Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Разработка технологий очистки сточных вод гальванических производств предприятий машиностроения на примере ОАО ХК "Барнаултрансмаш"

ВАК РФ 03.00.16, Экология

Автореферат диссертации по теме "Разработка технологий очистки сточных вод гальванических производств предприятий машиностроения на примере ОАО ХК "Барнаултрансмаш""

На правах рукописи

СОМИН ВЛАДИМИР АЛЕКСАНДРОВИЧ

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД ГАЛЬВАНИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ ПРЕДПРИЯТИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ НА ПРИМЕРЕ ОАО ХК «Барнаултрансмаш»

03.00.16-Экология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

□03481280

Барнаул - 2009

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова»

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор, заслуженный эколог РФ Комарова Лариса Федоровна

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор заслуженный эколог РФ Краснова Тамара Андреевна

доктор технических наук, профессор Федяпин Виктор Яковлевич

Ведущая организация Институт водных и экологических проблем СО РАН

Защита состоится «11» декабря 2009 года в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.004.03 при Алтайском государственном техническом университете им. И.И. Ползунова по адресу: 656038, г. Барнаул, пр. Ленина 46, (тел/факс (3852)260516, е-тшШ21200403@mail.ru)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова

Автореферат разослан «/октября 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, д.т.н.

Свистула А.Е.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Сточные воды гальванических производств машиностроительных предприятий, в частности, ОАО ХК «Барнаултрансмаш», вносят существенный вклад в загрязнение водных объектов, так как содержат в себе высокотоксичные соли тяжелых металлов, способные концентрироваться в объектах окружающей среды, оказывая негативное влияние на состояние экосистем. Кроме того, металлы обладают ярко выраженным эффектом суммации, из-за чего совместное присутствие нескольких элементов усиливает их токсическое действие в несколько раз.

Из-за многообразия гальванических процессов в настоящее время стоки чаще всего подвергают очистке объединенным потоком. Однако такой подход не решает проблему повторного использования воды и не позволяет выделять из стоков ценные компоненты. Поэтому кардинальное решение проблемы загрязнения водных ресурсов состоит в разработке и внедрении замкнутых водооборотных циклов и ресурсосберегающих технологических процессов, позволяющих возвращать ценные компоненты в производство, исключая сброс загрязненных вод в водные объекты, что является экономически оправданным и экологически перспективным.

Реализация мероприятий по созданию малоотходных технологических процессов гальванического производства предполагает наличие современного оборудования, позволяющего обеспечить требования как технологического, так и экологического характера. При этом огромная роль отводится и материалам, с помощью которых производится очистка. Они должны удовлетворять всем требованиям, предъявляемым для целей водоочистки: быть доступными, иметь высокую механическую прочность, способность к многократной регенерации, устойчивость к агрессивным средам. Поиск таких материалов и технологий является наиболее перспективным направлением совершенствования систем очистки стоков, содержащих тяжелые металлы.

Работа выполнена в рамках «Основных направлений по улучшению экологической обстановки, использованию, воспроизводству и охране природных ресурсов Алтайского края на 2003-2010 г.г.».

Цель работы: разработка технологий очистки воды от ионов тяжелых металлов с применением обратноосмотических мембран и сорбента на основе древесных опилок и бентонитовых глин, позволяющих организовать замкнутый водооборотный цикл на предприятии.

Основные задачи:

- определение оптимальных параметров мембранного разделения промывных вод процессов нанесения гальванических покрытий;

- создание сорбционно-ионообменного материала на основе бентонитовых глин и древесных опилок и изучение его свойств;

- исследования по извлечению ионов тяжелых металлов сорбционно-ионообменными методами;

- изучение возможности и подбор способа регенерации сорбционно-ионообменного материала на основе бентонитовых глин и древесных опилок;

- математическая обработка экспериментальных данных процессов очистки мембранным и ионообменным методами;

- разработка технологических схем очистки промывных вод гальванических производств с использованием ионообменного и мембранного методов и их технико-экономический анализ.

Объект исследования: сточные воды гальванических производств предприятий двигателестроения на примере ОАО «ХК Барнаултрансмаш».

Предмет исследования: способы очистки промывных вод гальванических производств с использованием технологий обратного осмоса и сорбции.

Научная новизна:

- получены экспериментальные зависимости эффективности очистки от давления и производительности при извлечении ионов цинка, меди, хрома и никеля из водных растворов обратным осмосом на новых типах композитных и ацетатцеллюлозных мембран;

- предложена технология изготовления нового сорбционно-ионообменного материала на основе древесных опилок и бентонитовых глин, новизна которой защищена патентом РФ;

- получены данные о статической и динамической сорбционной емкости нового материала, исследована эффективность очистки воды с его применением от ионов тяжелых металлов, предложенье способы регенерации и утилизации сорбента;

- разработаны ресурсосберегающие технологии мембранной и сорбционно-ионообменной очистки промывных вод от ионов тяжелых металлов с применением полимерных мембран и нового сорбционно-ионообменного материала.

Практическая значимость:

- получение сорбционно-ионообменных материалов позволит создавать принципиально новые технологии очистки воды от ионов тяжелых металлов с эффективностью не менее 85%, позволяющих разрабатывать новые и совершенствовать существующие методы предотвращения зшрязиения водных объектов и истощения природных ресурсов;

- внедрение полученных сорбентов в практику водоочистки способствует созданию на предприятиях водооборотных циклов с сокращением расходов на очистку воды на 1530%;

- экспериментальные данные и результаты их математического описания могут быть использованы для расчета основных параметров мембранных модулей и сорбционных аппаратов;

- в результате внедрения предлагаемых технологий на предприятии ОАО ХК «Барнаул-трансмаш» предотвращенный экологический ущерб составит 856012 и 744380 руб. при реализации соответственно обратноосмотического и сорбционного метода, кроме того, до 95% ценных компонентов будут возвращены в технологический процесс.

Достоверность полученных результатов подтверждается использованием современного аттестованного измерительного оборудования, стандартных и тестированных методик, а также методов учета погрешностей измерений.

На защиту выносятся:

- экспериментальные зависимости эффективности и производительности очистки воды от давления обратным осмосом от ионов цинка, меди, хрома и никеля на композитной и ацетатцеллюлозной мембране;

- способ получения сорбционно-ионообменного материала на основе модифицированных бентонитовыми глинами древесных опилок;

- эффективности очистки воды от ионов цинка, меди, хрома и никеля с применением бентонитовых глин, древесных опилок и нового сорбционно-ионообменного материала;

- способ регенерации и утилизации полученного сорбционно-ионообменного материала;

- технологии очистки стоков гальванических производств от ионов тяжелых металлов с использованием обратного осмоса и сорбции.

Реализации результатов работы

- материалы диссертационной работы приняты к внедрению на предприятиях: ОАО ХК «Барнаултрансмаш», ОАО «Алтгранс»; ООО «НПО Акватех»;

- результаты диссертационной работы используется в учебном процессе на кафедре «Химическая техника и инженерная экология» ГОУ ВПО АлтГТУ им. И.И. Ползу-нова.

Апробация работы. Материалы диссертации ежегодно докладывались на Всероссийской НТК студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодежь» (Барнаул, 2004-2009 г.г.), Всероссийской студенч. НПК «Химия и химическая технология в XXI веке» (Томск, 2006, 2007, 2008 гг.), Межд. экологической студ. конф. «Экология России и сопредельных территорий. Экологический катализ» (Новосибирск, 2007, 2008 гг.), Всероссийской научной конф. студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и наука - третье тысячелетне» (Красноярск, 2007 г.), Межд. НПК «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири» (Томск, 2006, 2007 гг.), XI Межд. научном симпозиуме им. академика М.А. Усова студентов и молодых ученых (г. Томск, 2007), XII Всероссийской НПК с межд. участием «Проблемы безопасности современного мира и управление рисками» (г. Иркутск, 2007 г.), Межд. симпозиуме «Межрегиональные проблемы экологической безопасности» (г. Одесса, Украина, 2007 г.), Всероссийской НПК студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь XXI века - будущее российской науки» (Ростов-на-Дону, 2007, 2008 гг.), Межд. Конф. «Water resources and water use problems in Central Asia and Caucasus» (Барнаул, 2007 г.), 10-й Межд. НПК «Экономика, экология и общество России в 21 столетии» (С.-Петербург, 2008 г.), И Всероссийской НПК с межд. участием «Энергетические, экологические и технологические проблемы экономики» (Барнаул, 2008), XI Межд. НПК «Водоснабжение и водоотведение: качество и эффективность» (Кемерово, 2008 г.)

Публикации. По теме диссертации опубликовано 36 работ, в том числе 11 статей, 3 из них - в журналах, рекомендованных ВАК для защиты кандидатских диссертаций, 1 патент на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы, приложений. Работа изложена на 149 страницах машинописного текста, включает 32 рисунка, 48 таблиц, список литературы из 97 наименований, приложения в количестве 33 страниц машинописного текста.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы и показана необходимость внедрения современных технологий очистки промывных вод гальванических производств от ионов тяжелых металлов. Рассмотрена перспективность использования новых материалов и технологий для очистки загрязненных вод.

В первой главе рассматриваются современные технологии обработки изделий, позволяющие сократить объем сточных вод процессов нанесения гальванических покрытий машиностроительных предприятий, излагаются основные схемы промывки деталей.

Описывается методы очистки воды от ионов металлов. Проведен анализ отечественных и зарубежных литературных источников и патентов в этой области. Рассмотрены как традиционно применяемые, так и современные методы очистки воды. В настоящей работе выбраны технологии мембранного концентрирования и сорбции для очистки стоков от ионов металлов; изложены современные представления о механизмах указанных процессов, их аппаратурное оформление.

Во второй главе представлены методы анализа ионов меди, хрома, никеля и цинка в воде фотоколориметрическим методом. Описываются методики проведения эксперимента по очистке воды от указанных металлов на мембранной и сорбционной установках. Основными узлами обратноосмотической установки являются плунжерный насос, ресиверы и мембранный модуль, в который загружались различные рулонные элементы. В ходе экспериментов определялись зависимости проницаемости и селективности от рабочего давления, концентрации металлов и вида мембран.

Основным элементом сорбционно-ионообменной установки является фильтровальный модуль, в который загружался сорбент различных типов. Фильтрование осуще-

ствлялось с помощью ротационно-пластинчатого вакуум-насоса. Периодически отбирались пробы фильтрата на анализ нонов металлов, в результате чего были определены динамические и кинетические характеристики процесса очистки.

Излагается методика изучения статической и динамической емкости бентонитовых глин и древесных опилок, а также сорбентов, полученных на их основе. Представлен способ получения данного сорбционно-ионообменного материала.

В третьей главе изложены результаты исследований очистки воды от ионов меди, хрома, никеля и цинка обратноосмотическим и сорбционным методами.

Расгворы металлов подвергались обратноосмсггическому разделению на мембранах двух типов - ацетатцеллюлозной и композитной. Для указанных ионов изучались зависимости селективности разделения и проницаемости от давления при постоянной температуре Т=20°С в нейтральной и кислой средах.

Было выявлено, что для ацетатцеллюлозной мембраны при увеличении начальной концентрации ионов металлов (С„) в воде эффективность очистки незначительно повышается. При этом для всех металлов она составляет не менее 70% в нетральной среде, в кислой - на 15-25% меньше. Менее всего снижение эффекта очистки выражено для ионов меди, более всего - для ионов хрома.

Изменение давления влияет на селективность извлечения всех металлов только при достижении граничных значений, при этом во всех случаях в интервале от 1 до 3 МПа наблюдается постоянство селективности.

Наиболее показательными результатами обрагноосмотического концентрирования являются зависимости, полученные при очистке исходных растворов с концентрацией 50 мг/л (Рисунки 3 и 4). Отмечено, что лучше всего удаляются из воды ионы хрома, хуже всего - ионы цинка. В целом характер зависимостей селективности от рабочего давления в нейтральной среде имеет слабоэкстремальный характер, а в кислой с увеличением давления происходит спад селективности.

В нейтральной среде на ацетатцеллюлозной мембране (Рисунок 1) для всех ионов харакгерен небольшой рост селективности с повышением давления до определенного значения, затем селективность медленно падает. Это, вероятно, обусловлено тем, что при достижении некоторого давления происходит продавливание ионов металлов, вследствие чего эффективность разделения уменьшается. При этом все металлы, за исключением цинка, извлекаются не менее чем на 90% в достаточно широком интервале давлений (от 1 до 3 МПа).

. .100 ........................ —^^ .......,............... ..--.................- ......................,

60---------

40---------

20------------

О --------

0 0,5 1 1,5 2 2.5 3 3,5 4

Р.ЫПа

О -1 - хром □ - 2 - никель д - 3 - медь о - 4 - цинк

Рисунок 1 - Зависимость селективности (Э) извлечения ионов металлов от давления (Р) в нейтральной среде при С„= 50 мг/л на ацетатцеллюлозной мембране

-й 43 у с—1 -У-УЧ

¡2 к 1 1

В кислой среде все зависимости имеют также одинаковый характер. Линейный участок кривых селективности наблюдается при давлении от 1 до 3 МПа для всех исследуемых ионов (Рисунок 2). При этом, как и в нейтральной среде, хуже происходит очистка от ионов цинка, лучше - от ионов меди.

*---1--

¿и---------

20---------

0 --------

О 0,5 1 1,5 2 Я5 з 3,5 4

Р. МПа

О - 1 - хром п - 2 - никель Д - 3 - медь о - 4 - цинк

Рисунок 2 - Зависимость селективности (Э) извлечения ионов металлов от давления (Р) в кислой среде при Сн= 50 мг/л на ацетатцеллюлозной мембране

Данные, полученные при изучении обратноосмотического разделения на композитной мембране показали, что при увеличении концентрации ионов металлов в воде селективность, как и на ацетатцеллюлозной мембране, незначительно повышается. В нейтральной среде для металлов (за исключением хрома при Сн=10мг/л) селективность составляет более 90 % во всем диапазоне рабочих давлений. В кислой среде селективность с ростом концентрации незначнтельно увеличивается.

Давление оказывает более сильное влияние на селективность в нейтральной среде при достижении граничных значений, что с ростом концентраций менее выражено.

-- -1-1-1-1

1 1У 2-/

О 0,1 ОД 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

Р. МПа

О - 1 - хром □ - 2 - никель Д - 3 - медь о - 4 - цинк

Рисунок 3 - Зависимость селективности (Э) извлечения ионов металлов от давления (Р) в нейтральной среде при С„= 50 мг/л на композитной мембране

При очистке с начальной концентрацией 50 мг/л (Рисунок 3) на композитной мембране лучше удаляются ионы меди и цинка, хуже - ионы никеля и хрома. При

■ц 10 <

о Р1

этом в нейтральной среде все зависимости имеют слабоэкстремальный характер, при эффективности не менее 93%.

В кислой среде на композитной мембране для цинка и меди характерен практически постоянный эффект очистки во всем диапазоне давлений, равный соответственно 99% и 88% (Рисунок 4). При этом для ионов хрома и никеля отмечен слабоэкстремальный характер кривых селективности соответственно с максимумом 63% и 80% и минимумом 43% и 63%.

О-1-кром □-2-. никель Д-З-медь о-4-цинк х%МПа

Рисунок 4 - Зависимость селективности (Э) извлечения ионов металлов от давления (Р) в кислой среде при С„= 50 мг/л на композитной мембране

Анализ данных, полученных при изучении проницаемости обоих типов мембран, показал, что на ее величину практически не влияет вид растворенного вещества п его концентрация в диапазоне от 10 до 100 мг/л, при этом она несколько ниже в кислой среде, чем в нейтральной. Композитная мембрана имеет проницаемость примерно в 7,5-8 раз больше, чем ацетатцеллюлозная при одинаковом давлении.

Исследован процесс регенерации мембран однопроцентным раствором соляной кислоты, в результате чего было выявлено, что с ростом числа регенераций производительность мембран изменяется незначительно.

При промывке мембранных модулей образуется небольшое количество раствора, содержащего наряду с другими загрязнителями, ионы тяжелых металлов. Нами была предпринята попытка обезвреживания таких стоков на примере хромсодержа-щих вод нейтрализацией в статических условиях с использованием железных стружек. Определено, что минимальное количество стружки, обеспечивающее полное восстановление ионов хрома (до 100%) из раствора с концентрацией 100 мг/л, составляет 30 г на 100 мл исходного раствора.

В качестве альтернативного для очистки воды от ионов тяжелых металлов был изучен сорбционный метод.

Проведенные ранее исследования показали высокую эффективность очистки воды на материалах, полученных на основе минеральных базальтовых волокон и бентонитовых глин. Однако процесс нанесения бентонитовых глин на базальтовые волокна представляет определенные трудности. Полученный сорбент отличает невысокая механическая прочность. Поэтому интересен поиск других материалов, которые могут служить каркасом при нанесении бентонитовых глин. В качестве материала каркаса

нами использованы древесные опилки, на основе которых был синтезирован новый сорбент.

Для изучения сорбционных свойств были выбраны бентонитовые глины с преобладающим катионом кальция (кальциевый) и натрия (натриевый), а также древесные (сосновые) опилки от деревообрабатывающих станков. С целью увеличения сорбционной способности кальциевого бентонита он был подвергнут двум видам активации - содовой и солевой. Для всех указанных материалов изучалась сорбция в статических условиях при постоянной температуре 20°С. В качестве примера на рисунке 5 приведены изотермы сорбции ионов меди, которые лучше всех извлекаются из растворов, и

Ы 70 д

ы со

о и

50 40 30

20 10

о

О 200 «10 600 800 1000

С, АПГ/Л

О - 1-кальциевьш бентонит содовой зжткЕащш □ О-капьциевьш бентонит с солевой активацией О -З-капьцневый бентонит без активации Д --4- натриевый бетонит

■ -5- опктзи

Рисунок 5 - Изотермы сорбции ионов меди на различных материалах

Изотермы сорбции ионов меди на бентонитах имеют одинаковый характер, что обусловлено схожим строением их кристаллической решетки и, следовательно, подобным процессом сорбции. Все изотермы имеют вид кривых сорбции Ленгмюра с резко возрастающим участком на начальных концентрациях. Это явление соответствует заполнению внешних пор минералов, после чего происходит постепенное насыщение бентонитов. Максимальное значение сорбционной обменной емкости (СОЕ) зафиксировано для бентонита содовой активации (65 мг/г).

Сорбционная емкость древесных опилок оказалась невелика для всех металлов (2-7 мг/г).

Хуже на исходных материалах извлекаются ионы хрома и цинка.

Выявлено, что для активации кальциевого бентонита лучше использовать раствор соды, чем поваренной соли, т.к. в первом случае сорбционная емкость по всем металлам увеличивается более значительно. Именно кальциевый бентонит содовой активации и натриевый бентонит использовались для получения нового сорбционно-ионообменного материала.

Были получены два вида сорбента на основе древесных опилок с соотношением бентонитов и опилок для обоих типов материалов (1:1), (1:2), (1:3), поэтому сорбент был назван соответственно «Беном-1», «Беном-2» и «Беном-3» в зависимости от доли опилок в нем.

Была изучена статическая емкость полученного сорбента по отношению к ионам хрома, никеля, меди и цинка. Анализ данных позволяет говорить об одинаковом характере сорбционной емкости материала независимо от доли бентонита в нем. Отмечено, что все металлы на «Беноме» из натриевого бентонита и опилок имеют максимальную обменную емкость в пределах 6-9 мг/г.

В качестве примера на рисунке 6 показаны изотермы сорбции различных металлов на «Беноме-2» с натриевым бентонитом. Как видно, кривые имеют схожий характер, соответствующий изотермам сорбции Ленгмюра. Сорбционная емкость для всех металлов невелика и находится в диапазоне от 6,5 до 8,5 мг/г.

ё»

Ы 8

О и

б 5 4 3 2 1 О

И—- А. ...

■77*- ¿У

Рисунок 6

а гоо

-1 - хром

400 600

□ -2- никель

800 Д-3- медь

1000 1200 С, мг/л

О -4- цинк

- Изотермы сорбции на «Беноме-2» с натриевым бентонитом

Изотермы сорбции на «Беноме-2» с кальциевым бентонитом содовой активации (Рисунок 7) показали, что лучше из воды извлекаются ионы цинка (29 мг/г), хуже -ионы меди (11 мг/г). Для ионов никеля и хрома максимальная СОЕ достигает значений 15 и 20 мг/г соответственно. При этом изотермы сорбции для ионов хрома и цинка имеют вогнутый характер в диапазоне равновесных концентраций от 100 до 300 мг/л.

1 35

О

и

} ^ 1—о

I. ч

\

I \

4- ¡л

1000 1200 С, мг/л

О 200 400 600 800

С-1-кром □ -2- никель Д-3-медь О -Л- цинк

Рисунок 7 - Изотермы сорбции на «Беноме-2» с кальциевым бентонитом содовой активации

Сравнение двух последних рисунков говорит о более эффективном извлечении ионов металлов на сорбенте с кальциевым бентонитом содовой активации.

Для выбора наиболее оптимального материала перед изучением динамической обменной емкости были определены физико-механические свойства полученных сорбентов. Результаты представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Физико-механические свойства «Беномов»

Параметр Материал с натриевым бентонитом Материал с кальциевым бентонитом содовой активации

Соотношение бентонита и опилок 1:1 1:2 1:3 1:1 1:2 1:3

Насыпная плотность, кг/м3 191 140 135 178 129 124

Прочность материала, % 87,1 62,7 61,8 76,7 74,0 61,2

Влажность, % 3,7 3,3 3,1 3,9 3,8 3,3

Зольность, % 43,8 23,8 19,7 36,3 24,5 20,3

Масса воды в порах, г/г 5,2 6,6 7,1 3,3 6,6 7,2

Изучение сопротивления загрузки из «Беномов» массой 20 г при постоянной скорости раствора 5 м/ч показало, что увеличение доли опилок приводит к пропорциональному увеличению потерянного напора от 705 до 1508 мм.вод.ст.

На основании полученных результатов сделан вывод о том, что увеличение доли опилок в составе рассматриваемых материалов приводит к уменьшению их механической прочности и влажности. Зольность «Бенома» повышается пропорционально содержанию в его составе доли бентонита. Выявлена тенденция увеличения суммарного объема макропор при уменьшении доли бентонита в сорбенте.

Исследования в динамических условиях проводились на лабораторной фильтро-валыю-сорбционной установке, в которой в качестве загрузки поочередно использовался «Беном-2» различных типов, поскольку он имеет достаточно высокие прочностные характеристики и огносительно небольшое гидравлическое сопротивление.

Опыты осуществлялись на модельных растворах сульфата меди с концентрацией 50 и 10 мг/л. Скорость процесса фильтрования поддерживалась постоянной 35 м/ч, перепад давления составлял около 850 мм.вод.ст.

На рисунке 8 в качестве примера приведены зависимости эффективности очистки от удельного пропущенного объема растворов, содержащих ионы меди.

Как видно, все кривые имеют ннеходящий характер, однако для растворов с С„=50 мг/л эффективность очистки на обоих материалах резко падает, что определят небольшой удельный объем пропущенною раствора. При начальной концентрации 10 мг/л эффект очистки в целом выше на 20-40%, чем у более концентрированных растворов, при этом зависимость носит более плавный характер.

Хуже всего на модифицированных материалах в динамических условиях извлекаются ионы хрома: максимальный эффект очистки не превысил 55%, что может быть объяснено сильной окислительной способностью хромат-иона, в результате чего происходит разрушение материала, и, как следствие, снижение сорбционной емкости.

V? 100

а"*

60 ад

20 о

0,0 0,3 0,5 0,8 1,0 1,3 1,5 1,8 2,0

0-1-с натриевымбентонкгомСн=10 ш1л ф. Л/Г

Д-2-с кшьциеввот бентонитом содовой активации Сн=10 мг/л ♦ -3- с натриевым бентонитом Сн=50 мг/л А -4- с кальцяевьот бентонитом, Сн=50 мгЬг

Рисунок 8 - Зависимость эффективности извлечения ионов меди от удельного объема раствора на «Беноме-2»

Экспериментально определено время защитного действия фильтра, соответствующее 50%-ой очистке с загрузкой из «Бенома-2» и время достижения его полной динамической емкости (Таблица 2).

Таблица 2 - Время фильтроцикла с загрузкой из «Бенома-2» при очистке от ионов металлов с различной начальной концентрацией

Время, ч Начальная концентрация ионов, мг/л Бентонит и вид металла

натриевый кальциевый содовой активации

хром никель медь цинк хром никель медь цинк

Защитного действия фильтра 10 0,85 1,12 4,0 3,38 1,12 1,78 3,62 3,21

50 0,08 0,48 0,33 0,11 0,08 0,37 0,32 0,11

Достижения ПОЛНОЙ ДГО1Э' мической емкости 10 3,20 3,52 4,81 4,81 3,52 3,52 4,50 3,90

50 5,16 3,71 1,84 3,57 1,65 3,69 1,80 3,31

Отмечено, что с увеличением концентрации время защитного действия фильтра и достижения его полной динамической емкости увеличивается, при этом наибольший фильтроцикл зафиксирован для ионов меди и цинка.

С целью восстановления сорбционных свойств «Бенома-2» была проведена его регенерация раствором соды концентрацией 100 мг/л. Для свежеприготовленных и регенерированных сорбентов определялось время защитного действия фильтра и время достижения полной динамической емкости для всех металлов при С„=50 мг/л.

Наименьшее время защитного действия фильтра было зафиксировано для ионов хрома (0,08 ч), наибольшее - для ионов никеля (0,48 ч), при этом при регенерации оно значительно снижается. Время насыщения сорбента для всех металлов оказалось в 2035 раз больше, чем время защитного действия, за исключением ионов хрома, для которых отмечена малоэффективная очистка (до 20%) на длительном интервале.На рисунке 9 показана продолжительность времени защитного действия сорбента из натриевого и кальциевого бентонита по ионам меди и хрома с регенерацией и без нее.

Время защитного действия фильтра до регенерации по ионам меди достаточно велико для материалов с обоими бентонитами, однако после проведения двух регенераций для них отмечено значительное снижение времени фильтроцикла.

а" °'40

я

Й 0,35 )Щ

Ч 0,30 о и

§ 0,25 м Я

I" 0,20

3 0,15 £

и 0,10

0,05 0,00

га „„ количество регенераций

О - до регенерации г г

И - после 1 -ой регенерации

■ - после 2-ой регенерации

Рисунок 9 - Зависимость времени защитного действия фильтра от

количества регенераций «Бенома-2» по ионам меди и хрома

Для ионов хрома и цинка уже после однократной регенерации эффективность очистки составила менее 50% при незначительном времени фильтроцикла, что сделало нецелесообразным их дальнейшее извлечение из воды.

Предложен метод утилизации отработанного сорбента сжиганием. Полученную золу предложено было нанести на опилки аналогично бентонитам. Однако данный материал не обладает достаточной механической прочностью, его сорбционные свойства также невелики.

Проведено математическое описание очистки воды для процессов обратноосмо-тического концентрирования растворов всех металлов и сорбции ионов меди на «Бе-номе-2». Определена усредненная зависимость эффективности обратноосмогического разделения металлов от давления в нейтральной и кислой средах на различных мембранах.

Матерная натриевым бентонитом Материал с кальциевым бентонитом годовой актньацнн

1

_; . 1.. , . „. 1

0 1 2 0 1 2 0 1 2 и 1 2

Си (Я) Сг ( VI) Си Щ) Сг (VI)

Получено уравнение продолжительности фильтроцикла (Т) от начальной концентрации ионов меди (Сн) и массы сорбента (М3):

Т= 4,1+0,04С„-0,21М3

Указанное уравнение позволяет решать задачу оптимизации процессов очистки стоков процесса меднения, т.е. обеспечения максимального времени защитного действия загрузки в зависимости от начальной концентрации металла.

В четвертой главе приводится описание принципиальных технологических схем очистки промывных гальванических производств от ионов тяжелых металлов мембранным и сорбционно-ионообменным методом (Рисунки 10,11).

вода на очистку

........."...........................I .-«

шлам на утилизацию

1 - усреднитель, 2 - емкость сбора фильтрата, 3 - емкость приготовления регенерационного раствора; 4 - центробежный насос низкого давления, 5 - вторая ступень обратноосмотической установки, 6 - емкость сбора концентрата второй ступени, 7 - микрофильтр, 8 - первая ступень обратноосмотической установки, 9 - центробежный насос высокого давления, 10 - емкость сбора концентрата первой ступени, 11 - отстойник, 12-механо-сорбционный фильтр; 13 - емкость нейтрализации

Рисунок 10 - Технологическая схема очистки промывных вод мембранным методом

Реализация рассмотренных технологий позволит организовать замкнутый водо-оборотный цикл в гальваническом производстве машиностроительного предприятия, а также вернуть в производство ценные компоненты.

В таблице 3 представлены основные технико-экономические показатели от реализации приведенных технологических схем очистки промывных вод гальванического производства от ионов меди на ОАО ХК «Барнаултрансмаш» с расходом 50 м3/сут.

Более эффективной является сорбционно-ионообменная технология с использованием сорбента на основе модифицированных бентонитовыми глинами опилок, что обусловлено достаточно низкой стоимостью сорбционно-ионообменного материала при внедрении альтернативной технологии, а также с высокими эксплуатационными расходами на замену мембран при реализации мембранной технологии.

пая колонна; 7 - отстойник промывных вод; 8 - напорный резервуар; 9 - сборник отработанного сорбента; 10 - дробилка; 11 - печь прокаливания; 12 - емкость для опилок; 13 - дозатор; 14 - емкость приготовления сорбента; 15 — емкость сбора бентонитовой глины; 16 - емкость отработанного регенерациоиного раствора; 17 - растворный бак; 18 - емкость сбора фильтрата;

19 - расходный бак

Рисунок 11 - Технологическая схема очистки промывных вод сорбционно-ионообменным методом

Таблица 3 - Основные показатели эффективности использования инвестиций при реализации мембранной и сорбционно-ионообменной схем очистки воды

Наименование Единица измерения Обратно-осмотическая очистка (1) Сорбцион-ная очистка (2) Абсолют. откл. «+»,«-» (1-2)

1. Себестоимость 1 м3 очищенных стоков руб. 10,01 8,92 1,09

2. Затраты на электроэнергию руб./год 436064 137635 298429

3. Инвестиции в проект руб. 1292140 544980 747160

4. Рентабельность инвестиций % 70,76 86,26 -15,5

5. Экономия от возврата ресусов руб./год 995808 995808 -

6. Годовой эколого- экономический эффект руб./год 1351820 1440188 -88368

7. Срок окупаемости инвестиций год 2,02 1,35 0,67

8. Индекс доходности - 0,52 0,95 -0,43

9. Предотвращенный экологический ущерб руб./год 856012 744380 88368

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Предложены новые мембранная и сорбционно-ионообменная технологии очистки промывных вод в гальваническом производстве ОАО ХК «Барнаултрансмаш», позволяющие предотвратить сброс сточных вод и возвратить дорогостоящие компоненты в технологический цикл, тем самым снизить нагрузку на окружающую среду.

2. Установлены технологические характеристики новых типов мембран: ацетатцеллю-лозной и композитной для очистки воды от ионов меди, хрома, никеля и цинка. Более эффективная очистка (до 99%) достигается на композитной мембране при рабочем давлении от 0,7 до 1,0 МПа. Проницаемость обоих типов мембран не зависит от вида извлекаемого металла и практически не изменяется после многократных регенераций, при этом композитная имеет в 7,5-8 раз большую производительность, чем ацетат-целлюлозная при одинаковом давлении.

3. Рекомендовано использовать для получения нового сорбционно-ионообменного материала для очистки воды от ионов металлов на основе древесных опилок неактивированный натриевый бентонит и кальциевый бентонит содовой активации.

4. Синтезирован новый сорбционно-ионообменный материал на основе бентонитовых глин и древесных опилок. Исследованы его физико-механические свойства, на основании которых рекомендовано применять соотношение бентонита и опилок (1:2).

5. Определены статические, динамические и кинетические характеристики процесса сорбции ионов металлов на предложенном сорбенте: максимальная эффективность очистки составила 85-90%, время защитного действия фильтра и время достижения полной динамической емкости сорбента составило соответственно 10,5 и 36,2 часа.

6. Проведено математическое описание экспериментальных данных по очистке воды обратноосмотическим и сорбционно-ионообменным методами, результаты которого могут быть использованы для расчета основных параметров мембранных модулей и сорбционных аппаратов в промышленных условиях.

7. Разработаны принципиальные технологические схемы очистки промывных вод процессов нанесения гальванических покрытий предприятий двигателестроения с использованием технологий обратного осмоса и сорбции. Проведено сравнение технико-

экономических показателей их реализации на предприятии ОАО ХК «Барнаултранс-маш».

8. Внедрение предлагаемых схем на указанном предприятии позволит сократить расходы по очистке воды на 15-30%, создать замкнутый водооборот, а также вернуть в производство ценные компоненты, что позволяет снизить нагрузку на окружающую среду. Предотвращенный экологический ущерб при реализации технологий очистки стоков от ионов меди составит 856012 и 744380 руб. при внедрении соответственно мембранной и сорбциоиной технологий.

СПИСОК ОСНОВНЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

а) работы в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Сомин В. А. Исследования селективных свойств мембран для очистки воды от ионов тяжелых металлов [Текст]/ В.А. Сомин, Л.Ф. Комарова// Известия высших учебных заведений. Химия и химическая технология (экологические проблемы), Т.52, - №2, - 2009. -С. 138-141.

2. Сомин В.А. Создание водооборотных систем с очисткой сточных вод от ионов тяжелых металлов [Текст]/ В.А. Сомин, М.А. Полетаева, Л.Ф. Комарова// Ползуновский вестник, №3, - 2008. - С. 205-209.

3. Сомин В.А. Новый сорбент на основе природных материалов для очистки гальванических стоков [Текст]/ В.А. Сомин, Л.Ф. Комарова// Экология и промышленность России, №9 - 2009. - С. 2-5.

б) патенты

Патент на изобретение РФ №2345834 RU. Способ получения фильтровально-сорбционного материала [Текст]/ Кондратюк Е.В., Комарова Л.Ф., Лебедев И.А, Сомин

B.А., заявл. 23.07.2007, опубл. 10.02.2009.

в) статьи в других изданиях

1. Сомин В.А. Очистка хромсодержащих сточных вод с помощью ионообменных и мембранных методов [Текст]/ В.А. Сомин Е.В.Кондратюк, В.А. Сомин, Л.Ф.Комарова// Сб. докладов 12-й Межд. HITK «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири» (Сиб-ресурс-12-2006). Томск, -2006. -С.101-104.

2. Сомин В.А. Исследования rio очистке промывных вод гальванических производств с помощью обратного осмоса [Текст]/ В.А. Сомин, A.A. Левченко, JI.B. Шнейдер.// Сб. трудов XI Межд. научного симпозиума им. академика М.А. Усова студентов и молодых ученых, Томск: изд-во ТПУ, - 2007. - С. 667-669.

3. Сомин В.А. Повышение эффективности очистки сточных вод от соединений хрома на основе применения мембранных технологий и новых композиционных материа-лов./В.А. Сомин, Е.В. Кондратюк, Л.Ф. Комарова// Сб. материалов Всероссийской НТК студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и наука-трегье тысячелетие», КРО НС «Интеграция» - Красноярск, - 2007. - С. 338-343.

4. Сомин В.А. Очистка сточных вод гальванических производств [Текст]/ В.А. Сомин, Л.Ф. Комарова, М.А. Полетаева, A.A. Фогель// Сб. тезисов трудов Межд симпозиума «Межрегиональные проблемы экологической безопасности» (МПЭБ-2007) - Украина, Одесса. -

C. 59.

5. Сомин В.А. Исследования процессов очистки воды от ионов никеля мембранными и ионообменными методами [Текст]/ В.А. Сомин, Л.В. Шнейдер, E.H. Лобанова, М.А. Полетаева, Л.Ф. Комарова// Тезисы VIII Всероссийской HI1K студентов и аспирантов «Химия и химическая технология в XXI веке», - Томск, ТПУ, - 2007. - С. 328.

6. Сомин В.А. Использование обратного осмоса для регенерации солевых растворов [Текст]/ В.А. Сомин, М.А. Полетаева, Л.Ф. Комарова// Сб. материалов докладов 5-н Все-

российской НПК студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь XXI века - будущее российской науки» Ростов-на-Дону, иад-во ООО «ЦВВР» Т. 1, - 2007. - С. 46-47.

7. Сомин В.А. Создание экологически безопасной технологии регенерации промывных вод процесса хромирования [Текст]/ В.А. Сомин, Л.В. Шнейдер, Л.Ф. Комарова// Сб. материалов XII Межд. экологической студ. конф. ((Экология России и сопредельных территорий», (МЭСК-2007), Новосибирск, - 2007. - С. 105-106.

8. Сомин В.А. Исследования по созданию экологически безопасной технологии меднения с использованием обратного осмоса [Текст]/ В.А. Сомин, Д.Г. Шимонаева, Л.Ф. Комарова// Материалы докладов Всероссийской НТК студентов, аспирантов и молодых ученых «Научная сессия ТУСУР-2008», 4.5, Томск: В-Спектр, - 2008. - С. 33-36.

9. Сомин В.А. Применение мембранной технологии для решения проблемы загрязнения водных ресурсов тяжелыми металлами [Текст]/ В.А Сомин, Д.Г. Шимонаева, Л.Ф. Комарова// Труды 10-й Межд. НПК «Экономика, экология и общество Росси в XXI столетии», 4.1, - С.-Петербург: изд-во Политехнического университета, - 2008. - С. 171172.

10. Сомин В.А. Улучшение состояния водных объектов путем создания новых технологий водоочистки [Текст]/ Л.Ф.Комарова, И.АЛебедев, В.А. Сомин, Е.В.Кондратюк, МАПолетаева// Сб. материалов Межд. медико-экологич. форума «Человек, экология здоровье», - Барнаул, - 2006. - С. 60-62.

11. Сомин В.А. Применение новых инновационных технологий водоочистки с целью рационального использования природных ресурсов [Текст]/ В.А. Сомин, Е.В. Кондратюк, Л.Ф. Комарова, И.А. Лебедев// Материалы Межд. конф. LAP Water program «Water resources and water use problems in central Asia the Caucasus», - Барнаул, Россия, - 2007. - С. 37-41.

12. Сомин В.А. Повышение рентабельности продукции предприятий при внедрении новых сорбентов в практике водоочистки [Текст]/ В.А. Сомин, Е.В. Кондратюк, Л.В. Кур-тукова, И.А. Лебедев, Л.Ф. Комарова// Сб. материалов второй Всероссийской НПК с межд. участием ((Энергетические, экологические и технологические проблемы экономики», -Барнаул: ОАО ((Алтайский дом печати», - 2008. - С. 91 -94.

13. Сомин В.А. Перспективы очистки воды от ионов тяжелых металлов с помощью природных материалов [Текст]/ В.А. Сомин, Е.В.Кондратюк, JI.B. Куртукова, Л.Ф.Комарова// Сб. трудов XI Межд. НПК «Водоснабжение и водоотведение: качество и эффективность», - Кемерово, ЗАО КВК «Экспо-Сибирь», - 2008. - С. 135-139.

14. Сомин В.А. Разработка технологии очистки промывных вод нанесения гальванических покрытий с использованием природных материалов [Текст]/ В.А. Сомин, М.А. Полетаева, Л.Ф. Комарова, Л.В. Шнейдер, Д.Г. Шимонаева// Сб. статей Всероссийской НПК студентов и аспирантов ((Молодые ученые в решении актуальных проблем науки», Т.2 - Красноярск, изд-во СибГТУ, - 2009. - С. 99-103.

Подписано в печать 5.10.2009. Формат 60x84 1/16. Печать - цифровая. Усл.п.л. 1,16. Тираж 100 экз. Заказ 2009 - 560

Отпечатано в типографии АлтГТУ, 656038, г. Барнаул, пр-т Ленина, 46 тел.: (8-3852) 36-84-61

Лицензия на полиграфическую деятельность ПЛД N«28-35 от 15.07.97 г.

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Сомин, Владимир Александрович

Введение

ГЛАВА 1 Литературный обзор

1.1 Характеристика сточных вод и организация водооборотных 10 процессов в гальваническом производстве машиностроительных предприятий

1.2 Методы очистки воды от соединений тяжелых металлов

1.2.1 Химические методы

1.2.2 Физико-химические методы

1.2.3 Электрохимические методы

1.2.4 Термические методы

1.2.5 Биохимические методы

1.3 Современные представления механизмов мембранного 34 концентрирования и сорбции

1.3.1 Сущность процессов мембранного разделения

1.3.2 Механизмы процессов адсорбции и ионного обмена

1.4 Аппараты для проведения процессов мембранного разделения, 42 сорбции и ионного обмена

1.4.1 Обратноосмотические аппараты

1.4.2 Сорбционно-ионообменные фильтры

1.5 Цель и задачи работы

ГЛАВА 2 Методики анализа и эксперимента

2.1 Методика анализа ионов тяжелых металлов в водных растворах

2.1.1 Определение ионов хрома

2.1.2 Определение ионов меди

2.1.3 Определение ионов цинка

2.1.4 Определение ионов никеля

2.2 Методика эксперимента

2.2.1 Методика эксперимента на обратноосмотической установке

2.2.2 Методика изучения статической и динамической емкости

2.2.3 Методика получения нового сорбционно-ионообменного материала

ГЛАВА 3 Экспериментальная часть

3.1 Исследования по извлечению ионов металлов методом обратного 63 осмоса

3.1.1 Исследования на ацетатцеллюлозной мембране

3.1.2 Исследования на композитной мембране

3.1.3 Исследования по регенерации мембран

3.2 Исследования по извлечению ионов металлов из воды сорбционноионообменным методом

3.2.1 Очистка на природных материалах

3.2.2 Изучение механических и гидродинамических свойств сорбента

3.2.3 Очистка с применением нового сорбционно-ионообменного 81 материала

3.2.4 Регенерация сорбционно-ионообменного материала

3.3. Математическая обработка данных экспериментов

3.4 Выводы по экспериментальной части

ГЛАВА 4 Разработка принципиальных технологических схем очистки 97 сточных вод от ионов тяжелых металлов

4.1 Схема очистки промывных вод мембранным методом

4.2 Схема очистки промывных вод сорбционно-ионообменным методом

4.3 Сравнительная оценка применения мембранной и сорбционно- 100 ионообменной схемы очистки

Введение Диссертация по биологии, на тему "Разработка технологий очистки сточных вод гальванических производств предприятий машиностроения на примере ОАО ХК "Барнаултрансмаш""

Актуальность темы. Загрязненные производственные стоки представляют угрозу для состояния водных объектов, так как содержат высокотоксичные вещества, среди которых наиболее опасны соединения тяжелых металлов. Последние, попадая в естественные водоемы и взаимодействуя с другими элементами, образуют чрезвычайно токсичные соединения, даже незначительные количества которых могут привести к неблагоприятным последствиям для здоровья человека и состояния окружающей среды. Тяжелые металлы, включаясь в пищевую цепь, способны концентрироваться в организмах до количеств, в сотни и тысячи раз превосходящие их содержание в природной среде. Следует отметить и то, что металлы обладают ярко выраженным эффектом суммации, из-за чего совместное присутствие нескольких элементов усиливает их токсическое действие в несколько раз [1].

Основными причинами ухудшения качества воды являются ее нерациональное использование, несовершенство существующих технологий водоочистки, что связано с отсутствием на многих предприятиях систем оборотного водоснабжения, а также высокая стоимость современных систем очистки. Сточные воды гальванических производств большинства машиностроительных предприятий вносят существенный вклад в загрязнение окружающей среды, так как содержат в себе высокотоксичные соли тяжелых металлов. Из-за многообразия гальванических процессов- в настоящее время стоки чаще всего подвергают очистке объединенным потоком. Однако такой подход не решает проблему повторного использования воды и не позволяет выделять из стоков ценные компоненты. Поэтому кардинальное решение проблемы загрязнения водных ресурсов состоит в разработке и внедрении замкнутых водооборотных циклов и ресурсосберегающих технологических процессов, что является экономически оправданным и экологически перспективным. При этом целесообразным является возвращение ценных компонентов в производственный цикл,

Реализация мероприятий по созданию малоотходных технологических процессов гальванического производства предполагает наличие современного оборудования, позволяющего обеспечить требования как технологического, так и экологического характера. При этом огромная роль отводится и материалам, с помощью которых производится очистка. Они должны удовлетворять всем требованиям, предъявляемым для целей водоочистки: быть доступными, иметь высокую механическую прочность, способность к многократной регенерации, устойчивость к агрессивным средам. Поиск таких материалов и технологий является наиболее перспективным направлением совершенствования систем очистки стоков, содержащих тяжелые металлы, в целях улучшения качества окружающей среды.

Работа выполнена на кафедре Химической техники и инженерной экологии Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова в рамках «Основных направлений по улучшению экологической обстановки, использованию, воспроизводству и охране природных ресурсов Алтайского края на 2003-2010 г.г.»; гранта Министерства образования и науки РФ и Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере «Студенты, аспиранты и молодые ученые — малому наукоемкому бизнесу «Ползуновские гранты» (2007 г.); и по тематике проблемной научно-исследовательской лаборатории АлтГТУ им. И.И. Ползунова «Рекуперация вторичных материалов промышленности».

Цель работы: разработка технологий очистки воды от ионов тяжелых металлов с применением обратноосмотических мембран и нового сорбционно-ионообменного материала на основе древесных опилок и бентонитовых глин.

Основные задачи:

- определение оптимальных параметров мембранного разделения промывных вод процессов нанесения гальванических покрытий;

- создание сорбционно-ионообменного материала на основе бентонитовых глин и древесных опилок и изучение его свойств;

- исследования по извлечению ионов тяжелых металлов сорбционно-ионообменными методами;

- изучение возможности и подбор способа регенерации сорбционно-ионообменного материала на основе бентонитовых глин и древесных опилок;

- математическая обработка экспериментальных данных процессов очистки мембранным и ионообменным методами;

- разработка технологических схем очистки промывных вод гальванических производств с использованием ионообменного и мембранного методов и их технико-экономический анализ.

Объект исследования: сточные воды гальванических производств предприятий двигателестроения на примере ОАО ХК «Барнаултрансмаш».

Предмет исследования: способы очистки промывных вод гальванических производств с использованием технологий обратного осмоса и сорбции.

Научная новизна:

- получены экспериментальные зависимости эффективности очистки от давления и производительности при извлечении ионов цинка, меди, хрома и никеля из водных растворов обратным осмосом на композитных и ацетатцеллюлозных мембранах;

- впервые предложена технология изготовления сорбционно-ионообменного материала на основе древесных опилок и бентонитовых глин;

- получены данные о статической сорбционной емкости нового материала, исследована эффективность очистки воды с его применением от ионов тяжелых металлов;

- предложены способы регенерации и утилизации сорбента;

- проведено математическое описание извлечения ионов металлов из воды методом обратного осмоса и сорбции;

- разработаны технологии мембранной и сорбционно-ионообменной очистки промывных вод от ионов тяжелых металлов с применением полимерных мембран и нового сорбционно-ионообменного материала.

Практическая значимость:

- экспериментальные данные и результаты их математического описания могут быть использованы для расчета основных параметров мембранных модулей и сорбционных аппаратов;

- получение сорбционно-ионообменных материалов позволит разрабатывать принципиально новые технологии очистки воды от ионов тяжелых металлов с эффективностью не менее 85%;

- внедрение полученных сорбентов в практику водоочистки способствует созданию на предприятиях водооборотных циклов с сокращением расходов на очистку воды на 15-30%;

- в результате внедрения предлагаемых технологий на машиностроительных предприятиях предотвращенный экологический ущерб составит 856012 и 744380 руб. при реализации соответственно обратноосмотического и сорбционного метода, кроме того, до 95% ценных компонентов будут возвращены в технологический процесс.

На защиту выносятся:

- экспериментальные зависимости эффективности очистки воды от давления и производительности обратным осмосом от ионов цинка, меди, хрома и никеля из водных растворов на композитной и ацетатцеллюлозной мембране;

- способ получения сорбционно-ионообменного материала на основе модифицированных бентонитовыми глинами древесных опилок;

- экспериментальные зависимости эффективности очистки воды от ионов цинка, меди, хрома и никеля с применением бентонитовых глин, древесных опилок и нового сорбционно-ионообменного материала;

- способ регенерации и утилизации полученного сорбционно-ионообменного материала;

- технологии очистки воды от ионов тяжелых металлов с использованием обратного осмоса и сорбции.

Реализация результатов работы

- материалы диссертационной работы приняты к внедрению на предприятиях: ОАО ХК «Барнаултрансмаш», ОАО «Алттранс»; ООО «НПО Акватех»;

- результаты диссертационной работы используется в учебном процессе на кафедре «Химическая техника и инженерная экология» ГОУ ВПО АлтГТУ им. И.И. Ползунова.

Апробация работы. Материалы диссертации ежегодно докладывались на Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодежь» (Барнаул, 2004-2009 г.г.), Всероссийской студенческой научно-практической конференции «Химия и химическая технология в XXI веке» (Томск, 2006, 2007, 2008 гг.), Международной экологической студенческой конференции «Экология России и сопредельных территорий. Экологический катализ» (Новосибирск, 2007, 2008 гг.), Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и наука - третье тысячелетие» (Красноярск, 2007 г.), Международной НПК «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири» (Томск, 2006, 2007 гг.), XI Международном научном симпозиуме им. академика М.А. Усова студентов и молодых ученых (г. Томск, 2007), XII Всероссийской НПК с международным участием «Проблемы безопасности современного мира и управление рисками» (г. Иркутск, 2007 г.), Международном симпозиуме «Межрегиональные проблемы экологической безопасности» (г. Одесса, Украина, 2007 г.), Всероссийской НПК студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь XXI века — будущее российской науки» (Ростов-на-Дону, 2007, 2008 гг.), Международной конференции «Water resources and water use problems in Central Asia and Caucasus» (Барнаул, 2007 г.), 10-й Международной НПК «Экономика, экология и общество Росси в 21 столетии» (С.-Петербург, 2008 г.), II Всероссийской НПК с международным участием «Энергетические, экологические и технологические проблемы экономики» (Барнаул, 2008), XI Международной НПК «Водоснабжение и водоотведение: качество и эффективность» (Кемерово, 2008 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 37 работ, в том числе 11 статей, 3 из них - в журналах, рекомендованных ВАК для защиты кандидатских диссертаций, 1 патент на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы, приложений. Работа изложена на 151 странице машинописного текста, включает 38 рисунков, 57 таблиц, список литературы из 97 наименований, приложения в количестве 35 страниц машинописного текста.

Заключение Диссертация по теме "Экология", Сомин, Владимир Александрович

1. Установлены технологические характеристики двух типов мембран: ацетатцеллюлозной и композитной для очистки воды от ионов меди, хрома, никеля и цинка. Более эффективная очистка (до 99%) при концентрациях от 10 до 100 мг/л ионов металлов достигается на композитной мембране при рабочем давлении от 0,7 до 1,0 МПа.2. Выявлено, что проницаемость мембран не зависит от вида изучаемого металла и практически не изменяется после многократных регенераций, при этом у композитной она в два раза больше, чем у ацетатцеллюлозной.3. Предложен способ обезвреживания хромсодержащих вод от промывки мембранных модулей с использованием железных стружек.4. Исследована статическая сорбционная емкость кальциевых и натриевых бентонитовых глин, а также древесных опилок, и методы активации бентонитов, на основании чего определены наиболее перспективные материалы для очистки воды от ионов металлов.5. Синтезирован новый сорбционно-ионообменный материал на основе бентонитовых глин и древесных опилок. Изучены его механические и гидродинамические свойства, на основании которых рекомендовано применять соотношение бентонита и опилок (1:2).6. Определены динамические и кинетические характеристики процесса сорбции ионов металлов на предложенном сорбенте: максимальная эффективность очистки составила 85-90% для указанных металлов; определено время защитного действия фильтра и время достижения полной динамической емкости как до проведения регенерации, так и после нее.7. Проведено математическое описание экспериментальных данных по очистке воды обратноосмотическим и сорбционно-ионообменным методом.8. Разработаны принципиальные технологические схемы очистки промывных вод процессов нанесения гальванических покрытий предприятий машиностроения с использованием технологий обратного осмоса и сорбции.Проведено сравнение технико-экономических показателей их реализации.9. Внедрение предлагаемых схем на машиностроительных предприятиях позволит сократить расходы по очистке воды на 15-30%, создать замкнутый водооборот, а также вернуть в производство ценные компоненты. Предотвращенный экологический ущерб от реализации данных технологий составит 856012 и 744380 руб. при внедрении соответственно обратноосмотической и сорбционной технологии.

Библиография Диссертация по биологии, кандидата технических наук, Сомин, Владимир Александрович, Барнаул

1. Зайцев В.Ф. Особенности распределения тяжёлых металлов ворганах и тканях различных видов ихтиофауны/ В.Ф. Зайцев, В.А.Григорьев, В.Н. Крючков // Вестник АТИМРПиХ. - 1993. - 69-71.

2. Найденко В.В. Очистка и утилизация промстоков гальваническихпроизводств/ В.В. Найденко, Л.Н. Губанов. - Н. Новгород: ДЕКОМ, - 1999. -368 с.

3. ГОСТ 9.305-84 Покрытия металлические и неметаллические.Операции технологических процессов получения покрытий. - М., - 1985. 71с.

4. Крыщенко К.И. Организация бессточных технологических процессовв гальваническом производстве/ К.И. Крыщенко, В.Н. Дзегиленок, А.А. Неретин, А.Г. Антонов// Экология и промышленность России. - 2003. №12.-С. 17-19.

5. Комарова Л.Ф. Инженерные методы защиты окружающей среды:Учебное пособие/ Л.Ф. Комарова, Л.А. Кормина. - Барнаул, - 2000. - 391 с.

6. Пат. 2085511 RU. Способ очистки сточных вод от ионов тяжелыхметаллов/ Кравцов Е.Е., Баязитова А.И., Шкодин Н.В., Григорьев В.А., Школа Е.В., Васкецов А.А., Бакунов В.В., Штогрин Д.Г., опубл. 27.07.1997.

7. Пат. 2003131515RU. Способ очистки сточных вод от ионов тяжелыхметаллов и сопутствующих примесей/ Чернышева Н.А., Захарова Е.В., заявл. 27.10.2003, опубл. 20.04.2005.

8. Очистка производственных сточных вод: Учебное пособие для вузов/под ред. С В . Яковлева. - М.: Стройиздат, - 1985. - 267 с.

9. Пат. 2048452 RU. Способ очистки хромсодержащих травильныхрастворов от ионов тяжелых металлов/ Вайнберг Ю.П., Каштана Э.Н., Безюлев В.В., Каплин В.Ю., опубл. 20.11.1995.

10. Петров Е.Г. Глубокая очистка хромсодержащего стокаалюмосиликатным адсорбентом./ Петров Е.Г., Заикин А.Е.// Водоснабжение и санитарная техника. - 2006, - №10. - 33-35.

11. Пат. 2010012 RU. Способ очистки сточных вод от ионов никеля/Бушковский А.Л., Кармадонов Л.Н., Бордунов В.В., заявл. 1991.09.10, опубл. 1994.03.30.

12. Пат. 2004111067 RU. Способ совместного или селективногоизвлечения ионов тяжелых металлов из водных растворов/ Величко Л.Н., Рубановская С П , Козырев Е.Н., Цогоев В.Б., заявл. 12.04.2004, опуб. 1011.2005.

13. Проскурина И.И. Использование металлургических шлаков дляочистки сточных вод от ионов тяжелых металлов/ И.И. Проскурина, СВ. Сверогузова, Н.Н. Василевич// Экология и промышленность России. — 2006,-№5.-С. 16-18.

14. Петров Е.Г. Сорбционная технология очистки производственных иповерхностно-ливневых стоков/ Е.Г. Петров, Д.С. Киричевский// Водоснабжение и санитарная техника. - 2005, - № 6. - 34-37.

15. Пат. 2189363 RU. Способ очистки сточных вод от соединенийхрома/ Дегтенев Н.И., Горчакова А.Ф., Дмитриев В.В., Прокопец В.Е., заявл. 2606.2000, опубл. 20.09.2002.

16. New wastewater treatment system removes heavy metals. Новаясистема очистки сточных вод для удаления тяжелых металлов// ScienceDaily. — 2009, retrieved March 9.

17. Пат. 2079359 RU. Способ получения сорбентов/ Величко Б.А.,Шутова Л.А., Рыжакова А.А., Абрамова Г.В., Фоменко А.С, Албулов А.И., опубл. 05.20.1997.

18. Пат. 2251449 RU. Способ получения сорбента для очистки сточныхвод/ Косов В.И., Баженова Э.В., Ходяков Г.М., Ходякова Т.Г., Савенкова Е.Н., опубл. 05.10.2005.

19. Пат. 2313388 RU. Способ получения сорбента для очисткитехнологических сточных вод от ионов тяжелых металлов/ Фомин В.В., Каблуков В.И., Мержоев A.M., опубл. 12.272007.

20. Пат. 2291113 RU. Способ очистки сточных вод от ионов хрома (III)и (VI)/ Жукова И.Л., Орехова Е., Ашуйко В.А., Хмылко Л.И., опубл. 01.10. 2007.

21. Багровская Н.А. Сорбционные свойства модифицированныхдревесных опилок/ Н.А. Багровская, Т.Е. Никифорова, В.А. Козлов, А. Лилин//Химия в интересах устойчивого развития. - 2006, - №1, т. 14. 1-7.

22. Лиштван И.И. Очистка сточных вод от металлов-экотоксикантовторфяными препаратами/ И.И. Лиштван, В.М. Дударчик, С И . Коврик, Т.П. Смычник// Химия и технология воды. - 2007, - №1, т. 29. - 67-73.

24. Пат. 94001964 RU. Способ ионообменной очистки сточных вод оттяжелых металлов/ Хазель М.Ю., Малкин В.П., заявл. 21.01.1994, опубл. 1003.1998.

25. Пат. 2221752 RU. Способ извлечения ионов металлов из растворов./Самойленко А.Ю., Тужиков О.И., Тужиков О.О., Хохлова Т.В., опубл. 2001.2004.

26. Поворов А.А. Замкнутый водооборот и регенерация рабочихрастворов в гальваническом производстве/ А.А. Поворов, В.Ф. Павлова, Н.А. Шиненкова, О.Ю. Логунов// Экология производства. - №4, - 2009. - 62-64.

27. Поворов А.А. Основы мембранной технологии. Учебное пособие/А.А. Поворов, В.Ф. Павлова, Л.В. Ерохина, И.И. Начева, О.Н. Коломийцева. -Владимир,- 1989. - 98 с.

28. Белогородский А.А. Тенденции и перспективы применениямембранных технологий в системах водоснабжения и водоотведения/ А.А. Белогородский, В.К. Лапшин// Питьевая вода. - 2006, - №2. - 9-13.

29. Родионов А.И. Технологические проблемы экологическойбезопасности/ А.И. Родионов, В.Н. Клушин, В.Г. Систер. - Калуга: изд-во Н.Бочкаревой, - 2000. - 800 с.

30. Пат. 2056367 RU. Способ очистки сточных вод от хрома и тяжелыхцветных металлов и устройство для его осуществления (его варианты)/. Халемский A.M.; Паюсов А., опубл. 20.03.1996.

31. Пат. 92003119 RU. Способ очистки сточных вод от ионов тяжелыхметаллов/Харзеева Э., Гень Л.И., заявл. 02.11.1992, опубл. 10.06.1996.

32. Пат. 2008269 RU. Способ очистки сточных вод гальваническихпроизводств/ Шпиз Л.Л., Киршина Е.Ю., Колышева О.В., Чавычалова В.И., Славинский А.С., Нечаев А.П., опубл. 28.02.1994.

33. Васильев, И.Л. Электролитические методы очистки гальваностоковв машиностроительном производстве/ И.Л. Васильев, З.К. Васенина// Экология и промышленность России. - 2007, - №4. - 16-17.

34. Пат. 93009561 RU. Способ очистки водных растворов от никеля/Банников В.В., Львович Ф.И., Вальков Л.Н., заявл. 03.15.1993, опубл. 2701.1996.

35. Баймаханов, М.Т. Очистка и контроль сточных вод предприятийцветной металлургии/ М.Т. Баймаханов, К.Б. Лебедев, К.Н. Антонов, А.И. Озеров. -М.: Металлургия, 1983. — 192 с.

36. Ghaffar, А. Удаление и стабилизация хрома из сточных вод.Removal and stabilization of chromium ions from industrial effluents/ Abdul Ghaffar// Химия в интересах устойчивого развития. - 2005, № 5. 669-675.

37. Beltran, Michael R. Heavy metal ion removal and wastewater treatmentby combined magnetic particle and 3-D electrochemical technology heavy metal/ Michael R Beltran, Vladimir R. Mindin, Rita V. Drondina. Approved for public release.-01.03.1996.-124 p.

38. Пат. 2183589 RU. Способ очистки сточных вод от хрома.Быковский Н.А., Пучкова Л.Н., Шулаев Н.С., Абрамов В.Ф., Рыскулов Р.Г., опубл. 06.20. 2002.

39. Родионов А.И. Защита биосферы от промышленных выбросов.Основы проектирования технологических процессов/ А.И. Родионов, Ю.П. Кузнецов, Г.С. Соловьев. - М.: Химия, КолосС, 2007. - 392 с.

40. Аксенов В.И. Переработка хромсодержащих стоков с рециклингомсоединений хрома/ В.И. Аксенов, В.А. Никулин, И.И. Ничкова// Экология производства. - 2008, - №6 - 68-70.

41. Пат. 5002059 RU.Cnoco6 биохимической очистки сточных вод отионов цинка/ Сагадеева Л.В., Макарова Н.А., Олешкевич Е.А., заявл. 0309.1991, опубл. 30.11.1994.

42. Морозов Д.Ю. Биосорбционная обработка сточных водгальванических производств/ Д.Ю. Морозов, М.В. Шулаев, И.А. Храмова, Г.Ф. Фаттахова// Экология и промышленность России. - 2007, - №8. 11-13.

43. Морозова Д.Ю. Биосорбционная обработка сточных водгальванических производств/ Д.Ю. Морозова, М.В. Шулаев, И.А. Храмова, Г.Ф. Фаттахова// Экология и промышленность России. — 2007, - №8. 11-13.

44. Франк Ю.А. Анаэробная очистка вод от сульфатов и тяжелыхметаллов/ Ю.А. Франк, С В . Лушников// Современные технологии и оборудование. - 2006, - № 1 . - 48-51.

45. Дытнерский Ю.И. Обратный осмос и ультрафильтрация/Ю.И. Дытнерский. - М.: Химия, - 1978. - 352 с.

46. Дытнерский Ю.И. Обратный осмос и ультрафильтрация/Ю.И. Дытнерский. - М.: Химия, - 1981. - 464 с.

47. Карелин Ф.Н. Обессоливание воды обратным осмосом/Ф.Н. Карелин. - М.: Стройиздат, - 1988. - 208 с.

48. Glueckauf, Е. On the Mechanism of Desalination with PorousMembranes: Proc. I-st Intern. Symp.on Water Desalination/ E. Glueckauf Washington, - 1965.

49. Дерягин Б.В. Теория разделения растворов методом обратногоосмоса/ Б.В. Дерягин, Н.В. Чураев, Г.А. Мартынов и др.// Химия и технология воды. - 1981, - №2, т.З. - 99-104.

50. Духин С. Обратный осмос, нерастворяющий объем, химическийпотенциал иона/ С. Духин, А.Ю. Гаевский, А.Э. Ярощук// Химия и технология воды. - 1983, — №1, т.5. - 13-21.

51. Шапошник В.А. Природные материалы для изготовления мембран/В.А. Шапошник//Журн. аналит. химии. - 1999, - № 1 . - 152-158.

52. Смирнов, А.Д. Сорбционная очистка воды/ А.Д. Смирнов. - Л.:Химия,-1982.-168 с.

53. Тимонин А.С. Инженерно-экологический справочник. Т.2/ А.С.Тимонин. - Калуга: Изд-во научной литературы Н.Ф. Бочкаревой, - 2003. 884 с.

54. Ильин В.И. Электромембранные процессы при утилизацииконцентрированных солевых растворов/ В.И. Ильин, В.А. Колесников, С О . Вараксин, Ю.И. Паршина// Экология производства. - 2005, - №5. - 50-52.

55. Швецов В.Н. Теоретические и технологические аспектыприменения биомембранных технологий глубокой очистки сточных вод/ В.Н. Швецов, К.М. Морозова, И.А. Нечаев, А.В. Киристаев// Водоснабжение и санитарная техника. — 2006, — №12. - 25.

56. Лурье Ю.Ю. Унифицированные методы анализа вод/ под ред. Ю.Ю.Лурье. Изд. 2-е, исправленное. - М.: Химия, - 1973. - 376 с.

57. Государственный контроль качества воды/ Изд. 2-е, перераб. и доп.- М.: ИПК издательство стандартов, - 2003. - 776 с.

58. Пат. 2345834 RU. Способ получения фильтровально-сорбционногоматериала/ Кондратюк Е.В., Комарова Л.Ф., Лебедев И.А, Сомин В.А., заявл. 23.07.2007, опубл. 10.02.2009.

59. Сомин В.А. Разработка технологии регенерации промывных водванн никелирования/ В.А. Сомин, М.А. Полетаева, Е.Н. Лобанова, В.О. Буравлев// Сб. докладов VII Межрегиональной НПК студентов и аспирантов, Новокузнецк, -2007. - 37-39.

60. Сомин В.А. Исследования по очистке промывных вод процессацинкования/ В.А. Сомин, Л.В. Шнейдер, М.А. Полетаева// Сб. материалов

61. Всероссийской НПК студентов и аспирантов «Химия и химическаятехнология в XXI веке», Томск: издательство ТПУ, - 2008. - 288-289.

62. Сомин В.А. Новый сорбент на основе природных материалов дляочистки гальванических стоков Текст./ В.А. Сомин, Л.Ф. Комарова// Экология и промышленность России, №9 - 2009. - 26-29.

63. Лебедев И.А. Полный факторный эксперимент. Методическиеуказания по курсу «Математическое моделирование»/ И.А. Лебедев, Н.Г. Андреева, - Барнаул: издательство АлтГТУ им. И.И. Ползунова, - 2003. 15 с.