Материал: Комплексные проблемы техносферной безопасности. материалы Международной научно-практической конференции. Колодяжный С.А., Небольсин В.А

Однако применение активированных подобным способом сорбентов, помимо значительного положительного эффекта, имеет и недостатки – уменьшается рН клеевой композиции и время желатинизации. В этой связи для снижения содержания в выбросах формальдегида в клеевые композиции в данной работе вводится глинистый минерал монтмориллонит, предварительно термомодифицированный и активированный импульсным магнитным полем

(ИМП).

Экспериментальная часть

На производстве в состав смолы в качестве наполнителя вводят каолинит, глинистый минерал с жесткой каркасной структурой, в количестве 2-5 % от массы смолы. Каолинит добавляют для создания необходимой вязкости, меньшего впитывания смолы в древесные материалы и, соответственно, меньшего расхода смолы. Однако сорбционная емкость каолинита по формальдегиду незначительна (0,2 мг/г), что не позволяет использовать его в качестве сорбента. Термическая активация монтмориллонита способствует освобождению адсорбци- онно-активных центров и, как следствие, увеличению поглотительной способности алюмосиликата [8]. Активация осуществлялась при температуре 453 К [9]. Подготовленные образцы помещают в сушильный шкаф с естественной циркуляцией воздуха. Время обработки составило один час, время установлено в предыдущих исследованиях [4].

Для обработки магнитными импульсами бюкс с сорбентом определенной массы помещали внутрь соленоида, на который подавался ток для создания электромагнитного поля. Для исследований использовали генератор ИМП, обеспечивающий амплитуду магнитного поля 0,011 Тл, время воздействия 30 сек [9].

Для определения выделения формальдегида из чистого клея использовали ацетилацетоновый метод, а при исследовании эмиссии формальдегида из фанеры – камерный.

Определение содержание свободного формальдегида основано на методе Хандтца, при котором формальдегид реагирует с ионами аммония и ацетилацетона с выделением диацетилдигидролутидина (DDL), окрашенного в желтый цвет. DDL характеризуется пределом абсорбции при 412 нм [10-12]. Данная реакция является специфической для формальдегида.

Камерный метод является неразрушающим в отличие от разрушающих методов определения формальдегида в клееных древесных материалах, широко используемых на производстве (методы WKI и перфораторный).

Для опыта готовили 5-слойную фанеру из березового шпона. Используемый клей содержал 100 частей смолы, 2 части отвердителя и 2 части минерала. Фанеру склеивали в прессе с температурой плит 105 оС и выдерживали в течение недели для доотверждения. Образцы фанеры помещались в камеру, где поддерживалась постоянная температура и влажность воздуха. В камере создавалась циркуляция воздуха, близкая к условиям жилого помещения. Через 48 часов к системе подсоединяли коническую колбу объемом 250 мл с дистиллированной водой. Объем воды в колбе определяется концентрацией формальдегида. При помощи компрессора воздух циркулирует в системе по замкнутому кругу. Скорость циркуляции воздуха составляет 1 л/час. Формальдегид, выделившийся из образцов смолы, под действием воздуха пропускался через дистиллированную воду и частично растворялся в ней. По истечении определенного времени (1 час) компрессор выключался и с помощью зажимов прекращался доступ воздуха в коническую колбу. В течение 15 минут колба должна быть закрыта для достижения полного растворения формальдегида в воде. Затем колба отсоединялась от установки и закрывалась притертой пробкой. Концентрация формальдегида в водном растворе определялась фотометрически.

Результаты и обсуждение. Для определения диапазона распространения формальдегида в атмосфере, на примере промышленных выбросов мебельных комбинатов (с использованием традиционного наполнителя КФС каолинита), проведен расчет приземной концентрации, который осуществлялся по методике [13].

Величина приземной концентрации, полученная при использовании в качестве наполнителя каолинита, представлена на рис. 1 (кр. 2).

131

1 2

3

Изменение концентрации формальдегида на определенном расстоянии от источника выброса: 1 - без введения наполнителя в клеевую композицию;

2 - при введении в клеевую композицию 2 % каолинита; 3 - при введении в клеевую композицию 2 % монтмориллонита, предварительно обработанного термически и в ИМП

На основании расчетов установлено, что концентрация формальдегида распределяется от источника выброса, проходя через максимум на расстоянии 100 м, то есть в зоне нахождения жилого массива и зеленой зоны. В работе исследовано выделение формальдегида из клеевой композиции и клееных древесных изделий на основе карбамидоформальдегидной смолы при введении необработанного и предварительно активированного монтмориллонита. Данные представлены в табл. 1.

Примечание: т/о – термическая обработка; ИМП – обработка в импульсном магнитном поле.

Наиболее интенсивно снижается концентрация формальдегида над отвержденной клеевой композицией, в которую входит карбамидоформальдегидная смола марки КФЖ (содержание свободного формальдегида 0,9 %) и 2 % (от массы смолы) минерального наполнителя, обработанного термически и в ИМП. Воздействие ИМП на образец монтмориллонита способствует более эффективному снижению эмиссии формальдегида из клеевой композиции (в 1,9 раза). Определяли эмиссию формальдегида из фанеры, полученной с использованием клеевой композиции на основе КФС, содержащей минерал, предварительно обработанный термически, в импульсном магнитном поле и комплексно (табл. 2).

132

Отмечается, что при добавлении в клееные материалы на основе карбамидоформальдегидных смол монтмориллонита, предварительно обработанного в импульсном магнитном поле и термически, происходит снижение эмиссии в 2,2 раза.

Сорбция молекул формальдегида исследуемым сорбентом-наполнителем, повидимому, осуществляется в результате образования водородных связей на внешней поверхности и в порах между группами SiOH, AlOH, FeOH, MgOH через мостик в виде молекул воды по следующим схемам:

Выводы

Таким образом, доказана целесообразность замены каолинита, традиционного производственного наполнителя карбамидоформальдегидных смол и клеѐв, на минерал монтмориллонит, последовательно обработанный термически и в слабом импульсном магнитном поле (11 мТл). Термическая составляющая комплексной обработки позволяет высвободить активные сорбционные центры, в основном от молекул воды, за счѐт еѐ десорбции. Влияние слабого магнитного поля заключается в повышении доли хемосорбционной составляющей и образовании более прочных связей сорбент - сорбат, что позволяет снизить эмиссию формальдегида в окружающую среду (атмосферу, жилые, производственные, спортивные, офисные, торговые и другие помещения, в которых используется фанера, полученная с использованием формальдегидосодержащих смол). При этом концентрация десорбированного формальдегида снижается относительно предельного значения (0,1 мг/м3) на 44 %, а приземная концентрация уменьшается с 8 до 4,8 мг/м3.

Литература

1.Скубневская, Г.И. Загрязнение атмосферы формальдегидом / Г.И. Скубневская, Г.Г. Дульцева. – Новосибирск, 1994. – 69 с.

2.Кондратьев, В.П. Водостойкие клеи в деревообработке / В.П. Кондратьев, Ю.Г. Доронин. – М.: Лесн. пром-ть, 1988.– 216 с.

3.Доронин, Ю.Г. Синтетические смолы в деревообработке: учеб. / Ю.Г. Доронин, С. Н. Мирошниченко, М.М. Свиткина. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Лесн. пром-ть, 1987. – 224 с.

4.Бельчинская, Л.И. Природозащитная технология обезвреживания и утилизации отходов мебельных производств / Воронеж, 2002. – 210 с.

5.Ткачева, О.А. Разработка клеевой композиции с пониженным содержанием свободного формальдегида для склеивания и облицовывания древесины, обезвреживание и утилизация сточных вод / О.А. Ткачева // Дисс… канд. техн. наук.– Воронеж, 2000. – 153 с.

133

6.Лавлинская, О.В. Разработка клеевых композиций для производства фанеры пониженной токсичности. Дисс… канд. техн. наук.– В., 2004. – 152 с.

7.Бельчинская, Л.И. Снижение экологического ущерба окружающей среде при использовании растительных наполнителей в производстве фанеры / Л.И. Бельчинская, О.В. Лавлинская, Н.А. Ходосова // Экология и промышленность России. – 2009. - №9. – С. 40 –

42.

8.Арипов, Э.А. Активные центры монтмориллонита и хемосорбция / Э.А. Арипов, А.А. Агзамходжаев. – Ташкент: Фан, 1983. – С. 15 - 48.

9.Ходосова Н.А. Дисс… канд. хим. наук. Иваново, 2009. - 184 с.

10.Панели на древесной основе. Определение содержания формальдегида – метод экстракции посредством перфорации / Европейский стандарт EN 120; пер. с англ. – Брюссель.: Центральный секретариат, 1992. – 10 с.

11.Комарова, Е.Е. Определение выделяемого из древесностружечных плит формальдегида фотоколориметрическим методам с использованием ацетилацетона: экспрессинформ. / Е.Е. Комарова Б.В. Ромашков, В.В. Васильев. – М.: ВНИПИЭИлеспром, 1987. – С. 16-19. – (Плиты и фанера; Вып. 12).

12.Myers B., Johrs W., Weo J. // Forest Products. – 1980. – Vol.30. - №3. – Р. 24-31.

13.Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий. - Л.: Гидрометиздат, 1983. – С. 4-11.

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова»

N.A. Khodosova, L.I. Belchinskaya

USE OF THE COMPLEX ACTIVATED MONTMORILLONITE IN GLUE COMPOSITIONS

Preliminary complex to activation of sorption ability of clay mineral of montmorillonite – thermo - and in pulse magnetic field was offered. In a complex activated mineral when using as filler of glue compositions is capable to reduce significantly emission of formaldehyde from glue and plywood on the basis of ureaformaldehyde resins.It results from a water desorption at thermal activation and sorptions of communications, more suitable for processes, a sorbent-sorbate are formed and the share of a hemosorbtion was increased.It is established that introduction of the activated montmorillonite to glue leads to decrease in ground concentration of formaldehyde in emissions of the furniture enterprises almost twice

Key words: montmorillonite, weak pulse magnetic field, plywood, sorption, glue composition, formaldehyde, heat treat-

ment

Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education «Voronezh State University of Forestry and Technologies named after G.F. Morozov»

УДК 672.86

М.А. Терещенко, Н.В. Мозговой

СНИЖЕНИЕ ВЫБРОСОВ ОКСИДОВ АЗОТА

ВТЕПЛОГЕНЕРИРУЮЩИХ УСТАНОВКАХ

Встатье рассматриваются аппараты пульсирующего горения в качестве возможного направления по модерниза-

ции теплогенерирующего оборудования для снижения загрязнения окружающей среды. Приводится пример снижения выбросов оксидов азота при использовании аппаратов подобного типа. Перечисляются основные механизмы образования оксидов азота, и приводится анализ этих процессов с учетом особенностей аппаратов пульсирующего горения с аэродинамическим клапаном

Ключевые слова: техносферная безопасность, повышение эффективности, теплогенерирующие установки, аппараты пульсирующего горения, теплогенератор, аэродинамический клапан, оксиды азота

Решение проблем техносферной безопасности давно уже является одной из самых актуальных задач современного научного сообщества. Эта проблема многогранна. Одной из ее

134

сторон является перенасыщение атмосферы Земли продуктами сгорания различных видов топлива. Как известно, оксиды азота (NOx) относятся к наиболее вредным и опасным примесям, поступающим в атмосферу при сжигании жидкого, твердого и газообразного топлив в топках котлов и печей, двигателях внутреннего сгорания, газотурбинных установках и других теплогенерирующих установках. В качестве одного из перспективных направлений развития теплогенерирующего и энергетического оборудования при использовании углеводородного топлива можно предложить использование в них принципов пульсирующего горения. Такие аппараты известны достаточно давно, но их широкое внедрение тормозилось за счет бытовавшего стереотипного убеждения в негативном эффекте колебательных процессов, происходящих в камере сгорания. Действительно, при горении, в частности, углеводородного топлива в различных устройствах (авиационные и ракетные двигатели, технологические и промышленные топки) при определенных условиях наблюдается пульсационный режим горения. Такой режим всегда рассматривался как наименее желательный, так как он может привести к значительным вибрациям, а иногда и к разрушению камеры сгорания. Вместе с тем, приближение режима горения к контролируемым пульсациям интенсифицирует процесс горения, способствуя более эффективному использованию горючего и значительно снижая образование и, соответственно, выбросы в атмосферу, в том числе и оксидов азота. Главным преимуществом аппаратов пульсирующего горения является то, что процесс, протекающий в камере сгорания, отличается наибольшей полнотой сгорания топлива. Они существенно менее металлоемки, просты в эксплуатации, имеют высокие экологические показатели и имеют очень высокий КПД. В настоящее время созданы реально работающие конструкции водонагревателей, теплогенераторов и парогенераторов, в которых реализован данный принцип.

Для техносферной безопасности в качестве главного преимущества аппаратов пульсирующего горения, в частности, теплогенератора на основе аппарата пульсирующего горения можно считать его высокие экологические характеристики. В различных работах, например [1], описывается применение теплогенераторов даже для сушки лекарственных препаратов и продуктов питания.

На данное преимущество указывают многие авторы, однако теоретических обоснований, а тем более, адекватных математических моделей для оценки экологической эффективности теплогенерирующих аппаратов пульсирующего горения до недавнего времени не было. Подобный метод расчета мог бы еще на стадии проектирования помочь оценить количество вредных выбросов, тем самым ответить на вопрос о пригодности конкретного теплогенератора для решения поставленных задач с точки зрения экологии.

Приведем краткие сведения о физических и химических процессах в системах пульсирующего горения (ПГ).

Итоговые уравнения химических реакций и стехиометрические коэффициенты в системах ПГ практически аналогичны хорошо изученным для обычных топочных процессов в системах стационарного горения. Если абсолютные давления реагирующих веществ близки к атмосферному давлению, а амплитуда колебаний давления много меньше абсолютного давления (случай линейной акустики), то главным отличием ПГ от «факельного» следует считать:

1.Более интенсивное перемешивание компонентов как следствие нестационарных вихрей, интенсивная газификация капель или твердых частиц топлива (основная причина низкой эмиссии монооксида углерода);

2.Отсутствие пространственно стационарных фронтов горения и, следовательно, пространственно сглаженные поля температур (основная причина низкой эмиссии оксидов азота) [2];

3.Возникновение периодов времени, в которые возможно давление в топочных камерах ниже атмосферного;

4.Генерация акустических волн (шума пульсаций) со спектром близким к Фурье-

135