Введение к работе
Актуальность темы. Настоящий период характеризуется ростом техногенного воздействия на природу, окружающие и включающие человека экосистемы, атмосферу, почвы, поверхностные воды и т. д. Возникает целый ряд экологических и социально-экономических проблем, а в связи с этим - Необходимость комплексной оценки сложившейся ситуации по качеству окружающей Среды и использованию этих данных в целях рационального природопользования.
Одним из основных загрязнителей окружающей среды являются предприятия горнообогатительнои и химической промышленности. Вместе с тем, многие химические отходы химической промышленности после соответствующей обработки могут быть широко использованы как флотореагенты для обогащения полезных ископаемых, так и в качестве исходных веществ для получения универсальных, классических органических флотореагентов требуемой степени чистоты.
В условиях растущего антропогенного пресса на атмосферу приобретает особое значение разработка технологических процессов снижающих гомогенные и гетерогенные выбросы от различных производств и двигателей внутреннего сгорания. При этом особое значение приобретает универсальность предлагаемых решений.
Разработка теоретических и практических основ кормплексной оценки антропогенного воздействия на окружающую среду, а также создание средств мониторинга с целью управления водного и воздушного бассейнов является важной народно-хозяйственной задачей. Применение подобных средств на практике служит основой в эксплуатации деиствующихз производств и механизмов на современном уровне.
Исопльзование отходов химических предприятий с целью получения флотореагентов для горнообогатительной промышленности является одним из направлений создания безотходных и малоотходных технологических процессов, обеспечивающих рациональное использование природных ресурсов.
Состояние проблемы. Вопросами определения уровней и структуры загрязнений в воздухе промышленных центров занимаются многие организации и ведомства. Но до сих пор не получена достаточно целостная картина загрязнений воздушного бассейна промышленного центра. Вызывает затруднение и раздельная оценка влияния выбросов городских предприятий на определенные участки города и сопредельные территории. Поэтому необходима разработка системы комплексной оценки экологической ситуации на основании изучения пространственной структуры распределения приоритетных по токсичности веществ в депонирующих природных компонентах окружающей среды на основании расчета рассеивания их в атмосфере и данных снегомерных съемок.
В сточных водах и жидких отходах химических производств содержатся в больших количествах спирты, эфиры, кетоны, жирные кислоты, амины, которые широко применяются в качестве флотореагентов для обогащения полезных ископаемых. Разработка технологических процессов, связанных с разделением многокомпонентных органических и водных смесей этих веществ позволяет не только получить необходимые продукты для горнообогатительных производств, но и предотвратить загрязнение окружающей среды химическими отходами.
Основными пылеобразующими операциями при добыче, обогащении и переработке полезных ископаемых является отбойка, транспортировка, измельчение, сухая классификация и др. Для очистки воздуха, отсасываемого вентиляторами от источников пьшеобразования, традиционно используются мокрые пылеуловители или тканевые фильтры. Однако в первом случае необходимость использования водных растворов хлористого кальция или натрия, во втором, высокие температуры пылегазовых потоков создают определенные трудности при эффективной эксплуатации указанных средств очистки. Поэтому необходимы новые методы фильтровальной очистки, например, на основе использования пористых керамических элементов и нетканных синтетических материалов.
Адсорбционные методы очистки пылегазовых смесей (ПГС) от хлора в целлюлозно-бумажном производстве, очистка оборотной технологической воды при бурении скважин, улучшение условий разделения коллективного концентрата, адсорбционное извлечение редких и благородных металлов из растворов и многие процессы в химической промышленности осуществляют с использованием активированного угля. В то же время, основным недостатком отечественных углей является низкая механическая прочность. Поэтому упрочнение структуры активированных углей за счет их модифицирования является важной задачей на современном этапе развития адсорбционных методов.
Проблема снижения загрязнения рудничным воздухом локальных участков атмосферы радикального решения до настоящего времени не имеет. В ряде производств горнообогатительных, металлургических, химических предприятий отмечаются выбросы в атмосферу углеводородов и оксидов углерода. Одним из перспективных методов очистки таких ПГС является термокаталитический.
При разведке, добыче, переработке полезных ископаемых широко используются транспортные средства и стационарные установки высокой мощности с двигателями внутреннего сгорания (ДВС). Особое значение при этом приобретает снижение токсичности выбросов ДВС, использование каталитической нейтрализации выхлопных газов, обеспечение эффективной вентиляции и обезвреживание ПГС.
Цель работы. Решение важной народно-хозяйственной проблемы - расширение сырьевой базы производства флотореагентов путем переработки отходов химической промышленности и управление техногенным воздействием на окружающую среду.
Поставленная в работе цель достигалась решением следующих основных задач:
разработка на примере г. Барнаула Алтайского края направления по оценке экологической ситуации и организации экологического мониторинга на основании геохимических исследований и картографирования окружающей среды для выявления и контроля зон чрезвычайной экологической ситуации, источников загрязнения, выработке мер по стабилизации и реабилитации загрязненных участков, разработке программ рационального природопользования и планов дальнейшего развития территории;
разработка системного подхода к выбору разделяющих агентов при экстрактивной ректификации и хроматографического анализа сложных смесей на основе теории регулярных растворов, предложенной Гильдебрандом;
теоретические и экспериментальные исследования массообменных процессов по выделению чистых компонентов из сложных отходов органического синтеза, производства синтетических жирных кислот, бутиловых спиртов, полифенилсилоксановых смол и аллиламина с целью получения дополнительного количества и повышения качества флотационных реагентов, применяемых для обогащения полезных ископаемых;
разработка процесса улучшения основных характеристик отечественных активированных углей для обеспечения возможности применения их в качестве адсорбентов в горнообогатительных и химических производствах;
теоретические и экспериментальные исследования механизма фильтрования ПГС через нетканные и керамические материалы и выявление возможности использования фильтровальных элементов на основе шамота и жидкого стекла, а также разработка конструкций встроенных отсосов и пылеулавливающих аппаратов с применением предложенных фильтровальных элементов;
разработка конструкции термокаталитического реактора и использование ее для решения научных и технических проблем очистки ПГС металлургических, горноперерабатывающих и других отраслей промышленности от токсичных газов;
разработка методов газожидкостной хроматографии для изучения многокомпонентных органических и водных смесей спиртов, эфиров, альдегидов, кетонов, жирных кислот, а также исследования адсорбции органических флотационных агентов на поверхности минеральных частиц;
усовершенствование отдельных операций стандартных анализов и проведение экологической оценки токсичности дизельных двигателей, применяемых на транспортных и стационарных средствах горнообогатительных и других предприятий.
Основная научная идея заключается:
в разработке направлений по управлению экологической ситуацией и рациональному использованию сырья в регионах и на отдельных промышленных предприятиях;
в изыскании и разработке новой сырьевой базы, а также технологии получения компонентов и смесей, которые могут быть использованы в качестве флотореагентов в горнодобывающей промышленности.
Настоящая работа является частью целевой комплексной программы «Экология Алтайского края на период с 1991 по 1995 гг. до 2005 года» и «Программы социально-экологического оздоровления и охраны здоровья населения Алтайского края на 1996-2000 годы (АЛТАИ-ЭКО)».
Теоретические и практические результаты работы изложены в 50 научных публикациях, одной монографии, 4 учебных пособиях, 40 методических указаниях; защищены авторским свидетельством и подтверждены 19 актами о внедрении.
Методы исследования. В работе для решения конкретных задач используются современные физико-химические и химические исследования: массо-обменные процессы, гравитационное осаждение, ИК, ЯМР и масс-спектрография, фотоколориметрия, потенциометрия, полярография, газожидкостная хроматография, рефрактометрия, термогравиметрия, кроме того широко применены методы математического моделирования и обработки результатов измерений на ЭВМ. Технологические исследования проведены в лабораторных, полупромышленных и промышленных условиях.
Для решения целого ряда экологических задач 'использовался программный комплекс «ПДВ-атмосфера», разработанный для персонального компьютера IBM PC AT (XT) и утвержденный ГГО им. А. И. Воейкова.
Научная новизна. В диссертационной работе решена важная народнохозяйственная задача - расширения сырьевой базы производства флотореагентов за счет переработки отходов химической промышленности и управление техногенным воздействием на окружающую среду. Впервые разработаны принципиально новые технологии переработки отходов:
производства бутиловых спиртов методом оксисинтеза и полифенил-силоксановых смол с получением смесей для флотации угольных шламов, графита, калийных руд, пенообразователей типа ОП и исходного продукта для получения бутилового ксантогената (ГОСТ 7927-75, Z-8, Аэрофлот 208, 238 и др.);
производства аллиламина с получением флотореагентов для флотации сульфидных медных и свинцовых руд и шлам-лигнина, а также флотореа-гента АНП-2, ингибитора ГИПХ-3 для флотации бериллиевых руд, гидро-фобизации поверхности азотных, фосфорных, калийных солей;
производства синтетических жирных кислот с получением высокомолекулярных кислот и сложных эфиров для флотации руд редких и черных металлов и неметаллических полезных ископаемых: реагент КОС, ТУ 6-05-02-74, ГОСТ 2323-78.
Разработаны теоретические основы модифицирования структуры активированных углей за счет введения геля кремниевой кислоты с добавкой FeCl3 и последующим термостатированием, позволяющих повысить их основные показатели.
Разработаны теоретические основы локальной очистки ПГС различных производств от окиси углерода, углеводородов и пыли в термокаталитическом реакторе.
Теоретически обоснована возможность использования геля кремниевой кислоты, как компонента фильтрующих элементов для очистки аэрозольных смесей.
Предложена научно обоснованная методология управления техногенным воздействием на окружающую среду.
Разработан новый расчетно-экспериментальный метод выбора разделяющих агентов при экстрактивной ректификации и неподвижных фаз в газожидкостной хроматографии.
Практическая значимость. Разработан универсальный метод районирования территорий и создан информационный банк данных о параметрах 31 основного источника воздушных выбросов и численная модель расчета распространения примесей по территории г. Барнаула для 10 приоритетных загрязняющих веществ.
Разработаны и апробированы технологические процессы очистки жидких отходов с получением флотореагентов:
хлористого аллила из смеси с хлористым пропилом;
аллиламина из смеси с акрилонитрилом;
бутиловых спиртов из продуктов оксисинтеза;
бутилового спирта из водной смеси с толуолом;
карбоновых кислот из сточных вод производства СЖК.
Сконструирован, изготовлен и апробирован термокаталитический ре
актор для очистки ПГС путем окисления углеводородов и окиси углерода.
Разработаны оригинальные конструкции фильтров, новизной которых является использование фильтрующих элементов из нетканных материалов и шамотно-силикатных смесей, апробированные в химической и машиностроительной промышленности и рекомендованные для локальной.очистки пыле-газовых потоков в горноперерабатывающей промышленности.
Разработаны методики газо-жидкостной хроматографии, пригодные для изучения многокомпонентных органических и водных сложных смесей эфиров, кетонов, альдегидов, спиртов и жирных кислот, а также для исследования флотационных агентов на поверхности минеральных веществ.
Реализация работы. Результаты работы внедрены на 19 промышленных предприятиях с экономическим эффектом в ценах, соответствующих году внедрения: п/о «Алтайхимпром» - 20 тыс. руб. (1968); п/о «Алтаихимпром» -200 тыс. руб. (1972); Барнаульский шинный завод - 46 тыс. руб. (1979); АО «Алтайвагон» - 116 тыс. руб. (1980); СКБ «Энергохиммаш» - 24 тыс. руб. (1986); п/о «Химволокно» - 70 тыс. руб. (1987); Алмалыкский завод бытовой химии - 104 тыс. руб. (1986); Барнаульский завод ячеистых бетонов - 30 тыс. руб. (1987); п/о «Химпром» г. Кемерово - 53 тыс. руб. (1980); Барнаульский завод «Трансмаш» - 20 тыс. руб. (1983); Барназ'льский завод ГРО - 26 тыс. руб. (1981); Славгородский мясокомбинат - 50 000 тыс. руб. (1991); г. Бийск -100000 тыс. руб.(1989-1995); г. Славгород -100000 тыс. руб.(1989-1995).
На защиту выносятся следующие основные положения:
-
Система комплексной оценки экологической ситуации промышленных центров, на примере г. Барнаула, на основании геохимического картирования территории по результатам рассеивания выбросов в атмосферу загрязняющих веществ и данных снегомерной съемки, анализа почвы и донных отложений и установление корреляционных связей в системе «атмосферный аэрозоль - выпадение» по результатам анализа содержания металлов в атмосферном воздухе и снеговом покрове, с выявлением экологического потенциала отдельных территорий.
-
Разработанный метод выбора разделяющих агентов при экстрактивной ректификации многокомпонентных смесей, заключающийся в последовательном ограничении их на основе предварительного анализа свойств чистых разделяемых компонентов и растворителя с последующим определени-
ем наиболее эффективных методом газожидкостной хроматографии и окончательной оценки на основании исследований фазовых равновесий и проведения экспериментальных процессов ректификации.
-
Разработанные новые технологические процессы выделения органических веществ из отходов химической промышленности с целью использования их в качестве сырья производства флотореагентов или технических смесей, используемых при обогащении полезных ископаемых.
-
Предложенный метод выбора неподвижных жидких фаз при разработке хроматографических методов анализа сложных жидких и газовых смесей, в том числе и флотационных агентов на основании представлений о полярности.
-
Методология упрочнения структуры активированных углей с целью обеспечения возможности их применения в качестве адсорбентов при очистке ПГС от хлора, технологической оборотной воды, процессов рекуперации летучих растворителей и других производствах.
-
Разработанные методы изготовления фильтрующих элементов на основе шамотно-силикатных композиций и конструкции фильтров для широкого использования в горноперерабатывающеи, химической и других видах промышленности.
-
Разработана конструкция термокаталитического реактора для очистки ПГС путем окисления углеводородов и окиси углерода.
Публикации. Теоретические и практические результаты исследований изложены в 50 научных публикациях, одной монографии, 40 методических указаниях, защищены авторским свидетельством, подтверждены 19 актами о внедрении и более 120 отчетами о научно-исследовательских работах.
Вклад автора в публикации, выполненные в соавторстве, состоял в постановке задач, обсуждении и интерпретации полученной информации и разработке методов исследования. Все исследования (полупромышленные и промышленные испытания) проводились под руководством и при непосредственном участии автора.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка используемой литературы и приложения, содержит 296 страниц основного машинописного текста и 50 страниц приложения, включает 89 рисунков, 60 таблиц.