Снижение эмиссии углеводородов из строительных материалов путем применения сорбентов, полученных из отходов коксохимического производства автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
На правах рукописи
Светлана Александровна Андриянцева СНИЖЕНИЕ ЭМИССИИ УГЛЕВОДОРОДОВ ИЗ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ ПУТЕМ ПРИМЕНЕНИЯ СОРБЕНТОВ, ПОЛУЧЕННЫХ ИЗ ОТХОДОВ КОКСОХИМИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Специальность 05.23.19 – Экологическая безопасность строительства и городского хозяйства Воронеж – 2012
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образова тельном учреждении высшего профессионального образования «Липецкий государственный технический университет».
Научный консультант: кандидат технических наук, доцент Бондаренко Антонина Викторовна
Официальные оппоненты: Бельчинская Лариса Ивановна доктор технических наук, профессор, Воронежская государственная лесотехническая академия/ кафедра химии, заведующая кафедрой Петрикеева Наталья Александровна кандидат технических наук, доцент, Воронежский государственный архитектурно-строительный университет/ кафедра теплогазоснабжения и нефтегазового дела, доцент Воронежский государственный
Ведущая организация:
технический университет
Защита состоится «16» марта 2012 г. в 1000 ч. на заседании диссертацион ного совета Д 212.033.04 при Воронежском государственном архитектурно строительном университете по адресу: 394006, г. Воронеж, ул. 20-летия Октяб ря, д. 84, корп. 3, ауд. 3220, тел./факс: +7 (473)277-37-34.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского государ ственного архитектурно-строительного университета.
Автореферат разослан «8» февраля 2012 г.
Ученый секретарь Колосов А.И.
диссертационного совета
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. При использовании органических веществ в качест ве компонентов в строительных материалах экологическая угроза от эмиссии опасных соединений из них не учитывается. В крупнотоннажном производстве асфальтобетонов используют нефтяной дорожный битум. В отличие от природ ного битума, нефтяной дорожный битум является источником веществ, загряз няющих атмосферу.
В строительной индустрии используются в большом количестве лакокра сочные материалы, где в качестве растворителя используется толуол недоста точной степени чистоты.
В последние годы ведутся исследования по расширению ресурсной базы в областях строительства за счет применения отходов промышленности и производится их внедрение в состав строительных материалов как в качестве за местителя части более дорогих основных компонентов, так и в роли активных минеральных добавок. Вне поля зрения остается использование сорбционных технологий в строительстве для снижения экологической опасности строительных материалов.
Указанные обстоятельства позволили выявить направления исследований – изучение влияния добавления к асфальтобетонам углеродных сорбентов, полу ченных термохимической обработкой углеродсодержащих отходов коксохими ческого производства, на снижение эмиссии в атмосферу углеводородов из неф тяного дорожного битума;
изучение адсорбционной доочистки толуола, исполь зуемого в качестве растворителя лакокрасочных материалов.
Целью работы является разработка способа снижения эмиссии углеводородов из строительных материалов в атмосферу путем применения сорбентов, полученных из отходов коксохимического производства.
Задачи исследования:
разработать способы получения углеродных сорбентов из отходов кок сохимического производства;
определелить оптимальные условия термохимической обработки угле родсодержащих отходов для получения углеродных сорбентов с терморасши ренной структурой и углеминеральных сорбентов, для чего выполнить экспе рименты по плану-матрице композиционного ротатабельного униформ планирования 2к;
провести исследования по изучению качественных характеристик и термического поведения углеродных материалов, структуры и морфологии поверхности сорбентов;
разработать способ повышения качества растворителей лаков и красок на примере толуола с использованием полученных сорбентов;
разработать способ снижения эмиссии углеводородов при укладке до рожных покрытий за счет использования битумов с добавлением полученных сорбентов;
обосновать эколого-экономическую эффективность разработанных технологических решений применения углеродных сорбентов в качестве добав ки к асфальтобетону;
провести апробацию разработанной технологии снижения эмиссии уг леводородов при производстве асфальтобетонной смеси.
Объектом исследования являются способы производства экологически безопасных строительных материалов, обеспечивающие снижение выбросов углеводородов в атмосферу за счет демпфирования последних углеродными сорбентами.
Предметом исследования является технология получения углеродных сорбентов для повышения экологической безопасности строительных материа лов за счет увеличения сорбционной селективности по отношению к отдельным видам органических примесей.
Теоретической и методической базой исследования послужили труды отечественных и зарубежных ученых в области повышения экологической безопасности при производстве строительных материалов посредством сорбционных технологий. Использованы научные и нормативно-справочные источники, методические рекомендации и технические правила по вопросам изготовления дорожных покрытий и получения растворителей.
Методика исследований:
теоретические исследования по вопросу выделения поллютантов при производстве и применении строительных материалов и путей их снижения;
экспериментальные исследования негативного влияния органических примесей, содержащихся в строительных материалах, на окружающую среду и мер их снижения с помощью сорбционных технологий;
разработка способов получения сорбентов из углеродсодержащих отходов, селективных к органическим примесям, содержащимся в строительных материалах.
Научная новизна работы:
разработаны способы получения сорбентов для снижения эмиссии уг леводородов из строительных материалов путем термохимической активации углеродсодержащих отходов;
определены оптимальные температура обработки и концентрация реаген та при термохимической активации углеродсодержащих отходов для получения уг леродных сорбентов с терморасширенной структурой и углеминеральных сорбен тов c использованием методики планирования эксперимента;
определены адсорбционные свойства и термическое поведение угле родных сорбентов, структура и морфология поверхности их частиц;
выявлено влияние способов активации малопористого углерода (кокса) на строение поверхности и свойства получаемых сорбентов;
предложена технологическая схема производства углеминеральных и терморасширенных углеродных сорбентов из коксовой пыли;
получены углеродные сорбенты для доочистки товарного толуола;
определена оптимальная дозировка сорбента и способ введения (непосредст венно в емкость для хранения);
впервые разработан способ снижения эмиссии углеводородов при ук ладке дорожных покрытий за счет использования битумов с добавлением угле минеральных сорбентов, для чего исследована эмиссия органических поллю тантов при отверждении битумов;
обоснован выбор оптимального количества добавки;
установлено, что добавление сорбента не ухудшает качество асфаль тобетонной смеси, не снижает износо- и трещиностойкость асфальтобетонных покрытий.
Практическая значимость:
предложен способ утилизации коксовой пыли использованием ее в ка честве сырья для получения адсорбционных материалов;
разработана техноло гия получения нескольких видов сорбентов;
разработан научно обоснованный способ повышения сортности раство рителей с применением сорбентов, селективных к предельным углеводородам;
разработана технология изготовления асфальтобетонной смеси с до бавкой композиционного материала на основе сорбента для снижения эмиссии углеводородов при отверждении битумов;
при внедрении разработанной технологии снижения эмиссии углеводо родов при отверждении битумов величина предотвращенного экологического ущерба составила 450 тыс. руб./год.
Достоверность результатов исследований подтверждается достаточным количеством проведенных автором экспериментов, использованием сертифи цированного и проверенного оборудования и приборов, а также современных методов исследований и статистической обработкой результатов, сходимостью теоретических и экспериментальных данных.
На защиту выносятся:
способы получения сорбентов путем термохимической активации углеродсодержащего отхода широкой области применения;
оптимальные условия термохимической активации углеродсодержащего отхода для получения из него углеминеральных и термо расширенных углеродных сорбентов;
результаты исследований по изучению качественных характеристик и термического поведения сорбентов, структуры и морфологии поверхности их частиц;
выявлению влияния способов активации малопористого углерода (кокса) на строение поверхности и свойства получаемых из него сорбентов;
способ повышения качества толуола путем введения углеродных сорбентов непосредственно в емкость для хранения;
способ снижения эмиссии углеводородов из битумов при укладке дорожных покрытий с добавлением углеминеральных сорбентов;
эколого-экономическая эффективность разработанных технологических решений применения сорбентов в качестве добавки к асфальтобетону и утилизации углеродсодержащих отходов;
апробация разработанной технологии снижения эмиссии углеводородов в строительной практике.
Апробация работы. Основные положения диссертации изложены на ХI Всероссийском симпозиуме «Актуальные проблемы адсорбции, пористости и адсорбционной селективности» (Москва-Клязьма, 2007), научно-практической конференции «Эффективные конструкции, материалы и технологии в строительстве и архитектуре» (Липецк, 2006), III международной конференции «Сорбенты как фактор качества жизни и здоровья» (Белгород, 2008), IV Всероссийской конференции «Физико-химические процессы в конденсированных средах и на межфазных границах» (Воронеж, 2008);
V Международной научно-практической конференции «Рециклинг, переработка отходов и чистые технологии» ФГУП «Институт «ГИНЦВЕТМЕТ» (Москва, 2009), XIV Всероссийском симпозиуме с участием иностранных ученых «Актуальные проблемы теории адсорбции, пористости и адсорбционной селективности» (Москва, 2010), на Всероссийской научно-практической конференции с элементами научной школы для молодежи «Нано- и супрамолекулярная химия в сорбционных и ионнообменных процессах» (Белгород, 2010).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 научных работ общим объемом 39 страниц, из них лично автору принадлежит 20,5 страниц.
Четыре статьи опубликованы в изданиях, включенных в перечень ВАК РФ, – «Научные ведомости Белгородского государственного университета», «Научные вестник Воронежского государственного архитектурно строительного университета. Строительство и архитектура» (2 статьи), «Вестник Тамбовского государственного университета».
В статьях, опубликованных и рекомендованных ВАК изданиях, изложены основные результаты диссертационной работы: в работе [1] приведены результаты исследований по определению оптимальных условий изготовления сорбентов на основе коксовой пыли с исследованием свойств получаемых материалов;
в работе [2] предложено использование углеродных сорбентов для обеспечения экологической безопасности производства строительных материалов;
в работе [3] разработана технология изготовления асфальтобетонной смеси с введением углеминеральных сорбентов, снижаю щих эмиссию поллютантов и в работе [4] разработана методика повышения сортности растворителей лакокрасочных материалов с применением сорбентов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, библиографического списка из 122 наименований и приложений. Общий объем работы составляет 126 страниц машинописного текста, включая 19 таблиц и 14 рисунков.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель, задачи и определены методы исследования, показаны научная новизна и практическая значимость работы.
В первой главе выполнен обзор литературных данных о токсических эффектах компонентов, входящих в состав строительных материалов, требованиях экологической безопасности к строительным материалам.
Собраны сведения о свойствах и области применения углеродных сорбентов. Отмечено, что в большинстве работ речь идет об использовании до рогостоящих промышленных сорбентов, в связи с чем является обоснованным предложение использовать в качестве сырья для углеродных сорбентов отходы и побочные продукты производств. При этом утилизируются промышленные отходы, а низкая стоимость и возможность безрегенеративного использования получаемых сорбентов делают экономически оправданным их применение в природоохранных технологиях.
Вторая глава посвящена идентификации опасных органических примесей в некоторых строительных материалах (асфальтобетонах и растворителях), изучению способов изготовления и исследования свойств сорбентов, снижаю щих эмиссию вредных веществ из последних.
Асфальтобетонная смесь имеет в своем составе нефтяной дорожный би тум, который при нагреве и отверждении становится источником выделения поллютантов.
Для изучения эмиссии углеводородов при отверждении битума проводили хроматографическое исследование выделившейся из него газовой фазы. Иден тификацию выделившихся веществ произвести сложно, поэтому их разделили на 4 группы по температурам кипения. На рис. 1 представлена хроматограмма выделяющихся при отверждении битума органических веществ.
Высота хроматографического пика, мВ Рис. 1. Хроматограмма выде ляющихся при отверждении битума газообразных веществ:
Х1 – группа веществ с темпе ратурой кипения 56-80 0С, Х2 группа веществ с температу рой кипения 80-100 0С, Х3 группа веществ с температу рой кипения 100-140 0С, Х4 - группа веществ с темпе ратурой кипения более 140 0С Время выхода, мин По результатам анализа определен состав и количество выбросов из биту ма: из Х1 масса выбросов составила 3,602 мг/кг битума;
из Х2 - 0,334 мг/кг;
из Х3 - 0,428 мг/кг;
из Х4 - 0,654 мг/кг.
Суммарное количество выбросов составило 5,01 г из 1 т, что достаточно мало. Но следует учесть масштабность производства асфальтобетонных покры тий и вредность для человека даже небольших количеств веществ, выделяю щихся из них.
Толуол используется в строительстве в качестве растворителя лакокрасоч ных покрытий и производится в соответствии с ГОСТ 9880-76, по которому массовая доля посторонних веществ в нем должна составлять менее 0,8 %, что превышается на многих предприятиях (табл. 1).
Таблица Состав и концентрация примесей в исходном толуоле (данные по Новолипецкому металлургическому комбинату ОАО «НЛМК») Наименование вещества Концентрация, масс.% н – гексан 0, н- гептан 0, Циклогексан 0, Метилциклогексан 0, Х1 0, Х2 0, н- нонан 0, Бензол 0, Х4 0, Пара-ксилол 0, Орто-ксилол 0, Прим.: Х1, Х2, Х4 – неидентифицируемые примеси Сорбционные технологии обеспечивают высокую степень чистоты при ма лых концентрациях примесей в масштабном строительном производстве. Для снижения количества опасных углеводородов, выделяющихся из строительных материалов, необходимы дешевые сорбенты, не требующие регенерации, что представляется возможным при использовании в качестве сырья для их полу чения коксовой пыли - отхода коксохимического производства. В работе изуча лась термохимическая активация коксовой пыли. Реагенты, условия термооб работки и выход получаемых сорбентов представлены в табл. 2.
Технический анализ проводился по методикам, применяемым для угле родных материалов. Для определения структуры и сорбционных свойств мате риалов использовались следующие адсорбтивы: метиленовый голубой, йод, бензол, растворы гептана в толуоле. Определение равновесной статической ак тивности по парам бензола проводилось при равновесном относительном дав лении пара Р/РS=1.
Для исследования селективности к предельным углеводородам определяли адсорбцию гептана из растворов его в толуоле, для изучения термодеструкции и термосинтеза проводили термогравиметрический анализ, для определения изменения структуры и состава поверхности - инфракрасный спектральный анализ. Морфология поверхности материалов исследовалась с помощью скани рующего зондового микроскопа. Для определения оптимальных условий сер нокислотной обработки поставлен активный эксперимент по плану-матрице композиционного ротатабельного униформ-планирования 2к.
Для определения удельной поверхности частиц построена изотерма адсорбции бензола весовым методом. Газохромато-графический анализ проводили на хроматографе «Кристалл 2000М».
Таблица Способы обработки коксовой пыли (КП) Выход Соотноше сор ние пасты бента «реагент- Температура и Обозначение Реагент из кок коксовая время обработки сорбента совой пыль» (по пыли, массе) % 750оС, 3 ч KOH(насыщенный 1:5 КП-KOH раствор) 450 оС, 3-4 мин H3PO4-80% 1:3 КП-H3PO4-80% масс.
100оС, 3 ч H3PO4-20% масс 1:5 КП-H3PO4-20% H2O2-10% масс. 1:10 Ткомн, 24 ч КП-H2O2 450 оС, 3-4 мин HNO3-56% масс. 1:3 КП-HNO3-56% 100оС, 3 ч HNO3-20% масс. 1:5 КП-HNO3-20% 98 оС, 3 ч, MgCl2(насыщенный 1:5 КП-MgCl2 600 оС, 3 ч раствор) 180 оС, 3 ч H2SO4(конц) 1:3 КП-H2SO4(конц) В третьей главе изучалось влияние методов активации на свойства сорбентов из коксовой пыли.
Химическая активация коксовой пыли с термообработкой получаемых паст позволяет направленно регулировать строение поверхностного слоя и про гнозировать свойства материалов.
Для сорбентов проведен технический анализ (табл. 3), определены харак теристики пористой структуры некоторых образцов (табл. 4). Адсорбционную активность оценивали по показателям для углеродных сорбентов и сравнивали с промышленными (табл. 5).
Для изучения влияния времени выдержки перед термообработкой на свойст ва образцов исследовали пористую структуру пикнометрическим зондированием.
Для разработки технологии производства сорбентов в качестве перспек тивных способов выбраны обработка щелочью и обработка серной кислотой (как первичное окисление углеродной матрицы).
Для определения оптимальных условий первичного окисления углерод ной матрицы постановлен активный 2-х факторный эксперимент по плану матрице композиционного ротатабельного униформ-планирования второго порядка.
Независимыми критериями выбраны концентрация окислителя и темпера тура обработки пасты из серной кислоты и коксовой пыли. Уровни варьирова ния представлены в табл. 6.
Таблица Характеристики углеродных материалов Влаж- Золь- Истинная Порис Название Выход летучих ность, ность, плотность, тость, материала веществ, % г/см % % % КП 0,5 1,3 9,8 1,61 КП-KOH 7,9 2,3 10,0 1,56 КП-H3PO4 2,1 3,2 9,0 1,2 80% КП-H2O2 1,2 3,0 8,5 1,52 КП-HNO3 2,8 5,7 5,0 1,12 56% КП-MgCl2 3,9 4,6 5,6 1,73 КП- 0,9 4,1 8,2 1,05 Н2SO4(КОНЦ) Таблица Характеристика пористой структуры сорбентов Название VS, м3/кг V, м3 /кг Vми, м3/кг Vме, м3/кг Vма, м3/кг материала 0,13 10-3 0,36 10-3 0,03 10-3 0,22 10- КП 0, 0,89 10-3 1,11 10-3 0,22 10-3 0,41 10- КП-KOH 0, КП-HNO3 0,06 10-3 0,56 10-3 0,06 10-3 0,30 10-3 0, 56% 0,50 10-3 0,46 10-3 0,16 10-3 0,20 10- КП-MgCl2 0, 0,11 10-3 0,74 10-3 0,11 10-3 0,39 10- КП-H2SO4конц. 0, Примечание: VS – предельный адсорбционный объем пор;
V – суммарный объем пор;
VМИ, VМЕ, VМА - объём микро-, мезо- и макропор.
В целом произошло увеличение количества пор у всех сорбентов, наилуч шими структурными характеристиками обладает материал КП-КОН.
Таблица Адсорбционные характеристики сорбентов Активность Осветляющая способ Обозначение Активность по С6Н6(г), ность по метиленовому материала по йоду г/100 г голубому КП 0,55 25 4, КП-KOH 3,97 57 54, КП-KOH- 5,83 80 32, КП-H3PO4-80% 2,97 35 19, КП-H3PO4-20% 0,98 30 18, КП- HNO3-59% 1,63 35 14, КП- HNO3-20% 1,48 32,5 24, КП-MgCl2 1,40 42,5 9, КП-MgCl2- 1,69 25 25, КП-H2SO4-180С 1,96 35 15, КП-H2SO4-180С 1,21 32,5 СКТ 61,58 115 66, АГ-3 31,46 25 61, Примечание: означает, что образец предварительно выдерживался в пасте с реагентом при комнатной температуре 24 часа, а затем подвергался термообработке.
Таблица Уровни варьирования концентрации и температуры Концентрация, % Температура, С Факторы (x1) (x2) Основной уровень (0) 40 Интервал варьирования (x) 15 Верхний уровень (+1) 55 Нижний уровень (-1) 25 Звездные точки:+ (+1,414);
61;
19 750;
- (-,414) Таблица Математические модели термического окисления коксовой пыли Критерий Условия Уравнение:
Фишера t х С х Параметр Эмпи- x1=, x2= Кри пи- С,% Т,С х х тич.
рич.
y=91,8 +1,1627x Выход 2,67 9,12 40 y=1,88+0,4164x1+0,18x1x2 Влажность 2,22 9,12 57 0,199x12-0,852x Серни- y=5,8-1,94x1+2,55x2 8,53 9,12 32 2,75x1x2+2,48x12+1,22x стость Емкость y=0,056+0,023x1+0,009x2 3,77 9,12 68 0,003x1x2-0,006x12-0,008x по С6Н y=24-5,42x2+3,75x1x2+4,91x Йод. число 8,96 9,12 68 Осветляю щая способ y=59,4-5,493x2-13,15x12-,817x ность по ме- 8,93 9,12 40 тиленовому голубому Истинная y=3,9+0,2x1x2+0,45x12+0,5x 1,36 9,12 40 плоность Пористость 7,85 9,12 y=39,4-3x1x2 40 Оптимальное значение концентрации серной кислоты составило 68 % масс.;
оптимальная температура термообработки – 415 °С (см. табл. 7).
Далее образец КП-H2SO4(68%)-415С подвергали термообработке при 950°С (для достижения эффекта терморасширения) и при 750°С с добавлением карбо ната кальция для достижения эффекта газовой активации. Блок-схема способов получения сорбентов показана на рис. 2.
Для оценки сорбционной активности сорбентов при концентрации органи ческих поллютантов ниже насыщения экспериментально построены изотермы адсорбции паров бензола сорбентами (рис. 3).
Для сорбентов, полученных по описанным способам, определены адсорб ционные характеристики (табл. 7). Для изучения морфологии поверхности угле родных сорбентов использовали сканирующую зондовую микроскопию.
На рис. 4 представлены микрофотографии, 3D-изображения поверхностей и микропрофили поверхности сорбентов.
Коксовая пыль Рис. 2. Принципиальная схема Сушка способов получения Смешение с гидроксидом Смешение с серной кислотой 1: сорбентов:
калия 1: КП-Н2SO4 - 950°C – терморас Пиролиз 4150 С ширенный сорбент;
КП Н2SO4 – Термообработка 7500С Промывание материала на фильтре СаСО3 – углеминеральный сор Сушка Промывание материала на фильтре бент, КП-КОН – сорбент -4000С КП-H2SO щелочной активации Сушка Смешение с мелом Термообработка 9500 С КП-КОН Термообработка 7500С КП-H2SO4 -950 0С КП-H2SO4 СаСО а, ммоль/г 0, Рис. 3. Изотер кп мы адсорбции паров 0,4 бензола полученными КП-Н2SO4 сорбентами, характе СаСО 0,3 ризующие увеличе КП-H2SO ние адсорбционной КП-КОН емкости (а) в интер 0, вале относительных давлений (p/ps) 0… 0, при различных видах обработки коксовой пыли 0 0,2 0,4 0,6 0, Р/Ps Таблица Адсорбционные характеристики углеродных материалов Образец Осветляющая способ- Активность Уд. поверх ность, м2/г ность по м.г, % по йоду К. П. 25 4 КП-Н2SO4(68%)– СаСО3 75 40 750С КП-H2SO4(68%)-950С 150 42 КП-КОН 80 54 СКТ * 115 66 АГ * 25 62 Рис. 4. Электронная микрофотография (а) и 3D-изображение (д) частицы КП;
электрон ная микрофотография (б) и 3D-изображение (е) частицы КП-КОН;
электронная микрофото графия (в) и 3D-изображение (ж) частицы КП-H2SO4 – СаСО3-750С;
электронная микрофо тография (г) и 3D-изображение частицы КП-H2SO4 – 950С(з) Для полученных образцов построены термогравиметрические кривые, по которым можно судить о частичном разрушении и упорядочении части первичной структуры с сохранением углеродного скелета. По результатам исследований была разработана принципиальная технологическая схема производства сорбентов.
В четвертой главе представлены направления использования активиро ванной коксовой пыли при повышении качества растворителей и снижении эмиссии углеводородов из асфальтобетонов. Низкая стоимость и возможность безрегеративного использования углеродных сорбентов из коксовой пыли сде лали оправданным возможность их применения внутри КХП ОАО «НЛМК» для доочистки толуола.
Для исследования селективности сорбентов к предельным углеводородам определили адсорбцию гептана из толуола (рис. 5).
Образцы адсорбируют преимущественно гептан в начальном интервале концентраций, что подтверждает их селективность по отношению к предель ным углеводородам в разбавленных растворах.
Исследование влияния количества сорбента на показатели качества толуо ла проводили методом постоянной концентрации, варьируя массу навески.
Рис. 5. Изотермы адсорбции в системе «толуол-гептан» Хроматографически определяли состав равновесных растворов, рассчиты вали концентрацию компонентов примесей, после чего определяли адсорбци онную ёмкость по формуле (С Скон ) V 0, а нач, m где Снач - концентрация компонента в исходном толуоле, г/мл;
Скон - концентра ция компонента в анализируемой пробе, г/мл;
V – объём толуола, мл;
– плот ность толуола, г/см3, m – масса навески сорбента, г.
В табл. 8 представлены данные снижения концентрации примесей в товар ном толуоле в зависимости от количества добавки сорбентов.
Таблица Адсорбция предельных углеводородов из товарного толуола сорбентами Адсорбционная ёмкость сорбента, Навеска сорбента, г г/100 мл (толуола) КП-H2SO4 -9500С КП-КОН КП-H2SO4 -950 С КП-КОН 1 1 0,104969 0, 0,5 0,5 0,090381 0, 0,25 0,25 0,066985 0, 0,125 0,125 0,698233 0, 0,0625 0,0625 0,990918 0, 0,03125 0,03125 1,293856 0, График зависимости изменения концентрации примесей предельных угле водородов в товарном толуоле от количества сорбента представлен на рис. 6.
Хроматографические исследования доказали возможность использования сор бентов для повышения сортности товарного толуола. Оптимальная добавка сорбента составила 0,5 кг на 100 л толуола.
Авторами предложен способ снижения эмиссии углеводородов при отвер ждении битума путем введения добавок из коксовой пыли, углеминерального сорбента КП-H2SO4-СаСО3, отделенного от СаО (образец №1), и смеси в сте хиометрическом соотношении по углеродной составляющей из КП-H2SO4 СаСО3 и СаО (образец №2), в результате чего происходит «запирание» вредных веществ в добавках.
По данным хроматографического анализа построены зависимости количе ства выбросов (г) из 1 кг битума от дозировки добавки (рис. 7).
Рис. 6. Изменение содержания предельных углеводородов в товарном толуоле в зависимости от количест ва сорбентов Рис. 7. Зависимость эмиссии углеводородов от дозировки добавки Коксовая пыль обладает некоторой активностью по отношению к выделяющимся примесям, в то время как полученные сорбенты проявляют хорошие сорбционные качества. Применение образца № 2 показывает практически одинаковые результаты в сравнении с использованием образца № 1. На основании этого можно сделать вывод, что технология изготовлении данного сорбента может не предусматривать отделение образца от образовавшегося в процессе активации оксида кальция. Кривые имеют нисходящий характер и не имеют резких перепадов после точки, соответствующей 1 % добавки.
Суммарный эколого-экономический эффект от вторичного использования отхода коксохимического производства в качестве сырья для производства углеродных сорбентов, а также от снижения эмиссии углеводородов при использовании композиции из углеминерального сорбента и карбоната кальция в качестве добавки к асфальтобетонной смеси для снижения эмиссии углеводородов при отверждении битумов составил 450 тыс. руб./год.
ВЫВОДЫ 1. Исследованы закономерности активации коксовой пыли, являющейся отходом коксохимического производства, доказана возможность использования ее в качестве сырья для получения сорбентов широкого спектра действия. Раз работаны способы получения сорбентов для повышения качества строитель ных материалов и снижения эмиссии поллютантов.
2. Выполнены спланированные эксперименты и определены оптимальные условия термохимической обработки коксовой пыли для получения из нее не скольких видов сорбентов, иисследовано влияние температуры обработки и концентрации активатора на свойства сорбентов. Определены оптимальные условия сернокислотной активации: температура 415оС, концентрация реагента 68 % масс.
3. Определены адсорбционные свойства и термическое поведение сор бентов, структура и морфология поверхности их частиц. Проанализировано влияние способов активации на формирование поверхности материалов и изме нение адсорбционных свойств.
4. Предложена технологическая схема производства углеминеральных и терморасширенных углеродных сорбентов из коксовой пыли.
5. Получен сорбент для доочистки растворителей лаков и красок на при мере толуола, определена оптимальная дозировка сорбента для снижения примесей углеводородов до предельно допустимых значений и способ введения (непосредственно в емкость для хранения);
6. Разработана технология добавления сорбента в асфальтобетонную смесь. Введение сорбента на порядок снижает эмиссию углеводородов при отверждении битумов.
7. Обоснована эколого-экономическая эффективность применения сор бентов в качестве добавки к асфальтобетону и утилизации углеродсодержащих отходов, суммарный эколого-экономический эффект от которых составил тыс. руб./год.
8. Технология введения сорбента в асфальтобетонную смесь была апро бирована при укладке асфальтобетонных покрытий городских автомобильных дорог г. Липецка.
Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:
Статьи в изданиях, входящих в перечень ВАК 1. Андриянцева, С.А. Синтез и свойства адсорбционно-активных материалов, полученных на основе коксовой пыли / С.А. Андриянцева, А.В.
Бондаренко // Научные ведомости Белгородского гос. ун-та. Серия «Естественные науки». - 2011. - № 9 (104), вып. 15. - С. 96-102.
2. Андриянцева, С.А. Повышение сортности товарного толуола с приме нением сорбентов из отходов коксохимического производства / С.А.
Андриянцева, А.В. Бондаренко // Вестник Тамбовского гос. техн. ун-та. - 2012. № 1. (104), Т. 18. – С. 78-85.
3. Андриянцева, С.А. Снижение эмиссии углеводородов в атмосферу при отверждении дорожных асфальтобетонных покрытий / С.А. Андриянцева, А.В.
Бондаренко // Научный вестник Воронеж. гос. арх.-строит. ун-та.
Строительство и архитектура. - 2012. - № 1. – С. 156-162.
4. Андриянцева, С.А. Сорбенты для обеспечения экологической безопас ности строительных материалов / С.А. Андриянцева, А.В. Бондаренко, Г.А.
Петухова // Научный вестник ВГАСУ. Строительство и архитектура. Серия Экологическая безопасность строительства и городского хозяйства. – 2012. - № 1. – С. 162-170.
Статьи в других изданиях 1. Андриянцева, С.А. Термическое окисление коксовой пыли как способ повышения сорбционной активности / С.А. Андриянцева, Р.Г. Рогатнев, А.В.
Бондаренко, Г.А. Петухова // Экология ЦЧО РФ. – 2009. – №1 (22). – С. 9-14.
2. Андриянцева, С.А. Микроскопический анализ морфологии поверхно сти углеродных материалов / С.А. Андриянцева, А.В. Бондаренко, И.С. Дени сов, Г.А. Петухова // Экология ЦЧО РФ. – 2009. – №2 (23). – С. 10-18.
3. Андриянцева, С.А. Получение углеродных сорбентов методами хими ческой активации коксовой пыли / С.А. Андриянцева // Эффективные конст рукции, материалы и технологии в строительстве и архитектуре: сб. ст. - Ли пецк: ЛГТУ, 2006. – С. 85-88.
4. Андриянцева, С.А. Применение эксикаторного метода исследования изотерм адсорбции для изучения свойств гидрофобных нанопористых материа лов / С.А. Андриянцева, И.А. Алипова, А.В. Бондаренко, Г.А. Петухова // Вест ник ЛГТУ-ЛЭГИ. - 2007. - № 1(15). - С. 27-31.
5. Андриянцева, С.А. Исследование влияния химической активации на сорбционные свойства коксовой пыли / С.А. Андриянцева, А.В. Бондаренко // Повышение эффективности металлургических производств: сб. ст. науч.-практ.
конф. - Липецк, ЛГТУ, 2006. – С. 192.
6. Андриянцева, С.А. Методы получения углеродных сорбентов из от ходов коксохимического производства / С.А. Андриянцева, А.В. Бондаренко, Г.А. Петухова, М.Л. Губкина // Актуальные проблемы адсорбции, пористо сти и адсорбционной селективности: сб. тез. докл. симпозиума. – М. Клязьма, 2007. - С. 151.
7. Андриянцева, С.А. Применение эксикаторного метода исследования изотерм адсорбции для изучения свойств гидрофобных адсорбционно активных углеродных материалов / С.А. Андриянцева, А.В. Бондаренко, Г.А. Петухова // Сорбенты как фактор качества жизни и здоровья: материалы III междунар.
конф. - Белгород, 2008. - С. 146-150.
8. Андриянцева, С.А. Изучение эффективности химической активации уг леродсодержащих отходов для повышения адсорбционной активности / С.А.
Андриянцева, А.В. Бондаренко, Г.А. Петухова // Физико-химические процессы в конденсированных средах и на межфазных границах (ФАГРАН-2008): мате риалы IV Всероссийской конф. В 2 т. Т.2. – Воронеж, 2008. – С. 663-665.
9. Андриянцева, С.А. Химическая активация углеродсодержащих отходов как метод получения сорбентов для снижения эмиссии углеводородов из ком позитных материалов / С.А. Андриянцева, А.В. Бондаренко // Фундаментальная наука – ресурс сохранения здоровья здоровых людей: материалы Всероссий ского науч. конгресса. – Тамбов, 2008. – С. 25-27.
10. Андриянцева, С.А. Использование отходов коксохимического произ водства для получения адсорбционно-активных материалов / С.А. Андриянце ва, А.В.Бондаренко // Рециклинг, переработка отходов и чистые технологии: сб.
материалов V Междунар. науч.-практ. конф. - М.: ФГУП «Институт «ГИН ЦВЕТМЕТ», 2009. - С. 45-48.
11. Андриянцева, С.А. Микроскопический анализ морфологии поверхно сти углеродных материалов, полученных химической обработкой коксовой пы ли / С.А. Андриянцева, А.В. Бондаренко, Г.А. Петухова // Актуальные пробле мы теории адсорбции, пористости и адсорбционной селективности: материалы XIV Всероссийского симпозиума. – М.-Клязьма, 2010. – С. 35.
12. Андриянцева, С.А. Синтез и свойства адсорбционно-активных мате риалов, полученных на основе коксовой пыли / С.А. Андриянцева // Нано- и супрамолекулярная химия в сорбционных и ионообменных процессах: мате риалы всероссийской науч.-практ. конф. / под ред. А.И. Везенцева. – Белгород:
2010. – С. 12-14.
Светлана Александровна АНДРИЯНЦЕВА СНИЖЕНИЕ ЭМИССИИ УГЛЕВОДОРОДОВ ИЗ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ ПУТЕМ ПРИМЕНЕНИЯ СОРБЕНТОВ, ПОЛУЧЕННЫХ ИЗ ОТХОДОВ КОКСОХИМИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Подписано в печать 7.02.2012. Формат 60х84 1/16. Бумага офсетная.
Ризография. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 120 экз. Заказ № Издательство Липецкого государственного технического университета Полиграфическое подразделение Издательства ЛГТУ 398600 Липецк, ул. Московская,