Материал: Комплексные проблемы техносферной безопасности. материалы Международной научно-практической конференции. Колодяжный С.А., Небольсин В.А
большим сопротивлением фильтрации при росте осмотического давления в случае более концентрированного модельного раствора. Селективность мембраны по сульфатам при фильтровании модельного раствора была в пределах 92 – 93 %, по ионам жесткости 85 – 90 %, по катионам кальция - 68 – 84 %, по катионам магния - 83 – 85 % (табл. 4).
Таблица 4 Зависимость селективности мембраны ОПМН-П по сульфатам (I), ионам жесткости (II),
ионам кальция (III) и магния (IV) от степени отбора пермиата
|
R, % |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Z, |
І |
|
|
|
ІІ |
|
|
|
|
ІІІ |
|
|
|
ІV |
|
|
% |
Р, МПа |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,30 |
|
0,35 |
0,40 |
0,30 |
0,35 |
0,40 |
0,30 |
|
0,35 |
0,40 |
0,30 |
|
0,35 |
0,40 |
|
10 |
91,7 |
|
92,5 |
92,8 |
85,1 |
85,6 |
86,2 |
84,2 |
|
84,2 |
86,0 |
85,5 |
|
86,3 |
86,3 |
|
20 |
91,1 |
|
91,7 |
92,3 |
84,4 |
84,9 |
85,4 |
80,7 |
|
80,7 |
82,5 |
84,0 |
|
84,7 |
84,7 |
|
30 |
91,0 |
|
91,6 |
92,1 |
84,6 |
85,1 |
85,7 |
80,7 |
|
78,9 |
78,9 |
81,7 |
|
83,2 |
84,3 |
|
40 |
91,2 |
|
91,6 |
92,0 |
85,6 |
85,9 |
86,3 |
78,9 |
|
77,2 |
77,2 |
81,2 |
|
82,4 |
83,2 |
|
50 |
91,6 |
|
91,9 |
92,2 |
86,6 |
87,0 |
87,7 |
75,4 |
|
75,4 |
75,4 |
80,9 |
|
81,7 |
83,2 |
|
60 |
91,8 |
|
92,1 |
92,4 |
87,7 |
88,3 |
89,0 |
71,9 |
|
73,7 |
71,9 |
80,2 |
|
80,9 |
83,2 |
|
70 |
92,8 |
|
93,1 |
93,3 |
88,5 |
89,5 |
90,5 |
68,4 |
|
70,2 |
68,4 |
77,1 |
|
79,4 |
83,2 |
|
Таким образом, в результате проведенных исследований было установлено, что при нанофильтрационной очистке слабоминерализованных вод происходит их опреснения за счет извлечения сульфатов (до 93 %) и частичного умягчения воды (до 89 %). Хлориды и гидрокарбонаты нанофильтрационной мембраной практически не задерживаются.
Литература
1.Тарасов А. Баромембранные методы обработки воды / А. Тарасов // ЖКХ: технол. и оборуд. – 2007. – № 2. – С. 36–39.
2.Андрианов А.П. Новый подход к созданию безреагентной и бессточной мембранной технологии водоподготовки /А.П. Андрианов, А.Г. Первов, Д.В. Спицов // Питьевая вода. – 2010. – № 4. – С. 2–16.
3.Дейниченко Г.В. Мембранні технології та проблеми їх застосування під час очищення поверхневих і ґрунтових вод / Г.В. Дейниченко, З.О. Мазняк // Экология и промышленность. – 2010. – №1. – С. 24–29.
4.Пантелеев А.А., Рябчиков Б.Е., Федосеева Е.Б., Сидоров А.Р., Жадан А.В. Ресурсосберегающие и энергоэффективные мембранные технологии в промышленной водоподготовке / А.А. Пантелеев, Б.Е., Рябчиков, Е.Б. Федосеева, А.Р. Сидоров, А.В. Жадан // Мембраны
–2010 (Москва, 4-8 окт., 2010). – Москва: 2010 – Ч. 2.– 127 с.
Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт имени Игоря Сикорского», г. Киев, Украина
I.M. Trus
MEMBRANE DESALINATION TECHNOLOGY FOR WATER TREATMENT
This articles presents a review of advantages in membrane desalination technology as related to the major issues of concern in this rapidly growing desalination method. The use of membrane desalination has increased as materials have improved and costs have decreased
Key words: membrane desalination, sulfates, chlorides, hardness ions, effective, removal
National Technical University of Ukraine «Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute», Kyiv,
Ukraine
The publication contains the results of studies conducted by President’s of Ukraine grant for competitive projects F-70 of the State Fund for Fundamental Research
156
УДК 628.477.6
О.А. Ткачева1, Л.И. Бельчинская2, О.Ю. Стрельникова1
МАЛООТХОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ НА ДЕРЕВООБРАБАТЫВАЮЩИХ ПРЕДПРИЯТИЯХ
Предложено технологическое решение, которое позволяет снизить концентрацию токсичного свободного формальдегида в материалах, сточных водах и твердых отходах мебельных предприятий, а также осуществить замкнутую систему водоснабжения технологических операций, в которых используется карбамидоформальдегидная смола
Ключевые слова: карбамидоформальдегидная смола, формальдегид, активированный глинистый адсорбент, сточная вода, обезвреживание и утилизация отходов, замкнутая система водоснабжения, малоотходная технология, экологоэкономический эффект
Охрана окружающей среды определяется степенью изучения биотехнологических систем, которые являются основным объектом изучения для данного направления с научной
ипрактической точки зрения. В системе этих знаний малоотходная технология является ступенью к безотходной технологии. Применение безотходных и малоотходных технологий необходимы во всех современных отраслях промышленности. Их развитие идет по следующим направлениям: разработка и внедрение принципиально новых технологических процессов, уменьшающих количество отходов; разработка и внедрение методов и оборудования для переработки отходов в товарную продукцию; создание бессточных водооборотных систем, в которых осуществляется очистка воды. В настоящее время чрезвычайно трудно добиться полностью безотходного производства, но по мере совершенствования перспективных технологий материальные и энергетические потери должны уменьшаться. Данное направление является составной частью охраны окружающей среды и рационального использования природных ресурсов [1].
Под малоотходными технологиями понимается такой способ производства продукции, при котором вредное воздействие на окружающую среду не превышает уровня, допустимого санитарногигиеническими нормами. В малоотходных производствах выбросы вредных веществ не превышают ПДК, а также уровня, при котором предотвращаются необратимые экологические изменения. С технологической точки зрения для внедрения безотходных
ималоотходных производств требуется создание новых материалов и веществ, например новых мембранных материалов, ионообменных смол, синтетических сорбентов, химических реагентов, а также аппаратов и приборов, которые позволят усовершенствовать или интенсифицировать различные процессы разделения сред, обезвреживание и утилизацию отходов.
Однако создание даже самых совершенных очистных сооружений, не решает проблему, так как это борьба со следствием, а не с причиной. Поэтому основной задачей является разработка технологий, позволяющих сделать антропогенный круговорот как можно более замкнутым. При замкнутой системе производство строится, опираясь на следующие фундаментальные принципы: возможно более полное использование исходного природного вещества; возможно более полное использование отходов (регенерация отходов и превращение их в исходное сырье для последующих ступеней производства); создание конечных продук-
тов производства с такими свойствами, чтобы используемые отходы производства
ипотребления могли быть ассимилированы экологическими системами [2].
Вдеревообрабатывающей промышленности основными загрязнителями окружающей среды являются производства древесно-полимерных материалов (ДПМ): древесностружечных плит, мебели и фанеры, в которых используются карбамидоформальдегидные смолы. В технологических операциях склеивания, облицовывания, прессования ДПМ, а также при приготовлении связующего образуются сточные воды (СВ), содержащие органические токсиканты, наиболее опасным из которых является формальдегид (класс опасности 2) [3].
На воронежских мебельных предприятиях образуются стоки, относящиеся ко II кате-
157
гории (среднеконцентрированные), концентрация формальдегида в них колеблется от 0,9 до 1,2 г/дм3 в зависимости от типа применяемой смолы и степени разбавления смывных вод. К примеру, в АО «Мебель Черноземья» в цехе №1 на участке облицовывания мебельных щитов работают клеенаносящие вальцы прессов горячего способа облицовывания. Суммарный расход клея в сутки на вальцах составляет 675 кг/день, за год 675×251 = 169425 кг (~169,5 т). На том же предприятии при изготовлении спальных наборов применяется склеивание холодным способом днищ кроватей и фасадов. Общее количество связующего в год составляет около 9,6 т. Промывка клеенаносящего оборудования производится 1 раз в смену. Для этого используется горячая вода из городского водопровода объемом ~ 1800 дм3/сут. Промывка емкостей для приготовления клея требует воды ~ 900 дм3/сут. Таким образом, объем ежедневно сливаемых в сточные ямы смывных вод, содержащих токсичный свободный формальдегид, составляет 2700 дм3/сут (2,7 м3/сут). В год количество стоков достигает 678 м3
[4].
В процессе отстаивания сточных вод на дно ям оседает тяжелая, со временем отверждающаяся, смоляная часть стока. Осевшая эмульсионная часть стока занимает объем, который измеряли по методике [5]. Результаты анализа показали, что отстаивание происходит за 1,0-1,5 часа, объем смоляной части сточной воды составляет 1/3 от объема СВ.
Предлагаемое технологическое решение позволяет выполнить следующие задачи:
-уменьшить содержание свободного формальдегида в клее и снизить стоимость клея за счет введения наполнителя;
-снизить концентрацию свободного формальдегида в смывных водах и обеспечить повторное использование воды в операциях склеивания и облицовывания ДПМ;
-утилизировать обезвреженные твердые отходы (смоляную часть стока и отработанный адсорбент).
Разработанное технологическое решение основано на способности активированного глинистого минерала монтмориллонита сорбировать свободный формальдегид в связующем (без ухудшения технологических характеристик клея) и в сточных водах [6, 7]. Принципиальная технологическая схема данного решения приведена на рисунке.
Природный глинистый минерал монтмориллонит поступает по ленточному транспортеру в молотковую мельницу (1), где размалывается до частиц размером не более 0,25 мм. Измельченная глина по транспортеру подается в смеситель (2) типа бетономешалки, внутренняя поверхность которого должна быть кислотоустойчивой. В смесителе происходит перемешивания измельченной глины с 15 %-ным раствором серной кислоты в массовом соотношении 1:1. Полученную кашицеобразную массу раскладывают в гуммированные поддоны,
которые помещают в туннельную печь (3), футерованную кислотоупорным кирпичом. Сушка активированного адсорбента происходит в течение 4 ч при температуре 96-98 0С. После сушки и охлаждения активированный сорбент вновь размалывается в мельнице (1), затем направляется на участки приготовления клея и очистки сточных вод.
На участке приготовления клея (4) активированный адсорбент, согласно разработанной рецептуре [4], добавляется к карбамидоформальдегидной смоле в количестве 7 м.ч., смесь тщательно перемешивается, затем вводится отвердитель для холодного отверждения (щавелевая кислота) в виде 10 %-го раствора. Массовая доля щавелевой кислоты в пересчете на сухое вещество – 0,1 %. Для операций горячего склеивания отвердитель не вводится. Клей готовится 2 раза в смену в таком количестве, которого достаточно на 3 часа работы цеха. Клеящий состав направляется на участок облицовывания мебельных щитов (5).
Смывные воды, образовавшиеся при промывке емкостей и вальцов, по специальным желобам стекают в сточную яму (6) для отстоя. Отстой и разделение смывных вод должны обеспечивать полное отделение смолы от надсмольной части СВ, так как присутствие смолы может в дальнейшем блокировать адсорбционную способность глины. Смывные воды накапливаются и отстаиваются в сточной яме в течение 1,5 часов.
158
Принципиальная технологическая схема участка облицовывания мебельных деталей с использованием низкотоксичного клея и с замкнутой системой водоснабжения: 1 – измельчение глины; 2 – активирование глины; 3 – сушка адсорбента; 4 – приготовление
клея; 5 – облицовывание мебельных деталей; 6 – яма для отстаивания сточной воды; 7 – фильтр; 8 – яма адсорбционной очистки НВ; 9 – яма нейтрализации
и химической доочистки воды
Затем нижний, смоляной, слой откачивается насосом в бункер-накопитель, откуда в конце смены направляется на обезвреживание и утилизацию (в строительные организации – для приготовления теплоизоляционного раствора при устройстве кровель и полов, а также для изготовления стенных блоков).
Отстоявшаяся надсмольная вода (НВ) подается насосом на фильтр (7), заполненный стекловатой, где происходит окончательная очистка НВ от остатков смолы.
После фильтра НВ попадает в яму адсорбционной очистки (8), куда засыпается расчетное количество активированного адсорбента. На мебельных комбинатах Воронежской области средняя концентрация свободного формальдегида в надсмольной части сточной воды ~ 1 г/дм3. При использовании в качестве наполнителя активированного монтмориллонита содержание свободного формальдегида в связующем снижается на 45 %, следовательно, средняя концентрация свободного формальдегида в сточной воде уменьшится до 0,55 г/дм3. Исходя из этой концентрации формальдегида, расчетное количество адсорбента должно быть 80 г на 1 дм3 стока, что обеспечит очистку СВ от токсиканта не менее, чем на 92 %. После выработки адсорбентом своего технологического ресурса его направляют на утилизацию (в строительные организации – для использования в качестве вяжущих добавок к штукатурным растворам).
В яме адсорбционной очистки (8) смесь перемешивается циркуляционным насосом или механической мешалкой со скоростью ~ 50 мин-1 в течение 20 минут, после чего отстаивается около 1 часа до полного оседания частиц глины на дно ямы.
Надсмольная вода после адсорбционной очистки на кислом сорбенте имеет низкое значение водородного показателя (рН ~ 2-3). Поэтому очищенную воду подают на нейтрализацию в яму (9), где прибавляют к НВ гидроксид аммония до достижения значения водородного показателя рН ~ 7. После этого пробу очищенной и нейтрализованной воды отбирают для анализа в заводской лаборатории на содержание формальдегида (НСОН). Если концентрация НСОН не превышает значения ППКорл = 0,05 г/л (подпороговая концентрация, опре-
159
деляемая по органолептическим показателям [8]), то вода может быть направлена на повторное использование для промывки емкостей (4) и вальцов (5). При превышении концентрации формальдегида уровня ППКорл, вода подвергается дополнительной доочистке химическим способом. Концентрации НСОН, значительно превышающие значение ППКорл, могут иметь место после очистки такой сточной воды, в которой исходная концентрация токсиканта намного превышает среднюю, принятую для расчетов и экспериментов (то есть более 0,55 г/л), либо в результате многократного повторного использования сорбента, адсорбционная эффективность которого снизилась.
В более ранних исследованиях [7, 9] обнаружены преимущества (NH4)2CO3 перед другими акцепторами формальдегида: низкая стоимость, сравнительно небольшое стехиометрическое соотношение карбоната аммония к формальдегиду, нетоксичность образующихся продуктов реакции. Поэтому химическую доочистку НВ от формальдегида предлагается вести с помощью карбоната аммония, количество которого следует рассчитывать, исходя из известной концентрации НСОН. Химический процесс, происходящий в яме (9), выражается уравнением реакции:
6НСНО + 2(NH4)2CO3 (CH2)6N4 + 2CO2 + 8H2O.
В лабораторных условиях проведен следующий эксперимент. К пробе надсмольной сточной воды, предварительно очищенной адсорбционным способом и нейтрализованной до рН ~ 7 (остаточное содержание свободного формальдегида 0,1 г/л), прибавили кристаллический карбонат аммония в стехиометрическом соотношении к НСОН (1:3), смесь перемешали. Концентрация формальдегида после реакции с карбонатом аммония оказалась равной 0,001 г/л. Степень очистки надсмольной воды от НСОН составила 99 %. Следовательно, при добавлении стехиометрического количества карбоната аммония к формальдегиду достигается требуемая степень очистки. Очищенная вода направляется для повторного использования на промывку емкостей (4) и клеенаносящего оборудования (5).
Оборотное водоснабжение – замкнутая система, позволяющая повторно использовать очищенные сточные воды, прошедшие процесс очистки на очистных сооружениях предприятия. Концепция оборотного водоснабжения предприятия полностью исключает сброс промышленных сточных вод в водоемы или городскую канализацию. Оборотное водоснабжение позволяет решить экологические и экономические задачи: существенно (на 85-95 %) снизить водопотребление промышленного предприятия, предотвратить попадание вредных компонентов отходов в окружающую среду, избежать платы за водоотведение и штрафов за превышение предельно допустимых концентраций токсикантов.
К не менее важным принципам создания малоотходного производства необходимо отнести требование ограничения воздействия производства на окружающую природную и социальную среду с целью снижения возможного экологического ущерба. Этот принцип в первую очередь связан с сохранением таких природных и социальных ресурсов, как атмосферный воздух, вода, поверхность земли, рекреационные ресурсы, здоровье населения.
Рассчитан эколого-экономический эффект (ЭЭЭ) предлагаемого технологического решения на примере одного мебельного предприятия. ЭЭЭ складывается из снижения себестоимости продукции (за счет снижения стоимости клея), снижения экологического ущерба окружающей среде, здоровью населения и экономического эффекта от утилизации отходов. Расчетный годовой эколого-экономический эффект составил более 25000 условных единиц. Предлагаемое технологическое решение позволяет внедрить на мебельных предприятиях карбамидоформальдегидный клей с пониженным содержанием свободного формальдегида, значительно снизить концентрацию формальдегида в сточных водах, осуществить замкнутый цикл водоснабжения технологических операций склеивания и облицовывания древесных материалов, утилизировать обезвреженные твердые отходы (смоляную часть стоков и отработанный адсорбент), получить значительный эколого-экономический эффект.
Литература 1. Андреева Е.С. Промышленная экология [Текст] / Е.С. Андреева, С.С. Андреев. -
160