» (Санкт-Петербург, 1994); «Проблемы экономики и прогрессивной технологии в текстильной, легкой и полиграфической отраслях промышленности» (Санкт-Петербург, 2001-2003); «Поиск-2002», «Поиск-2004» (Иваново, 2002, 2004); «Экология и ресурсосбережение» (Санкт-Петербург, 2003).
Публикации.
Материалы диссертации опубликованы в 50 работах, включая 19 патентов РФ, Великобритании и авторских свидетельств СССР.
Структура и объем работы.
