Снижение техногенной нагрузки в районе машиностроительного предприятия

Марасанов, Денис Иванович

Автореферат диссертации по теме "Снижение техногенной нагрузки в районе машиностроительного предприятия"

На правах рукописи

МАРАСАНОВ Денис Иванович

РГБ ОН

2 С /мя ;гпп

СНИЖЕНИЕ ТЕХНОГЕННОЙ НАГРУЗКИ ^ В РАЙОНЕ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНОГО ПРЕДПРИЯТИЯ

(НА ПРИМЕРЕ ОАО «БАЛТИЙСКИЙ ЗАВОД»)

Специальность 11.00.11 -

Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2000

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В.Плеханова (техническом университете)

Научный руководитель: заслуженный деятель наук РФ, доктор технических наук, профессор

Ю. В. Шувалов

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

О.Г.Воробьев,

кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник

Н.М. Теляков Ведущая организация: ОАО «Балтийский завод»

Защита диссертации состоится 30 июня 2000 г. в 13 ч 15 мин на заседании диссертационного совета Д 063.15.11 в Санкт-Петербургском государственном горном институте им. Г.В.Плеханова по адресу: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д. 2, ауд. № 1206 .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного института.

Автореферат разослан 30 мая 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., доцент

А.Н.МАКОВСКИИ

К663.05Ч. 1-43,0

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В последние десятилетия, как в нашей стране, так и за рубежом, остро встал вопрос об утилизации техногенных отходов. Содержания вредных веществ в подземных и поверхностных водах, зачастую, превышают значения норм ПДК. При этом особую роль в загрязнении окружающей среды играют гальванические отходы. Используемые в гальваническом производстве электролиты образуют токсичные сточные воды, содержащие цианистые соединения, ионы тяжелых цветных металлов, поверхностно активные вещества и т.д. Такие загрязнения являются сильными ядами, способными уничтожить биоту в естественных водах и сооружениях биологической очистки. Вещества-загрязнители попадают в окружающую среду вместе с промышленными сточными водами как после стадий их очистки, так и в результате выщелачивания твердых токсичных отходов гальванического производства кислыми ливневыми водами.

На отечественных предприятиях очистку сточных вод гальванотехники, в основном, осуществляют на станциях нейтрализации, в результате тяжелые металлы осаждаются в виде гидроксидов и карбонатов. Получаемые продукты - кеки, представляют собой смеси гидроксидов и карбонатов тяжелых металлов с гипсом и имеют влажность 85-90%. Проблема минимизации сточных вод гальванотехники решается, главным образом, путем внедрения в уже существующие технологические схемы таких мероприятий, как оптимизация межоперационной промывки, внедрение безреагентных методов очистки стоков, позволяющих существенно сократить объемы получаемых гальванических шламов и повысить глубину очистки.

Гальванические кеки - многокомпонентные продукты, и их полная переработка является сложной технологической задачей. К сожалению, до сих пор еще доминирует взгляд на кеки как на вредные отходы, что и определяет пути их ликвидации. В литературе практически отсутствуют данные о разработках, направленных на переработку кеков гальванопроизводства, и получения продуктов, пригодных для использования в народном хозяйстве. В частности, стремление перевести их в водонерастворимое состояние, связывая с другими материалами.

Например, используют кеки как компонент стройматериалов, керамики, асфальтовой смеси, решая таким образом проблему их утилизации. Однако при этом безвозвратно теряются такие ценные компоненты кеков как цветные металлы. Попытки выделения цветных металлов в виде конечных продуктов или полупродуктов предпринимались рядом исследователей, но достаточно эффективная технология до конца так и не была разработана.

Цель работы - снижение техногенной нагрузки на окружающую среду от захоронения отходов гальванического производства путем внедрения комплекса технологических решений, направленных на утилизацию кеков гальванических производств.

Идея работы заключается в переработке осадков очистных сооружений гальваноцехов традиционными методами гидрометаллургической технологии с попутным получением тяжелых цветных металлов (ТЦМ) в качестве конечных продуктов.

Основные задачи работы:

- анализ и оценка совокупности факторов, влияющих на здоровье и жизнедеятельность человека в зоне влияния крупных городов и промышленных агломераций;

- анализ воздействия на окружающую среду предприятий машиностроения и, в частности, АО "Балтийский завод"; сточные воды гальванических и травильных отделений, сточные воды, содержащие поверхностно-активные вещества, способы их нейтрализации, переработка шламов гальванических производств;

- постановка задачи исследования возможности переработки гальванических кеков и создание методик исследования;

- отработка отдельных стадий технологии переработки кеков гальванических производств и выбор рациональных параметров технологического варианта утилизации на примере продуктов, взятых на АО "Балтийский завод";

- эколого-экономическая оценка предлагаемой технологии утилизации гальванических кеков на примере АО "Балтийский завод".

Научная новизна работы заключается в установлении закономерностей хода процесса переработки гальванических отходов от различных технологических параметров работы установок.

Научная значимость работы:

- определены основные направления утилизации кеков гальванического производства, представлена технологическая схема и, схема цепи аппаратов процессов переработки гальванических кеков;

- разработана методическая основа для лабораторных исследований процессов гидрометаллургической переработки гальванических кеков;

- установлены зависимости термодинамической вероятности ведения процессов выщелачивания от температуры;

- на основании экспериментальных данных по растворению гальванических кеков получены основные кинетические зависимости.

Основные защищаемые положения:

1. Развитие общества связано с концентрацией основной части населения в крупных городах и промышленных агломерациях, обеспечивающих высокую экономическую эффективность производства и комфортность проживания, при одновременном создании агрессивной искусственной окружающей среды, в формировании которой активную роль играют техногенные источники.

2. Машиностроительные предприятия на территории городских и промышленных агломераций являются источниками опасных отходов, содержащих в сточных водах тяжелые цветные металлы и их соединения, которые могут быть в значительной мере нейтрализованы и использованы в качестве техногенного сырья при проведении очистки сточных вод гальваноцехов и получения кеков.

3. Рациональной технологией переработки токсичных гальванических отходов является перевод ценных компонентов кеков в раствор с последующим их селективным выделением цементацией и рафинированием.

4. Выбор рациональных параметров установки для утилизации гальванических кеков должен осуществляться на основе снятия кинетических кривых с последующей обработкой результатов методом, разработанным институтом "Гипроникель", что обеспечивает снижение экологической нагрузки на окружающую среду и получение экономического эффекта в основном производстве.

Методы исследований. Для решения поставленных задач использован комплексный подход, включающий системный анализ проблемы по научной литературе, лабораторные исследования отдельных технологических стадий процесса переработки гальваниче-

ских кеков, эколого-экономическую оценку предлагаемых в работе технологических решений.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается использованием большого объема исходных данных, современных методов исследований, хорошей сходимостью экспериментальных данных с данными теоретических исследований.

Практическая значимость работы заключается в обосновании и разработке технологических решений утилизации отходов гальванического производства, позволяющих снизить техногенную нагрузку на окружающую среду от их захоронения.

Лично автором:

- проведен анализ состояния городских и промышленных агломераций, показаны основные пути загрязнения окружающей среды крупных городов и промышленных центров;

- проведен анализ воздействия предприятий машиностроения на окружающую среду, показаны основные пути переработки сточных вод гальванических и травильных производств, утилизации сточных вод, содержащих поверхностно-активные вещества, переработки и кондиционирования кеков гальванического производства;

- разработана технологическая схема и схема цепи аппаратов предлагаемой технологии переработки кеков гальванического производства;

- представлены и опробованы методики гидрометаллургической переработки гальванических кеков;

- проведены экспериментальные исследования по оптимизации отдельных стадий процесса переработки гальванических кеков;

- проведена эколого-экономическая оценка представленной технологии переработки кеков гальванического производства.

Апробация работы. Основные положения работы в целом и отдельные ее этапы обсуждались и получили одобрение в Санкт-Петербургском государственном горном институте (Техническом университете) на конференциях "Полезные ископаемые России и их освоение в 1997 - 2000 годах, Балтийском государственном университете на конференции "Новое в экологии" в 1999 году, Институте проблем региональной экономики РАН в 1998 - 1999 годах, в Санкт-Петербургском государственном техническом университете в 1997 году, на конференции Металлургические технологии и экология в рамках выставки "Металлургия-99" в 1999 году.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 11 печатных работах.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Изложена на 194 страницах машинописного текста, содержит 32 рисунка, 34 таблицы и список литературы из 119 наименований.

Автор приносит искреннюю благодарность научному руководителю, заведующему кафедрой экологии, аэрологиии и охраны труда, проф. Ю.В.Шувалову, в.н.с. М.Ш.Баркану и сотрудникам кафедр ЭА и ОТ, МЦМ и ОФХ за ценные советы, внимание и помощь, оказываемые в процессе выполнения работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первая глава диссертационной работы посвящена анализу воздействия крупных городов и промышленных агломераций на окружающую среду. Дан детальный анализ и оценка основных путей нарушения и загрязнения геологической среды, атмосферы и водных ресурсов.

Во второй главе выполнен анализ существующих технологических процессов предприятий машиностроения на примере ОАО "Балтийский завод", выявлены основные источники их негативного воздействия на окружающую среду. Рассмотрены различные методы очистки сточных вод, даны основные рекомендации по снижению техногенной нагрузки от сточных вод предприятий машиностроительной отрасли, рассмотрена возможность проведения процессов переработки кеков гальванического производства.

Третья глава посвящена решению проблемы утилизации кеков гальванических производств путем отработки отдельных стадий технологии их переработки, предполагающей получение широкого спектра товарных продуктов, пригодных для использования в народном хозяйстве. В главе описана методическая часть, представлены компьютерные программы, описывающие ведение процессов выщелачивания кеков гальванопроизводства, результаты экспериментальных исследований.

В четвертой главе диссертационной работы проведена эколого-экономическая оценка и оценка экономической эффективности

предлагаемой технологии переработки кеков гальванического производства. Представлена технологическая и аппаратурная схемы, проведены расчеты предотвращенного экологического ущерба и себестоимости переработки отходов гальванотехники. На основании представленных материалов даны рекомендации к промышленной реализации.

Результаты исследований объединены в четыре основных защищаемых положения:

1. Развитие общества связано с концентрацией основной части населения в крупных городах и промышленных агломерациях, обеспечивающих высокую экономическую эффективность производства и комфортность проживания, при одновременном создании агрессивной искусственной окружающей среды, в формировании которой активную роль играют техногенные источники.

Современное состояние экологии городов не может не вызывать тревогу в связи с ростом численности населения и усиливающимся негативным влиянием техногенного воздействия. Эти факторы приводят к росту городских территорий, сопровождающихся деградацией земельных ресурсов, сокращением площадей лесов и плодородных земель, заражению вредными веществами. Так, рост городских территорий сегодня в два раза выше, чем рост городского населения. При этом крупные города и промышленные агломерации оказывают значительное (до 50 собственных радиусов) влияние на прилегающую территорию.

Под действием различных видов отходов формируется разная техногенная геохимическая нагрузка на природную среду, которая определяется количеством поступающих загрязняющих веществ. Отходы каждой отрасли промышленности имеют свою специфическую геохимическую характеристику. В условиях города активно проявляются экологически опасные факторы, меняющие свое значение в процессе его эволюции.

Отходы гальванических производств - один из источников загрязнения окружающей среды ионами тяжелых цветных металлов. Используемые в гальваническом производстве электролиты образуют токсичные сточные воды, содержащие цианистые соединения, ионы тяжелых металлов, поверхностно активные вещества и т.д.

Определены только некоторые отдельные последствия загрязнения вод ионами тяжелых металлов. Применяемая многолетняя практика разбавления сточных вод до норм ПДК привела к негативным последствиям.

Во-первых, рассеивание ионов тяжелых металлов и других отходов гальванических производств привело к снижению продуктивности первичных пищевых цепей

Во-вторых, рассеивание в больших объемах вод ионов тяжелых металлов приводит к накоплению этих веществ, в том числе в живых организмах, обитающих в этой среде. Содержание тяжелых металлов в морских организмах может превышать их количества в воде в десятки тысяч раз. Употребление в пищу организмов, накопивших в себе соединения тяжелых металлов, крайне опасно для человека. В случае превышения содержания металлов в организме человека, также наступают негативные последствия.

2. Машиностроительные предприятия на территории городских и промышленных агломераций являются источниками опасных отходов, содержащих в сточных вод тяжелые цветные металлы и их соединения, которые могут быть в значительной мере нейтрализованы и использованы в качестве техногенного сырья при проведении очистки сточных вод гальваноцехов и получения кеков.

Основными источниками загрязнения окружающей среды на машиностроительных предприятиях являются: литейное производство, травильные и гальванические цеха, цеха механической обработки, сварочные и покрасочные цеха и участки. Из общего количества сточных вод машиностроительных предприятий около 75% составляют сточные воды, содержащие механические загрязнения, около 20% - масло и нефтепродукты, химические загрязнения - около 5%. Самое сильное загрязнение водоемов и водотоков вызывают сточные воды гальванических и травильные отделений, которые на некоторых предприятиях составляют до 50% общего стока. Существуют следующие методики очистки гальваностоков: Наибольшее распространение получили рвагентный и электро-коагуляционный методы очистки гальваностоков. Данные методы характеризуются большими объемами получаемых осадков и, кроме того, требуют дополнительных затрат на доочистку стоков. Такие методы как ионный обмен и электродиализ, а также методы улыпра-

и гиперфильтрации получили широкое распространения на стадиях доочистки стоков гальванических производств.

В результате очистки сточных вод гальванотехники образуются осадки, содержащие гидроксиды металлов и сульфат кальция (натрия). Эти осадки отфильтровывают и получают кеки. Согласно нормативным документам такие отходы следует, преимущественно, отнести к II и III классам опасности.

По содержанию меди, никеля и цинка, гальванические кеки превосходят окисленные руды этих металлов. Так, в медно-порфировых рудах содержание меди составляет 0,6 - 1,5 %, содержание никеля в его окисленных рудах лежит в пределах 0,3 - 0,9 %, а в окисленных рудах цинка его содержится 1 - 3 %. Поэтому кеки гальванического производства следует признать ценным техногенным сырьем для получения тяжелых цветных металлов.

Полученные данные позволяют сделать вывод о целесообразности и необходимости прекращения захоронения кеков гальванического производства и создании эффективной технологии их утилизации с попутной регенерацией ценных компонентов.

3. Рациональной технологией переработки токсичных гальванических отходов является перевод ценных компонентов кеков в раствор с последующим их селективным выделением цементацией и рафинированием.

Взятые на предприятии ОАО "Балтийский завод" гальванические кеки, по результатам химического анализа, имели следующий химический состав (табл.1):

Таблица 1

_Состав гальванических кеков АО "Балтийский завод", %.

Fe Zn Cr Ni Си Влага

19.2 1.7 11.8 1.2 1.0 82

Рис.1 Технологическая схема процесса утилизации гальванических кеков. 11

Переработку кеков гальванических производств было решено вести по схеме, представленной на рисунке 1. Экспериментальные исследования включали в себя процессы растворения, фильтрации, корректировки рН раствора сульфатов тяжелых металлов, селективное выделение меди из раствора методом цементации. Реализация подобной технологии переработки гальванических кеков позволит утилизировать основную массу отходов данного типа с получением широкой номенклатуры товарных продуктов.

Предварительные эксперименты по сернокислотному выщелачиванию гальванических кеков показали степень извлечения основных рассматриваемых в работе металлов на уровне 99%. Для проведения экспериментальных исследований по выбору рациональных параметров процесса выщелачивания и селективного выделения отдельных ценных компонентов раствора выщелачивания, была собрана следующая лабораторная установка (рис.2).

По результатам экспериментальных исследований, в виду кинетического лимитирования процесса растворения кеков гальваниче-

Рис.2 Схема лабораторной установки для проведения процессов выщелачивания и селективного выделения отдельных компонентов раствора.

где 1 - механическая мешалка, 2 - стеклянный перемешивающий элемент, 3 - реактор, 4 - электроплитка, 5 - терморегулятор, 6 -лабораторный трансформатор.

ского производства, представляется целесообразным вести процесс при максимально высоких температурах и минимальных энергозатратах. Эта задача может быть достигнута за счет использования тепла экзотермической реакции растворения гальванического кека при реакции с концентрированной серной кислотой. При этом температура ведения процесса составит порядка 40 - 45°С, время полного растворения - 60 минут.

С целью концентрирования ТЦМ в растворе и снижения расхода реагентов целесообразно проводить его рециркуляцию - повторно выщелачивая кеки гальванического производства. Эксперименты показали высокое извлечение меди в раствор - порядка 99% (на уровне выщелачивания свежей серной кислотой) (рис.3):

В результате удалось увеличить концентрацию меди в растворе с 2 г/л (при одноступенчатом цикле выщелачивания) до 12 г/л. Вместе с тем, отмечено возрастание времени полного растворения т с ростом числа ступеней рециркуляции. Так, если при выщелачивании гальванического кека концентрированной серной кислотой время полного растворения составляет менее 1 часа, то при выщелачивании оборотным раствором после пятой ступени рециркуляции время полного растворения составляет уже порядка 1.5 часов (рис.4).

Таким образом, дальнейшее увеличение числа ступеней следует признать нецелесообразным вследствие резкого возрастания времени полного выщелачивания.

Расчеты показали, что при повторном выщелачивании гальванического кека оборотным раствором в связи с высокой влажностью исходного кека, объем жидкой фазы возрастает, что приводит, в частности, к его разубоживанию.

Наиболее перспективным, на наш взгляд, является естественная сушка гальванического кека. Такой подход позволяет без существенных затрат сократить количество жидкой фазы в продукте, поступающем на переработку при организации рецикла при выщелачивании. Практика проведения рецикла при вьгщелачиваннии в лабораторных условиях показала необходимость снижения влажности лишь до, порядка, 55 - 60 %. Таким образом, оказалось достаточной предварительная сушка материала в естественных условиях в течение недели (рис.5).

Рис.3 Зависимость концентрации меди от числа ступеней рециркуляции (где I - III - номер серии опытов).

Рис.4 Кривая зависимости времени выщелачивания от числа ступеней рецикла.

Рис.5 График зависимости остаточной влажности от времени исследования.

Очистку технологического раствора от меди с попутным извлечением цементной меди в качестве полупродукта вели методом цементации.

В общем виде, процесс цементации может быть описан реакцией: ггМех+ + гхМех ггМех + 2хМег+ (1)

где Mei - примесь металла в электролите; Ме2 - более электроотрицательный металл, чем примесь; zi и z2 - коэффициенты, выравнивающие уравнение.

Наличие в технологическом растворе переработки гальванического кека ионов цинка позволило выбрать цинковую пыль в качестве металла-цементатора для очистки раствора от ионов меди с попутным получением цементной меди как полупродукта.

Зависимость скорости цементации меди цинком из растворов сульфатов ТЦМ от величины рН показала, что максимальная скорость цементации наблюдается при рН 4.0. Снижение скорости цементации при рН < 4 можно объяснить протеканием на катодных участках цементационных элементов конкурирующего процесса выделения водорода. Ведение процесса цементации при рН > 4 невозможно вследствие выпадения ТЦМ в осадок в виде гидроксидов.

Корректировка рН раствора перед цементацией цинковым порошком производилась кристаллической содой, что обуславливалось нежелательностью разубоживання раствора выщелачивания. Нейтрализация серной кислоты в растворе протекает по следующей формуле:

H2SO,- 2NaHC03<->Na2S04 > 2Н20 - 2С02 Т (2)

В процессе нейтрализации, при выделении углекислоты и вследствие наличия в растворе некоторого количества ПАВ, идет активный процесс пенообразования. Было применено механическое разрушение пенного слоя. Данный способ не требует существенных материальных затрат, в частности, на химические реагенты.

В процессе цементационной очистки раствора от меди цинковый порошок использовался в двукратном избытке, процесс велся при температуре раствора t~20°C. В результате передела получена цементная медь (порядка 35 - 45% от общей массы всего цементного продукта).

4. Выбор рациональных параметров работы установки для утилизации гальванических кеков должен осуществляться на основе снятия кннетнческнх кривых с последующей обработкой результатов методом, разработанным институтом "Гипрони-кель", что обеспечивает снижение экологической нагрузки на

окружающую среду и получение экономического эффекта в основном производстве.

С целью рассмотрения зависимости времени полного растворения от таких параметров процесса выщелачивания, как температура и концентрация активного реагента, была использована методика определения кинетических характеристик, описанная Вигдорчиком Е.М. и Шейниным А.Б. Использование данной методики позволило создать программу расчета кинетических характеристик процесса растворения кеков гальванических производств, обеспечивающую возможность последующего аналитического выбора параметров ведения процесса выщелачивания в широком диапазоне температур и концентраций.

Для определения энергии активации необходимо провести два периодических опыта при различных температурах. В каждом из этих опытов определяют зависимость доли нерастворившегося компонента от продолжительности растворения.

Энергию активации вычисляют по формуле:

где Е - энергия активации, Т] и х2 - время, соответственно, для первого и второго опыта, Т1 и Т2 - температура ведения процесса выщелачивания в первом и во втором опытах.

Для определения порядка реакции необходимо провести два периодических опыта при одной и той же температуре, но при различных начальных концентрациях активного реагента. В этих опытах определяется зависимость доли нерастворившегося компонента от продолжительности растворения

Расчетная формула для определения порядка реакции, принимает вид:

где а - порядок реакции, С1 и Сг - соответственно, концентрация активного реагента в первом и втором опытах.

Время полного растворения рассчитывается по формуле:

Е =

2.37Мё(г2/г,)

1 /г2 -1/7;

(3)

18(Г2/Г,)

1 ё(С,/С2)

(4)

я г, т„

г = тое °\С0!С)а (5)

Таким образом, зная энергию активации Е, порядок реакции а и время полного растворения т„ при некоторых фиксированных значениях Т0 и С0 по формуле (5) можно вычислить время полного растворения г при любых других значениях Г и С.

Экспериментальное определение энергии активации: в результате проведенных при температуре 40°С, 55°С и 70°С опытов экспериментально получены данные и построены графические зависимости С = /(г). Расчет энергии активации проводился по формуле (3), и по данным графика (рис.6):

Рис.6 График зависимости изменения концентрации меди от времени при Т=40°С, Т=55°С, Т=70°С.

Результаты проведенных исследований позволяют с уверенностью говорить не только о кинетическом лимитировании процесса выщелачивания гальванического кека (ЕСи=15.7 кДж/моль), но и наглядно демонстрируют возможность ведения процесса при низких температурах, что, в свою очередь, ведет к снижению затрат на по-

догрев технологического раствора и поддержанию высокой температуры.

Экспериментальное определение порядка реакции: были проведены опыты при начальной концентрации активного компонента (серной кислоты) равной 240 и 315 г/л и построены графические зависимости С = /(г). Расчет порядка реакции проводился по формуле (5) и по данным графика (рис.7):

15

30

СЯ2504 315

45

60

Т, мин

Рис.7 График зависимости изменения кон-

центрации меди от времени при

И СПг80< =315 Г/Л"

=240 г/л

Определение времени полного растворения: на основании полученных ранее опытным путем данных об энергии активации и порядке реакции были проведены расчеты времени полного растворения гальванического кека. Для опыта с технологическими параметрами 1=40°С, СЯ2да4 =240 г/л время полного растворения т получилось равным 46 минутам, что вполне удовлетворяет результатам экспериментально полученной графической зависимости (рис.6).

В качестве технологических параметров для ведения процесса выщелачивания были выбраны: Т=30°С, =200 г/л. Проведен-

ные расчеты показали, что время полного растворения кека составит т=62 минуты. Эксперименты по выщелачиванию гальванического кека при этих значениях Т, С и т показали извлечение основных компонентов в раствор на 99%.

Для оценки получаемого эколого-экономического эффекта в результате внедрения предлагаемой технологии утилизации кеков гальванического производства, был проведен расчет предотвращаемого экологического ущерба при переработки отходов гальванотехники, отправлявшихся ранее на захоронение на полигон "Красный Бор"

Учитывая специфику гальванических отходов, экономическая оценка предотвращенного экологического ущерба определяется от следующих факторов, влияющих на величину предотвращаемого на территории субъекта Российской Федерации экологического ущерба:

- объемы использованных, обезвреженных отходов, не поступивших на размещение, а также снижение объемов размещенных отходов в результате их вовлечения в хозяйственную деятельность;

- снижение загрязнения земель химическими веществами;

- уменьшение площадей деградированных земель.

Экономическая оценка предотвращаемого экологического ущерба осуществляется по каждому вышеназванному направлению за отчетный период времени (1999 год) суммарно на основе нормативных стоимостных показателей.

В результате расчетов, суммарный предотвращенный экологический ущерб, полученный от переработки вывозимых на полигон "Красный бор" гальванических отходов, из расчета 2 тыс.тонн/год составит 550 тыс.руб.

Суммарный экономический эффект от внедряемой технологии переработки кеков гальванического производства будет складываться от:

- сокращения отчислений за размещение отходов. В настоящее время, сумма отчислений за размещение отходов III класса опасности составляет 1.9 тыс.руб/т;

- снижения затрат на подсушивание кеков, за счет использования в технологическом процессе отходов высокой влажности (60 - 80%), тогда как отходы, отправляемые на захоронение, требуют дополнительных затрат на их кондиционирования до влажности менее 40%;

- получения широкого спектра товарных продуктов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе поставлена и решена актуальная проблема современного машиностроительного производства - снижение техногенной нагрузки на окружающую среду путем утилизации кеков гальванического производства с попутным извлечением тяжелых цветных металлов в качестве конечных продуктов. Актуальность этой работы определяется необходимостью сокращения объемов вывозимых на полигоны токсичных промышленных отходов, снижением риска попадания ионов тяжелых цветных металлов в подземные и поверхностные воды и снижением негативного воздействия предприятий машиностроительного комплекса на окружающую среду. Метод технологичен, не влияет на основные производственные процессы, не сопровождается вредными выбросами в атмосферу.

Основные выводы по работе сводятся к следующему:

1. Крупные города и промышленные агломерации оказывают значительное влияние на окружающую среду. Человеческая деятельность приводит к комплексному нарушению и загрязнению геологической среды, атмосферы и водных ресурсов. При этом отходы производства (в частности, гальванические отходы) следует рассматривать как продукты незавершенного производства - потенциальные вторичные материальные ресурсы, образование которых связано с недостаточным уровнем технологии добычи, переработки или с невостребованностью возможным потребителем.

2. Основными источниками загрязнения окружающей среды на предприятиях машиностроения являются: литейное производство, травильные и гальванические цеха, цеха механической обработки, сварочные и покрасочные цеха и участки. Наиболее опасные отходы получаются после очистки сточных вод гальванических производств, которые, согласно нормативным документам, следует отнести ко 2 - 3 классу опасности. Такие отходы имеют влажность по-

рядка 85 - 95 % и содержат железо - десятки процентов, хром - от нескольких процентов до десяти и выше, медь, никель, цинк - 1 -

3%.

3. Основными путями снижения техногенной нагрузки от гальванотехнических производств является совершенствование межоперационной промывки, внедрение таких не получивших широкого распространения методов, как ионный обмен, электродиализ, ультра- и гиперфильтрации на стадиях доочистки сточных вод, переработка гальванических кеков. Вследствие высокого содержания в гальванических кеках тяжелых цветных металлов и хорошей вскрываемо-стью кислотами, их следует признать ценным сырьем для получения товарных продуктов, пригодных для дальнейшего использования в народном хозяйстве.

4. При проведении экспериментальных исследований по утилизации кеков гальванических производств можно опираться на традиционные методики для описания и проведения исследований. В частности, использование метода Улиха для термодинамических расчетов, Вигдорчика и Шейнина для расчета кинетических характеристик процесса выщелачивания, использования потенциометри-ческого титрования при определении содержания свободной серной кислоты в растворе.

5. На основании проведенных исследований установлены термодинамические и кинетические закономерности ведения процесса переработки гальванических кеков. Так, доказано кинетическое лимитирование процесса растворения (энергия активации составляет ЕСо=15.7кДж/моль). Разработаны принципиальные технологические схемы реализации технологии получения вторичного металла из гальванического кека, включающие в себя перевод ценных компонентов кека в раствор, селективное выделение отдельных компонентов раствора и последующее их рафинирование.

6. Доказана возможность использования гидрометаллургической технологии для переработки гальванических кеков с применением оборудования, позволяющего получить степени извлечения ценных компонентов в раствор порядка 99% в широком диапазоне температур (1=30°С - 80°С) и концентраций серной кислоты (0200 - 315 г/л), селективного выделения меди и очистки от нее раствора сульфатов металлов методом цементации.

7. Разработан методологический и математический аппарат выбора рациональных параметров процесса гидрометаллургической переработки кеков гальванического производства. Создана математическая модель процесса выщелачивания и разработана программа выбора рациональных параметров по методу, описанному Вигдор-чиком Е.М. и Шейниным А.Б., позволяющая проводить аналитическую обработку результатов лабораторных исследований и прогнозировать время полного растворения гальванического кека от основных технологических параметров процесса выщелачивания. Написаны программы расчета материального баланса процесса выщелачивания и расчета энергии Гиббса процесса сернокислотного растворения тяжелых цветных металлов, позволяющие на основании экспериментальных и аналитических исследований рассчитать затраты реагентов на растворение кека, выход конечного продукта и его извлечение, оценить термодинамическую вероятность ведения процесса растворения.

8. Установлены зависимости степени извлечения ценных компонентов от времени ведения процесса выщелачивания при рециркуляции раствора. Так, при температуре выщелачивания t=45°C и концентрации серной кислоты в растворе Ск.=200г/л, время полного растворения кека составит 60 минут. Проведена эколого-экономическая оценка, показавшая, что величина предотвращенного экологического ущерба от захоронения отходов гальванического производства из расчета 2 тыс тонн/год составит порядка 550 тыс.рублей. Оценена экономическая целесообразность внедрения технологии, показавшая высокую эффективность предлагаемого варианта утилизации кеков гальванического производства и целесообразности рециркуляции раствора на стадии выщелачивания, что ведет к снижению себестоимости цементной меди на 550 рублей на тонну перерабатываемого продукта.

Внедрение результатов разработки в производство позволяет получить ощутимый экономический, социальный и природоохранный эффект, связанный с сокращением отчислений на захоронение токсичных отходов производства, созданием новых рабочих мест и общим улучшением экологической обстановки.

Учитываю схожесть физико-химических особенностей предлагаемых к переработке продуктов, материалы диссертации могут

быть использованы для решения аналогичных задач для других предприятий со стоками гальванического производства.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Баркан М.Ш, Федосеев И.В., Марасанов Д.И. Гальванические ке-ки - сырье для получения вторичных цветных металлов. // Тезисы докладов конференции "Металлургические технологии и экология" / Под ред. И.Н. Белоглазова, А.Г. Воробьева. М.: Изд.дом "Руда и металлы", 1999г. с.29 - 30

2. Марасанов Д.И. Инженерно-экологическая оценка загрязнения поверхностных вод сбросами гальванических производств. // Тезисы докладов к III Конференции молодых ученых и специалистов "Полезные ископаемые России и их освоение" / Изд.: 0111 И (ТУ), 1998г.

3. Марасанов Д.И. Инженерно-экологическая оценка загрязнения поверхностных вод сбросами гальванических производств. // Сборник трудов молодых ученых Санкт-Петербургского государственного горного института (Технического университета. Выпуск 3 / Изд.: СПГГИ(ТУ), с.57-59

4. Марасанов Д.И. Изыскание технологических решений к проблеме утилизации гальванических отходов. // Тезисы докладов ко II Конференции молодых ученых и специалистов "Полезные ископаемые России и их освоение" / Изд.: СПГГИ (ТУ), 1997г с.200

5. Марасанов Д.И. Очистка сточных вод гальванических производств. // Доклады и тезисы участников II Санкт-Петербургской Ассамблеи молодых ученых и специалистов / Изд.: 011 ТУ, с.44

6.Марасанов Д.И. Экология мегаполисов // Региональная экология №1 - 2 1999г. / Изд.: СПбГТУ, с. 12 - 15

7. Марасанов Д.И, Баркан М.Ш , Федосеев И В. Утилизация отходов гальванических производств традиционными методами гидрометаллургической технологии. // Региональная экология №4 1999г. / Изд.: СПбГТУ, с.55 - 57

8. Баркан М.Ш., Федосеев И В., Марасанов Д.И. Регенерация металлов из сточных вод гальваноцехов // II Международный симпозиум "Проблемы комплексного использования руд", 19-24 мая 1996г., СПб

9. Баркан М.Ш., Федосеев И.В., Марасанов Д.И. Источники образования гальванических отходов, проблемы их утилизации. // III Меж-

дународный симпозиум "Проблемы комплексного использования руд", 1997г., СПб

10. Баркан М.Ш., Федосеев И.В., Марасанов ДИ. Экспериментальное опробование отдельных стадий процесса переработки гальванических кеков АО "Балтийский завод" (В рамках Федеральной целевой программы "Государственная поддержка интеграции высшего образования и фундаментальной науки на 1997 - 2000 годы") // Секционный доклад на конференции "Новое в экологии" / Изд.: БГТУ, 1999 г.

11. Баркан М.Ш., Федосеев И.В., Марасанов ДИ. Экспериментальное опробование отдельных стадий процесса переработки гальванических кеков АО "Балтийский завод" // IV Конференция молодых ученых и специалистов "Полезные ископаемые России и их освоение" /Изд.: СПГГИ (ТУ), 1999г.

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Марасанов, Денис Иванович

Введение

1. Экология мегаполисов.

1.1 Урбанизация территорий и развитие экологии города.

1.2 Проблемы городской среды и промышленных агломераций.

1.3 Город и окружающая среда.

1.4 Источники нарушений и загрязнения среды.

1.4.1 Отходы производства и быга.

1.4.2 Нарушения и загрязнения геологической среды.

1.4.3 Измерение климатических условий и загрязнение атмосферы городов.

1.5 Использование и загрязнение водных ресурсов.

1.6 Загрязнение рекреационных зон.

1.7 Основные направления повышения экологической безопасности населения и улучшения экологической ситуации в городах.

Выводы.

2.Технологические процессы на предприятиях машиностроения и их воздействие на окружающую среду.

2.1 Машиностроительная отрасль и экология.

2.2 Технологические процессы на «Балтийском заводе». Влияние предприятия на окружающую среду.

2.3 Промышленные стоки и способы их нейтрализации.

Выводы.

3. Экспериментальное изучение утилизации кеков гальванического производства.

3.1 Основные направления утилизации гальванокеков.

3.2 Методика исследований процесса переработки гальванических кеков.

3.3 Термодинамическая вероятность процесса выщелачивания.

3.4 Выбор рациональных параметров процесса выщелачивания гальванических кеков ОАО «Балтийский завод».

3.5 Организация рецикла при выщелачивании гальванического кека. Концентрирование цветных металлов.

Выводы.

4. Выбор рациональных параметров и эколого-экономическая оценка эффективности технологии переработки кеков гальванического производства.

4.1 Принципиальная схема и схема цепи аппаратов переработки гальванических кеков.

4.2 Оценка предотвращенного экологического ущерба.

4.3 Оценка экономической целесообразности промышленной реализации предлагаемой технологии утилизации гальванических кеков.

4.4 Рекомендации к промышленной реализации.

Выводы.

Введение Диссертация по географии, на тему "Снижение техногенной нагрузки в районе машиностроительного предприятия"

Актуальность работы. В последние десятилетия, как в нашей стране, так и за рубежом, остро встал вопрос об утилизации техногенных отходов. Содержания вредных веществ в подземных и поверхностных водах, зачастую, превышают значения норм ПДК. При этом особую роль в загрязнении окружающей среды играют гальванические отходы. Используемые в гальваническом производстве электролиты образуют токсичные сточные воды, содержащие цианистые соединения, ионы тяжелых цветных металлов, поверхностно активные вещества и т.д. Такие загрязнения являются сильными ядами, способными уничтожить биоту в естественных водах и сооружениях биологической очистки. Вещества-загрязнители попадают в окружающую среду вместе с промышленными сточными водами как после стадий их очистки, так и в результате выщелачивания твердых токсичных отходов гальванического производства кислыми ливневыми водами.

На отечественных предприятиях очистку сточных вод гальванотехники, в основном, осуществляют на станциях нейтрализации, в результате тяжелые металлы осаждаются в виде гидроксидов и карбонатов. Получаемые продукты - кеки, представляют собой смеси гидроксидов и карбонатов тяжелых металлов с гипсом и имеют влажность 85-90%. Проблема минимизации сточных вод гальванотехники решается, главным образом, путем внедрения в уже существующие технологические схемы таких мероприятий, как оптимизация межоперационной промывки, внедрение безреагентных методов очистки стоков, позволяющих существенно сократить объемы получаемых гальванических шламов и повысить глубину очистки.

Гальванические кеки - многокомпонентные продукты, и их полная переработка является сложной технологической задачей. К сожалению, до сих пор еще доминирует взгляд на кеки как на вредные отходы, что и определяет пути их ликвидации. В литературе практически отсутствуют данные о 5 разработках, направленных на переработку кеков гальванопроизводства, и получения продуктов, пригодных для использования в народном хозяйстве. В частности, стремление перевести их в водонерастворимое состояние, связывая с другими материалами.

Например, используют кеки как компонент стройматериалов, керамики, асфальтовой смеси, решая таким образом проблему их утилизации. Однако при этом безвозвратно теряются такие ценные компоненты кеков как цветные металлы. Попытки выделения цветных металлов в виде конечных продуктов или полупродуктов предпринимались рядом исследователей, но достаточно эффективная технология до конца так и не была разработана.

Цель работы - снижение техногенной нагрузки на окружающую среду от захоронения отходов гальванического производства путем внедрения комплекса технологических решений, направленных на утилизацию кеков гальванических производств.

Идея работы заключается в переработке осадков очистных сооружений гальваноцехов традиционными методами гидрометаллургической технологии с попутным получением тяжелых цветных металлов (ТЦМ) в качестве конечных продуктов.

Основные задачи работы:

- анализ и оценка совокупности факторов, влияющих на здоровье и жизнедеятельность человека в зоне влияния крупных городов и промышленных агломераций; анализ воздействия на окружающую среду предприятий машиностроения и, в частности, АО "Балтийский завод"; сточные воды гальванических и травильных отделений, сточные воды, содержащие поверхностно-активные вещества, способы их нейтрализации, переработка шламов гальванических производств; постановка задачи исследования возможности переработки гальванических кеков и создание методик исследования; 6 отработка отдельных стадий технологии переработки кеков гальванических производств и выбор рациональных параметров технологического варианта утилизации на примере продуктов, взятых на АО "Балтийский завод";

- эколого-экономическая оценка предлагаемой технологии утилизации гальванических кеков на примере АО "Балтийский завод".

Научная новизна работы заключается в установлении закономерностей хода процесса переработки гальванических отходов от различных технологических параметров работы установок.

Научная значимость работы:

- определены основные направления утилизации кеков гальванического производства, представлена технологическая схема и схема цепи аппаратов процессов переработки гальванических кеков;

- разработана методическая основа для лабораторных исследований процессов гидрометаллургической переработки гальванических кеков;

- установлены зависимости термодинамической вероятности ведения процессов выщелачивания от температуры; на основании экспериментальных данных по растворению гальванических кеков получены основные кинетические зависимости.

Основные защищаемые положения:

1. Развитие общества связано с концентрацией основной части населения в крупных городах и промышленных агломерациях, обеспечивающих высокую экономическую эффективность производства и комфортность проживания, при одновременном создании агрессивной искусственной окружающей среды, в формировании которой активную роль играют техногенные источники.

2. Машиностроительные предприятия на территории городских и промышленных агломераций являются источниками опасных отходов, содержащих в сточных водах тяжелые цветные металлы и их соединения, 7 которые могут быть в значительной мере нейтрализованы и использованы в качестве техногенного сырья при проведении очистки сточных вод гальваноцехов и получения кеков.

3. Рациональной технологией переработки токсичных гальванических отходов является перевод ценных компонентов кеков в раствор с последующим их селективным выделением цементацией и рафинированием.

4. Выбор рациональных параметров установки для утилизации гальванических кеков должен осуществляться на основе снятия кинетических кривых с последующей обработкой результатов методом, разработанным институтом "Гипроникель", что обеспечивает снижение экологической нагрузки на окружающую среду и получение экономического эффекта в основном производстве.

Методы исследований. Для решения поставленных задач использован комплексный подход, включающий системный анализ проблемы по научной литературе, лабораторные исследования отдельных технологических стадий процесса переработки гальванических кеков, эколого-экономическую оценку предлагаемых в работе технологических решений.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается использованием большого объема исходных данных, современных методов исследований, хорошей сходимостью экспериментальных данных с данными теоретических исследований.

Практическая значимость работы заключается в обосновании и разработке технологических решений утилизации отходов гальванического производства, позволяющих снизить техногенную нагрузку на окружающую среду от их захоронения.

Лично автором:

- проведен анализ состояния городских и промышленных агломераций, показаны основные пути загрязнения окружающей среды крупных городов и промышленных центров; 8