Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Переработка отходов потребления поликарбоната с получением сорбционных материалов для обезвреживания сточных вод нефтехимических производств

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Переработка отходов потребления поликарбоната с получением сорбционных материалов для обезвреживания сточных вод нефтехимических производств"

На правах рукописи

005535436

Сурков Александр Анатольевич

ПЕРЕРАБОТКА ОТХОДОВ ПОТРЕБЛЕНИЯ ПОЛИКАРБОНАТА С ПОЛУЧЕНИЕМ СОРБЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ СТОЧНЫХ ВОД НЕФТЕХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ

03.02.08- «Экология (вхимии и нефтехимии)»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 4 ОКТ 2013

Иваново - 2013

005535436

Работа выполнена на кафедре охраны окружающей среды ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет». Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Глушанкова Ирина Самуиловна Официальные оппоненты:

- Клушин Виталий Николаевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой технологии защиты биосферы ФГБОУ ВПО Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева

- Макаров Владимир Михайлович, доктор химических наук, профессор, заведующий кафедрой охраны труда и природы ФГБОУ ВПО Ярославский государственный технический университет

Ведущая организация:

- Федеральное государственное бюджетное учреждение "Уральский государственный научно-исследовательский институт региональных экологических проблем", г. Пермь.

Защита состоится «11» ноября 2013 г. в 12 часов на заседании совета по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук Д 212.063.02 при ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный химико-технологический университет» по адресу: 153000, г. Иваново, проспект Ф. Энгельса, 7, ауд. Г-205.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ивановского государственного химико-технологического университета по адресу: 153000, г. Иваново, проспект Ф. Энгельса, 10.

Автореферат разослан «/О» октября 2013г. Отзывы на автореферат просим направлять по адресу: 153000, г. Иваново, проспект Ф. Энгельса, 7, совет по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук Д 212.063.02; e-mail: dissovet@isuct.ru, EPGrishina@yandex.ru, факс: (4932)32-54-33.

Ученый секретарь совета, д.т.н., доцент

Е.П. Гришина

Актуальность темы

Загрязнение окружающей среды отходами потребления полимерных материалов является одной из актуальных мировых экологических и технологических проблем. Использование сотового и монолитного поликарбоната (ПК) в различных областях техники и бытового потребления приводит к ежегодному увеличению на 10-12% объемов его производства (около 4 млн.т в мире) и, соответственно, росту отходов потребления ПК. Можно ожидать, что к 2020-2025 гг. объем образующихся отходов ПК будет составлять не менее 7-10% от всего объема образующихся полимерных отходов.

Полигонные технологии утилизации отходов потребления ПК, применяемые в настоящее время, сопровождаются не только изъятием земельных ресурсов, но и длительными эмиссиями продуктов фото- и хемодеструкции в окружающую среду, что обусловливает необходимость разработки эффективной системы управления отходами ПК, позволяющей не только сократить объемы отходов, поступающих на полигоны ТБО, но и максимально использовать ресурсный и энергетический потенциал ПК при его утилизации.

Анализ научно-технической информации и предварительные исследования показали, что одним из перспективных направлений утилизации отходов ПК является низкотемпературный пиролиз, позволяющий не только утилизировать полимерные отходы, но и получать дополнительные продукты: различные фракции углеводородов, карбонизат, который может быть использован в качестве топлива, а также подвергнут дополнительной обработке для получения пористых углеродных сорбентов.

Известно использование отходов поливинилхлорида, политерефталата, полиакрилонитрила, пенополиуретана, шинной резины и др. для получения сорбционных углеродных материалов (В.Н. Клушин, В.М. Мухин, Б. Берингер, С.С. Ставицкая, О.И. Поддубная, I. Таэсоп, К. ЬавгЬ), используемых для очистки производственных сточных вод.

Переработка отходов ПК с получением сорбентов практически не изучена, в то же время ароматическая структура ПК, наличие кислородсодержащих функциональных групп, позволяют полагать о возможности получения из отходов эффективных углеродных сорбентов для обезвреживания сточных вод.

В соответствии с принятым «Водным кодексом РФ» в настоящее время повышаются требования к инженерным сооружениям и технологическим системам обезвреживания производственных сточных вод. Известно, что нефтехимические производства являются одним из основных потребителей водных ресурсов и источником их загрязнения. Обезвреживание образующихся сточных вод до требуемых нормативов не может быть достигнуто без применения сорбционных технологий, вследствие чего разработка дешевых и эффективных углеродных сорбционных материалов, получаемых на основе отходов, является актуальной экологической задачей.

Комплексные исследования термической переработки поликарбоната являются основой для разработки системы управления отходами ПК и расширения спектра сорбционных материалов для обезвреживания сточных вод.

Исследования проводились в рамках госбюджетной НИР «Исследование закономерностей получения сорбентов и биосорбентов в процессах комплексной

переработай углеродсодержащих отходов» (2010-2013 гг) и работ по постановлению Правительства РФ № 218 от 09.04.2010 по теме: «Создание высокотехнологичного адаптивного производства углеродных сорбентов и фильтрующих материалов как основы отечественной сорбционной, экологической и противогазовой техники нового поколения».

Цель работы - разработка способов и технологии термической переработки отходов потребления поликарбоната с получением углеродных сорбционных материалов, используемых в системах инженерной защиты водных объектов от воздействия нефтехимических производств.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Провести анализ условий формирования, сбора и технологий утилизации отходов потребления поликарбоната, оценить потенциальную опасность воздействия отходов на естественные экосистемы при размещении в окружающей среде.

2. Исследовать процессы и закономерности получения углеродных сорбционных материалов из отходов потребления ПК при пиролитической деструкции отходов с последующей физической и химической активацией полученных карбонизатов. Обосновать выбор активирующего агента.

3. Исследовать влияние предварительной реагентной обработки отходов потребления ПК концентрированными серной и азотной кислотами на процессы их термической деструкции и активации, свойства получаемых сорбентов.

4. Исследовать сорбционные свойства полученных углеродных сорбентов по отношению к бензолу, этилбензолу, толуолу, ионам тяжелых металлов (ТМ) и обосновать их использование в методах инженерной защиты водных объектов от воздействия нефтехимических предприятий.

5. Разработать систему управления отходами поликарбоната с получением сорбционных материалов для глубокой очистки сточных вод нефтехимических предприятий.

Объект исследования: отходы потребления поликарбоната

Предмет исследования: оценка потенциальной опасности воздействия отходов потребления ПК на объекты окружающей среды, закономерности процессов термической и термохимической деструкции ПК, активации карбонизатов реагентами, физико-химические характеристики пиролизных газов, пористая структура и свойства сорбционных материалов, управление отходами ПК.

Научная новизна:

1. Впервые установлены закономерности пиролитической деструкции отходов ПК с последующей физической и химической активацией карбонизатов с получением пористых углеродных сорбентов. Определены параметры переработки отходов ПК, позволяющие проводить процесс в автотермическом режиме и получать углеродные микропористые сорбенты (объем микропор 0,35-0,42 см3/г).

2. Установлены технологические параметры проведения процесса активации карбонизатов ПК активирующими агентами: диоксидом углерода и гидроксидом калия. При активации диоксидом углерода при степени обгара 60%, температуре активации 900°С и времени обработки 15 мин. формируются микропористые АУ, обладающие высокими сорбционными свойствами. Активация карбонизата ПК в присутствии гидроксида калия при температуре 800 °С и соотношении карбонизат

ПК:КОН - 1:1 позволяет получать сорбционные материалы с развитой однородномикропористой структурой и в 1,5-2,0 раза увеличить выход продукта по сравнению с активацией карбонизатов диоксидом углерода.

3. Разработан способ утилизации ПК с полученим АУ, включающий предварительную обработку отходов концентрированной азотной кислотой с последующей активацией частично карбонизованных материалов паром при температуре 800°С, что позволяет совместить стадию карбонизации и активации, снизить энерго- и ресурсоемкость процесса и получить сорбенты по свойствам, не уступающим промышленным маркам АУ.

4. Установлено, что полученные типы углеродных сорбентов на основе отходов ПК обеспечивают глубокую очистку сточных вод от бензола, этилбензола, толуола и обосновано их использование в системах защиты водных объектов от воздействия нефтехимических предприятий

5. Впервые разработана система управления отходами потребления ПК с их термохимической утилизацией и получением углеродных сорбционных материалов для обезвреживания сточных вод нефтехимических предприятий.

Практическая значимость работы:

Разработаны способы термохимической переработки отходов поликарбоната с получением сорбционных материалов и жидких углеводородных фракций; определены оптимальные технологические параметры процессов. Разработаны технические условия ТУ (2162-007-02069065-2012) на сорбционные материалы на основе отходов поликарбоната;

Результаты работы использованы в качестве исходных данных при проектировании комплексов по термическому обезвреживанию полимерных отходов, при разработке краевой программы: «Обращение с отходами потребления на территории Пермского края на 2010-2014 гг».

Разработана технологическая система локальной очистки сточных вод нефтехимических производств с использованием сорбционных материалов, полученных при термохимической утилизации отходов ПК.

Результаты исследований используются в учебном процессе подготовки специалистов по направлению 280700 «Техносферная безопасность» в курсах лекций по дисциплинам «Физико-химические методы защиты биосферы», «Технологические основы переработки отходов производства», «Промышленная экология».

Личный вклад автора заключается в разработке методик проведения исследований, анализе и обобщении литературных данных и результатов собственных исследований, в разработке схемы управления и технологических решений по утилизации отходов потребления поликарбоната. Постановка целей и задач настоящей работы, выбор оптимальных условий проведения эксперимента и обсуждение полученных результатов выполнены под руководством Глушанковой И.С.

Достоверность результатов исследования. Достоверность результатов обеспечивается использованием комплекса современных методов исследования и анализа, сопоставимостью результатов теоретических и лабораторных исследований. Полученные результаты не противоречат известным литературным данным.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на 12th International GeoConference SGEM 2012 (Болгария), 9th International scientific conference «Management of innovations - enterprises, banks, universities» (Varna, 2012), международной научно-практической конференции «Инновации в теории и практике управления отходами» (г. Пермь, 2009 г), Международная молодежная конференция «Экологические проблемы горнопромышленных регионов» (г. Казань, 2012)

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 12 печатных работ, из них пять статей в рецензированных журналах, рекомендованных ВАК.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения, содержит список литературы из 118 источников. Текст изложен на 163 страницах, иллюстрирован 30 рисунками и включает 41 таблицу.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы разработки системы управления отходами ПК, определены предмет и объекты исследования, сформулированы цель и задачи работы.

В первой главе проанализированы физико-химические свойства поликарбоната на основе бисфенола А, условия формирования и структура образующихся отходов, представлена оценка потенциальной опасности воздействия ПК на объекты окружающей среды. Установлено, что процессы биохимической, химической и фотодеструкции поликарбоната в окружающей среде будут сопровождаться длительными эмиссиями токсичных соединений, таких как фенолы, бисфенол, полиароматические соединения и др.

При анализе способов утилизации полимерных отходов учитывалась возможность создания технологической системы переработки ПК, сочетающей максимальную технологическую, экономическую эффективность, а также минимизацию опасного воздействия производства для населения и на окружающую среду и обоснован выбор метода переработки с получением углеродных сорбционных материалов.

В главе представлен анализ научно-технической и патентной информации по получению активных углей (АУ) из отходов полимеров методами физической и химической активации и определены основные направления исследований.

Во второй главе представлены характеристики объектов исследования - отходы сотового и монолитного ПК (поликарбонатное стекло), описаны методы и методики проведения экспериментов. Для решения поставленных в работе задач был использован комплекс современных методов исследования, включающий проведение лабораторных и укрупненных лабораторных испытаний, теоретического анализа. Для исследования закономерностей процессов термической деструкции образцов отходов ПК были использованы методы термического анализа: дифференциально-термический анализ (ДТА), термогравиметрия (ТГ) (дериватограф Q1500D). Основные характеристики пористой структуры полученных образцов углеродных сорбентов (удельная площадь поверхности (SB3t), объемы микро-, мезо- и макропор, предельный объем адсорбционного пространства) были определены на основании анализа изотерм адсорбции азота при температуре 77 К, полученных с использованием приборов «Сорбтоматик - 1800» и «СОРБИ-MS», и рассчитаны на

основе уравнения теории объемного заполнения микропор Дубинина-Радушкевича и методом Де-Бура-Липпенса. Адсорбционную активность образцов АУ определяли по величине адсорбции метиленового голубого и йода (ГОСТ 6217, ГОСТ 4453). Для исследования продуктов пиролиза была разработана лабораторная установка, состоящая из лабораторной печи пиролиза, конденсатора жидкой фракции пиролизных газов и приемника для неконденсируемых газов. Пиролиз и активацию материалов проводили в термическом лабораторном модуле утилизации отходов (вращающаяся барабанная печь ретортного типа с электрообогревом и печи муфельного типа).

Результаты экспериментов обрабатывались стандартными статистическими методами с использованием программного продукта SP SS V 10.0.5 for Windows и Statistica.

В третьей главе представлены результаты термогравиметрических и дериватографических исследований процессов деструкции образцов ПК в среде диоксида углерода, анализа продуктов пиролиза ПК, обоснованы параметры активации карбонизатов ПК с получением микропористых углеродных сорбентов.

Установлено, что основные процессы деструкции образцов как монолитного, так и сотового ПК в среде диоксида углерода протекают в интервале температур - 240370 °С (рис. 2). При последующем нагревании происходит карбонизация образца без ярко выраженных термоэффектов, которая практически заканчивается при температуре 450-500 С. Общая потеря массы при 450°С составляет 78%. Образующийся при пиролизе ПК карбонизат практически не содержит минеральной составляющей.

Потеря массы. °"о

>

«

\

\

V

Ч

N

о Гоо 200 ЭСЮ 400 500 6Ш ТОО800

Температура, град С

------- ОТСЗ-О

--ОТА

-----ТСЗ

Рис. 2. Дериватограмма образца ПК Исследования продуктов пиролиза ПК были проведены на лабораторной установке при температуре 500 °С и времени обработки 30 мин, получены лабораторные партии карбонизата. Установлено, что при деструкции ПК образуются пиролизные газы, 65-70 масс.% которых способны конденсироваться с образованием жидкой фракции, представляющей собой смесь алифатических и ароматических углеводородов с температурой кипения 400 - 450 °С, 15,5% -неконденсируемые пиролизные газы следующего состава: СН4 - 35,6%, С3Нб -27,3%,

CjH« -15,3%, CO - 6,8%, H2 - 12,5%, N2 - 2,2%, которые можно использовать для обогрева печи пиролиза Полученный карбонизат (17,5-18,0%) был использован для получения углеродных сорбентов.

На основе исследования кинетических закономерностей процесса активации карбонизатов в среде диоксида углерода в интервале температур 850-1000 °С, расчета констант скоростей реакции к (1/мин) была обоснована температура активации - 900 С. Исследовалось влияние степени обгара на сорбционные характеристики полученных углеродных сорбентов. Основные параметры пористой структуры образцов определены на основе изотерм адсорбции азота, полученных на приборе «Сорбтоматик - 1800», и представлены в табл. 2 в сравнении с параметрами известных марок АУ: ОУ-А (древесный осветляющий уголь), КАУ (АУ из скорлупы кокоса) и ФТД, получаемый методом карбонизации и парогазовой активации текстолита. При активации карбонизата ПК формируются микропористые углеродные сорбенты. Увеличение степени обгара с 40 до 60% приводит к значительному повышению объема микропор и сопровождается также увеличением их размеров (размер полуширины щели микропор -X - изменяется в интервале 0,53 -0,66 нм). Для полученных образцов были также определены сорбционные свойства по активности по отношению к йоду и красителю метиленовому голубому. Как видно из приведенных данных, полученные образцы сорбентов по характеристикам пористой структуры и сорбционной активности не уступают представленным аналогам и даже превышают их.

Следует отметить, что выход АУ при переработке отходов ПК методами карбонизации и активации в среде диоксида углерода составляет не более 6-8%. Известно, что использование методов химической активации карбонизатов, а также снижение температуры процесса позволяют повысить выход продукта.

Для повышения выхода продукта исследовалась возможность получения углеродного сорбента из отходов ПК методом активации карбонизата ПК гидроксидом калия. Для получения сорбентов использовали отходы сотового поликарбоната (ПК), которые предварительно измельчали до частиц размером 5- 6 мм и подвергали карбонизации при 450 °С в течение 15 минут. Далее образцы карбонизата ПК смешивали с порошкообразным гидроксидом калия (КОН) в определенных массовых соотношениях и подвергали активации в течение 60 и 80 минут. Полученные образцы отмывали от соединений калия раствором кислоты и водой и высушивали при Т=105 °С. Оптимальные условия активации были определены на основе экспериментальных исследований и термодинамического анализа процессов, протекающих при взаимодействии гидроксида калия с карбонизатом ПК. Активацию карбонизатов ПК проводили при температуре 800°С, т.к. было установлено, что при этой температуре и выше возможно протекание следующих реакций:

2 КОН + С—> СО + 2К + Н20; 2КОН + С—> СО + К20 + Н2 С + Н20 (пар) -* СО + Н2; СО + Н20 -> С02 + Н2; К20 + С -»• 2К + СО Для полученных образцов на основе изотерм адсорбции азота, снятых на приборе «СОРБИ-MS», были определены структурные характеристики сорбентов (табл.3). Для сравнения исследован промышленный АУ марки «Сорбер», получаемый из каменного угля методом карбонизации и активации паром, для которого были определены аналогичные структурные параметры.

Таблица 2. Зависимость параметров пористой структуры и сорбциониой активности углеродных сорбентов, полученных активацией карбонизатов, от степени обгара и сравнительный анализ свойств образцов АУ-ПК с известными марками АУ

Наименование показателя Наименование образца ау-пк-со2 Промышленные марки ау

Степень обгара (%) оу-а кау-1 ФТД

40 50 60

Объем микропор, Клш, см3/г 0,33±0,016 0,37±0,016 0,42±0,017 0,26-0,29 0,35-0,41 0,37 -0,4

Объем мезопор, Уме, см3/г 0,03±0,0015 0,04±0,002 0,05±0,0025 0,13-0,18 0,10-0,15 0,07 -0,08

Суммарный объем пор по влагоемкости, см3/г 0,6±0,03 0,7±0,035 0,85±0,0425 1Д 0,70-0,75 0,86-0,90

Предельный объем сорбционного пространства, \Уо, см3/г 0,33±0,016 0,37±0,016 0,41±0,017 0,39-0,45 0,45-0,56 0,42-0,44

Характеристическая энергия адсорбции, Еа, кДж/моль 22,6± 1,13 20,8± 1,04 18,3±0,915 19,8 21,5 20,6

Размер полуширины щели микропор, X, нм 0,53±0,026 0,58±0,027 0,66±0,033 0,48 0,52 0,58

Площадь поверхности микропор, 5,м2/г 611,1±30,5 616,6±30,8 3 621,8±31,09 812-830 960-980 726

Площадь поверхности мезопор, м2/г 99±4,95 142±7,1 184±9,2 -

Объем сорбционного пространства, см3/г 0,36±0,018 0,41±0,02 0,47±0,023 0,30-0,32 0,45 0,44-0,47

Адсорбщгонная активность по йоду, мг/г 820±41 910±45,5 1000±50 не норм. 1000 800

Осветляющая способность по метиленовому голубому, мг/г 151±7,55 183±9,15 226±11,3 225 260 не опр.

Насыпная плотность, г/дм3 450±22 380±19 310±15,5 не норм. 370 410

Содержание золы, % 2,4±0,12 2,8±0,14 3,0±0,15 не более 10 не более 5% 3-4

I

Изотермы адсорбции азота при 77К на образцах АУ-ПК-0,75-60 и АУ-ПК-1-60, построенные в координатах уравнения БЭТ и уравнения Дубинина-Радушкевича использованные для расчета структурных параметров, представлены на рис. 3,4.

0.004; 0.0037 0,0032 .1 0.0027 0.0022 0.0017 0.0012 0.0007 0.0002 -0.0003

у=0,0104х -0,0003

у—0,0098} р2= п -0.0003 2969

1

0.0

0.1

0.2 Ь^Р/Ро

0.3

0.4

- АУ-ПК-0.75-60

-АУ-ПК-1-60

Рис.3. Изотерма адсорбции азота в координатах уравнения БЭТ при 77К на образцах

АУ-ПК-0,75-60 и АУ-ПК-1-60

(1й(Р/РО|)" —#•—АУ-ПК-0.75-60 -«-АУ-ПК-1-60

Рис.4.Изотерма адсорбции азота в координатах уравнения Дубинина -Радушкевича для адсорбции азота при 77К на образцах АУ-ПК-0,75-60 и АУ-ПК-1-60 Таблица 3. Структурные параметры образцов АУ

Образец АУ £>бэт> м2/г Объем микропор, см3/г Удельная площадь поверхности мезопор, м2/г Выход АУ, % по массе

АУ-ПК-0,5-60* 163,2± 0,9 0,052±0,008 128,6±6,4 19,8±0,99

АУ-ПК-0,75-60 523,7± 6,4 0,164±0,008 238,7±17,4 17,1±0,855

АУ-ПК-1-60 436,4± 2,9 0,180±0,009 259,2±22,4 15,2±0,76

АУ-ПК-1-80 516,7± 5,2 0,170±0,0085 342,6±17,1 14,2±0,71

АУ-Сорбер 689,0± 1,3 0,22±0,01 425,9±32,2 -

*АУ, полученные данным способом, были обозначены как АУ-ПК с указанием далее массового соотношения КОН и карбонизата и времени активации в минутах.

Результаты анализа сорбционных свойств образцов АУпо адсорбции МГ и йода представлены в табл. 4.

Таблица 4. Сорбционная емкость АУ по метиленовому голубому и йоду

Образец АУ Йодное число, мг/г Сорбционная емкость по МГ, мг/г

АУ- ПК -0,5-60 217±7 75±2

АУ- ПК -0,75-60 670±22 125 ±4

АУ-ПК-1-60 795±26 144 ±5

АУ-ПК-1-80 714±23 206±6

АУ- ПК - С02 800±26 150±5

АУ - Сорбер 680±22 180±6

Увеличение массового соотношения КОН и карбонизата ПК приводит к росту сорбционной емкости АУ по МГ и йоду, что указывает на рост объема микро- и мезопор, что согласуется с результатами анализа пористой структуры АУ (табл.4). По сорбционным характеристикам полученные образцы соответствуют углеродным сорбентам, применяемым в очистке сточных вод.

Анализ результатов исследований, проведенные термохимические расчеты позволили установить механизм процесса активации карбонизата в присутствии гидроксида калия. Эффективность активации карбонизата гидроксидом калия можно объяснить способностью атомов калия внедрятся между слоями графитовых кристаллитов в формирующихся углях и расширять пространство между соседними углеродными слоями, приводя к увеличению удельной площади поверхности угля. "Вскрытые" углеродные слои в этом случае становятся доступными для дальнейшего газового активирования. Промывка полученного образца водой сопровождается удалением соединений калия из объема АУ и формированием межслойных пор по размеру соответствующих атомному радиусу калия.

Таким образом, активация карбонизатов отходов ПК в присутствии гидроксида калия позволяет синтезировать однородномикропористые АУ с развитым объемом микропор, снизить температуру активации и увеличить выход сорбционного материала в 1,5-2 раза по сравнению с физической активацией карбонизата.

Известно, что полимерные материалы могут подвергаться карбонизации в присутствии концентрированных серной или азотной кислот. С целью снижения энергозатрат и ресурсоемкости процесса синтеза АУ нами были проведены исследования термохимической переработке отходов ПК с получением углеродных сорбентов. В экспериментах исследовалось влияние условий обработки ПК концентрированными кислотами (массовое соотношение реагент : ПК, температура, длительность обработки) на степень деструкции и карбонизации отхода, а также условий проведения активации обработанных образцов паром (массовое соотношение образец: пар, темп нагрева, температура активации) на формирование пористой структуры углеродных сорбентов.

Установлено, что основными параметрами реагентной обработки отходов, влияющими на формирование пористой структуры образцов АУ, являются соотношение реагент : ПК и температура процесса. В ходе экспериментов определены оптимальные условия синтеза сорбентов:температура обработки ПК реагентом - 70 °С, температура парогазовой активации - 600-800 °С, время

активации - 60 мин. Характеристики полученных образцов сорбентов при соотношении обработанный отход : пар =1:4 представлены в табл. 5.

Таблица 5. Структурные параметры образцов АУ, полученных предварительной обработкой концентрированными серной и азотной кислотами

Показатель АУ-ПК-N-650 АУ-ПК-N-800 АУ-ПК-8-800 АУ-ПК- со2 АУ-Сорбер

Выход АУ, % по массе 11,1±0,4 17,6± 0,6 13,10±0,4 4 8,2% -

Удельная поверхность по БЭТ, м^г 550±11 580±11 490,0±9,8 99,0±0,9 689,0± 1,3

Удельная поверхность по ^методу, м2/г 180,5 ±3,61 190,0±4 200,0±4,0 - 425,9±32,2

Объем микропор по 1-методу, см3/г 0,10±0,01 0,10±0,0 1 0,12±0,01 0,32 0,22

Йодное число, мг/г 550±18 650±21 700±23 800 680

Емкость по Си2+, мг/г ммоль(экв)/г 58,3/1,82 62,5/1,95 менее 10 менее 10 менее 10

Разработанный термохимический способ утилизации ПК позволяет значительно снизить энергозатраты, т.к. процесс при этом осуществляется в одну стадию при температуре 650-700 °С. Кроме того, полученные пористые АУ обладают ионообменными свойствами, что позволяет рекомендовать их для использования в очистке сточных вод от ионов тяжелых металлов.

В четвертой главе представлены результаты исследований по использованию углеродных сорбентов на основе отходов ПК, полученных в оптимальных условиях: карбонизата ПК, АУ-ПК-С02 (степень обгара 50%), АУ-ПК-КОН 1-60 и АУ-ПК-Ы для обезвреживания сточных вод нефтехимических производств.

На основе анализа состава сточных вод нефтехимических предприятий, проведенного на примере формирования сточных вод производств стирола и полистирола для исследования возможности использования полученных сорбционных материалов для их обезвреживания были выбраны модельные растворы, содержащие этилбензол, толуол и их смесь.

На примере адсорбции этилбензола и толуола на образцах углеродных материалов были исследованы особенности сорбции малорастворимых ароматических соединений в сравнении с известными марками промышленных АУ. Анализ изотерм адсорбции показал, что в области достаточно высоких концентраций - 200-450 мг/л полученные образцы углеродных сорбционных материалов АУ-ПК-С02 не уступают по эффективности промышленным маркам АУ и могут быть использованы в локальной очистке сточных вод нефтехимических предприятий.

Рис 5. Изотермы адсорбции из водных растворов на активных углях а)этилбензола б) толуола

В пятой главе представлены принципиальные технологические схемы утилизации отходов поликарбоната с получением активных углей методом активации карбонизата диоксидом углерода и гидроксидом калия. Приведены укрупненные технико-экономические показатели для разработанных технологий утилизации отходов ПК.

Разработан способ управления отходами потребления ПК, основанный на внедрении дуальной системы сбора твердых бытовых отходов и последующим выделением фракции ПК методом оптико-механической сортировки (Рис. 6). В результате реализации данной схемы снижается количество отходов, направляемых на захоронение, при этом можно выделить четыре утильные фракции ТБО: металлы, стекло, макулатура и полимеры. Из общей массы полимеров с помощью оптико-механической сортировки извлекаются отходы поликарбоната и направляются на утилизацию с получением углеродных сорбционных материалов.

Для оценки и расчета эколого-экономической эффективности разработанных технологий утилизации отходов ПК с получением углеродных сорбционных материалов предложен следующий алгоритм:

ЭФТ = (П+Р+ 8тао) - 8 где ЭФТ - эколого-экономическая эффективность технологии, руб;

П - экономический и экологический эффекты от предотвращения загрязнения объектов окружающей среды (П) при использовании углеродного сорбента, руб/год;

Р - экономический и экологический эффекты от замены природных ресурсов при производстве березового активного угля (БАУ) отходами потребления поликарбоната, руб/год

§тбо _ экономический и экологический эффекты, полученные в результате предотвращения захоронения отходов на полигоне ТБО, руб/год.

Б - приведенные годовые затраты на получение 1 т сорбента, руб/год. Проведенные расчеты показали, что величина экологической эффективности технологии находится в пределах 22,12 млн. руб/год.

Отходы поликарбоната от инфраструктуры

Твердые бытовые отходы от населения

Рис. 6. Система управления отходами ПК Примечание: Ме - металлы, С-стекло, М-макулатура, П-полимеры

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Технико-экологический анализ способов утилизации полимерных материалов показал, что применение методов термохимической деструкции отходов ПК с получением углеродных сорбционных материалов и жидкотопливных углеводородных фракций позволит наиболее полно использовать ресурсный и энергетический потенциал отхода.

2. Исследования закономерностей пиролитической деструкции отходов потребления ПК с последующей активацией карбонизатов в среде диоксида углерода позволили установить основные параметры проведения процесса с получением высокопористых углеродных сорбционных материалов: пиролиз при температуре 400-450°С, активации карбонизатов диоксидом углерода при температуре 900°С и степени обгара 50%.

3. При активации карбонизата ПК гидроксидом калия формируются углеродные сорбенты с развитой однородномикропористой структурой и в 1,5-2,0 раза увеличивается выход продукта по сравнению с активацией карбонизатов диоксидом углерода. Установлены физико-химические параметры (температура 800°С, соотношение карбонизат ПК:КОН - 1:1, время обработки - 80 минут) и химизм процесса активации карбонизатов ПК гидроксидом калия.

4. Предварительная обработка отходов концентрированными кислотами (азотной или серной) с последующей активацией обработанных образцов паром позволяет совместить стадию карбонизации и активации, снизить энерго- и ресурсоемкость процесса и получить сорбенты по свойствам, не уступающим промышленным маркам АУ.

5. Исследование сорбционных свойств трех типов сорбентов на основе отходов ПК (АУ-ПК-С02, АУ-ПК-КОН и АУ-ПК-N) при извлечении бензола, этилбензола, толуола, ионов тяжелых металлов из водных растворов и сточных вод позволило установить возможность применения полученных сорбентов для глубокой очистки сточных вод нефтехимических производств. Разработана технология использования полученных сорбционных материалов для инженерной защиты водных объектов от воздействия сточных вод нефтехимических предприятий.

6. Разработана система управления отходами потребления поликарбоната, включающая сбор, выделение фракции ПК с использованием оптико-механических методов сортировки, комплекс по термохимической утилизации отходов с получением углеродных сорбентов для обезвреживания промышленных сточных вод. Эколого-экономическая эффективность разработанной схемы составляет 22,12 млн. рублей в год.

Основное содержание диссертации изложено в публикациях:

в ведущих рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Волегов, А.Н. Установка для обезвреживания и утилизации отходов нефтедобычи [Текст] /А.Н. Волегов, Н.Ш. Гыйбадуллин, В.Г. Халтурин, A.A. Сурков // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. - 2010. - №6. - С. 27-30.

2. Глушанкова, И.С. Термическая переработка полимерных материалов с получением жидкого топлива и наносорбционных углеродных материалов [Текст] /И.С. Глушанкова, А.А.Сурков, М.С. Дьяков, P.M. Махлес // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. - 2011. - №7. - С. 55-60.

3. Сурков, A.A. Синтез углеродных сорбентов из отходов поликарбоната методом химической активации [Текст] /A.A. Сурков, И.С. Глушанкова, H.A. Балабенко // Фундаментальные исследования. - 2012. - №9. - С. 175-177

4. Васюков, В.В. Термическая утилизация отработанных автополимеров с получением наносорбционных материалов [Текст] /В.В. Васюков, A.A. Сурков, Я.И. Вайсман, И.С. Глушанкова // Экология и промышленность России. - 2012. - №3. - С. 4-8.

5. Сурков, A.A. Термохимическая утилизация отходов потребления поликарбоната с получением сорбционных материалов с заданными свойствами [Текст] /A.A. Сурков, И.С. Глушанкова, Д.В. Асеева // Теоретическая и прикладная экология. - 2013. - № 1. - С. 66-70

прочие публикации по теме диссертационного исследования:

6. Сурков, A.A. Практический опыт термической утилизации полимерных отходов, образованных при добыче и транспортировке нефти [Текст] /A.A. Сурков A.A., А.Н. Волегов, Н.Ш. Гыйбадуллин, В.Г. Халтурин // Инновации в теории и практике обращения с отходами: Материалы международной научно-практической конференции. - Пермь: ПГТУ, 2009. - С. 49-53.

7. Сурков, A.A. Методологические подходы к выбору способа утилизации полимерных материалов [Текст] /A.A. Сурков, P.M. Махлес, М.М. Дьяков, А.Н. Волегов // Инновации в теории и практике обращения с отходами: Материалы международной научно-практической конференции. - Пермь: ПГТУ, 2009. - С. 182189

8. Сурков, A.A. Утилизация полимерных отходов полипропилена и поликарбоната с получением углеродных сорбентов [Текст] /A.A. Сурков, H.A. Балабенко, И.С. Глушанкова // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Урбанистика. - 2012. - №1. - С. 89-96

9. Слюсарь, H.H. Деструкция полимерных материалов в условиях полигона ТБО [Текст] /H.H. Слюсарь, A.A. Сурков, C.B. Полыгалов // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Урбанистика. -2012-№3,- С. 74-83

10. Дьяков, М.С. Инновационные подходы к термической утилизации углеводородсодержащих отходов с получением товарных продуктов [Текст] / М.С. Дьяков, И.С. Глушанкова, И.С. Гуляева, P.M. Махлес, A.A. Сурков // The 9th International scientific conference «Management of innovations - enterprises, banks, universities». - Varna, 2012. - P. 186-193

11. Surkov, A. Investigation of regularities for integrated thermal processing of waste polymer materials with receipt sorption carbon materials and fuel [Text] /PhD student Aleksandr Surkov, prof. Irina Glushankova, prof. Yakov Vaisman // International Multidisciplinary 12th Scientific GeoConference SGEM. - Bulgaria, 2012. - P. 541-548.

12. Сурков, A.A., Глушанкова И.С. Исследование закономерностей комплексной термической переработки отходов поликарбоната с получением товарных продуктов [Текст] /A.A. Сурков, И.С. Глушанкова // Экологические проблемы горнопромышленных регионов: Материалы международной молодежной конференции. - КазаныКНИТУ, 2012. - С. 256-260.

Подписано в печать 09.10.2013. Формат 60x90/16. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 1761/2013.

Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии издательства Пермского национального исследовательского политехнического университета. Адрес: 614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, к. 113. Тел. (342) 219-80-33.

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата технических наук, Сурков, Александр Анатольевич, Иваново

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Пермский национальный исследовательский политехнический

университет

04201364593 На правах рукописи

СУРКОВ Александр Анатольевич

ПЕРЕРАБОТКА ОТХОДОВ ПОТРЕБЛЕНИЯ ПОЛИКАРБОНАТА С ПОЛУЧЕНИЕМ СОРБЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ СТОЧНЫХ ВОД НЕФТЕХИМИЧЕСКИХ

ПРОИЗВОДСТВ

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

03.02.08 - Экология (в химии и нефтехимии)

Научный руководитель -доктор технических наук, Глушанкова И.С.

ИВАНОВО 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 5

ГЛАВА 1. ХАРАКТЕРИСТИКА ОТХОДОВ ПОЛИКАРБОНАТА И 10 АНАЛИЗ МЕТОДОВ ИХ УТИЛИЗАЦИИ

1.1. Свойства поликарбоната 10

1.2. Структура формирования отходов поликарбоната 12

1.3. Анализ методов утилизации отходов поликарбоната 14

2. Анализ методов утилизации отходов синтетических полимеров с получением активных углей 23

2.1. Теоретические основы получения активных углей 23 2.1.1. Физическая и химическая активация углеродсодержащего сырья 23

2.2. Методы получения углей из отходов синтетических полимеров 26

2.3. Влияние состава и структуры полимерных прекурсоров на физико-химические свойства получаемых активных углей 42

3. Анализ проблемы обезвреживания и глубокой очистки сточных вод нефтехимических производств 48 ГЛАВА 2. ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЯ. ОБЪЕМЫ

И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 56

2.1. Характеристика объектов исследования 56

2.2. Методы и методики проведения экспериментов 57

2.2.1. Методы и методики проведения исследований процессов термической деструкции отходов поликарбоната 57

2.2.2. Методики проведения процессов активации карбонизатов и исследований физико-химических свойств параметров пористой структуры АУ, полученных из отходов ПК 62

2.2.3 Методы и методики проведения исследований процессов термохимической деструкции отходов поликарбоната 63

2.2.4. Методы и методики исследования пористой структуры и сорбционных свойств углеродных сорбентов 64

2.2.5. Статистическая обработка результатов исследований 72

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ТЕРМИЧЕСКОЙ ДЕСТРУКЦИИ ОТХОДОВ ПОЛИКАРБОНАТА 74

3.1. Термическая деструкция образцов отходов поликарбоната в инертной среде 74

3.1.1. Термогравиметрические исследования процессов сжигания образцов отходов поликарбоната 74

3.1.2. Исследование продуктов, образующихся в результате пиролиза отходов поликарбоната 76

3.2. Исследование процессов получения углеродных сорбентов их отходов поликарбоната активацией карбонизата диоксидом углерода 78

3.3. Исследование процессов получения углеродных сорбентов их отходов поликарбоната активацией карбонизата гидроксидом калия 84

3.3.1. Получение углеродных сорбентов из отходов поликарбоната методом химической активации карбонизатов 84

3.3.2. Исследования влияния условий активации карбонизатов гидроксидом калия на величину удельной поверхности полученных образцов активных углей 87

3.3.3. Исследование влияния условий активации гидроксидом калия на микропористую структуру активных углей 89 3.3.4 Исследование влияния условий активации карбонизатов гидроксидом калия на сорбционные свойства полученных образцов активных углей 93 3.3.5. Обсуждение результатов исследования синтеза АУ из отходов

поликарбоната с использованием метода химической активации карбонизатов гидроксидом калия 95

3.4. Исследование процессов термохимической переработки отходов поликарбоната с получением сорбционных материалов 97

3.4.1. Обоснование способа термохимической переработки отходов поликарбоната с получением сорбционных материалов 97

3.4.2. Исследование влияния условий проведения предварительной 100

реагентной обработки отходов поликарбоната на формирование сорбционных свойств образцов АУ

3.4.3. Исследование карбонизации обработанных образцов при

3.4.4. Исследование совместной карбонизации и активации паром обработанных образцов 105

ГЛАВА 4. ПРИМЕНЕНИЕ ПОЛУЧЕННЫХ ОБРАЗЦОВ СОРБЦИОННЫХ УГЛЕРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ЛИКВИДАЦИИ АВАРИЙНЫХ РАЗЛИВОВ НЕФТИ И ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ СТОЧНЫХ ВОД НЕФТЕХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ 109

4.1. Выбор областей применения полученных из отходов поликарбоната углеродных сорбентов 109

4.2. Использование карбонизата, полученного при пиролизе поликарбоната, для ликвидации аварийных разливов нефти 111

4.3. Использование полученных углеродных сорбционных материалов для очистки сточных вод нефтехимических производств 113 ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА СХЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ОТХОДАМИ ПОТРЕБЛЕНИЯ ПОЛИКАРБОНАТА С ПОЛУЧЕНИЕМ УГЛЕРОДНЫХ СОРБЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ 125 5.1 Технологические схемы термической переработки отходов потребления поликарбоната 125

5.2. Система управления отходами поликарбоната 132

5.3. Экономическая оценка комплексной термохимической технологии утилизации отходов ПК 142

5.4. Оценка эколого-экономической эффективности технологии термохимической утилизации отходов поликарбоната 145

температуре 430°С с последующей активацией паром

ЗАКЛЮЧЕНИЕ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

151 153

ВВЕДЕНИЕ

Загрязнение окружающей среды отходами полимерных материалов в настоящее время является одной из актуальных мировых экологических и технологических проблем. В России ежегодно накапливается более 3 млн. тонн полимерных отходов, доля поликарбоната (ПК) в которых составляет 7 - 8%. С каждым годом объемы потребления ПК увеличивается на 10-12%, что обусловлено его широким использованием в различных областях техники и бытового использования: автомобиле- и приборостроение, производстве оптических приборов, полимерных стекол. Рост объемов потребления ПК будет сопровождаться и увеличением отходов ПК, что обусловливает необходимость разработки методов и технологий его утилизации и переработки.

В настоящее время основным способом утилизации полимерных отходов потребления остается складирование их на полигонах совместно с ТБО, что сопровождается не только изъятием и продолжительным задалживанием земельных ресурсов, но и длительными эмиссиями продуктов фото- и хемодеструкции в окружающую среду. Внедрение селективного сбора и разделения полимерных отходов, создание технологий утилизации транспортных средств и автополимеров позволяют выделить поток отходов ПК и разработать эффективную технологию переработки с учетом максимального использования его ресурсного и энергетического потенциала. Известно, что ПК подвержен фотодеструкции и вторичная переработка отхода сопровождается значительным снижением механических и оптических свойств получаемых материалов, что обусловливает необходимость применения других способов его утилизации. Сжигание ПК будет сопровождаться эмиссиями токсичных веществ (фенолы, полиароматические соединения) в окружающую среду, что создает технологические и экологические проблемы и ограничивает область применения метода. При сжигании 1 тонны ПК выделяется более 2000 м3 парниковых газов в пересчете на СОг-

Анализ научно-технической информации и предварительные исследования показали, что одним из перспективных направлений утилизации отходов ПК является низкотемпературный пиролиз, позволяющий не только утилизировать полимерные отходы, но и получать дополнительные продукты:различные фракции углеводородов, карбонизат, который может быть использован в качестве топлива, а также подвергнут дополнительной обработке для получения пористых углеродных сорбентов.

Известно использование отходов поливинилхлорида, политерефталата, полиакрилонитрила, пенополиуретана, шинной резины и др. для синтеза сорбционных углеродных материалов (В.Н. Клушин, В.М. Мухин, Б. Берингер, С.С. Ставицкая, О.И. Поддубная, Таэсоп, К. ЬаэгЬ).

Переработка отходов ПК с получением сорбентов практически не изучена, в то же время ароматическая структура ПК, наличие кислородсодержащих функциональных групп, позволяют полагать о возможности получения из отходов углеродных сорбентов. Комплексные исследования термической и термохимической деструкции поликарбоната, как потенциального многотоннажного отхода потребления, являются основой для разработки эффективной технологии его утилизации и расширения спектра сорбционных материалов экологического назначения.

Исследования проводились в рамках госбюджетной НИР «Исследование закономерностей получения сорбентов и биосорбентов в процессах комплексной переработки углеродсодержащих отходов» (2010-2013 гг.).

Цель работы: разработка способов и технологии термической переработки отходов потребления поликарбоната с получением углеродных сорбционных материалов, используемых в системах инженерной защиты водных объектов от воздействия нефтехимических производств.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. Провести анализ условий формирования, сбора и технологий утилизации отходов потребления поликарбоната, оценить потенциальную

опасность воздействия отходов на естественные экосистемы при размещении в окружающей среде.

2. Исследовать процессы и закономерности получения углеродных сорбционных материалов из отходов потребления ПК при пиролитической деструкции отходов с последующей физической и химической активацией полученных карбонизатов. Обосновать выбор активирующего агента.

3. Исследовать влияние предварительной реагентной обработки отходов потребления ПК концентрированными серной и азотной кислотами на процессы их термической деструкции и активации, свойства получаемых сорбентов.

4. Исследовать сорбционные свойства полученных углеродных сорбентов по отношению к бензолу, этилбензолу, толуолу, ионам тяжелых металлов (ТМ) и обосновать их использование в методах инженерной защиты водных объектов от воздействия нефтехимических предприятий.

5. Разработать систему управления отходами поликарбоната с получением сорбционных материалов для глубокой очистки сточных вод нефтехимических предприятий.

Объект исследования: отходы потребления поликарбоната.

Предмет исследования: оценка потенциальной опасности воздействия отходов потребления ПК на объекты окружающей среды, закономерности процессов термической и термохимической деструкции ПК, активации карбонизатов реагентами, физико-химические характеристики пиролизных газов, пористая структура и свойства сорбционных материалов, управление отходами ПК.

Научная новизна:

1. Впервые установлены закономерности пиролитической деструкции отходов ПК с последующей физической и химической активацией карбонизатов с получением пористых углеродных сорбентов. Определены параметры переработки отходов ПК, позволяющие проводить процесс в автотермическом

режиме и получать углеродные микропористые сорбенты (объем микропор 0,350,42 см3/г).

2. Установлены технологические параметры проведения процесса активации карбонизатов ПК активирующими агентами: диоксидом углерода и гидроксидом калия. При активации диоксидом углерода при степени обгара 60%, температуре активации 900°С и времени обработки 15 мин. формируются микропористые АУ, обладающие высокими сорбционными свойствами. Активация карбонизата ПК в присутствии гидроксида калия при температуре 800 °С и соотношении карбонизат ПК:КОН - 1:1 позволяет получать сорбционные материалы с развитой однородномикропористой структурой и в 1,5-2,0 раза увеличить выход продукта по сравнению с активацией карбонизатов диоксидом углерода.

3. Разработан способ утилизации ПК с полученим АУ, включающий предварительную обработку отходов концентрированной азотной кислотой с последующей активацией частично карбонизованных материалов паром при температуре 800°С, что позволяет совместить стадию карбонизации и активации, снизить энерго- и ресурсоемкость процесса и получить сорбенты по свойствам, не уступающим промышленным маркам АУ.

4. Установлено, что полученные типы углеродных сорбентов на основе отходов ПК обеспечивают глубокую очистку сточных вод от бензола, этилбензола, толуола и обосновано их использование в системах защиты водных объектов от воздействия нефтехимических предприятий

5. Впервые разработана система управления отходами потребления ПК с их термохимической утилизацией и получением углеродных сорбционных материалов для обезвреживания сточных вод нефтехимических предприятий.

Практическая значимость работы:

Разработаны способы термохимической переработки отходов поликарбоната с получением сорбционных материалов и жидких углеводородных фракций; определены оптимальные технологические параметры процессов.

Разработаны технические условия ТУ (2162-007-02069065-2012) на сорбционные материалы на основе отходов поликарбоната;

Результаты работы использованы в качестве исходных данных при проектировании комплексов по термическому обезвреживанию полимерных отходов, при разработке краевой программы: «Обращение с отходами потребления на территории Пермского края на 2010-2014 гг».

Разработана технологическая система локальной очистки сточных вод нефтехимических производств с использованием сорбционных материалов, полученных при термохимической утилизации отходов ПК.

Результаты исследований используются в учебном процессе подготовки специалистов по направлению 280700 «Техносферная безопасность» в курсах лекций по дисциплинам «Физико-химические методы защиты биосферы», «Технологические основы переработки отходов производства», «Промышленная экология».

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Результаты исследования пиролитической деструкции отходов поликарбоната с получением карбонизатов и жидкотопливных фракций углеводородов.

2. Закономерности процессов активации карбонизата, полученного при пиролизе отходов ПК, в среде углекислого газа и в присутствии гидроксида калия с получением высокопористых малозольных углеродных сорбционных материалов.

3. Физико-химические основы термохимической технологии переработки отходов ПК с получением активных углей, используемых в качестве сорбентов при очистке сточных вод.

4. Система управления отходами поликарбоната с получением сорбционных материалов для глубокой очистки сточных вод нефтехимических предприятий

ГЛАВА 1. ХАРАКТЕРИСТИКА ОТХОДОВ ПОТРЕБЛЕНИЯ ПОЛИКАРБОНАТА И АНАЛИЗ МЕТОДОВ ИХ УТИЛИЗАЦИИ

1.1. Свойства поликарбоната

Поликарбонаты - группа термопластов, сложные полиэфиры угольной кислоты и двухатомных спиртов общей формулы (-0-Ы-0-С0-)п. Наибольшее промышленное значение имеют ароматические поликарбонаты, в первую очередь, поликарбонат на основе бисфенола А, благодаря доступности бисфенола А, синтезируемого конденсацией фенола и ацетона. Молярная масса коммерческих ПК лежит в диапазоне от 20000 до 50000. Структурная формула поликарбоната на основе бисфенола А показана на рис. 1.1.

-Е-О-^О^г

Рис. 1.1. Структурная формула поликарбоната на основе бисфенола А [1] Физические и механические свойства поликарбоната на основе бисфенола А представлены в табл. 1.1.

Таблица 1.1 - Свойства поликарбоната на основе бисфенола А [1]

Свойство Значение

Плотность, г/см3 1,20

Температура стеклования, °С 141-149

Температура плавления, °С 220-230

Ударная прочность (образец с надрезом по Изоду), МПа 110

Светопропускание, % 85-90

Поликарбонат (ПК) обладает исключительно высокой ударной прочностью, хорошими диэлектрическими свойствами, высокой оптической прозрачностью (85-90 %).

Изделия из ПК изготавливают главным образом традиционным литьем под давлением и экструзией. Высокая температура стеклования обусловливает термостабильность полимера в широком температурном диапазоне (от -100 до 135 °С).

Температура плавления ПК близка к температуре его термодеструкции, что создает трудности при обработке поликарбоната, так как его приходится перерабатывать при температуре близкой к температуре термодеструкции.

Термодеструкция ПК происходит при температуре выше 330°С. При деструкции происходит разрыв цепей; основными продуктами разложения являются диоксид углерода и бисфенол А (БФА). В меньшей степени выделяются монооксид углерода и метан [2].

Поликарбонат на основе бисфенола А устойчив к действию водных растворов неорганических и органических кислот, солей и окислителей. При комнатной температуре образцы поликарбоната на основе бисфенола А абсолютно не изменились после 13-недельной выдержки в 20%-ной соляной, 10-50%-ной серной, 20%-ной азотной, 20%-ной мышьяковой, 20%-ной хромовой, концентрированной фосфорной, 20-100%-ной уксусной и 40%-ной лимонной кислотах и в 30%-ной перекиси водорода [3].

Поликарбонат не стоек к щелочам, концентрированным кислотам, органическим растворителям, но устойчив к действию водных растворов слабых щелочей, например карбоната и бикарбоната натрия. С другой стороны, такие основания, как гидроксид аммония, растворы сильных щелочей способны быстро омылять поликарбонат с полным выде�