Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Экологически чистая методика сбора и утилизации паров ртути на коммунальных обьектах

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Автореферат диссертации по теме "Экологически чистая методика сбора и утилизации паров ртути на коммунальных обьектах"

Министерство образования Российской Федерации Тюменский государственный нефтегазовый университет

Экологически чистая методика сбора и утилизации паров ртути на коммунальных объектах

Специальность: 11.00.11 "Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

РГБ ОД

Двойникова Анна Васильевна

Тюмень - 2000

Работа выполнена в Тюменском государственном нефтегазовом университете.

Научный руководитель -Официальные оппоненты -

доктор технических наук, профессор, Шантарин В.Д.

доктор химических наук, профессор, Гаияев В.П.

кандидат химических наук, доцент, Кертман C.B.

Ведущая организация - Центр государственного

санитарно- эпидемиологического надзора в г. Тюмени.

Защита диссертации состоится 2000 года в 10 часов в

ауд. 219 на заседании диссертационного совета Д 064.07.02 при Тюменском государственном нефтегазовом университете по адресу 625000, г. Тюмень, ул Володарского, 38.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ТюмГНГУ Автореферат разослан 2000 года.

Учёный секретарь диссертационного совета,

доктор технических наук, профессор С.И.Челомбитко

Общая характеристика работы.

Актуальность темы. Научно-технический прогресс и технико-экономическое развитие общества приводят к неизбежному возникновению ряда негативных проблем, связанных с загрязнением атмосферы, почвы, воды, производственной сферы вредными веществами и с ростом контингента работающих, которые подвергаются их. неблагоприятному воздействию.

Из большого количества вредных веществ, попадающих в атмосферу, воздух рабочей зоны, пары ртути относятся к >./ чрезвычайно опасным.

Существующее производство характеризуется огромным разнообразием используемых материалов и технических средств, предъявляет повышенные требования к точности и достоверности информации о степени загрязнения атмосферы и рабочих зон. V

Получение надежных данных о пространственно-временном распределении вредных веществ является важным условием решения проблемы оздоровления воздушной сферы.

Сложность состава загрязнений атмосферного воздуха, тенденция к ужесточению нормативов содержания вредных веществ приводят к увеличению требований к методам контроля. V Современные физико-химические методы, отличаясь высокой точностью, позволяют выполнить анализ за минуты. Однако вся нормативно-техническая документация направлена на контроль максимально-разовой концентрации вредных веществ, как в атмосфере, так и воздухе рабочей зоны. При контроле за воздушной средой дается оценка и характеристика первичному содержанию вредных ингредиентов.

Наличие сравнительно малых концентраций паров ртути в воздухе рабочей зоны, обусловлено тем, что основная масса её адсорбируется строительными материалами.

Анализ научно-исследовательских работ, выполненных различными авторами, результатов обоснования загрязнения свидетельствует, что проблема изучена недостаточно, а разработанные и применяемые на практике меры по обеспечению безопасности жизнедеятельности человека не соответствуют современным требованиям. В связи с этим, особую актуальность

приобретают исследования вторичного загрязнения в результате .локального попадания ртути на ограждающие конструкции стен, полов (штукатурки, бетона); и влияние ее на жизнедеятельность человека в быту и на производстве. Кроме того, основная масса загрязнений скрыта от контроля и проявляется при изменении метеорологических условий.

Цель диссертационной работы - исследовать и разработать экологически чистую энергосберегающую технологию сбора и утилизации вторичного загрязнения ртути и ее соединений с использованием материалов из растительного волокна торфа.

В соответствии с поставленной целыо решались следующие

задачи:

- разработать методику определения паров ртути, как источника вторичного загрязнения;

- экспериментально проверить методику поглогцепшо растительным волокном паров ртуги,

- разработать инженерные методы расчёта концентрации адсорбированной ртути;

- разработать метод утилизации ртути. Научная новизна диссертационной работы.

1. Впервые изучены источники вторичных загрязнений ртутью коммунальных объектов.

2. Впервые изучена кинетика адсорбции, десорбции ртути растигельЕШм волокном и механизм взаимосвязи целлюлозы с ртутью.

3. Установлена количественная взаимосвязь адсорбции и десорбции строительных материалов вторичного загрязнения паров ртуги.

4. Впервые изучена кинетика конденсации ртути из растительного волокна на стеклянной поверхности.

Практическая значимость работы.

1. Разработана методика расчёта загрязнений ртутью внутренних ограждающих конструкций.

2. Разработана методика по сбору адсорбированной строительными материалами ртути с помощью растительных волокон.

Диссертационная работа является частью исследований, проводимых на кафедре промышленной экологии Тюменского государственного нефтегазового университета по программе '«Экологические проблемы безопасности жизнедеятельности» и «Экологический мониторинг и прогнозирование чрезвычайных ситуаций», включённых в план работы совета Российского международного университета дружбы народов (РУДН).

Результаты и выводы, сформулированные в диссертации, подтвержденны актами о внедрении и апробированы в санитарно -гигиенических лабораториях Центра государственного санитарно -эпидемиологического надзора в Тюменской области в 1999 году.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на Международных, Всероссийских и региональных конферега#1ЯХ,втом'шс1те:

- Международной конференции «Безопасность жизнедеятельности в Сибири и на Крайнем Севере» (Тюмень, 1995 г.);

- 1-й Региональной Межвузовской медико-технической конференции «Актуальные вопросы адаптации пришлого населения к условиям Тюменского Севера» (Тюмень, 1995 г.);

- Международной научно-технической конференции «Нефть и газ Западной Сибири» (Тюмень, ТюмГНГУ, 1996г.);

- Международном конгрессе «Экология больших городов -инженерные решения» (Москва, Российская инженерная академия, 1996 г.);

- 1-ом Международном конгрессе «Новые высокие технологии для нефтяной промышленности и энергетики будущего» (Тюмень, 1996 г.);

- Научно-технической конференции «Экологические проблемы хранения, переработки и использования вторичного сырья» (г.Римини, Италия, ВИМИ, 1996 г.);

- Научно-технической конференции «Экологическая защита городов» (Москва, ВИМИ, 1996 г.);

- 2-ой областной научно-технической конференции «Окружающая

среда» (Тюмень, 1999г.) На защиту выносятся.

- Исследования по определению вторичного загрязнения ртути.

- Методика определения паров ртути в смывах.

- Методика сбора ртути со строительного материала с помощью растительных волокон.

- Методика утилизации ртути после ее сбора.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ.

Структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов по работе и приложения. Содержание работы изложено на 130 страницах машинописного текста, в том числе включает 30 рисунков, 13 таблиц и список использованной литературы из 88 наименований.

Выражаю большую благодарность в определении тематики диссертационной работы и за оказываемую помощь в проведении научных экспериментов доктору технических наук, профессору В. Д. Шантарину и кандидату технических наук, доценту В. А. Старикову.

Содержание работы.

Введение содержит обоснование актуальности, цель и основные задачи исследований и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе освещено современное состояние и обоснование научной новизны, практической ценности и апробации научных результатов. Показана токсичность паров ртути на человека, даны концентрации, вызывающие патологические явления на основании анализа исследований отечественных и зарубежных авторов (И.М. Трахтенберг, Л.А. Иванова, В.А. Белицер, Т.А. Галаян, Б.И. Гольдштейн, Т.М. Скоморохова, В.П. Борисов, Н. Йорданов, Н.М. Томсон). К настоящему моменту накоплено достаточно доказательств влияния факторов окружающей среды, производства и быта на генном уровне. Несомненно, что вредные факторы производственной среды вносят определённый вклад в генотоксические эффекты, как в сфере промышленной экологии, так

и экологии в целом. По частоте вызываемых тяжёлыми металлами отравлений ртуть занимает второе место после свинца. Анализируя результаты отечественных и зарубежных исследований сделан вывод, что воздействие ртути в концентрациях порядка сотых долей миллиграмма в одном кубометре может обусловить развитие профессионального меркуриализма.

Объём экспериментальных исследований, посвященных проблеме профессионального меркуриализма значителен, однако, изучение биохимических механизмов токсичного действия неорганических соединений ртути продолжает оставаться весьма актуальным. Многие вопросы метаболизма ртути, как отмечают исследователи, ещё недостаточно выяснены. Ряд авторов изучая закономерности распределения ртути в абиотических и биотических компонентах пришли к выводу, что данные о накоплении ртути по звеньям пищевой цепи в озёрах повышается с рН < 5. В этих условиях ртуть аккумулируется в мышцах живых организмов, в концентрациях, часто превышающих ПДК. Особенно эффективно накапливаются ртугьоргаиические комплексы.

Процесс внедрения норм, стандартов отражает современное понимание воздействия загрязнения на земные и водные экосистемы. В различных странах приняты разные предельно допустимые концентрации (ПДК) паров ртути в воздухе производственных помещений / атмосферы (мг/м3): Россия -0,01/0,005; США - 0,05; Германия, Финляндия, Италия, Польша - 0,1; Англия - 0,075.

В работе проведён анализ загрязнений ртутью воздуха, получена информация о качественном и количественном составе анализируемого воздуха, необходимого для прогнозирования степени загрязнения и выполнения мероприятий по охране окружающей среды, а также гигиенических и токсикологических исследований. Для выполнения этих задач используют современные физико-химические методы анализа. Все эти методы характеризуют только первичное загрязнение ртутью. Исследований по определению вторичного загрязнения, то есть смыва на ртуть в современной нормативно-технической документации не существует, таким образом, актуальной задачей данной работы является разработка методики определения паров ртути в смывах и их количественной оценки.

Во второй главе рассмотрены методы адсорбции и десорбции

растительными волокнами, а также даны модельные представления о взаимодействии ртути с водой, растительными волокнами, химическими реагентами и материалами. Описаны физические свойства некоторых видов строительных материалов, в частности: водопоглощение, водопроницаемость и пористость.

Рассмотрен механизм взаимодействия ртути с адсорбированной водой в порах строительных материалов. Даны теоретические модели, описывающие предполагаемые конфигурации молекул воды и ртути.

Применение сорбентов из торфа до настоящего времени ограничивается теми сферами, где к их качеству предъявляются наиболее жёсткие требования. Однако это не значит, что их нельзя применять . для повышения степени очистки стоков и газовых выбросов от вредных компонентов и тем самым, уменьшать загрязнения соответствующих сред. Наличие в торфе биологически активных веществ и ионосенных функциональных групп придаёт ему свойство активного ионообменного материала с высокой ёмкостью поглощения, которая определяет ценность его использования в качестве природного сорбента. Установлена зависимость поглотительных количественных характеристик, в том числе пористости (ш) торфа от его природы и химического состава, составляющих его органических соединений, а также других физико-химических процессов, определяющих не только аккумуляцию воды и её передвижение. Общая пористость в торфяных почвах колеблется в пределах 80-97% от общего объёма. В диссертации для исследовательской работы использовался не сам торф, а его компонент - растительное волокно с пористостью 92-94%.

Исходя из физических свойств сорбента описан механизм взаимосвязи ионов ртути с растительными волокнами.

В третьей главе определялись вторичные загрязнения и удаление ртути из строительных материалов на объектах коммунального хозяйства, связанных с целым рядом сложных процессов перехода ртути из воздуха в строительный материал (адсорбция), диффузии ртути в материалах, десорбции ртути из строительного материала, что являлось одной из основных задач данного исследования, а также утилизация ртути из сорбента. Разработана методика "Фотометрическое определение концентрации паров ртути в смывах".

Методика основана на взаимодействии ртути с раствором йода в йодиде калия с образованием йодида ртути. Последний с

закисными солями меди дает смесь осадков С^г • Нд^ (красного цвета) и Сиг-Ь (белого цвета). Содержание ртути определяют фотокалориметрическим методом по интенсивности окрашенного осадка.

Предел измерений паров ртути в анализируемом объеме пробы- 1 мкг/мл. Граница суммарной погрешности измерения ртути в смывах не превышает ± 25 %. Предельно допустимая концентрация паров ртути в смывах в настоящее время не установлена.

Для отбора проб заранее приготовленные ватные тампоны в течение суток выдерживались в поглотительном растворе (Ю). Во время отбора пробы тампоном тщательно проводился смыв с загрязненной ртутью поверхности площадью 10x10 см2'

Исследуемую пробу помещают в воронку с пористой пластинкой и промывают поглотительным раствором в объеме 10 мл. Для анализа отбирают 5 мл, добавляют 1 мл 0,01м серной кислоты (рН = 2,0 - 4,0), затем по 1 мл реактивного раствора (10 мл 2 %-ного раствора СиС^- 2Н¿О н 20 мл 2,5 м раствора №г80з • 7Н2О) и через 20 минут фотометрируют в кювете с толщиной слоя 5 мм при длине волны 400 нм.

Удельная, отнесенная к 1 см2 поверхности строительной конструкции, масса ртути (I, мг/см2) определялась по уравнению:

у = к- а-У,

V, -Я

где к=— - безразмерный коэффициент, характеризующий

отношение массы ртути в строительной конструкции к массе смываемой ртути с той же площади;

кш<1 - определяется на основе экспериментальных данных и условий опыта (принимается равным 0,4 +0,5);

— = С - концентрация ртути в промывочном растворе, мг/см2;

а - масса ртути, найденная в анализированном объеме пробы, мг;

V] - общий объем пробы, мл;

Уг - объем пробы, взятой для анализа, мл;

Б - площадь с которой был взят смыв на анализ, см2.

Дано описание экспериментальной установки по проведению опытов по определению концентрации ртути в строительных материалах, созданной на основе разработанной программы по изучению процессов адсорбции и десорбции паров ртути.

Полученные данные по изменению концентрации ртути в цементно-песчаной смеси в зависимости от времени при изотермических условиях приведены на рисунках 1-3.Как видно из этих данных наблюдается экспоненциальный характер с асимптотическим выходом на концентрацию насыщения в течение 1,5 - 2,0 часов, при относительной влажности волокна 37%.

°.4 °.в 1,2 1.6 х, час

Рис. 1. Кинетика адсорбции (С) ртути цеметно-песчанои смесью (1:3) при различных температурах: 15 (1), 25 (2), 35 (3)и45 сС (4).

Рис. 2. Кинетика адсорбции (С) рчуга цементно-песчаной смесью (1:4) при различных температурах: 15(1), 25(2), 35(3)и45°С('

и

Рис. 3. Кинетика адсорбции (С) ртути цсмеитао-пгсчаноп смссью 1: 5 при различных, температурах: 15 (1), 25 (2), 35 (3) и 45 "С (4).

На рисунках 4-6 графически представлены скорости насыщения ртутыо цементно-песчаных моделей. Показано, что скорости максимальных насыщений наблюдаются в течение 20 мин, а затем падают во временном интервале 2-х часов.

О,

мг см3-час

0,6

0,4

0,2

N ,3

2\

1

------ -- — —

0,4 0,8 1,2 1,6 т

С, час

Рис. 4. Скорость адсорбции (<3) ртути цементно-песчаной смесью (пористость ш=39,41%) при различных температурах: 15 (1), 25 (2), 35 (3) и 45 °С (4).

О,

мг см'-час

0,8

0,6 0,4

0,2

Рис 5. Скорость адсорбции (<3) ртути цементно-песчаной смесью

(пористость т=40,05%) при различных температурах: 15 (1), 25 (2), 35 (31 и 45 °С (4).

О,

мг

гм3- час. 0,8

0,6

0,4

0,2

Рис.6. Скорость адсорбции ртути цементно-песчаной смесью (ш=41,24%) при различных температурах: 15(1), 25 (2), 35(3) и 45 °С(4).

На рисунках 4 - 6 - скорости адсорбции ртути различными цементно-песчаньтми моделями. Скорость насыщения различна в исследуемом диапазоне температур.

В результате выполненного экспериментального исследования установлено линейное изменение концентрации насыщения ртутью строительных материалов наблюдаются в диапазоне температур 2535 °С. Они показали, что наибольшие концентрации насыщения ртути.

Для сбора из строительных конструкций адсорбированной ртути использовался разработанный автором сорбент растительного происхождения. Исследования по степени поглощения ртути сухим и влажным волокном, проводилось в течение 16 часов. Перед этим синхронно сделаны смывы, как с сухого, так и с увлажнённого растительного волокна, пробы отбирались в течении 2 часов.

Р'.с. 7. Зависимость концентрации насыщения ртутью строительного материала от температуры окружающей среды.

Для определения качественной и количественной оценки по десорбции ртути из растительного волокна были проведены эксперименты, которые показали, что концентрация десорбирующей ртути из необработанных химическим реагентом волокон варьировалась в интервале 0,1 до 0,7 мг/см3, в то же время

концентрация десорбирующей ртути из обработанных химическим реагентом волокон существенно возросла до значений 1,4-2,0 мг/см3, т.е. десорбция наиболее эффективно достигается из волокна, обработанного химическим реагентом.

С целью утилизации ртути из растительного сорбента была -создана экспериментальная установка по извлечению данного металла методом конденсации на стеклянной поверхности. Исследования проводились как с сухим растительным волокном, так и с волокном, обработанным химическим реагентом. Эксперименты показали, что при термической обработке сорбента (80 -100 °С) ионы ртути конденсируются полностью на стеклянной поверхности холодильника. Проведенные анализы на остаточное содержание ртути в сорбенте по разработанной методике, после утилизации показали, что металл не обнаружен.

В четвертой главе описано математическое прогнозирование загрязнения парами ртути строительных материалов коммунальных объектов. Математический расчет параметров вторичного загрязнения (I) основывается на экспериментальной зависимости определяющей массу ртути вторичного загрязнения ограждающей конструкции.

При локальном загрязнении помещений ртутью рекомендовано отрабатывать загрязненные места хлорным железом или подкисленным перманганатом калия. Результаты меркуриализации оцениваются содержанием паров ртути в воздухе (ГОСТ 12.1.005 -88 "Воздух рабочей зоны"), без учета коммулятивного накопления металла, вследствие чего меркуриализация не дает положительного эффекта, а проведенные анализы регистрируют содержание ртути в воздухе. Многократно проведенная обработка химическими реагентами загрязненных ртутью поверхностей зачастую приводят оборудования и помещения в непригодность.

Для сбора и утилизации ртути из строительных материалов автором был разработан сорбент. Он изготовлен с использованием торфяного материала растительного происхождения, а для повышения сорбционных способностей обработан йодосодержащим раствором, причем открытая пористость сорбента равна 90-93 %. В диссертации дана технология по приготовлению сорбента к применению.

Описана установка по сбору адсорбированной строительными

материалами ртути с помощью растительного волокна. В таблице приведены экспериментальные данные по практическому применению установки по сбору ртути, в которой даны Основные характеристики условий проведенных опытов: угол отсоса, площадь щели отсоса, расстояние отсоса, скорость.

В таблице представлены экспериментальные замеры скоростей щелевого отсоса с углом раскрытия (а = 90°). Сбор адсорбированной ртути проводится щелевым отсосом (площадь щели 11,5 и 19 см2) на расстоянии от 1 до 10 см от строительных поверхностей. Замеры проводились с учетом внутреннего сопротивления всасывающего патрубка с щелевым отсосом площадью (11,5 -19 см2) длиной и диаметром патрубка (2,5 -0,01 см). Скорость всасывания щелевым отсосом ограничивается сопротивлением поглотительной колонки с растительным сорбентом находящимся в йодосодержащем жидком растворе. Увеличение расстояния от строительной поверхности щелевого отсоса приводит к резкому уменьшению скорости всасывания, т.е. удаление щелевого отсоса от поверхности строительных конструкций более чем на 10 см недопустимо

Таблица 1

Экспериментальные данные удаления адсорбированной ртути из строительных материалов

№ п/п Насадка № 1 Насадка № 2

угол, 8, см2 Ъ, см Ток по шкале показаний термоане мометра V, м/с угол,0 Б, см2 Z1 см ток по шкале показаний термоане мометра V, м/с

1 90 19 0 2 8,20 45 19 0 7 2,96

2 90 19 1 10 1,96 45 19 1 9 2,16

3 90 19 2 15 1,28 45 19 2 13 1,52

4 90 19 3 18 1,02 45 19 3 18 1,02

5 90 19 4 20 0,90 45 19 4 20 0,90

6 90 19 5 23 0,74 45 19 5 23 0,74

7 90 19 10 34 0,34 45 19 10 36 0,31

1 90 11,5 0 2 5,30 45 11,5 0 7 2,96

2 90 11,5 1 10 2,96 45 11,5 1 13 1,52

3 90 11,5 2 15 1,40 45 11,5 2 20 0,90

4 90 11,5 3 18 0,84 45 11,5 3 23 0,74

5 90 П,5 4 20 0,70 45 11,5 4 26 0,61

б 90 11,5 5 23 0,65 45 11,5 5 29 0,52

7 90 11,5 10 34 0,34 45° 11,5 10 40 0,25

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Решена актуальная научная проблема - разработана методика сбора адсорбированной строительными материалами ртути растительными волокнами и экологически чистая утилизация ее путем последующей термической обработки сорбента и конденсации Нц на стеклянной поверхности холодильника.

2. Разработана методика фотометрического определения ртути в смывах источника вторичного загрязнения в строительных пористых материалах.

3. Разработана методика количественного расчета загрязнения ртутыо внутренних ограждающих конструкций.

4. Разработана и создана экспериментальная установка по сбору адсорбированной ртути строительных материалов, с последующей ее утилизацией из предложенного сорбента методом конденсации.

' Основные положения диссертации опубликованы в работах:

ГШинкеев С. А., Двойникова А. В., Шантарин В. Д. Безотходная утилизация бытовых отходов // Межвузовский сборник научных трудов. "Научно - технические проблемы Западно - Сибирского нефтегазового комплекса". Тюмень: ТюмГНГУ. 1995. том I. с. 186-188.

2. Двойникова A.B., Шантарин В.Д. Модифицированный аспирационный отбор проб в рабочей зоне // Межвузовский сборник научных трудов "Научно-технические проблемы Западно-Сибирского нефтегазового комлекса", Тюмень, ТюмГНГУ, 1995, т. 1 с. 189-192.

3. Двойникова A.B., Шантарин В.Д. Усовершенствованный аспирационный отбор проб воздуха из рабочей зоны // Тезисы доклада на международной конференции "Безопасность жизнедеятельности в Сибири и на Крайнем севере", Тюмень, ТГУ, 1995, с. 18.

4. Двойникова A.B., Шантарин В.Д. Устройство для аспирационного отбора проб воздуха из рабочей зоны // Тезисы доклада на 1-ой Региональной межвузовской медико - технической конференции "Актуальные вопросы адаптации пришлого населения к условиям Тюменского Севера", Тюмень, ТюмМИ, 1995, с.77.

5. Двойникова А. В., Шантарин В. Д. Загрязнение воздуха рабочей зоны // Тезисы доклада Международной технической конференции "Нефть и газ Западной Сибири", май 1996,, Тюмень, ТюмГНГУ, с. 54-55.

6. Двойникова А. В., Шантарин В. Д. Вторичное загрязнение воздуха рабочей зоны // Тезисы доклада Международной научно-технической конференции "Нефть и газ Западной Сибири", май 1996, Тюмень, ТюмГНГУ, с. 75.

7. Двойникова A.B., Стариков В. А., Шантарин В. Д. Двойников В.А. Экологически чистая энергосберегающая технология утилизация ртути и ее соединений // Материалы Второй областной научно -технической конференции "Окружающая среда", 1-2 июня 1999, ТГУ, Тюмень, с. 102-104.

8. Двойникова A.B., Шантарин В.Д. Разработка сорбента по сбору и утилизации ртути и ртутьсодержащих соединений. // Ж. Изв. вузов "Нефть и газ", 2000, № 2 с. 17-18.

Соискатель

Двойникова A.B.