Техногенная нагрузка на окружающую среду
ART 86476
Е.
М. БородинБиблиографическое описание статьи для цитирования:
Бородин
Е.
М.,
Бородина
К.
Н.,
Бородин
А.
Н. Техногенная нагрузка на окружающую среду // Научно-методический электронный журнал «Концепт». –
2016. – Т. 11. – С.
2236–2240. – URL:
http://e-koncept.ru/2016/86476.htm.
Аннотация. В статье рассмотрены наиболее эффективные методы очистки сточных вод в гальваническом производстве различных промышленных предприятий.
Текст статьи
Бородина Ксения Николаевна,ФГБОУВО "Пензенский государственный технологический университет" ПензГТУ (г. Пенза, Россия)cripsibor2010@mail.ru
Бородин Антон Николаевич,Магистр 1го курса, факультет биомедицинских и пищевых технологий и систем, ФГБОУВО "Пензенский государственный технологический университет", ПензГТУ, (г. Пенза, Россия)tosha.borodin.94@mail.ru
Бородин Евгений Михайлович,Старший преподаватель кафедры «Технология машиностроения» цикл «Теоретическая и прикладная механика»,ФГБОУВО "Пензенский государственный технологический университет" ПензГТУ (г. Пенза, Россия)borodin_bor@mail.ru
Техногенная нагрузка на окружающую среду
Аннотация.Встатье рассмотрены наиболееэффективныеметодыочистки сточных вод в гальваническом производстве различных промышленных предприятий.Ключевые слова: воздух, гидросфера, очистка,мембрана,электродиализ, сточнаявода.
Человек очень тесно связан на стадиях своего развития с окружающим миром. Свозникновением высокоиндустриального общества, опасное вмешательство человека в природу (окружающую среду) стало резко усиливаться.Этостановиться глобальной опасностью для всего человечества. В связи с этим в последнее время все более актуальными становятся вопросы охраны окружающей среды. [1]Среди множества веществ, сбрасываемых со сточными водами, особая роль принадлежит тяжелым металлам, которые наряду с другими загрязнителямиотносятся к химическим канцерогенам и способны оказывать негативное влияние на окружающую среду,атак же на живые организмы.Основное количество тяжелых металлов поступает в окружающую среду со сточными водами машиностроительных предприятий, на которых имеются гальванические производства, и горнорудных предприятий цветной металлургии по добыче и обогащению сульфидных руд железа, меди и цинка.Так же к ним относятся предприятиянефтедобывающей, нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности,в процессе работы которых образуется большое количество отходов,представляющего собой осадки механической очистки сточных вод, продукты зачистки резервуаров, и др. [2]Внастоящеевремяпрактически отсутствуют технологии очистки металлсодержащих сточных вод до норм нижепредельно допустимой концентрации.В большинстве своем металлсодержащие сточные воды очищаются реагентными методами, эффективность которых нельзя признать удовлетворительной.Реализация процессапо созданию малоотходных технологических процессов гальванического производства предполагает наличие современного оборудования, позволяющего обеспечить требования как технологического, так и экологического характера. При этом огромная роль отводится иматериалам, с помощью которых производится очистка.Они в свою очередь должны удовлетворять всем требованиям, предъявляемым для водоочистки.
Вопервых,должны быть доступными, во вторых должныиметь высокую механическую прочность, в третьих должны быть готовык многократной регенерации,в четвертыхустойчивость 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.Сточные воды гальванических производств относятся к наиболее токсичным отходам промышленных предприятий. Они содержат в своем составе различные виды органических и минеральных веществ: кислоты, щелочи, красители,растворители, нефтепродукты, соли тяжелых металлов и щелочноземельных металлов и так далее. При нанесении гальванических покрытий используется около 400 наименований материалов.Основной объем сточных вод формируется в гальваническом производстве за счет промывных вод после операции подготовки и нанесения гальванических покрытий. Незначительная часть стоков (57% от общего объема) формируется за счет опорожнения отработанных технологических растворов и электролитов.Сточные воды гальванических производств, являясь носителями токсических веществ, попадая в воду, воздух, почву наносят непоправимый ущерб биосфере. Официальная статистика свидетельствует о взаимосвязи заболеваемости населения и уровня загрязненности окружающей среды солями тяжелых металлов, сложными органическими загрязнениями.[3]Электродиализ это процесс очистки сточных вод электродиализом основан на разделении ионизированных веществ под действием электродвижущей силы, создаваемой в растворе по обе стороны мембран. Этот процесс широко используют для опреснения соленых вод.[4]Метод электродиализа целесообразно применять для очистки стоков после процессов гальванических покрытий. Это дает возможность не только повторно использовать очищенную воду и регенерированные кислоты, но и утилизировать сконцентрированные вещества. Сущность метода заключается в использовании направленного движения ионов под действием электрического поля. Если к электродам приложить напряжение, то находящиеся в растворе ионы придут в движение в соответствии со знаком их заряда –отрицательно заряженные (анионы) к аноду, положительные (катионы) –к катоду.
Метод электродиализа применяется для регенерации хромсодержащих растворов. Это способствует, вопервых, охране окружающей среды от загрязнения ионами хрома, т.к. с помощью электродиализа достаточно эффективно проводится обессоливание растворов до 90 %. Вовторых, использование электродиализа позволяет утилизировать ценные компоненты, например, соли тяжелых металлов, возвращая их в технологический процесс. Среди других достоинств электродиализного метода очистки сточных вод необходимо отметить возможность создания систем оборотного водоснабжения.Для регенерации промывных вод гальванопроизводства необходимы отличные от обессоливающих электродиализные установки, инженерные решения в их аппаратурном оформлении могут быть достаточно общими. В связи с этим рассмотрим несколько видов конструкцийэлектродиализныхаппаратов, применяемыхдля обессоливания воды. Наиболее распространенной конструкцией являются аппараты фильтрпрессного типа. Электродиализатор фильтрпрессного типа (рис. 1) состоит из двух электродных камер: катодной камеры (1) и анодной камеры (2), между которыми зажат пакет чередующихся катионитовых и анионитовых мембран (3) и (4). Со стороны анода (5) крепится анионообменная мембрана, а со стороны катода (6) катионообменная. Мембраны фиксируются при помощи специальных рамок (7), изготовленных из материала, не проводящего электрический ток.
Рис. 1
Эскиз электродиализного аппарата фильтрпрессного типа: 1
катодная камера; 2 анодная камера; 3 катионообменная мембрана; 4
анионообменная мембрана; 5 анод; 6 катод; 7 рамка; 8 турбулизатор
Предотвращение прогиба мембран и турбулизация потока жидкости в камерах аппарата достигается введением сепараторовтурбулизаторов различной конструкции.Параметры процесса во многом определяются типом используемых рамок: лабиринтнолистовые, рамочносепараторные, струнные. Анализ различных типов рамок выполнен Гребенюком, его основные результаты представлены в табл. 1. Вследствие определенных конструктивных особенностей разделительной прокладки, она играет роль турбулизатора, тем самым в заметной степени снижает поляризационные эффекты на границах мембранараствор.
График1–Основные показатели процесса электродиализа с использованием различных типов рамок
Поскольку метод электродиализа относится к энергоемким процессам, то важными являются мероприятия, направленные на снижениерасхода электроэнергии. Например, снижение расхода энергии происходит за счет устранения воздушных пробок в камерах концентрирования или засчет уменьшения утечек тока.Если разделить электролизер на три отделения, в двух крайних разместить электроды (отделения называют электродными камерами) и пропускать электрический ток то концентрация солей в электродных камерах будет возрастать, а в среднем отделении –уменьшаться (рис.2). Для разделения камер такого электролизерадиализатора используют ионообменные мембраны, которые обладают способностью селективно пропускать ионы одного знака и препятствовать движению противоположно заряженных ионов. Перенос тока в мембране осуществляется не закрепленными в матрице ионами –противоионами. Чем больше число подвижных ионов, то есть выше обменная емкость, тем больше электропроводимость мембраны Основные электрохимические характеристики мембран –селективная проницаемость и электропроводимость, которые определяются количеством ионообменных групп в матрице и их природой.
Рисунок 2 Схема изменения концентрации растворов в ячейках трехкамерного аппарата для электрохимического обессоливания воды
Для поддержания электрического тока в цепи на электродах должны проходитьэлектрохимические реакции –на катоде в основном выделение водорода, на аноде –выделение кислорода:2H3O + 2e= Н2О + 2OH4OH–4e= O2 + 2H3O.В настоящее время используются многокамерные электролизеры с большим числом пар катионои анионообменных мембран . Такие установки представляют собой электролизеры, состоящие из 100–200 гидравлических камер, которые могут быть соединены последовательно или параллельно с горизонтальной или вертикальной циркуляцией воды. Селективность мембран создает условия, при которых из нечетных камер ни катионы, ни анионы не могут пройти в соседние камеры, вследствие того, что знак их заряда совпадает со знаком соответственно катионообменных и анионообменных мембран. Поэтому в четных камерах происходит процесс опреснения, ав нечетных, наоборот, концентрация солей, в результате чего в камерах образуется рассол. Обессоленная вода и концентрированный раствор отводятся по соответствующим трубопроводам. Щелочной раствор из катодной камеры и кислый раствор из анодной камеры могутотводиться самостоятельно по отдельным линиям для дальнейшего использования или же, если такой необходимости нет, подсоединяться к линии рассола.В электродиализаторах применяются химически стойкие электроды из платинированного титана, реже –из нержавеющей стали. Весьма интересной является конструкция многокамерного электродиализного аппарата фильтрпрессного типа, отличающаяся от известных конструкций аппаратов тем, что в качестве фиксаторов расстояния между мембранами используются струны, расположенные взаимно параллельно в каждой камере и взаимно перпендикулярно в любых двух соседних камерах (рис. 3.).
Рисунок 3 Фильтрпрессный электродиализатор с прокладкой струнного типа: 1 анионобменная мембрана; 2 катинообменная мембрана; 3 прокладка струнного типа
Исследования показали, что аппараты этого типа достаточно надежны в работе, а использование тонких струн уменьшает расстояние между мембранами, что делает аппарат более экономичным. [3]
Заключение
Экологический аспект данной проблемы приобретает всё большую значимость по мере того, как человечество осознаёт глобальные размеры производимых техногенных воздействийна окружающую среду. Любой технологический процесс должен быть максимально безопаснымс точки зрения воздействия на окружающую среду.Атмосферный воздух имеет неограниченную емкость и играет роль наиболее подвижного, химически агрессивного и всепроникающего агента взаимодействия вблизи поверхности компонентов биосферы, гидросферы и литосферы. Поэтому очень важной задачей для предприятий является разработка природоохранных мероприятий. При рассотрениитехногенной нагрузки предприятийна окружающую среду предложен метод регенерации серно и солянокислых растворов путем электролиза с применением ионообменных мембран.
Заботясь о совершенствовании инженерной охраны окружающей природной среды, надо помнить, что никакие очистные сооружения и безотходные технологии не смогут восстановить устойчивость биосферы, если будут превышены допустимые (пороговые) значения сокращения естественных, не преобразованных человеком природных систем, в чем проявляется действие закона
незаменимости
биосферы.
Ссылки на источники1.Безопасность обращения с отходами.СПб.: Интеграл,2002.240 с.2.Расстегаев, А.Н. Способ обезвреживания грунта, загрязненного нефтепродуктами, методомпиролиза,/ Расстегаев А.Н., Голубовский В.В., Таранцева К.Р. // XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс.
2014.
№1(17). с. 257259.3.Виноградов С. С.Организация гальванического производства. Оборудование, расчет производства, нормирование. /Под.ред В.Н. Кудрявцева; «Глобус».М., 2002. –208 с.
4.Ветошкин А.Г. Технология защиты окружающей среды (теоретические основы). /Ветошкин А.Г., Таранцева К.Р. Под ред. профессора, А.Г.Ветошкина –Пенза: Издво Пенз. технол. инта, 2004.
с.100
Бородин Антон Николаевич,Магистр 1го курса, факультет биомедицинских и пищевых технологий и систем, ФГБОУВО "Пензенский государственный технологический университет", ПензГТУ, (г. Пенза, Россия)tosha.borodin.94@mail.ru
Бородин Евгений Михайлович,Старший преподаватель кафедры «Технология машиностроения» цикл «Теоретическая и прикладная механика»,ФГБОУВО "Пензенский государственный технологический университет" ПензГТУ (г. Пенза, Россия)borodin_bor@mail.ru
Техногенная нагрузка на окружающую среду
Аннотация.Встатье рассмотрены наиболееэффективныеметодыочистки сточных вод в гальваническом производстве различных промышленных предприятий.Ключевые слова: воздух, гидросфера, очистка,мембрана,электродиализ, сточнаявода.
Человек очень тесно связан на стадиях своего развития с окружающим миром. Свозникновением высокоиндустриального общества, опасное вмешательство человека в природу (окружающую среду) стало резко усиливаться.Этостановиться глобальной опасностью для всего человечества. В связи с этим в последнее время все более актуальными становятся вопросы охраны окружающей среды. [1]Среди множества веществ, сбрасываемых со сточными водами, особая роль принадлежит тяжелым металлам, которые наряду с другими загрязнителямиотносятся к химическим канцерогенам и способны оказывать негативное влияние на окружающую среду,атак же на живые организмы.Основное количество тяжелых металлов поступает в окружающую среду со сточными водами машиностроительных предприятий, на которых имеются гальванические производства, и горнорудных предприятий цветной металлургии по добыче и обогащению сульфидных руд железа, меди и цинка.Так же к ним относятся предприятиянефтедобывающей, нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности,в процессе работы которых образуется большое количество отходов,представляющего собой осадки механической очистки сточных вод, продукты зачистки резервуаров, и др. [2]Внастоящеевремяпрактически отсутствуют технологии очистки металлсодержащих сточных вод до норм нижепредельно допустимой концентрации.В большинстве своем металлсодержащие сточные воды очищаются реагентными методами, эффективность которых нельзя признать удовлетворительной.Реализация процессапо созданию малоотходных технологических процессов гальванического производства предполагает наличие современного оборудования, позволяющего обеспечить требования как технологического, так и экологического характера. При этом огромная роль отводится иматериалам, с помощью которых производится очистка.Они в свою очередь должны удовлетворять всем требованиям, предъявляемым для водоочистки.
Вопервых,должны быть доступными, во вторых должныиметь высокую механическую прочность, в третьих должны быть готовык многократной регенерации,в четвертыхустойчивость 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.Сточные воды гальванических производств относятся к наиболее токсичным отходам промышленных предприятий. Они содержат в своем составе различные виды органических и минеральных веществ: кислоты, щелочи, красители,растворители, нефтепродукты, соли тяжелых металлов и щелочноземельных металлов и так далее. При нанесении гальванических покрытий используется около 400 наименований материалов.Основной объем сточных вод формируется в гальваническом производстве за счет промывных вод после операции подготовки и нанесения гальванических покрытий. Незначительная часть стоков (57% от общего объема) формируется за счет опорожнения отработанных технологических растворов и электролитов.Сточные воды гальванических производств, являясь носителями токсических веществ, попадая в воду, воздух, почву наносят непоправимый ущерб биосфере. Официальная статистика свидетельствует о взаимосвязи заболеваемости населения и уровня загрязненности окружающей среды солями тяжелых металлов, сложными органическими загрязнениями.[3]Электродиализ это процесс очистки сточных вод электродиализом основан на разделении ионизированных веществ под действием электродвижущей силы, создаваемой в растворе по обе стороны мембран. Этот процесс широко используют для опреснения соленых вод.[4]Метод электродиализа целесообразно применять для очистки стоков после процессов гальванических покрытий. Это дает возможность не только повторно использовать очищенную воду и регенерированные кислоты, но и утилизировать сконцентрированные вещества. Сущность метода заключается в использовании направленного движения ионов под действием электрического поля. Если к электродам приложить напряжение, то находящиеся в растворе ионы придут в движение в соответствии со знаком их заряда –отрицательно заряженные (анионы) к аноду, положительные (катионы) –к катоду.
Метод электродиализа применяется для регенерации хромсодержащих растворов. Это способствует, вопервых, охране окружающей среды от загрязнения ионами хрома, т.к. с помощью электродиализа достаточно эффективно проводится обессоливание растворов до 90 %. Вовторых, использование электродиализа позволяет утилизировать ценные компоненты, например, соли тяжелых металлов, возвращая их в технологический процесс. Среди других достоинств электродиализного метода очистки сточных вод необходимо отметить возможность создания систем оборотного водоснабжения.Для регенерации промывных вод гальванопроизводства необходимы отличные от обессоливающих электродиализные установки, инженерные решения в их аппаратурном оформлении могут быть достаточно общими. В связи с этим рассмотрим несколько видов конструкцийэлектродиализныхаппаратов, применяемыхдля обессоливания воды. Наиболее распространенной конструкцией являются аппараты фильтрпрессного типа. Электродиализатор фильтрпрессного типа (рис. 1) состоит из двух электродных камер: катодной камеры (1) и анодной камеры (2), между которыми зажат пакет чередующихся катионитовых и анионитовых мембран (3) и (4). Со стороны анода (5) крепится анионообменная мембрана, а со стороны катода (6) катионообменная. Мембраны фиксируются при помощи специальных рамок (7), изготовленных из материала, не проводящего электрический ток.
Рис. 1
Эскиз электродиализного аппарата фильтрпрессного типа: 1
катодная камера; 2 анодная камера; 3 катионообменная мембрана; 4
анионообменная мембрана; 5 анод; 6 катод; 7 рамка; 8 турбулизатор
Предотвращение прогиба мембран и турбулизация потока жидкости в камерах аппарата достигается введением сепараторовтурбулизаторов различной конструкции.Параметры процесса во многом определяются типом используемых рамок: лабиринтнолистовые, рамочносепараторные, струнные. Анализ различных типов рамок выполнен Гребенюком, его основные результаты представлены в табл. 1. Вследствие определенных конструктивных особенностей разделительной прокладки, она играет роль турбулизатора, тем самым в заметной степени снижает поляризационные эффекты на границах мембранараствор.
График1–Основные показатели процесса электродиализа с использованием различных типов рамок
Поскольку метод электродиализа относится к энергоемким процессам, то важными являются мероприятия, направленные на снижениерасхода электроэнергии. Например, снижение расхода энергии происходит за счет устранения воздушных пробок в камерах концентрирования или засчет уменьшения утечек тока.Если разделить электролизер на три отделения, в двух крайних разместить электроды (отделения называют электродными камерами) и пропускать электрический ток то концентрация солей в электродных камерах будет возрастать, а в среднем отделении –уменьшаться (рис.2). Для разделения камер такого электролизерадиализатора используют ионообменные мембраны, которые обладают способностью селективно пропускать ионы одного знака и препятствовать движению противоположно заряженных ионов. Перенос тока в мембране осуществляется не закрепленными в матрице ионами –противоионами. Чем больше число подвижных ионов, то есть выше обменная емкость, тем больше электропроводимость мембраны Основные электрохимические характеристики мембран –селективная проницаемость и электропроводимость, которые определяются количеством ионообменных групп в матрице и их природой.
Рисунок 2 Схема изменения концентрации растворов в ячейках трехкамерного аппарата для электрохимического обессоливания воды
Для поддержания электрического тока в цепи на электродах должны проходитьэлектрохимические реакции –на катоде в основном выделение водорода, на аноде –выделение кислорода:2H3O + 2e= Н2О + 2OH4OH–4e= O2 + 2H3O.В настоящее время используются многокамерные электролизеры с большим числом пар катионои анионообменных мембран . Такие установки представляют собой электролизеры, состоящие из 100–200 гидравлических камер, которые могут быть соединены последовательно или параллельно с горизонтальной или вертикальной циркуляцией воды. Селективность мембран создает условия, при которых из нечетных камер ни катионы, ни анионы не могут пройти в соседние камеры, вследствие того, что знак их заряда совпадает со знаком соответственно катионообменных и анионообменных мембран. Поэтому в четных камерах происходит процесс опреснения, ав нечетных, наоборот, концентрация солей, в результате чего в камерах образуется рассол. Обессоленная вода и концентрированный раствор отводятся по соответствующим трубопроводам. Щелочной раствор из катодной камеры и кислый раствор из анодной камеры могутотводиться самостоятельно по отдельным линиям для дальнейшего использования или же, если такой необходимости нет, подсоединяться к линии рассола.В электродиализаторах применяются химически стойкие электроды из платинированного титана, реже –из нержавеющей стали. Весьма интересной является конструкция многокамерного электродиализного аппарата фильтрпрессного типа, отличающаяся от известных конструкций аппаратов тем, что в качестве фиксаторов расстояния между мембранами используются струны, расположенные взаимно параллельно в каждой камере и взаимно перпендикулярно в любых двух соседних камерах (рис. 3.).
Рисунок 3 Фильтрпрессный электродиализатор с прокладкой струнного типа: 1 анионобменная мембрана; 2 катинообменная мембрана; 3 прокладка струнного типа
Исследования показали, что аппараты этого типа достаточно надежны в работе, а использование тонких струн уменьшает расстояние между мембранами, что делает аппарат более экономичным. [3]
Заключение
Экологический аспект данной проблемы приобретает всё большую значимость по мере того, как человечество осознаёт глобальные размеры производимых техногенных воздействийна окружающую среду. Любой технологический процесс должен быть максимально безопаснымс точки зрения воздействия на окружающую среду.Атмосферный воздух имеет неограниченную емкость и играет роль наиболее подвижного, химически агрессивного и всепроникающего агента взаимодействия вблизи поверхности компонентов биосферы, гидросферы и литосферы. Поэтому очень важной задачей для предприятий является разработка природоохранных мероприятий. При рассотрениитехногенной нагрузки предприятийна окружающую среду предложен метод регенерации серно и солянокислых растворов путем электролиза с применением ионообменных мембран.
Заботясь о совершенствовании инженерной охраны окружающей природной среды, надо помнить, что никакие очистные сооружения и безотходные технологии не смогут восстановить устойчивость биосферы, если будут превышены допустимые (пороговые) значения сокращения естественных, не преобразованных человеком природных систем, в чем проявляется действие закона
незаменимости
биосферы.
Ссылки на источники1.Безопасность обращения с отходами.СПб.: Интеграл,2002.240 с.2.Расстегаев, А.Н. Способ обезвреживания грунта, загрязненного нефтепродуктами, методомпиролиза,/ Расстегаев А.Н., Голубовский В.В., Таранцева К.Р. // XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс.
2014.
№1(17). с. 257259.3.Виноградов С. С.Организация гальванического производства. Оборудование, расчет производства, нормирование. /Под.ред В.Н. Кудрявцева; «Глобус».М., 2002. –208 с.
4.Ветошкин А.Г. Технология защиты окружающей среды (теоретические основы). /Ветошкин А.Г., Таранцева К.Р. Под ред. профессора, А.Г.Ветошкина –Пенза: Издво Пенз. технол. инта, 2004.
с.100
