Введение к работе
Актуальность темы. Функционирование мебельных и деревообраты-вающих производств связано с образованием различного вида отходов, приносящих значительный эколого-экономический ущерб, большая доля которого обусловлена присутствием в лаковых композициях и смолах высокотоксичных загрязнителей - стирола и формальдегида.
Современный уровень природозащиты определяется комплексным подходом к решению этой проблемы и включает рассмотрение вопросов создания теоретических и технологических основ процессов обезвреживания промышленных отходов и их рационального использования, а также разработки методов фитоконтроля для установления степени воздействия промьшленных загрязнений на биологические объекты.
Основные фрагменты работы выполнены согласно координационному плану комплексной проблемы "Человек и окружающая среда" (1985-1990 г.) и по заказ-наряду Госкомитета по делам высшей школы РФ "Использование адсорбционных свойств минеральных и растительных сорбентов для очистки от токсикантов газовых выбросов и сточных вод мебельных и деревообрабатывающих предприятий" (1991-1995 г.).
Цель работы заключается в создании комплекса природозащитных научно-обоснованных технологических решений, направленных на снижение концентрации наиболее токсичных загрязнителей, находящихся в лаковых композициях и полимерных связующих, присутствующих в техногенных отходах, а также в определении способов утилизации очищенных отходов и установлении индикаторной роли древесных растений на газовые промышленные выбросы.
Достижение намеченной цели осуществлялось при решении следующих задач:
выбор критериев использования минеральных сорбентов для природозащитных целей;
определение эффективности различных видов модификации минеральных сорбентов, с целью улучшения их сорбционных свойств;
установление закономерностей адсорбционно-десорбционных процессов на природных, синтетических и модифицированных сорбентах;
проведение комплексной оценки устойчивости древесных растений к промышленным загрязнителям атмосферы и установление индикаторных свойств некоторых древесных пород;
разработка и внедрение природозащитных технологических решений по снижению концентрации наиболее токсичных веществ в сточных водах (СВ) и вентвыбросах (ВВ) и определение путей утилизации техногенных отходов;
определение степени снижения эколого-экономического ущерба при использовании разработанных технологических решений и проведение оптимизации природозащитных задач, связанных с минимизацией эколого-экономического ущерба окружающей среде.
- г -
Объекты и методы исследования. Объектами исследования являются наиболее токсичные компоненты лаков и смол, природные и синтетические сорбенты, хвойные и лиственные древесные породы.
Использованы традиционные и модифицированные методы титромет-рии и потенциометрии, ИК-спектроскопия, рентгенография, микрокалориметрия, различные методы гравиметрии, газо-жидкостная хроматография, фотоэлектроколориметрия и др.
Научная новизна. Проведено комплексное исследование эффективности применения минеральных сорбентов для решения природозащит-ных задач по снижению ущерба от использования лаковых композиций (ЛК) и полимерных связующих в деревообрабатывающей промышленности:
проведена систематизация минеральных сорбентов на основании критериальной оценки эффективности снижения ущерба окружающей среде при их использовании в отделочных материалах и жидких стоках;
определены равновесные, кинетические и термодинамические характеристики адсорбции на природных и модифицированных сорбентах;
исследованы и обсуждены механизмы сорбции, определена возможность полимеризации стирола на некоторых природных сорбентах и обнаружены факторы, предопределяющие их реализацию, установлено наличие различных типов взаимодействия молекул-загрязнителей с активными поверхностными центрами сорбентов;
получены доказательства максимального снижения эмиссии летучих компонентов из лаковых композиций (ЛК) при введении искусственного кремнезема - аэросила, по-видимому, проявляющего, наряду с сорбционными свойствами, способность к образованию с макромолекулами полиэфира комплексов по типу интерполимерных;
найдены математические закономерности влияния некоторых факторов, полученных в статическом и динамическом режимах при адсорбции из газовой фазы и вносящих определенный вклад в повышение эффективности сорбционного процесса: термическая и кислотная модификация сорбентов, обработка в магнитном поле, вариации количественного содержания породообразующего минерала;
установлена корреляция между химическим, минералогическим составами, особенностями строения сорбентов и степенью снижения концентрации высокотоксичных соединений в лаковых материалах и жидких промышленных отходах;
проведена электрофизиологическая оценка негативного воздей- ствия паров органических промышленных растворителей на устойчивость древесных растений и выявлены древесные биоиндикаторы промышленных загрязнений. Установлена шкала устойчивости и восстановительной способности некоторых древесных пород. Найденные закономерности подтверждены биохимическими показателями.
Практическая значимость. Разработанные технологические решения и природозащитные технологии позволяют достичь следующих практических целей:
разработан метод очистки сточной воды от формальдегида до уровня ниже ПДКВ с дальнейшим комплексным использованием отходов надсмольных вод в качестве удобрения для сельскохозяйственных растений, смоляной дисперсии и отработанного сорбента - в строительных растворах и материалах;
предложены оптимальные составы технических составов полиэфирных лаковых пленок, использование которых приводит к затруднениям эмиссии летучих компонентов из пленки лака и значительному улучшению его экологических и потребительских свойств;
даны рекомендации по озеленению промышленных и прилегающих городских территорий определенными породами деревьев, являющихся наиболее устойчивыми к действию токсичных поллютантов, или индикаторами на загрязнения атмосферы.
Реализация работы. Разработаны, прошли промышленные испытания и внедрены следующие процессы:
сорбционно-химическое снижение концентрации формальдегида до уровня ПДКВ в сточных водах, прошедший промышленные испытания и внедренный на Воронежских мебельных комбинатах АООТ "Мебель Черноземья" и АО "Графское";
получения лаковых композиций с активным наполнителем, сохраняющих технологические свойства и приобретающие устойчивость к выделению летучих компонентов из лаковой пленки, испытанные и внедренные на мебельном комбинате ТОО ПКФ "Рубикон";
использования отработанного кислого природного сорбента и смоляной дисперсии для приготовления строительных растворов на перлитовом песке с повышенными теплоизоляционными свойствами, испытанных в лаборатории строительных материалов АООТ "Строй-трест-5" и внедренных на заводе крупнопанельного домостроения КПД-і АООТ "Воронежпроектстрой";
использования смоляной дисперсии стоков для получения строительных материалов с улучшенными теплофизическими свойствами прошел испытания в лаборатории стройматериалов АООТ "Стройтрест-5";
использования очищенной надсмольной воды в качестве стимулятора роста подсолнечника прошел испытания в лаборатории кафедры агроэкологии Воронежского госагроуниверситета.
Комплекс разработанных решений обеспечивает возможность эффективного решения экологических проблем и задач ресурсосбережения путем утилизации очищенных от токсикантов техногенных отходов с получением качественно улучшенных строительных материалов и растворов и повышения продуктивности сельскохозяйственных растений.
Разработанные технологические решения обеспечили снижение экологического ущерба при работе с модифицированными составами лаков на 67-99 % и при очистке и утилизации СВ - на 36-97 %. Зколо-го-экономический эффект от общеприведенного ущерба составляет при использовании данных технологических решений по охране атмосферы от 64 до 94 %. водной среда - от 20 до 97 %, возрастая соответственно повышению исходной концентрации токсиканта и эффективности используемого сорбента.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается взаимной согласованностью данных, полученными различными методами. Результаты производственных испытаний не противоречат общенаучным положениям, согласуются с данными других исследователей. Расчеты выполнены с применением современных средств вычислительной техники. Предложенные технические решения проверены в опытно-промышленном масштабе на двух и внедрены на четырех предприятиях.
Основные положения диссертации, выносимые автором на защиту:
Автором защищаются следующие результаты в рамках разрабатываемого научно-технического направления - комплексный подход к решению проблемы охраны окружающей среды и рационального использования природных ресурсов в деревообрабатывающих производствах:
способы модификации сорбентов и определение их эффективности;
классификация сорбентов, проведенная на основе установления механизма процессов сорбции-десорбции загрязнителей из различных сред и выявление перспективных сорбентов для решения природоохранных проблем:
природозащитные технологические решения, связанные со снижением концентрации формальдегида в отходах карбамидоформальдегид-ных смол и их утилизацией и подавлением эмиссии летучих растворителей из лаковых композиций ;
эксперссный электрофизиологический способ фитоконтроля для выявления индикаторных свойств древесных растений на токсичные газовые промышленные выбросы.
методики оптимизации и результаты решения оптимизационных задач по выбору наиболее аффективных сорбентов для снижения экологического ущерба и повышения эколого-экономической эффективности технологических решений.
Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на 48 международных, всесоюзных, республиканских и региональных симпозиумах и конференциях, в том числе на республиканских научных конференциях:"Химия и применение фенолальдегидных смол" (Таллин, 1982) и "Научно-технический прогресс в лесной и деревообрабатывающей промышленности" (Киев, 1989). Всесоазный Экологический симпозиум "Анализ воды" (Воронеж, 1990), Всесоюзное совещание "Проблемы химии и технологии прогрессивных лакокрасочных материа-
лов" (Ярославль, 1990), зональные конференции "Обезвреживание и регенерация твердых органических отходов и растворителей" (Пенза, 1990), Всесоюзная конференция "Научные основы ведения лесного хозяйства в дубравах" (Воронев, 1991). международный симпозиум "Клеи в деревообработке" (Чехо-Словакия, 1991), второй Всесоюзный семинар "Химия и технология неорганических сорбентов" (Минск, 1991). международная конференция "Экстракция органических веществ из растворов" (Воронеж, 1992), Российская научно-техническая конференция "Проблемы увеличения использования вторичных ресурсов и рационального применения отходов в целлюлозно-бумажной, деревообрабатывающей и лесохимической промышленности" (Москва, 1993), международный симпозиум "Использование клеев в деревообработке" (Словакия, 1993), Российская межотраслевая научно-техническая конференция Ресурсосберегающие технологии и охрана окружающей среды" (Санкт-Петербург, 1993), межгосударственная научно-практическая конференция "Методы исследования, паспортизация и переработка отходов" (Пенза, 1994), Международная конференция "Фундаментальные и прикладные проблемы охраны окружающей среды" (Томск, 1995), Международная конференция "Vybrane Prozesy pri Chemickom Spracovani Dreva" (Zvolen, Slovak Republic, 1996).
Публикация результатов. Материалы диссертации изложены в подготовленных 84 публикациях, в том числе 75 - в соавторстве. В общем списке - 30 статей, 6 патентов на изобретение и 48 тезисов докладов.
Личное участие автора. Определение проблемы, целей и задач работы, постановка исследований, проведение теоретических и экспериментальных работ, внедрение полученных результатов. Ценная консультативная помощь оказана член-корр. АН Украины Ю.И.Тарасевичем (НИИ коллоидной химии и химии воды им. А. В. Думанского).
Объем и структура работы, диссертация состоит из введения, включающего описание состояния проблемы и краткий литературный обзор, пяти глав экспериментальных и теоретических исследований, основных выводов, списка литературы (332 наименования) и 53 приложений. Общий объем работы - 534 страницы, в том числе 287 страниц машинописного текста, 80 рисунков и 81 таблицы.