Инновационные перспективы Донбасса. Том 4, 2020 г. by Донецкий политехник (Донецкий национальный технический университет)

VIМЕЖДУНАРОДНЫЙНАУЧНЫЙФОРУМ ДОНЕЦКОЙНАРОДНОЙРЕСПУБЛИКИ

Международнаянаучнопракт ическаяконференция

ИнновационныеперспективыДонбасса

Международнаянаучнопракт ическаяконференция

Научнот ехническиеаспектыразвития авт отранспортног окомплекса

Международнаянаучнопракт ическаяконференция

Информатика, управляющиесист емы, мат ематическое икомпьют ерноемоделирование

Международнаянаучнот ехническаяконференция

Авт оматизацият ехнолог ических объект овипроцессов. Поискмолодых

Международнаянаучнот ехническаяконференция

Мет аллург ияXXIст олетияг лазамимолодых

Том 4.Перспект ивныенаправленияразвит ия эколог ииихимическойт ехнолог ии

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ ДОНЕЦКОЙ НАРОДНОЙ РЕСПУБЛИКИ ГОУ ВПО "ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ" (ДонНТУ) СОВЕТ МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ ДонНТУ ГОУ ВПО ЛНР «ЛУГАНСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Т. ШЕВЧЕНКО» (ЛНУ) ГОУ ВПО ЛНР «ДОНБАССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» (ДонГТУ) ДОНЕЦКАЯ РЕСПУБЛИКАНСКАЯ МАЛАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

ИННОВАЦИОННЫЕ ПЕРСПЕКТИВЫ ДОНБАССА Материалы 6-й Международной научно-практической конференции Том 4. Перспективные направления развития экологии и химической технологии

г. Донецк 26-28 мая 2020 года

Донецк – 2020

ББК 65.30 УДК 330.341 (477.61/62)

И 66

Инновационные перспективы Донбасса, г. Донецк, 26-28 мая 2020 г. – Донецк: ДонНТУ, 2020. Т. 4: 4.Перспективные направления развития экологии и химической технологии.. – 2020. – 70 с.

Представлены материалы 6-й Международной научно-практической конференции “Инновационные перспективы Донбасса”, состоявшейся 26-28 мая 2020 г. в Донецке на базе Донецкого национального технического университета, включающие доклады ученых и специалистов по вопросам приоритетных направлений научно-технического обеспечения инновационного развития Донбасса и формирования механизмов повышения социально-экономической эффективности развития региона. Материалы предназначены для специалистов народного хозяйства, ученых, преподавателей, аспирантов и студентов высших учебных заведений.

Редакционная коллегия Министр образования и науки ДНР М.Н. Кушаков, ректор ДОННТУ А. Я. Аноприенко, д-р пед. наук Г. А. Сорокина, канд. наук по гос. упр. А. Е. Пожидаев, д-р техн. наук Г. Г. Литвинский, канд. техн. наук А.Н. Корчевский, д-р техн. наук Э. Г. Куренный, д-р техн. наук С. П. Еронько, канд. техн. наук С.В. Горбатко, канд. экон. наук А.В. Мешков, канд. техн. наук И.В. Филатова, председатель Совета молодых ученых ДонНТУ Е. С. Дубинка. Рекомендовано к печати ученым советом ГОУВПО «Донецкий национальный технический университет» Министерства образования и науки ДНР. Протокол № __ от __ _______ 20__ г. Контактный адрес редакции НИЧ ДонНТУ, ул. Артема, 58, Донецк, 283001 Тел.: +380 (62) 305-35-67. Эл. почта: ipd.donntu.org@gmail.com Интернет: http://ipd.donntu.org

Перспективные направления развития экологии и химической технологии СОДЕРЖАНИЕ А.А. Симоненко Порядок проведения оценки риска воздействия аварийно химически опасных веществ на химически опасных объектах .......................... 5 И.В. Мысник, Л.И. Рублева, Н.В. Заговора Обзор некоторых фазовых равновесий и методов их исследования для оптимизации процесса получения жидких комплексных микроудобрений ГУ «НИИ «РЕАКТИВЭЛЕКТРОН» ..................... 10 Н.Г. Насонкина, С.Е. Антоненко, В.С. Забурдаев, Д.Г. Соколов Оценка надежности водонесущих сетей ........................................... 15 В.М. Погибко, И.Л. Сидак, В.Ф. Раков Фотокаталитический механизм образования радикалов ................. 20 В.Ф. Раков, В.М. Погибко Фотокаталитический суспензионный метод очистки воды ............. 25 И.Л. Сидак, В.Ф. Раков, В.М. Погибко Фотокаталитические устройства и способы очистки воды ............. 30 М.В. Султанова, А.И. Сердюк Исследование влияния экологически чистого электролита на переработку автомобильных аккумуляторов ................................... 35 М.М. Рипная, А.И. Сердюк, Ю.П. Вархалёв Оценка влияния на атмосферный воздух проектируемой экологически безопасной технологии переработки свинцовых аккумуляторов в г. Донецке ............................................................................................... 38 Е.И. Приходченко, С.В. Горбатко Влияние добавок на свойства бетонов .............................................. 43 Л.Ф. Бутузова, А.В. Савенко, В.А. Колбаса, Г.Н. Бутузов Поведение разных форм серы в условиях термической и тормоокислительной деструкции ...................................................... 46

Перспективные направления развития экологии и химической технологии Е.В. Пыжова, О.Н. Калинихин Оценка возможности использования отходов горнодобывающей промышленности в производстве строительных изделий ............... 51 Е.С. Матлак, М.Н. Шафоростова Организация ресурсосбережения при обращении с твёрдыми бытовыми отходами в жилищно-коммунальном хозяйстве ............ 56 Л.Ф. Бутузова, В.А. Сафин, В.А. Колбаса, Е.В. Хмелевская Полукоксование алкилированного угля ........................................... 61 Л.Ф. Бутузова, И.В. Подройко, В.Н. Шевкопляс Ведущая роль кислородсодержащих групп в процессе метаморфизма молодых углей .................................................................................... 66

Перспективные направления развития экологии и химической технологии УДК 504.05

ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ ОЦЕНКИ РИСКА ВОЗДЕЙСТВИЯ АВАРИЙНО ХИМИЧЕСКИ ОПАСНЫХ ВЕЩЕСТВ НА ХИМИЧЕСКИ ОПАСНЫХ ОБЪЕКТАХ А. А. Симоненко ГОУ ВПО «ДОНБАССКАЯ НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ СТРОИТЕЛЬСТВА И АРХИТЕКТУРЫ» г. Макеевка, ДНР Аннотация. В данной статье исследован порядок проведения оценки риска воздействия аварийно химически опасных веществ на химически опасных объектах. Определены этапы идентификации опасностей и оценки риска, выявлены количественные показатели риска. Разработаны рекомендации по уменьшению риска. Аnnotation. This article explores the procedure for assessing the risk of exposure to chemically hazardous substances at chemically hazardous facilities. The stages of hazard identification and risk assessment are identified, quantitative risk indicators are identified. Recommendations on risk reduction have been developed. Ключевые слова: риск, оценка риска, анализ, опасность, идентификация, рекомендации, авария. Keywords: risk, risk assessment, analysis, danger, identification, recommendations, accident. Первый этап при проведении оценки риска – это планирование и организация работ. Анализ опасности должен соответствовать сложности рассматриваемых процессов, наличию необходимых данных и квалификации специалистов, проводящих анализ [1]. На этапе планирования должны быть четко иопределены управленческие и рисктребуемые выходные котрыеданные риск-оснвойанализа, которые выходнырешения е принятислужат основой для принятия решений [2]. При рискаопределении критериев учитыватьприемлемого риска существующихнеобходимо учитывать иособенности существующих харктеискиопасностей и работыотличительные характеристики планированиявыполняемой работы. включаетЭтап планирования себятакже включает в себя анлизруемойтщательное ознакомление с анализируемой Целью базыознакомления является знаийопределение базы явлетссистемой. даныхнеобходимых знаний и данных вдля включения анлизих в риск-анализ [3].

Перспективные направления развития экологии и химической технологии опасностейВторой

этап - цельюидентификация опасностей. этапОсновной целью выявлениеэтого этапа описаниеявляется выявление и описание ситемевсех опасностей, важныйприсущих системе. анлизаЭто важный опаснотиэтап анализа, выявленыепоскольку опасности, выявленные нна этом дальнейшемуэтапе, не нподлежат дальнейшему этомне е а На провдитсяэтом же оценкэтапе проводится чтобыпредварительная оценка жрассмотрению. е а деятельности дальнейшеопасности, чтобы деятльностивыбрать дальнейшее можнаправление ет [3]. Это может быть: 1)решение дальнейший из-за ипрекратить з незачительностианализ незначительности опасностей; 2) решение о проведении рискаболее детального анализа риска; 3) снижениюразработка рекомендаций по снижению рисков. Третий этоэтап - оценка включриска. Этот частоыэтап включает ианализ частоты, ает однакопоследствий и последтвиянеопределенностей [4]. Однако, илкогда последствия чрезвычайнонезначительны или достачночастота чрезвычайно одинмала, достаточно оцениваяоценить один событийпараметр. Оценивая можетвероятность событий, стаикувы можете использовать статистику. связаныхИмеется много оценкойнеопределенностей, связанных с оценкой явлетсриска. Их частьюанализ является рисканеотъемлемой частью правилооценки риска [3]. источникамиКак правило, явлетсяосновными источниками онеопределенностей является обрудованияинформация о человческихнадежности оборудования и человеческих предполженияошибках, а применямыхтакже предположения о применяемых чтобымоделей аварийного интерпетироватьпроцесса. Чтобы рискаправильно интерпретировать пониматьвеличины риска, инеобходимо понимать и причины. причнынеопределенности неопредлностиих бытьИсточники неопределенности подолжны быть возможностиопределены по парметрымере возможности. котрымОсновные параметры, к которым бытьчувствителен анализ, вдолжны быть оценкипредставлены в результатах оценки риска. Разработка рискарекомендаций по снижению риска анализа заканчивается закнчиваетсяПроцесс рекомендацийрисков признаютразработкой рекомендаций. рискРекомендации признают приемлемыйсуществующий риск указываюткак приемлемый поили указывают рискамеры по поснижению риска. рискаМеры по носитьснижению риска эксплуатционыймогут носить организационыйтехнический, эксплуатационный приили организационный типахарактер. При решающевыборе типа иметмер решающее мер, влияющих на риск оценказначение имеет меробщая оценка нэффективности а [4]. При снижениюразработке мер необходимопо снижению чториска необходимо учитывать, что: 1) в первую применяютсяочередь разрабатываются и применяются наименсамые простые и наименее ндорогостоящие рекомендации, безопасностинаправленные на а повышение безопасности; 2) котраястепень снижения быриска, которая посредтвомможет быть рекомендацидостигнута ть посредством зарневыполнения рекомендации, обычно заранее неизвестна;

Перспективные направления развития экологии и химической технологии 3) ресурсы, рискавыделяемые для снижения риска, ограничены; 4) много траисявремени и разботкуденег тратится рекомендацина разработку каждой рекомендации; 5) значительные инвестиции c болецелью дальнейшего менснижения более рискаили менее приемлемого риска нецелесообразны. На объектаэтапе эксплуатации иопасного объекта мерыэксплуатационные и меры спобностьмогут компенсировать оснвныеограниченную компенсироватьорганизационные способность мерыпринимать основные снижениятехнические меры этодля снижения большоериска. Это приимеет большое анлизазначение при существующихпроведении анализа рисков существующих объектов. Отчет долженоб анализе процесриска должен рискадокументировать процесс отчеаанализа риска. отРазмеры отчета анлизазависят от ноцелей анализа долженрисков, но он должен отражать[3]: 1) цели и задачи; 2) лимитыисходные данные и лимиты, рискаопределяющие границы анализа риска; 3) описание анализируемой системы; 4) методология анализа; 5) результаты идентификации опасности; 6) ихописание используемых парметрымоделей, их возможностиначальные параметры и возможности применения; 7) исходные источникданные и их источники; 8) результаты оценки риска; 9) анализ неопределенностей; 10) рекомендации. приКоличественные показатели декларцириска При безопаснотипроведении декларации производственыхпромышленной безопасности следутопасных производственных следующиеобъектов следует показтелиучитывать следующие количественные показатели риска[4]: индивидуальный риск; коллективный риск; социальный потенциальный рискриск; территориальный риск. Рассмотрим взаимосвязи между этими показателями. При проведении анализа риска рассматриваются различные сценарии аварий. Каждому сценарию аварии предписывается своя частота







реализации ( j , 1/год) и вероятностная зона поражения P x, y , которая рассчитывается на основе физических процессов протекания аварий и характеристики негативного воздействия на человека или другие субъекты воздействия [5]. Для получения области Rx, y  проводится потенциального территориального риска суммирование всех вероятностных зон поражения с учетом частоты

Перспективные направления развития экологии и химической технологии их реализации на рассматриваемой территории (в предположении Pj x, y  малости произведения ): J

Rx, y     j  Pj x, y ,

(1)

Для

оценки

риска необходимо построить распределение персонала или населения N x, y  на рассматриваемой территории. Это распределение отражает количество субъектов воздействия, расположенных в определенном месте в среднем в год. Тогда коллективный риск F определяется по формуле: F   s N x, y   Rx, y . (2) Чтобы определить средний индивидуальный показатель риска для субъектов воздействия ( N ) из всех субъектов следует выделить N только ту часть ( R ), которая подвержена риску. Это связано c тем, что определенная часть субъектов может находиться за пределами негативного воздействия опасного производственного объекта. N R   s N  x, y ,  R x, y  > 0. (3) N Средний индивидуальный риск оценивается как R ind = F / R . Помимо показателя среднего индивидуального риска, зная N x, y  и

Rx, y  , можно построить распределение субъектов влияния по уровням риска ( N ( R )), N - R диаграмму. Эта информация важна для оценки количества субъектов с высоким рискам. Кроме того, распределение субъектов по территории очень неравномерно и по этой причине в некоторых случаях все субъекты могут быть разделены на группы в соответствии с их территориальными или производственными характеристиками. Для каждого территориального распределения Nг x, y  групп субъектов можно

определить показатели коллективного ( F г) и индивидуального Rг ind риска [5]. Показатели социального риска определяются на основе частоты реализации (  , 1/год) и вероятностной зоны поражения (Р(x,y)) для каждого сценария аварии с учетом распределения субъектов N x, y  на рассматриваемой территории. Количество жертв ( N *) в конкретном случае аварии рассчитывается по формуле: N   s N x, y   Px, y , (4)

Перспективные направления развития экологии и химической технологии а частота этого события есть λ. Рассчитав количество пострадавших для всего спектра сценариев (J), можно построить F - N диаграмму, просуммировав все частоты сценариев аварий, для которых количество пострадавших превышает заданное значение [5]. Выводы Таким образом, в данной статье утверждается, что для предупреждения химических аварий и устранения их последствий необходимо провести всестороннюю оценку риска аварии и связанной с ней угрозы. Провести анализ достаточности принятых мер по предотвращению аварий, обеспечить готовность организации к эксплуатации химически опасных объектов в соответствии c требованиями промышленной безопасности, a также к локализации и ликвидации последствий аварии: разработать меры, направленные на уменьшение масштаба последствий аварии и ущерба, причинённого в случае аварии на химически опасных объектах. Перечень ссылок 1. Петров, С. В., Макашев В.А. Опасные ситуации техногенного характера и защита от них - Москва: НЦ Энас, 2008. 2. Крючек, Н. А. Безопасность и защита населения в чрезвычайных ситуациях [Текст]: учебно-методич. пособие для проведения занятий с населением / Н.А. Крючек, Латчук В.Н. М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2005. 3. Белов, П. Г. Управление рисками, системный анализ и моделирование в 3 ч. часть 1: Учебник и практикум для бакалавриата и магистратуры / П.Г. Белов. Люберцы: Юрайт, 2016.209 - 211 c. 4. Акимов В.А., Лесных В.В., Радаев Н.Н. Основы анализа и управления риском в природной и техногенной сферах. М.: Деловой экспресс, 2004. - 352 с. 5. Меньшиков В.В., Швыряев А.А. Опасные химические процессы и техногенный риск: Учебное пособие. - М.: Изд-во МГУ, 2003.

Перспективные направления развития экологии и химической технологии УДК 543.42.062

ОБЗОР НЕКОТОРЫХ ФАЗОВЫХ РАВНОВЕСИЙ И МЕТОДОВ ИХ ИССЛЕДОВАНИЯ ДЛЯ ОПТИМИЗАЦИИ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ ЖИДКИХ КОМПЛЕКСНЫХ МИКРОУДОБРЕНИЙ ГУ «НИИ «РЕАКТИВЭЛЕКТРОН» Мысник И.В.1, Рублева Л.И.2, Заговора Н.В.1 ГУ НИИ «Реактивэлектрон»1, г. Донецк, ДНР ГОУ ВПО «Донецкий национальный технический университет»2, г. Донецк, ДНР Аннотация. Проведен краткий анализ перспективы применения водных концентратов микроудобрений комбинированного состава на основе хелатных комплексов микроэлементов. Предложен алгоритм подбора соотношения сырьевых компонентов, который позволяет избежать осаждения твердых форм при синтезе жидких комплексных микроудобрений и обсуждены пути его реализации. Annotation. A brief analysis of the prospects for the use of aqueous concentrates of microfertilizers of combined composition based on chelate complexes of trace elements is carried out. An algorithm for the selection of the ratio of raw components is proposed, which avoids the deposition of solid forms in the synthesis of liquid complex microfertilizers and discussed the ways of its implementation. Ключевые слова: жидкие комплексные микроудобрения, оптимальный состав, твердая фаза, рабочие растворы. Keywords: liquid complex microfertilizers, optimal composition, solid phase, working solutions. В современной агрохимии успешно применяют водные концентраты микроудобрений – жидкие комплексные удобрения (ЖКУ), в состав которых входят микроэлементы (Cu, Zn, Mn, Co) в виде хелатных комплексов и макроэлементы (N, P, K) основных минеральных удобрений в виде водорастворимых неорганических солей, доступных для усвоения растениями. Как для получения концентрата ЖКУ, так и для приготовления рабочих растворов экономически обосновано использование воды из местных водных ресурсов – водопроводной либо канальной воды. В этой связи разработка сотрудниками ГУ «НИИ «Реактивэлектрон» собственных ЖКУ, адаптированных не только к химическому составу

Перспективные направления развития экологии и химической технологии сельскохозяйственных почв Донбасса, но и к составу местных водных ресурсов, является весьма актуальной [1]. Основными сырьевыми компонентами для ЖКУ, разрабатываемые ГУ «НИИ «Реактивэлектрон», являются купоросы Cu, Zn, Mn и Co, Na4ЭДТА (этилендиаминтетраацетат натрия), фосфорная кислота, водный аммиак, мочевина и водопроводная вода (с общей жесткостью 6-7 ммоль/л). В ходе синтеза концентрата ЖКУ на последней стадии купажирования в водной среде при рН=5-8 присутствуют следующие ионы: Na+, Са2+, Мg2+, Н+, NH4+, SO42-, НЭДТА3-, Н2ЭДТА2-, Н2РО4-, НРО42-, а также мочевина. Некоторые из перечисленных веществ могут образовывать мало- и нерастворимые соединения, т.е. твердую фазу. Направления равновесий с участием «проблемных» компонентов, т.е. способных образовывать осадки, будут определяться, в первую очередь, совокупностью параметров – констант диссоциации слабых электролитов и произведениями растворимости мало- и нерастворимых соединений, общей концентрацией компонентов, обусловливающей ионную силу раствора. Из анализа вышеперечисленных факторов можно спрогнозировать вероятные равновесные процессы в концентрированных растворах ЖКУ (табл.1). Таблица 1. Ионные равновесия в концентрированных растворах хелатных ЖКУ при рН 5-8 рН Ионные равновесия 5-6 6-7 7-8 2+ 2Ca + НРО4 ↔ CaНРО4 (1) 2+ Ca + 2Н2РО4 ↔ Ca(Н2РО4)2 (2) 2+ Ca + 2OH ↔ Ca(OH)2 (3) (2) (1) (1) 2+ 2Ca + SO4 ↔ CaSO4 (4) (4) (2) (3) 2+ (5) (4) (4) Н2ЭДТА + Н ↔ Н3ЭДТА (5) + (6) (6) Na + Н3ЭДТА ↔ NaН3ЭДТА 2+ Н2ЭДТА + NH4 ↔ Н2NH4ЭДТА (6) Na+ + Н2NH4ЭДТА- ↔ NaН2NH4ЭДТА Образование осадков в ходе синтеза ЖКУ крайне нежелательно, т.к. делает их технически не пригодными. Такие осадки обусловливают потерю питательных элементов, забивают технологическое химическое и сельскохозяйственное оборудование. Необходимо создать такой алгоритм подбора количества сырьевых компонентов, который позволяет получать концентрат ЖКУ с 11

Перспективные направления развития экологии и химической технологии техническими характеристиками в соответствии с требованиями ТУ – прозрачными, стабильными при хранении. Такие же характеристики должны иметь и рабочие растворы ЖКУ. Для осуществления подобной задачи можно применить два подхода. Первый подход основан на имеющемся прикладном лабораторнопроизводственном опыте с применением индуктивного мышления. Эта концепция вынуждает проделать немалую толику синтезов, по большей части – неудачных. Понятно, чтобы не образовывались нерастворимые фосфаты кальция, необходимо создавать избыток фосфорной кислоты, достаточный для образования растворимых кислых фосфатов кальция или уменьшать рН среды. Оценить это количество фосфорной кислоты можно, зная исходную жесткость воды по кальцию. Однако, избыточность фосфорной кислоты нарушит пропорцию макроэлементов N:P:K в рецептуре концентрата ЖКУ. Кислая среда неблагоприятна для растений, а также подкисление способствует образованию малорастворимых форм ЭДТА [2]. При этом мы не учитываем наличие карбамида, способного образовывать аддукты и проявлять высаливающий эффект. В этой связи представляет интерес работа [3], где изучено влияние общей концентрации компонентов на растворимость для системы (NH4)2HPO4-NH4H2PO4-CO(NH2)2-Н2О. Авторы исследовали составы жидкой и твердой фаз системы в областях различного молярного соотношения компонентов при 250С. Химического взаимодействия между компонентами системы не наблюдалось. Показано, что с ростом содержания карбамида резко уменьшается растворимость NH4H2PO4. Максимальное содержание питательных веществ (N+P=4045%) в насыщенных растворах достигается при содержании NH4H2PO4 – 20-24%, (NH4)2HPO4 – 19-27% и карбамида до 25%. При увеличении приведенных показателей происходит потеря питательных веществ в результате их кристаллизации. Второй подход – научно-обоснованный, который помогает избежать экспериментальных потерь. С точки зрения физической химии концентрат ЖКУ является многовариантной системой, содержащих более десяти компонентов – ионов, молекул, комплексных соединений. Представление обо всех фазовых равновесиях, возникающих в такой многовариантной системе, является непосильной задачей. С максимально допустимым упрощением можно свести задачу о взаимной растворимости в воде четырех, пяти компонентов, т.е. рассмотреть превращения в соответствующей водно-солевой системе. Эта задача разрешима, однако на сегодняшний день отсутствуют исследования диаграмм

Перспективные направления развития экологии и химической технологии состояния по пятикомпонентной системе Ca2+-HPO42--NH4+-CO(NH2)2H2O. В настоящем сообщении мы представим некоторые современные методы, которые позволяют осуществить такое исследование: 1) метод компьютерного анализа; 2) оптимизированный метод сечения фазовых диаграмм водно-солевых систем. Метод компьютерного анализа. В многокомпонентных системах, где протекает масса побочных конкурирующих реакций, предсказать поведение того или иного иона можно на основании компьютерного анализа [4]. Для полного описания системы достаточно знать соответствующие константы равновесия парных взаимодействий катион-анион, произведения растворимости труднорастворимых компонентов изучаемой системы и задать общие концентрации веществ. К примеру, коммерческая программа “Species” фирмы “Academic Software” позволяет это сделать. Фирма “Academic Software”, работающая под эгидой ИЮПАК, располагает базой данных, охватывающей более 200000 констант равновесия К с. Метод сечения фазовых диаграмм. По мнению авторов [5] термодинамические расчеты (к примеру, по методу Питцера) в достаточно сложных системах с большим числом компонентов и со сложной химической природой их взаимодействия, носят пока приближенный характер. Более точным и одновременно простым в аппаратурном оформлении является экспериментальное построение изотермических диаграмм состояния по легко определяемому физическому свойству жидкой фазы (например, коэффициенту преломления) без химического анализа состава твердой фазы, находящейся в нонвариантном равновесии с жидкой. Одним из методов дальнейшей обработки диаграмм, позволяющим установить температурно-концентрационные границы изогидрического процесса с участием добавочных электролитов, являются методы остатков Схрейнемакерса и метод сечений, разработанный Р.В.Мерцлиным с сотрудниками. Особое внимание привлекает оптимизированный Мазуниным С.А. метод сечений, заявленный как изобретение. Выводы С целью оптимизации составов комплексных хелатных микроудобрений, разрабатываемых ГУ «НИИ «Реактивэлектрон», планируется осуществить экспериментальные исследования растворимости смеси компонентов удобрения. Используя экспериментальные данные, а также комбинированный способ прогнозирования совместной растворимости компонентов и оптимизированный метод сечений, будут предложены концентрационные границы составов микроудобрений с допустимыми техническими свойствами и содержащих оптимальное соотношение питательных веществ.

Перспективные направления развития экологии и химической технологии Перечень ссылок 1. Удодов, И.А. Разработка технологий и создание производства микроудобрений для повышения урожайности сельскохозяйственных в условиях Донецкой народной республики / И.А.Удодов, Л.И.Рублева // Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов: Материалы ХIII Международной конференции аспирантов и студентов, г. Донецк, 16-17 апреля 2019 г. / ДОННТУ, ДонНУ. – Донецк: ГОУ ВПО «ДОННТУ», 2019. - С.3-5. 2. Булатов М.И. Расчеты равновесий в аналитической химии. – Л.: Химия, 1984. – 184 с. 3. Дормешкин, О.Б. Жидкие комплексные удобрения на основе системы (NH4)2HPO4-NH4H2PO4-CO(NH2)2-Н2О / О.Б.Дормешкин // Химическая технология. – 2016. - №3. – С. 98-103. 4. Бугаевский, А.А. Методы расчета равновесного состава в системах с производным количеством реакций/ А.А. Бугаевский, Т.П. Мухина// Математика в химической термодинамике.- Новосибирск: Наука, 1980.- С.20-36. 5. Кистанова, Н.С. О методах исследования фазовых равновесий в водно-солевых системах в изотермических условиях / Н.С.Кистанова, С.А.Мазунин // Вестник Перм. Ун-та. Серия Химия. - 2013. - Вып. 2(10). – С 8696.

Перспективные направления развития экологии и химической технологии УДК 628.1

ОЦЕНКА НАДЕЖНОСТИ ВОДОНЕСУЩИХ СЕТЕЙ Н.Г. Насонкина, С.Е. Антоненко, В.С. Забурдаев, Д.Г. Соколов ГОУ ВПО «ДОНБАССКАЯ НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ СТРОИТЕЛЬСТВА И АРХИТЕКТУРЫ», МОН ДНР, г.Макеевка, ДНР Аннотация. Рассмотрены основные аспекты надежности водопроводных и канализационных сетей (на примере ДНР). Предложена система контроля и управления, позволяющие повысить надежность водонесущих коммуникаций. Annotation. The basic aspects of reliability of networks of plumbing and sewage system are considered (on the example of the Donetsk region). The checking and management system is offered, allowing to promote reliability of work of networks. Ключевые слова: труба, аварий, надежность, диагностика, порыв. Keywords: pipe, failures, reliability, diagnostics, gust. Вопросом надежности водонесущих систем посвящено значительное количество работ [1-5]. Для сетей водоснабжения и водоотведения основными показателями надежности является вероятность безотказной работы Р и коэффициент готовности КГ, характеризующий вероятность исправного состояния сети и сохранения ее расчетных параметров работы, т.е. параметрическую надежность. P  e  Lt ,

(1) L

 TО     KГ    ,        TО  TB 

где

(2)

 - интенсивность отказов трубопровода; L - длина трубопровода;

 - интенсивность восстановления;

- время эксплуатации, принимаемое от момента пуска в эксплуатацию трубопровода до настоящего момента плюс один год; T0 - средняя наработка на отказ, определяется формулой (3) t

Перспективные направления развития экологии и химической технологии TO 



, ТВ 

(3).



- среднее время восстановления системы.

На интенсивность отказа сетей водоснабжения и водоотведения оказывают влияние качественные показатели воды; материал и диаметр труб; толщина стенок, герметичность, нарушения стыковых соединений, деформация тела труб, геология, наличие и агрессивность грунтовых вод, срок эксплуатации; глубина заложения; динамические нагрузки на трубопровод; гидравлический режим и другие. Все повреждения, вызывающие отказы на трубопроводах, обусловлены действием внешних и внутренних факторов, которые подразделяются на три группы. Первая группа факторов связана с технологией изготовления труб, вторая группа - со строительством трубопроводов. Третья группа факторов определяется условиями функционирования и эксплуатации трубопроводов. К этой группе факторов относятся материал и диаметр труб, степень изношенности трубопровода и режим его работы, давление в сети, агрессивность транспортируемой среды, удары и др. Например, от такого фактора, как материал трубопровода на 18% зависит долговечность труб. Распределение по видам повреждений приведено на рисунке 1. 100 90 80 70

Нарушение стыковых соединений %

Образование свищей %

Разрыв труб и фасонных частей %

Электрокоррозия %

Перелом и разрушение труб %

20 10 0 сталь

чугун

азбестоцемент пластмасса

ЖБ

Рисунок 1 - Структура основных видов повреждений трубопроводов (по ДНР)

Можно считать, что такие повреждения являются характерными для всех систем коммунального хозяйства. При этом необходимо отметить, что количество аварий на сетях ежегодно растет (рисунок 2)

Перспективные направления развития экологии и химической технологии и это, безусловно, отображается на общем состоянии систем водоснабжения и водоотведения. 80 70 60 50 РФ

по Донецкой обл

30 20 10 0 ВЧШГ

ПЭ

сталь

серый чугун

Рисунок 2 - Аварийность трубопроводов

Количество повреждений

Такая ситуация требует своевременного предупреждения, быстрого обнаружения и ликвидации аварий. Анализ ликвидированных аварий (рисунок 3) показывает необходимость в систематическом контроле процессов эксплуатации и в разработке стратегии планирования ремонтных работ с учетом состояния сетей, давления в сети и используемых материалов для реконструкции. 600 500 400 300

y = 0,0315x + 51,13

200 100 0 0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

Протяженность трубы

Рисунок 3 - Анализ аварийности сетей по региону

8000

9000

Перспективные направления развития экологии и химической технологии Необходимо отметить, что четкое отличие «внешних» и «внутренних» причин отказов трубопроводов установить в большинстве случаев тяжело. Многие из «внутренних» повреждений трубопроводов являются результатом внешних действий. Аварии трубопроводов часто обусловлены одновременно коррозийными свойствами грунта, действием блуждающих токов, динамическими и статическими нагрузками от городского транспорта, просадками грунта и низким качеством монтажа труб. Все это определяет необходимость проведения постоянного четкого мониторинга состояния сетей с выявлением «узких мест» и предупреждения появления аварий и сокращения течей. Износ сети и резкие колебания давления в системе в течение типичного дня ведут к повышению аварийности сетей. Наибольшее количество повреждений наблюдается на участках из чугунных труб (рисунок 4), на которые приходится основная часть труб малого диаметра (рисунок 5).

<100 kPa 100-250 kPa >250 kPa

повреждаемость на 100км/год

Рисунок 4 - Распределение по давлению в ВС (по ДНР)

16 14 12 10 8 6 4 2 0 гу чу

ь ал ст

м це о ст бе с а

т ен

к ти с а пл

е ги у др

материал трубы

Рисунок 5 - Зависимость повреждаемости труб от материала

Перспективные направления развития экологии и химической технологии Высокая аварийность трубопроводов ведет к увеличению потерь воды и ухудшению качества предоставляемых услуг. Аварии на участках канализационных сетей приводят также к бактериологическому и химическому загрязнению верхнего слоя почвы. Деформация и состояние почв в целом оказывают серьезное влияние на состояние сетей водоснабжения и водоотведения, так аварийность трубопроводов, проложенных на подрабатываемых территориях, значительно выше, чем на ненарушенных территориях. Для повышения надежности водопроводной и канализационной сети сегодня необходимо провести паспортизацию и обследование трубопроводов. Зная износ стенки трубы и срок эксплуатации, можно рассчитать номинальное давление трубопровода и принять решение о замене, или его санации. Используя критерий отказа для «критических» точек, можно прогнозировать более узкие места в работе сети, моделировать для них резервирование и оптимизировать их работу. Перечень ссылок 1. Примин О.Г. Обеспечение надежности и долговечности водопроводных трубопроводов // Сборник трудов Международной ассоциации «Водоканалэкология». – 2013. – С.42-54. 2. Храменков С.В. Принципы обеспечения надежности водопроводной сети в условиях сокращения водопотребления // "Водоснабжение и санитарная техника". - №5, часть 2.- 2003. 3. Найманов А.Я., Насонкина Н.Г., Маслак В.Н., Зотов Н.И. Основы надежности инженерных систем коммунального хозяйства. – Донецк: НАН Украины. Ин-т экономики пром-сти, 2001. –152с. 4. Петросов В.А. Управление региональными системами водоснабжения. – Харьков: Основа, 1999. – 320 с. 5. Ромейко В.С., Баталов В.Г., Готовцев В.И. и др. Защита трубопроводов от коррозии. – М.: ВНИИМП, 2000. – 208с.

Перспективные направления развития экологии и химической технологии УДК 535.215: 544.022.372

ФОТОКАТАЛИТИЧЕСКИЙ МЕХАНИЗМ ОБРАЗОВАНИЯ РАДИКАЛОВ В.М. Погибко, И.Л. Сидак, В.Ф. Раков ГУ «НИИ «РЕАКТИВЭЛЕКТРОН», г. Донецк, ДНР Аннотация. Проведен анализ физико-химических механизмов образования радикалов при облучении анатаза ультрафиолетовым излучением. Установлена взаимосвязь ширины запрещенной зоны оксидных полупроводников с Red-Ox потенциалом полуреакций образования радикалов. Показано, что легирование анатаза нецелесообразно. Annotation. The physicochemical mechanisms of radical formation during anatase irradiation with ultraviolet radiation were analyzed. The energy gap width of the oxide semiconductor band with the Red-Ox potential of the radical formation half-reactions was established. It is shown that anatase doping is not appropriate. Ключевые слова: фотокатализаторы, ширина запрещенной зоны, легирование, квантовые переходы, носители заряда, радикалы. Keywords: photocatalysts, energy gap width, doping, quantum transition, charge carriers, radicals. Проблема очистки питьевой воды является актуальной задачей во всем мире. По мнению специалистов, работающих в области фотокаталитической очистки воды, наиболее эффективным катализатором для этой цели является диоксид титана в форме анатаза. Обзор патентов РФ, США, ЕС, Японии и Китая глубиной 25 лет, показал, что существует два основных направления модификации свойств фотокатализаторов: легирование анатаза различными ионами металлов; и формирование высокопроницаемых каркасных наноструктур с большой удельной поверхностью. Целью настоящей работы является анализ целесообразности легирования анатаза различными ионами металлов. Известно, что в фотокаталитических процессах ширина запрещенной зоны равна изменению энергии системы, происходящей в результате поглощения кванта с энергией достаточной для перехода внешнего электрона аниона к катиону и, далее, из валентной зоны катиона в зону проводимости [1]. Образующиеся носители заряда 20

Перспективные направления развития экологии и химической технологии реагируют с молекулами воды, в результате чего образуются радикалы. Фотоэффект в анатазе, возникает при поглощении кванта с энергией больше ширины запрещенной зоны равной 3,25 эВ: h  E g . При этом протекают следующие реакции: hv Ti+4, O-2  Ti+3, O-1, в результате чего изменяются электронные конфигурации ионов: hv 3p6 + 2p6  3d1 + 2p5. В адиабатическом приближении изменение геометрии элементарной ячейки не происходит, а ширина запрещенной зоны определяется только изменением квантового состояния исходной системы. Фотоэффект возможен только в том случае, когда атомные орбитали 3d1 ионов Ti+3 имеют области перекрытия с орбиталями кислорода. В области перекрытия электронный потенциал орбитали Ti+3 должен превосходить электронный потенциал орбиталей O -2 и O-1: F  qTi  3  qO  2 , qO 1  0

Таким образом, фотоэффект возникает при переходе: Ti+4(O-2)6 → Ti+3(O-2)5O-1. В этом случае в зону проводимости инжектируются «электроны» и дырки. Квантово-механические расчеты подтверждают предложенный механизм образования носителей зарядов (рис. 1).

Рисунок 1 – Фотовольтаический механизм образования носителей заряда в анатазе.

Зона проводимости представляет собой полости, расположенные между октаэдрами TiO6 анатаза (рис. 2).

Перспективные направления развития экологии и химической технологии

Рисунок 2 – Структура анатаза и полости распространения волн Блоха – зоны проводимости.

Стационарная волновая функция свободных носителей заряда – поляронов малого радиуса в периодическом поле кристалла зависит от волнового вектора k и имеет вид:  k r   e ikr U k r  , где eikr – представляет собой плоскую волну, бегущую в направлении вектора k, а Uk(r) – потенциальная энергия полярона, зависящая как от волнового вектора k, так и от трехмерных координат и имеющая периодичность кристаллической решетки. Функция ψk(r) называется волной Блоха. Решением уравнения Шредингера для полярона в периодическом поле кристалла является плоская бегущая волна, модулированная с периодичностью решетки [2]. Другими словами, «электрон» и дырка представляют собой полярон малого радиуса и являются солитонами волн Блоха, несущими соответствующий элементарный заряд. Электрохимическая работа равна [3]: We  z    F , (1) где F – постоянная Фарадея; z – количество электронов участвующих в реакции образования радикалов. В изобарно-изотермическом процессе электрохимическая работа равна изменению энергии Гиббса: We  G p,T

Минимальная свободная энергия образования носителей заряда пропорциональна ширине запрещенной зоны: (2)  G p,T  E g  k  N A , где k – коэффициент пересчета электрон-вольтов в джоули и по определению он численно равен заряду электрона, выраженного в кулонах. Из уравнений (1, 2) следует, что: (3) z    F  Eg  k  N A 22

Перспективные направления развития экологии и химической технологии Очевидно, что произведение k·NA численно равно постоянной Фарадея. Сократив в уравнении (3) числа равные постоянной Фарадея получим: (4) Eg  z   Необходимо подчеркнуть, что выражение (4) не является равенством. Это выражение показывает соответствие энергии запрещенной зоны Red-Ox потенциалу полуреакции образования радикалов. Для одноэлектронных реакций, где z = 1, в точности выполняется соответствие: Eg  

При фотокаталитическом процессе образующиеся «электроны» и дырки, взаимодействуя с молекулами воды, образуют радикалы. Наиболее эффективным радикалом для очистки воды от микробиологических и органических загрязнений является гидроксидрадикал, Red-Ox потенциал которого равен φ = 2,584 В, что существенно выше потенциала такого сильного окислителя как озон φ = 2,07 В. Взаимодействие отрицательных носителей заряда, обладающих необходимой энергией, с гидроксид ионом приводит к образованию гидроксид-радикалов: n   OH   OH   ,   2,584B

Взаимодействие дырок с образованию перекиси водорода:

молекулами

воды

приводят

2 p   2 H 2 O  H 2 O 2  2 H  ,   1,776B

Реакция образования перекиси двухэлектронной, т.е. для неё z = 2. Известно, что энергия кванта равна: E

h c  10 9 ,  e

водорода

является

(5)

где h – постоянная Планка; c – скорость света; λ – длина световой волны, выраженная в нанометрах; e – заряд электрона. Подставив в уравнение (5) численные значения констант, можно записать условие для длины волны, которая при взаимодействии с кислородом октаэдрического окружения иона титана может привести к образованию носителей заряда и их переходу в зону проводимости: E

1239,7



 Eg

(6)

Подставив значение ширины запрещенной зоны анатаза, из уравнения (6) найдем максимальное значение длины волны λ = 381 нм, что соответствует ультрафиолетовой области спектра.

Перспективные направления развития экологии и химической технологии Анализ свойств легированного анатаза показал следующее. В анатазе, легированном ионами V +5 (Патент РФ № 2.540.336), пик поглощения смещается к значению λ = 750 нм, что соответствует потенциалу φ = 1,653 В. Очевидно, что такой потенциал не может генерировать образование гидроксид-радикалов, потенциал которого равен φ = 2,584 В. Другой пример, анатаз легированный ионами Zn+2 (Патент US № 9.055.733). В этом случае пик поглощения смещается к значению λ = 450 нм. Расчет по уравнению (4) дает значение потенциала φ = 2,755 В, что меньше, чем для чистого анатаза, φ = 3,25 В. Следует иметь в виду, что при поглощении света с энергией выше ширины запрещенного уровня полупроводника протекают следующие фотофизические процессы [1]: 1. Поглощение кванта: τп = 10-15 с. 2. Флуоресценция: τфл = 10-5 ÷10-9 с. 3. Неизлучающая конверсия – колебательное гашение: τк.г. = 10-9÷10-12 с. 4. Интеркомбинационная конверсия – образование радикалов ·∙ OH : τrad =10-5 ÷10-6 с. 5. Рекомбинация носителей заряда, время релаксации: τр = 10-6 ÷10-7 с. То есть, КПД генерации радикалов всегда меньше 100%, поэтому смещение пика поглощения в длинноволновую область приводит к резкому снижению генерации гидроксид-радикала и, тем самым, значительно ухудшаются фтокаталитические свойства катализатора. Выводы 1. Анализ механизмов фотокаталитического образования радикалов в водной среде и квантово-механические расчеты ширины запрещенной зоны анатаза легированного различными ионами показывает, что легирование анатаза различными ионами не только нецелесообразно, но и вредно, поскольку приводит к снижению генерации гидроксид-радикала. 2. Перспективными являются исследования, направленные на создание и модификацию высокопроницаемой каркасной наноструктуры керамики на основе анатаза. Перечень ссылок 1. Крюков А.И. Нано-фотокатализ. / А.И. Крюков, А.Л. Строюк, С.Я. Кучмий, В.Д. Походенко. // К.: Академпериодика. – 2013. – 618. 2. Бонч-Бруевич В.Л. Физика полупроводников. / В.Л. Бонч-Бруевич, С.Г. Калашников // М.: Наука. – 1977. – 672 с. 3. Антропов Л.И. Теоретическая электрохимия. / М.: Высшая школа. – 1975. – 568 с.

Перспективные направления развития экологии и химической технологии УДК 628.168: 544.526.5

ФОТОКАТАЛИТИЧЕСКИЙ СУСПЕНЗИОННЫЙ МЕТОД ОЧИСТКИ ВОДЫ В.Ф. Раков, В.М. Погибко ГУ «НИИ «РЕАКТИВЭЛЕКТРОН», г. Донецк, ДНР Аннотация. В работе рассмотрены фотокаталитические устройства очистки воды суспензионным методом. Приведены решения по применению фотокатализатора на основе диоксида титана, заявленные в различных патентах. Annotation. The photocatalytic devices for the water purification with the suspension method are considered in the work. The solutions for the use of a titanium dioxide based photocatalyst declared in various patents are presented. Ключевые слова: фотокатализатор, очистка воды. Keywords: photocatalyst, water purification. Традиционным методом обеззараживания воды является ее хлорирование. При хлорировании воды из фенолов образуются хлорорганические соединения, в том числе, диоксины – одни из самых токсичных веществ, обладающие кумулятивным действием (поступая даже в малых концентрациях, они накапливаются в организме), тератогенным (вызывающим уродство плода), мутагенными и канцерогенными свойствами. Имеющиеся на сегодняшний день бытовые фильтрационные системы, принцип действия которых основан на адсорбции тяжелых металлов и части органических примесей на адсорбентах, не позволяют очистить воду в полной мере, а ее кипячение еще более способствует образованию диоксинов. Каталитическое разрушение микробиологических объектов и токсичных хлорорганических соединений до простейших соединений (вода, углекислый газ, азот, хлорид кальция и магния и пр.) на фотокатализаторе при его облучении ультрафиолетовым светом, является самым эффективным и экологически чистым методом очистки воды. В качестве фотокатализаторов применяют функциональные материалы на основе недорогого и безвредного диоксида титана. В настоящее время фотокаталитическая обработка воды и воздуха уже используется для улучшения их качества за счет фотохимического инициирования окислительных реакций. 25

Перспективные направления развития экологии и химической технологии После открытия в 1972 г. фотокаталитического эффекта, были опробованы многие виды катализаторов. В итоге наиболее эффективным остается диоксид титана (TiO 2) в форме анатаза [1]. Диоксид титана, обладая высокой фотохимической активностью, способен поглощать энергию УФ-излучения с длиной волны – λ от 200 до 395 нм. В присутствии воды на поверхности диоксида титана образуются два вида соединений: активные гидроксид-радикалы ОН∙и перекись водорода H2O2, которые окисляют органические вещества до СО2 и Н2O. Это свойство диоксида титана используется при разработке технологий и оборудования для очистки воды от органических веществ, таких как углеводороды, спирты, эфиры, фенолы, альдегиды, кислоты и др. Перспективным приложением фотокатализа, является доочистка питьевой воды от органических загрязнителей, особенно имеющих низкие значения ПДК предельно допустимых концентраций (ПДК). Изначально особое внимание уделялось разрушению хлорсодержащей органики, предположительно являющейся причиной онкологических заболеваний. Так, в пионерских работах Оллиса (1983-1989) была произведена полная минерализация СН2СІ2, СНСІ3, ССl4 (начальная концентрация 10-200 ррm) в суспензии диоксида титана (концентрация 0,1 масс.%) при облучении ультрафиолетом (320 нм < λ <400 нм). Другие хлорзамещенные соединения были в этих экспериментах, по крайней мере, дехлорированы [2]. Существует два основных метода обработки воды с использованием фотокаталитического процесса: введение фотокатализатора в порошкообразной форме в воду (суспензионный метод) и формирование фотокатализатора на поверхностях, контактирующих с водой (система с неподвижным слоем) [3]. В суспензионном методе использование нанодисперсного диоксида титана технологически считается не совсем удобным, так как требует последующего удаления катализатора из потока. Компания Panasonic нашла способ присоединять мелкие частицы диоксида титана к цеолиту, который является широко распространенным адсорбентом и катализатором, позволяя фотокатализаторам сохранять свою активную поверхность. К тому же, метод не требует дополнительного связующего компонента, поскольку частицы надежно соединяются при помощи электростатических связей [4], (рис.1). Когда частицы фотокатализатора взбалтывают, диоксид титана отделяется от цеолита и его частицы распространяются в воде. В результате чего реакция протекает значительно быстрее, чем при

Перспективные направления развития экологии и химической технологии импликации диоксида титана на поверхностях носителей. Таким методом можно обрабатывать значительные объемы воды за короткое время. Если воду оставить на какое-то время в спокойном состоянии, диоксид титана снова адсорбируется цеолитом, что облегчит процесс его отделения и извлечения из воды, чтобы затем использовать снова [4].

Рисунок 1 – Технология компании Panasonic была представлена на выставке Tokyo' Eco Products Fair 2013.

Результатом длительных исследований польских химиков стало вещество, которое способно очистить воду от микробов и загрязнений под солнечными лучами. Диоксид титана считается главной составляющей нового вещества. Для повышения эффективности использования в его состав вводили атомы хрома, железа, как легирующие элементы [5]. Руководителем проекта был доктор Польской академии наук Хуан Карлос Кольменарес. Установка для обработки воды во взвешенном слое фотокатализатора [3] приведена на (рис. 2). Обрабатываемая жидкость, содержащая органические вещества, из циркуляционной емкости поршневым дозатором подается в реактор, где происходит деструкция загрязняющих веществ во взвешенном слое катализатора под действием ультрафиолетового облучения лампы. Для создания взвешенного слоя катализатора в нижней части реактора расположена перфорированная трубка, через которую компрессором подается 27

Перспективные направления развития экологии и химической технологии воздух. Обработанная жидкость из реактора возвращается в емкость, из которой производится отбор проб для исследования. Установка позволяет проводить исследования зависимости степени очистки (окисления) от поглощенной дозы (затрат энергии), мощности источника излучения.

Рисунок 2 – Установка для обработки воды во взвешенном слое фотокатализатора.

К настоящему времени показано, что в облучаемых суспензиях TiO2 окислению подвержены практически любые органические соединения, в том числе и диоксины. Однако, если интенсивно не перемешивать суспензию воды и фотокатализатора, то как правило, характерные времена полного окисления составляют несколько часов. Это связано с относительно медленной диффузией органических молекул в воде. Типичный коэффициент диффузии в воде составляет около 10-5 см2/с. В связи с этим, в начале XXI века предлагалось перспективное использование фотокатализатора TiO 2 для очистки сточных вод в накопительных резервуарах и отстойниках, где в обычных условиях пестициды, используемые в сельском хозяйстве, в водоемах разрушаются в течение нескольких месяцев. Добавление небольших количеств безвредного TiO2 позволяет сократить это время до нескольких дней без использования искусственных источников света, так как процесс идет под действием солнечного света. В патентах приводятся различные значения концентрации фотокатализатора TiO2 в суспензии, размеры частиц, различные легирующие добавки для обеспечения работы фотокатализатора в видимом свете, предварительная обработка порошка ультразвуком,

Перспективные направления развития экологии и химической технологии перемешивание частиц катализатора в водном растворе, адсорбирование частиц диоксида титана на внешних поверхностях частиц цеолита и т.д. Выводы 1. Суспензионный метод может быть использован для обеззараживания питьевой воды в промышленных системах водоснабжения населенных пунктов, воды бассейнов, водолечебниц. 2. Фотокаталитическое окисление целесообразно проводить на финальной стадии очистки питьевой воды после предварительного отстаивания и фильтрации. 3. Главные требования к фотокатализатору, применяемому для очистки воды, следующие: фотоактивность при облучении светом УФ- или видимого диапазона, стабильность, невысокая стоимость. Перечень ссылок 1. http://mvkniipr.ru/downloads/zar_news/15.04.2015-2.pdf Новые окислительные технологии очистки воды и сточных вод. 2. Артемьев Ю.М., Рябчук В.К. Введение в гетерогенный фотокатализ. СПб Изд-во С.-Петерб. ун-та, 1999. 304 с. 3. Фотокаталитическая очистка природных и сточных вод / В. Н. Марцуль, О. А. Самстыко, В. П. Капориков // Новейшие достижения в области импортозамещения в химической промышленности и производстве строительных материалов. – Минск: БГТУ, 2012. – Ч. 2. – с. 117–121. 4. https://www.facepla.net/the-news/4939-panasonic-для-очисткиводы.html 5. https://masterxoloda.ru/novosti/fotokatalizator-dlya-ochishheniya-vody

Перспективные направления развития экологии и химической технологии УДК 628.168 + 544.526.5

ФОТОКАТАЛИТИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА И СПОСОБЫ ОЧИСТКИ ВОДЫ И.Л. Сидак, В.Ф. Раков, В.М. Погибко ГУ «НИИ «РЕАКТИВЭЛЕКТРОН», г. Донецк, ДНР Аннотация. В работе рассмотрены основные способы и фотокаталитические устройства очистки воды. Приведены конструктивные решения по применению фотокатализатора на основе диоксида титана, заявленные в различных патентах. Annotation. The main methods and photocatalytic devices for the water purification are considered in the work. The constructive solutions for the use of a titanium dioxide based photocatalyst declared in various patents are presented. Ключевые слова: фотокатализатор, очистка воды. Keywords: photocatalyst, water purification. Природные воды, в особенности Донбасса, кроме патогенных микроорганизмов, содержат в значительных количествах фенолы и их производные. Основным промышленным источником загрязнения воды производными фенолов являются коксохимические производства и шахтные воды. При хлорировании воды из фенолов образуются хлорорганические соединения, в том числе, диоксины – одни из самых токсичных веществ, обладающих кумулятивным действием (поступая даже в малых концентрациях, они накапливаются в организме). Каталитическое разрушение микробиологических объектов и токсичных хлорорганических соединений до простейших соединений (вода, углекислый газ, азот, хлорид кальция и магния и пр.) на фотокатализаторе при его облучении ультрафиолетовым светом является эффективным и экологически чистым методом очистки природной воды. Наиболее эффективным является диоксид титана (TiO2) в виде анатаза [1]. В настоящее время фотокаталитическая обработка воды и воздуха уже используется для улучшения их качества за счет фотохимического инициирования окислительных реакций. Диоксид титана, обладая высокой фотохимической активностью, способен поглощать энергию ультрафиолетового (далее УФ) излучения с длиной волны λ = 200-380 нм. В присутствии воды на 30

Перспективные направления развития экологии и химической технологии поверхности диоксида титана образуются два вида соединений: активный гидроксид-радикал ОН∙- и перекись водорода H2O2, которые активно окисляют органические вещества до СО 2 и Н2O. Фотокаталитические технологии не требуют введения химических реагентов, поэтому отсутствует необходимость создания складов токсичных веществ. Конструктивное решение при создании реакторов для обработки воды фотокаталитическим способом представлено в работе [2]. Реактор представляет собой вертикальный цилиндр, изготовленный из нержавеющей стали, внутри которого размещается пористый фотокатализатор (рис. 1). Во внутреннем объёме пористого элемента расположена кварцевая трубка с ультрафиолетовой лампой. Обрабатываемая жидкость, содержащая органические вещества, из ёмкости поршневым дозатором подается в реактор, где на поверхности катализатора под действием УФ излучения осуществляется окисление органических веществ. Для увеличения времени контакта с катализатором поток жидкости организован таким образом, чтобы он дважды проходил через пористый элемент (фотокатализатор).

Рисунок 1 – Реактор для фотокаталитической обработки воды.

Повышение активности катализаторов на основе диоксида титана является актуальной задачей современного фотокатализа. Изучение фотокаталитической активности пленок TiO2, полученных золь-гель методом, показали, что данное свойство зависит от их пористости. Повышение пористости с 12 до 46% ведет к заметному повышению фотокаталитической активности пленок [3].

Перспективные направления развития экологии и химической технологии Перспективным направлением повышения фотоактивности является использование диоксида титана, модифицированного добавками различной природы. Известно, что нанесение ТiO 2 на подходящий носитель позволяет увеличить удельную поверхность катализаторов, а, следовательно, доступность реагентов к активным центрам ТiO2 возрастает. Это позволяет повысить фотокаталитическую активность систем. Еще одним направлением улучшения свойств диоксида титана является допирование атомами неметаллов (например, азота) и наночастицами металлов (такими как, благородные металлы). Это позволяет получить дополнительное поглощение в видимом диапазоне спектра и одновременно повышает эффективность процесса разделения зарядов. Многообразие методов формирования фотокатализаторов для очистки воды определяет актуальность работы по исследованию путей получения высокодисперсного титаноксидного фотокатализатора и роли промотирующих добавок ТiO2 [4]. Среди российских патентов можно отметить заявляемые устройства, где эффективность процесса обеззараживания воды повышается за счет его фотокаталитической составляющей, обусловленной наличием слоя из наноразмерных частиц диоксида титана, нанесенного на внутреннюю поверхность реактора [5]. Ниже приведена схема реактора (рис. 2).

Рисунок 2 – Реактор для очистки воды: 1- стенка реактора и перегородка, 2- слой из наноразмерных частиц диоксида титана, 3- УФ излучатели.

В патентах этих заявителей (РФ № 2 647 839, опубл. 21.03.2018г. «Фотокаталитический элемент для очистки и обеззараживания воздуха и воды и способ его изготовления» и US 9,925,529 «Photocatalytic element for purification and disinfection of air and water 32

Перспективные направления развития экологии и химической технологии and method for the production thereof») способ изготовления фотокаталитического элемента включает спекание стеклянных шариков, модифицирование поверхности спеченных стеклянных шариков и нанесение порошка диоксида титана на модифицированную поверхность спеченных стеклянных шариков. В фотокаталитическом модуле (Патент RU 2 394 772) для очистки воды пористый реактор может быть выполнен в виде полого цилиндра. Нанокристаллический диоксид титана на пористую поверхность реактора наносят методом окунания. В качестве источника ультрафиолетового излучения используют ультрафиолетовую лампу, светодиоды или солнечный свет. В предлагаемых УФ фотокаталитических установках Elecro Quantum Q-130 и других (изготавливаются в Хартфордшире, Англия) реакционных камерах фотокатализаторы содержат анатаз, серебро, платиновые нанокристаллы. Общий вид установки Elecro Quantum Q130 приведен ниже (рис. 3), а конструктивное решение бактерицидного аппарата для обеззараживания воды на подводных обитаемых объектах приведено на рис. 4. Elecro Quantum Q-130 содержит перистальтический дозирующий насос и цифровой индикатор срока службы лампы. Мощность ламп 2 х 55 Вт, срок работы ламп 14000 ч. Модель рассчитана на очистку воды бассейна объёмом до 130 м³. Ориентировочная стоимость установки более 1800 долл. США.

Рисунок 3 – Ультрафиолетовая Рисунок 4 – Бактерицидный аппарат для фотокаталитическая установка обеззараживания воды на подводных обитаемых объектах. Elecro Quantum Q-130.

Перспективные направления развития экологии и химической технологии В патентах европейских и США основное внимание уделяется способам повышения фотокаталитических свойств катализаторов на основе ТiO2 за счет его модифицирования добавками; ставится цель изменить спектральный состав облучения в сторону видимого солнечного света; предлагается использование пористых носителей и др. (US 10195602 Nucleation layers for enhancing photocatalytic activity of titanium dioxide coatings. Data 5.02.2019; US 9925529 Photocatalytic element for purification and disinfection of air and water and method for the production thereof. Data 27.03.2018; US 9833003 Titanium dioxide photocatalytic compositions and uses thereof. Data 5.12.2017). Выводы Основные принципы создания устройств фотокаталитической очистки питьевой воды, определенные на основе анализа конструктивных решений в патентах, следующие: 1. в реакционных камерах устройств фотокатализаторы должны иметь оптимальные свойства, обеспечивающие производительность, степень очистки воды, срок службы, возможность обслуживания, замены элементов и т.д. 2. в конструкции устройств необходимо обеспечить максимальный доступ УФ излучения при контакте очищаемой воды с фотокатализатором, а также многократный контакт очищаемой воды с фотокатализатором. Перспективным приложением фотокатализа, является доочистка питьевой воды от органических загрязнителей, особенно имеющих низкие значения ПДК. Фотокаталитическое окисление целесообразно проводить на финальной стадии очистки питьевой воды после предварительного отстаивания и фильтрации. Перечень ссылок 1. http://mvkniipr.ru/downloads/zar_news/15.04.2015-2.pdf Новые окислительные технологии очистки воды и сточных вод. 2. Фотокаталитическая очистка природных и сточных вод / В. Н. Марцуль, О. А. Самстыко, В. П. Капориков // Новейшие достижения в области импортозамещения в химической промышленности и производстве строительных материалов. – Минск: БГТУ, 2012. – Ч. 2. – с. 117–121. https://webmaster.yandex.ua/siteinfo/?site=mvkniipr.ru. 3. В.М. Хороших, В.А. Белоус Пленки диоксида титана для фотокатализа и медицины. ННЦ «ХФТИ» (Харьков) ФИП PSE, 2009, т. 7, № 3, vol. 7, No. 3, с 223–238. 4. Комаров А.С. Диоксид титана. фотокаталитические свойства. Минск, «Теория и практика современной науки» № 3 (3) 2015. 5. Патент RU 173 571 Устройство для обеззараживания питьевой воды в быту ультрафиолетовым излучением. ООО «Научно-исследовательский институт источников света имени А.Н. Лодыгина». Опубликовано 31.08.2017.

Перспективные направления развития экологии и химической технологии УДК 541.13

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТОГО ЭЛЕКТРОЛИТА НА ПЕРЕРАБОТКУ АВТОМОБИЛЬНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ М.В. Султанова, А.И. Сердюк ГОУ ВПО «ДОНБАССКАЯ НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ СТРОИТЕЛЬСТВА И АРХИТЕКТУРЫ» г. Макеевка, ДНР Аннотация. В работе представлены результаты исследования влияния экологически чистого электролита на основе малеиновой кислоты на переработку автомобильных аккумуляторов. Определено что корректировка состава электролита позволит улучшить скорость переработки автомобильных аккумуляторов. Annotation. The paper presents the results of a study of the influence of environmentally friendly maleic acid-based electrolyte on the processing of car batteries. It was determined that adjusting the composition of the electrolyte will improve the processing speed of automotive batteries. Ключевые слова: малеиновая кислота, электрохимическая переработка, автомобильные аккумуляторы, свинцово-кислотные аккумуляторы. Keywords: malic acid, electrochemical processing, automobile batteries, lead-acid batteries. Отработанные свинцово-кислотные аккумуляторы (СКА) относятся к категории высокотоксичных отходов и представляют значительную угрозу окружающей среде. Ужесточающиеся требования к охране окружающей среды предусматривают обязательный сбор и переработку аккумуляторного лома. Однако, применяемые в настоящее время пирометаллургические методы его переработки достаточно дорогостоящи, их использование приводит к значительному загрязнению окружающей среды, что вынуждает к поиску новых, экологически более чистых технологий. Для переработки отработанных свинцово-кислотных аккумуляторов существует такой перспективный метод как электрохимический [1]. Проанализировав работу предприятий по переработке автомобильных аккумуляторов в мире, можно отметить что основное 35

Перспективные направления развития экологии и химической технологии загрязнение окружающей среды при пирометаллургической переработке свинца - это выброс большого количества соединений свинца, а также образование большого количества отходов [2]. Известно, что при электрохимической переработке СКА с использованием фтористых электролитов количество выбрасываемых соединений свинца уменьшается, однако образуется большое количество фторидов, выбрасываемых в атмосферу. При использовании малеиновой кислоты в качестве электролита, воздействие на окружающую среду сводится к минимуму. При выделении малеиновой кислоты в воздух, она будет разрушаться в результате реакции с другими веществами или связываться с частицами, которые в конечном итоге будут осаждаться на землю [3]. Недостаток применения малеиновой кислоты в качестве электролита для переработки автомобильных аккумуляторов является низкая скорость переработки. Самой медленной стадией процесса переработки и рафинирования свинца является скорость выделение металлического свинца на катоде. Получение качественного покрытия происходит при рабочей плотности тока ниже предельно допустимой. Повысить скорость переработки возможно путем подбора состава электролита (концентрации свинца и ПАВ) и параметров электрохимического процесса, позволяющих проводить растворение аккумуляторных пластин и осаждение свинца на катоде в форсированном режиме при больших электродных плотностях тока. Скорость осаждения свинца на катоде определяется исключительно допустимой плотностью тока, которая, в свою очередь, зависит от концентрации свинца в электролите. Увеличение скорости осаждения возможно до какой-то определенной величины концентрации свинца, после достижения которой дальнейшего увеличения скорости практически не происходит. Результаты расчета представлены в таблице 1. Таблица 1 - Зависимость скорости осаждения свинца от состава электролитов № Рра 1 2 3 4 5 6 7

Допустимая плотность тока, А/дм2 125 130 200 125 75 225 240

Рабочая плотность тока, А/дм2 100 105 160 100 40 180 192

Скорость осаждения покрытия, г/(ч дм2) 1,9 2,1 2,5 1,9 1,3 3,1 4,8

Перспективные направления развития экологии и химической технологии Результаты расчета допустимой плотности тока и скорости осаждения покрытия представлены на рисунке 1.

Рисунок 1 - Результаты расчета допустимой плотности тока и скорости осаждения покрытия В результате исследования, можно сделать вывод что скорость осаждения свинца зависит от состава электролита, а также определяется допустимой плотностью тока. Также в результате корректировки состава электролита возможно повысить скорость переработки автомобильных аккумуляторов, тем самым решить главную проблему электрохимической переработки с использованием малеиновой кислоты. Лучшим показателем обладает электролит в составе которого присутствует композиция ССБ+этиленгликоль. Перечень ссылок 1. Цветотени. Журнал: Эксперт Урал. Изд.: Цветная металлургия, 2019. - № 16 (794). – С.56-58. 2. Were F. H., Kamau G. N., Shiundu P. M., Wafula G. A., Moturi C. M. Air and blood lead levels in lead acid battery recycling and manufacturing plants in Kenya // Journal of Occupational and Environmental Hygiene. 2012. N 9 (5). Р. 340— 344. 3. Wu J., Edwards R., He (Elaine) X., Liu Z., Kleinman M. Spatial analysis of bioavailable soil lead concentrations in Los Angeles, California. Environ. Res. 2010; P. 309–317.

Перспективные направления развития экологии и химической технологии УДК 504.064

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ НА АТМОСФЕРНЫЙ ВОЗДУХ ПРОЕКТИРУЕМОЙ ЭКОЛОГИЧЕСКИ БЕЗОПАСНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕРАБОТКИ СВИНЦОВЫХ АККУМУЛЯТОРОВ В Г. ДОНЕЦКЕ М.М. Рипная, А.И. Сердюк, Вархалёв Ю.П. ГОУ ВПО «Донбасская национальная академия строительства и архитектуры», г. Макеевка, ДНР Донецкий государственный научно-исследовательский и проектный институт цветных металлов Аннотация. В статье экологически обоснованы применение электрохимической технологии переработки свинцово-кислотных батареей и целесообразность строительства производства по утилизации автомобильных аккумуляторов. Annotation. The use of the electrochemical technology for processing a lead-acid battery and the feasibility of building a plant for the disposal of car batteries are environmentally sound in the article. Ключевые слова: оценка воздействия, атмосферный воздух, электрохимическая переработка, свинцово-кислотные аккумуляторы Keywords: impact assessment, atmospheric air, electrochemical processing, lead-acid batteries Отработанные свинцово-кислотные аккумуляторы – один из основных видов высокотоксичных отходов автотранспортных средств, который представляет значительную угрозу окружающей природной среде. Причина этого – ежегодно возрастающий спрос на данный вид продукции, непродолжительный срок эксплуатации, неквалифицированный сбор и утилизация аккумуляторных батарей. Автомобильные аккумуляторы очень распространенные во всех странах мира. Не смотря на то, что в последнее время появились другие типы батарей, например, литиевые, проблема свинцовых аккумуляторов никуда не делась. По данным 2018 г., автовладельцы с 2015 года зарегистрировали в межрайонных регистрационно-экзаменационных отделах Госавтоинспекции Донецкой Народной Республики (ДНР) более 212 тыс. транспортных средств [1]. Так как срок службы одного аккумулятора составляет не более 5 лет, следовательно, к 2020г. количество непереработанных аккумуляторных батарей (АКБ) в Республике будет свыше 5,3 тыс. т. 38

Перспективные направления развития экологии и химической технологии На сегодняшний день нет безвредного способа, позволяющего утилизировать или перерабатывать отработавшие свой срок аккумуляторные батареи. В РФ и странах СНГ основной способ переработки вторичного свинца (в частности СКА) — пирометаллургический. Моральная и физическая изношенность используемого оборудования и очистных сооружений приводит к образованию значительного количества высокотоксичных отходов, поступающих в окружающую среду в виде свинецсодержащей пыли и шлаков. Все это требует внедрения новых технологий переработки вторичного свинца, способных снизить нагрузку на окружающую среду. Одна из таких технологий — электрохимическая. Процесс электрохимической переработки сопровождается гораздо меньшими выбросами свинца в атмосферу: при пирометаллургическом способе на каждую тонну приходится 2 килограмма вредных выбросов в виде свинца, а при электрохимическом в виде аэрозоля — 0,01 кг/т [2]. В настоящее время в ДНР автомобильные аккумуляторы не перерабатываются, а всего лишь складируются. Для принятия решения о строительстве предприятия по переработке аккумуляторов в г. Донецке, необходимо провести оценку воздействия проектируемого потенциально опасного объекта на окружающую среду. В качестве примера были выбраны технологические параметры металлургического производства ООО “АКОМ-Инвест” (г. Тольятти, Россия). Сфера деятельности предприятия - переработка вторичного свинцовосодержащего сырья с получение мягкого свинца и свинцовых аккумуляторных сплавов. Производительность составляет 20 тыс. тонн аккумуляторного лома в год по переработке вторичного свинецсодержащего сырья фактической производственной мощностью 20 тыс. т свинца и свинцово-сурмянистых сплавов в год. При переработке СКА электрохимическим методом в электролитах на основе борфтористоводородных кислот удельное количество выбросов загрязняющих веществ будет зависеть от состава электролита (концентрации свинца, самой кислоты, поверхностно-активных веществ (ПАВ), а валовое количество – от размера электрохимических ванн и их количества. Использовали борфтористоводородный электролит следующего состава, г/л: борфтористоводородный свинец 100, борфтористоводородная кислота – 180, борная кислота – 30, ПАВ (ССБ+желатина) 1+ 0,5. Температура - 40°С.

Перспективные направления развития экологии и химической технологии Процесс растворения свинцовых пластин аккумулятора протекает 3,3 суток при плотности катодного тока 840 А/м2. При плотности тока, равной 400 А/м2, время переработки аккумулятора будет составлять 7,35 сут. Вес чистого свинца и его соединений в исследуемом аккумуляторе составляет 15,1 кг. В работе использовали электрохимические ванны, внутренние размеры которых составляли, мм: 750 х 1300 х 800, вмещающие 5 шт. АБК. Общая площадь гальванических ванн составит 55,125 м2 . Данные расчета количества выбросов вредных веществ приведены в таблице 1. Расчёт загрязнения атмосферы выполнен в соответствии с ОНД-86 [3]. Размер санитарно-защитной зоны для предприятий по переработке аккумуляторов – 1000 метров [4]. Для выявления вклада предприятия в загрязнение приземного слоя атмосферы, в соответствии с рекомендациями нормативных документов, фоновые концентрации принимаются равными нулю. Наибольшая допустимая концентрация каждого вредного вещества в расчётной точке приземного слоя атмосферы определяется по формуле С≤ПДК. Расчёт рассеивания вредных веществ, содержащихся в выбросах, проведен на основе следующих данных: 1) метеорологических характеристик района расположения объекта. Район и площадка строительства потенциального объекта находятся в Петровском районе г. Донецка. Метеорологические характеристики и коэффициенты, определяющие условия рассеивания загрязняющих веществ в атмосферном воздухе, взяты из [5]. 2) характеристик параметров выбросов загрязняющих веществ в атмосферу; Таблица 1 - Параметры выбросов загрязняющих веществ в атмосферу для проведения расчета рассеивания вредных веществ Наименование объекта

Источник выделений

Производство по переработке СКА

Борфтористоводородный электролит

Макс имальная высота, м 20

Параметры газовоздушной смеси Ско- Объ Темперость, ём, ратура, м/с м3 °С 2 0,39 40

Вредные вещества

Количество выбросов г/с т/год

Фториды

0,127

4,01

Свинец

0,0041

0,129

Перспективные направления развития экологии и химической технологии 3) расположения точек источников выбросов загрязняющих веществ в атмосферу на карте-схеме объекта. Для расчета рассеивания определена 1 расчетная площадка. Центром системы координат выбрана труба цеха по переработке свинцово-кислотных аккумуляторов. Для определения концентрации загрязняющих веществ на границе СЗЗ, равной 1000 м, выбраны 2 контрольные точки с координатами Х1,Y1, Х2,Y2 (табл. 2). Таблица 2 - Контрольные точки для определения концентрации загрязняющих веществ на границе СЗЗ Координаты срединной линии Ширина, Высо- Шаг Шаг м та, м сетки, СЗЗ, точка 1 точка 2 м м X1 Y1 X2 Y2 -1243,13 9,86 1221,9 9,86 2315,536 2 250 Результаты расчета рассеивания фторидов и поверхности электролита представлены на рисунках 1,2.

Рис. 1 - Карта рассеивания соединений фторидов, выделяющихся с поверхности борфтористоводородного электролита (масштаб 1:20000)

свинца

Рис. 2 - Карта рассеивания соединений свинца, выделяющихся с поверхности борфтористоводородного электролита (масштаб 1:20000)

При проведении расчета в охранной зоне учтен коэффициент 0,8 к ПДК. Расчет рассеивания фторидов, выделяющихся с поверхности борфтористоводородного электролита, в приземном слое атмосферы

Перспективные направления развития экологии и химической технологии показал, что их концентрация на границе санитарно-защитной зоны (1000 м) составляет 0,156ПДК, свинца - 0,1ПДК. Результаты расчета рассеивания приведены в таблице 4. Таблица 3 - Результаты расчета рассеивания Наименование Наименование Концентрация электролита загрязняющего на границе вещества СЗЗ, дПДК Борфтористоводородный

Фтора газообразные соединения Свинец и его соединения

0,156

Концентрация на границе жилой зоны, дПДК 0,284

0,1

0,183

Выводы: по результатам проведенной оценки воздействия, вредные вещества, входящие в состав электролита, применяемого при электрохимической переработке СКА, безопасны для здоровья населения и не оказывают негативного влияния на атмосферных воздух. Следовательно, считаем возможным строительство предприятия по переработке СКА. Перечень ссылок 1. Госавтоинспекция ДНР за три года поставила на учет свыше 212 тысяч автомобилей [Электронный ресурс] // Новости Донецкой Народной Республики. URL:http://dnr-news.com/dnr/44711-gosavtoinspekciya-dnr-za-tri-goda-postavila-nauchet-svyshe-212-tysyach-avtomobiley.html (дата обращения: 21.04.2020). 2. Худяков И. Ф. Металлургия вторичных тяжелых цветных металлов / И. Ф. Худяков, А. П. Дорошкевич, С. В. Карелов. – М.: Металлургия, 1987. – 528 с. 3. ОНД-86. Госкомгидромет. Методика расчета концентрации в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий. Л.:Гидрометеоиздат, 1987. 4. Санитарно-защитные зоны и санитарная классификация предприятий, сооружений и иных объектов [Текст]: СанПиН 2.2.1/2.1.1.1200-03. – 2007. – Введ. 2008.01.03.- М.: Минздрав России,2007. – 31 с. 5. Доклад о состоянии окружающей природной среды города Донецка в 2004 – 2005 годах. – Донецк, 2006. Под общей редакцией Донецкого городского головы А.А. Лукьянченко.

Перспективные направления развития экологии и химической технологии УДК 666.002.68

ВЛИЯНИЕ ДОБАВОК НА СВОЙСТВА БЕТОНОВ Е.И. Приходченко, С.В. Горбатко ГОУВПО «ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ», г. Донецк, ДНР Аннотация. Целью данной статьи является рассмотрение применения волокон стальной фибры при изготовлении строительных бетонов. Определить прочностные характеристики бетона и способы введения в бетонную смесь фиброволокна. Annotation. The purpose of this article is to consider the use of steel fiber in the manufacture of building concrete. Determine the strength characteristics concrete and methods of introducing fiber into the concrete mixture. Ключевые слова: бетон, стальная фибра, добавки, прочность. Keywords: concrete, steel fiber, additives, strength. Бетон, наиболее широко используемый строительный материал, при производстве которого должны соблюдаться особенные нормы и требования. Все большее применение в строительстве находят бетоны с добавление фиброволокон (рис.1). Волокна применяют различные по составу и происхождению, геометрическим характеристикам и физико-механическим свойствам. Каждый вид волокон обладает своими преимуществами и недостатками. Введение в бетон стальных фибр обеспечивает повышение его прочности, увеличивает сопротивление термическому воздействию и истиранию, позволяет добиться повышения вязкости разрушения камня. Армирование синтетическими волокнами повышает сопротивление такого композита при действии ударных нагрузок по сравнению с неармированным бетоном [1-3]. Равномерность распределения волокон в толще бетонного камня, обеспечивает его прочность по всей площади, что невозможно добиться при обычном армировании. Этот вид бетона, в отличие от обычного, обладает устойчивостью к резким перепадам температуры, а такие основные свойства как водонепроницаемость, жаропрочность и морозоустойчивость сохраняются.

Перспективные направления развития экологии и химической технологии

Рисунок 1 - Фибробетон Благодаря высокой вязкости фибробетона он применяется в тяжелых эксплуатационных условиях, в которых главным является долговечность конструкций. Этот материал получают путем смешивания фиброволокон и цементного бетонного раствора. В процессе смешения необходимо соблюдение нескольких условий таких как: необходимо учитывать совместимость бетона-матрицы и фиброволокна; соблюдать необходимое соотношение раствора и фибры, и равномерность распределения фиброволокна в бетоне. Свойства бетона напрямую зависят от материала фиброволокна (рис 2).

Рисунок 2 – Виды фиброволокон

Перспективные направления развития экологии и химической технологии Наибольшее распространение получили стальные волокна игольчатой формы, получаемые из тонкой стальной проволоки. Для улучшения сцепления с бетоном поверхность стальных волокон профилируют. Фибры так же получают из тонких стальных листов. Еще одним видом фибры являются полипропиленовые волокна, которые не поддаются коррозии щелочной среды образующейся при гидратации портландцемента. Но у этих волокон существует особенность, они имеют плохую смачиваемость. Использование волокна в качестве армирующего материала позволяет снижать трудоемкость изготовления бетонных изделий и конструкций. Для снижения вязкости бетонной смеси применяют специальные добавки в виде поверхностно-активных веществ, вводимые в смесь в небольших количествах – от нескольких тысячных долей процента до нескольких процентов к массе бетона. В нашей работе мы применяем металлическое фиброволокно. Все образцы имели состав смеси: Ц:П = 1:2 при В:Ц = 0,32. Прочностные характеристики опытных образцов приведены в таблице 1. Таблица 1 – Прочностные характеристики исследуемых бетонов Вид волокна Объемное Прочность на сжатие, содержание, % МПа Стальное 0,50 31,40 Стальное 0,75 33,10 Стальное 1,00 34,60 В результате проведенной работы можно сделать вывод, армирование мелкозернистого бетона позволяет улучшить ряд его свойств, а именно повышение трещиностойкости, износостойкости, морозостойкости, а также повышаются прочностные характеристики и долговечность бетона. Перечень ссылок 1. Мещерин, В. Предупреждение трещинообразования в бетоне с помощью фиброармирования// Бетон и железобетон. 2012. №1 (6). – 50-57 с. 2. Пухаренко, Ю.В. Принципы формирования структуры и прогнозирование прочности фибробетонов// Строительные материалы. – 2004. №10. – с. 47-51. 3. Волков, И.В. Фибробетон состояние и перспективы применения в строительных конструкциях / И.В. Волков // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. 2004. № 5. С. 24-25.

Перспективные направления развития экологии и химической технологии УДК 662.7:552.57

ПОВЕДЕНИЕ РАЗНЫХ ФОРМ СЕРЫ В УСЛОВИЯХ ТЕРМИЧЕСКОЙ И ТОРМООКИСЛИТЕЛЬНОЙ ДЕСТРУКЦИИ Л.Ф. Бутузова, А.В. Савенко, В.А. Колбаса, Г.Н, Бутузов ГОУ ВПО «ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» г. Донецк, ДНР Аннотация. В работе приведена информация по обессериванию молодых углей разных типов по восстановленности в процессе термической обработки без доступа воздуха и в паро-воздушной среде. Установлены корреляционные зависимости между сернистостью продуктов пиролиза и содержанием серы в исходном угле. Annotation. The paper provides information on the desulphurization of young coals of various types by reductivity in the process of heat treatment without access of air and in a vapor-air environment. Correlation dependencies between the sulfur content of the pyrolysis products and the sulfur content in the initial coals are established. Ключевые слова: УГОЛЬ, ОБЕССЕРИВАНИЕ, ПОЛУКОКСОВАНИЕ, ОКИСЛИТЕЛЬНЫЙ ПИРОЛИЗ. Keywords: COAL, DESULFURIZATION, SEMI-COKING, OXIDATIVE PYROLYSIS. Повышенное содержание серы в углях – один из основных факторов, сдерживающих их эффективное использование в промышленности. Угли Донбасса относятся к числу наиболее высокосернистых [2]. При сжигании таких углей происходят выбросы токсичных сернистых соединений, отравляющих окружающую среду. В процессе коксования сернистых углей наблюдается ухудшение качества кокса и увеличение его расхода при производстве чугуна. Чтобы избежать ухудшения качества продукции и загрязнения окружающей среды, предлагают различные методы обессеривания топлива, такие, как гравитационные, магнитные, электрические, флотационные и химические методы, которые являются малоэффективными и экономически не выгодными [1]. Считается, что эффективность использования того или иного метода зависит, прежде всего, от вида содержащейся серы и крупности серосодержащих минералов.

Перспективные направления развития экологии и химической технологии Важно отметить, что уголь можно рассматривать в качестве ценного источника серы, так как наблюдается значительное оскудение ее природных запасов. Следовательно, при комплексном энергохимическом использовании сернистых углей, они могут быть сырьем для получения различные серосодержащих продуктов. Организация новых технологий определяется глубиной существующих представлений о структуре углей и механизме превращения сернистых соединений при термической деструкции. В то же время известно, что процессы термической переработки углей сопровождаются их обессериванием. При этом вопрос, отчего зависит степень обессеривания конкретных углей, как происходит этот процесс, все еще не выяснен окончательно [2]. Целью настоящей работы является исследование поведения серы в процессах термической и термоокислительной деструкции серии длиннопламенных и газовых углей разных типов по восстановленности, т.е мало- и высокосернистых с целью установить степень их обессеривания в идентичных условиях термообработки. Определение общей, органической, пиритной и сульфатной серы проводили по ГОСТ 8606-93 (ISO 334:1992); ГОСТ 30404-2013 (ISO 157:1996); ГОСТ 30404-2000 (ИСО 157-96); ИСО 157-75 соответственно. Как видно из таблицы 1, распределение серы в продуктах полукоксования зависит от сернистости исходных углей. Максимальный переход серы в летучие сернистые продукты наблюдается для высокосернистых образцов 2’ и 3’. Таблица 1. Распределение серы между продуктами пиролиза разновосстановленных углей, % № Месторождение, Тип Содержание Распределение серы уголь, пласт серы в в продуктах исходном угле, пиролиза, % % d S t Sdo Sdp Sполукокс Sгаз+смола 1 Челюскинцев, I4 а 2,17 2,02 0,11 41,07 58,93 2 Трудовская, I4 а 1,05 0,84 0,17 62,98 37,02 3 Кураховская, I4 а 1,04 0,85 0,07 64,39 35,61 ’ 1 Украина, к8 в 2,87 1,96 0,80 54,87 45,13 ’ 2 Трудовская, к8 в 5,85 5,09 0,71 31,32 68,68 ’ ’ 3 Кураховская, I2 в 5,60 3,14 2,44 17,01 82,99

Перспективные направления развития экологии и химической технологии На рис.1-3 построены графики зависимости сернистости полукокса от массовой доли разных форм серы в исходных углях. Как видно из рис.1, указанная зависимость от Sdt близка к линейной с коэффициентом парной корреляции 0,81. Для органической и пиритной серы эти значения гораздо ниже. Судя по точкам, изображенным на рис.2, органическая сера играет основную роль в образовании летучих продуктов при условии, что доля пиритной серы менее 1 %. Отклонение точки 3’ связано с высоким содержанием пирита в пробе.

Рис.1 Зависимость содержания серы в полукоксе от содержания общей серы в исходном угле.

Рис.2 Зависимость содержания серы в полукоксе от содержания органической серы в исходном угле.

Перспективные направления развития экологии и химической технологии

Рис.3 Зависимость содержания серы в полукоксе от содержания пиритной серы в исходном угле. Полученные и описанные выше данные сравнили с результатами обессеривания длиннопламенных и газовых углей ЛьвовскоВолынского (ДП и Г12) и Донецкого (Г) угольных бассейнов, которые описаны в работе [3]. Характеристики исходных углей приведены в табл.2. Авторы предложили окислительный метод обессеривания углей путем их обработки паро-воздушной смесью при 350-450 °С. Как видно из табл.2, под действием окислителя происходит резкое уменьшение содержания пиритной серы, которая в условиях эксперимента превращается в SO2. Содержание органической и сульфатной серы не только не уменьшается, но даже растет. Однако, общее обессеривание по количеству Sat подчиняется установленной выше закономерности для донецких углей марки Д, а именно: высокосернистый уголь Г12 теряет 5,97 % общей серы, а сравнительно малосернистый уголь Г теряет только 1,09 % серы в идентичных условиях обработки. Таблица 2. Характеристика исходного и обессеренного угля Уголь Выход Содержание Количество серы, Степень летучих общей серы удаленной из угля, обессеривания веществ Sdt, % ∆S, % угля,% Г ДП Г12 Г ДП Г12

38,72 31,77 33,62

Исходный уголь 2,17 1,09 3,79 2,39 7,85 5,97 Обессеренный уголь 1,08 1,40 1,88

50.23 63,06 76, 05

Перспективные направления развития экологии и химической технологии

Рис.4 Зависимость количества удаленной серы от содержания общей серы в исходном угле.

Рис.5 Зависимость степени обессеривания угля от содержания в нем общей серы Sdt, %. Выводы В работе на примере длиннопламенных и газовых углей показана большая степень обессеривания высокосернистых углей по сравнению с малосернистыми при термической и термооокислителной обработке. Эти данные показывают перспективы термической переработки высокосернистых углей в качестве источника серы, а также их использования в коксовой шихте, что очень важно для промышленноcти ДНР. Перечень ссылок 1. Юровский, А.З. Сера каменных углей [Текст] / А.З. Юровский. - М.: Изд-во Академии наук СССР, 1960. - 287 с. 2. Обессеривание углей. Горная энциклопедия [Текст] / Под редакцией Е. А. Козловского. - М.: Советская энциклопедия, 1984 - 1991. – 187 с. 3. Пиш’єв, С.В., Братичак, М.М., Гайванович, В.І. Знесірчення вугілля паро-повітряною сумішшю [Текст] / С.В. Пиш’єв, М.М. Братичак, В.І. Гайванович.- Х.: Вид-во Вуглехімічний журнал, 2001. - № 1-2. – 11 с.

Перспективные направления развития экологии и химической технологии УДК 504.054:622

ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ОТХОДОВ ГОРНОДОБЫВАЮЩЕЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ В ПРОИЗВОДСТВЕ СТРОИТЕЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ Е.В. Пыжова, магистр. О.Н. Калинихин, к.т.н., доцент ГОУ ВПО «ДОНБАССКАЯ НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ СТРОИТЕЛЬСТВА И АРХИТЕКТУРЫ» г. Макеевка, ДНР Аннотация: В данной статье представлены результаты анализа возможности использования промышленных отходов в качестве исходного сырья в производстве строительных материалов, а так же перспективы их применения в составе твердеющих закладочных смесей. Annotation: This article explores the possibility of using industrial waste as a technogenic raw material in the production of building materials, as well as the prospects of their use in the composition of hardening mortar mixtures. Ключевые слова: Доломит, горнодобывающая промышленность, отход, вяжущие, сырьевая ценность, твердеющие смеси. Keywords: Dolomite, mining, waste, binders, raw material value, curing mixtures. Проблема использования промышленных отходов становится все более актуальной во многих отраслях промышленности России. Прежде всего в горном деле, металлургии и машиностроении. Рециклинг отходов в производство может не только решить проблемы защиты ресурсов, но и улучшить экологическую ситуацию на предприятиях и в прилегающих районах. В настоящее время количество накопленных отходов в стране превышает 100 миллиардов тонн. По данным Федеральной службы государственной статистики [1], в стране ежегодно образуется порядка 5 миллиардов тонн отходов от производства и потребления, из которых более 90% составляют отходы от добычи полезных ископаемых. Они в свою очередь включают в себя две составляющие:  отходы добычи топливо-энергетических полезных ископаемых,  отходы добычи других видов полезных ископаемых. Количество данных видов отходов в 2009-2018 г представлено на 51

Перспективные направления развития экологии и химической технологии рисунке 1. 6000

Объем, млн. тонн

5000 4000 Ряд1

3000

Ряд2 2000

Ряд3 Ряд4

1000 0 2009

2010

2011

2012

2013

2014

2015

2016

2017

2018

Год

Рисунок 1 - Количество отходов, образовавшихся на территории Российской Федерации за период с 2009 по 2018 гг: ряд 1 – все отходы; ряд 2 – отходы от добычи полезных ископаемых; ряд 3 – отходы от добычи топливно-энергетических полезных ископаемых; ряд 4 – отходы от добычи других видов полезных ископаемых Из рисунка следует, что наибольший объем отходов, в том числе и в горнодобывающей промышленности, был образован в 2016– 2017гг. При этом, использование и обезвреживание отходов имеет обратную тенденцию: минимум использования отходов приходится на 2017 г. (37,29% в горнодобывающей промышленности), а в последующие годы, в связи с возрастанием внимания к вопросам экологии, данные показатели увеличиваются до 53,15%, однако степень переработки отходов остается крайне низкой. Следует отметить, что содержание в промышленных отходах полезных компонентов, иногда даже превышающих содержание их в существующих или вновь разрабатываемых месторождениях, свидетельствует об их сырьевой ценности и целесообразности использования в технологических переделах. Таким образом, утилизация отходов, которая регулируется государством, составляет большую техническую и экономическую проблему, является актуальной проблемой на сегодняшний день. В таблице 1 обобщена накопленная на сегодняшний день информация о возможных направлениях утилизации данных отходов. На сегодняшний день можно выделить две основные области используются отходов горнодобывающей промышленности: 52

Перспективные направления развития экологии и химической технологии

Другие

Отходы горнодобывающей промышленности Мета Строительс Строительны ллур С/х тво е материалы гия

Таблица 1 - Направления горнодобывающей промышленности

использования

отходов

 вяжущие  керамика  огнеупоры  бетоны / асфальтобетоны  пенобетоны  сухие строительные смеси  минеральная вата  другие виды материалов  отсыпка дорог o заполнение горных выработок  обустройство нефтяных скважин  балласт на буровых платформах укрепление дорожного полотна o защитные сооружения   

минеральные удобрения компонент комплексных удобрений мелиоративный слой

  

металлы оксиды металлов «белая сажа» / жидкое флюс

   

сорбенты реагенты для очистки воды в открытых водоемах искусственные геохимические барьеры другие виды материалов

 использования отходов в производстве строительных материалов;  использования отходов в составе твердеющих закладочных смесей. В условиях сложившихся экономических отношений рынок строительных материалов нуждается в конкурентоспособной продукции по относительно низкой стоимости. Такая продукция может быть изготовлена на основе отходов горнодобывающей промышленности. Область использования отходов зависит от вида вскрышных пород, поступающих в отвалы, что, в свою очередь, напрямую связано с типом разрабатываемых месторождений полезных ископаемых. Направления применения их в производстве строительных материалов различны [2]. К примеру, на основе вскрышных пород Курской магнитной аномалии в виде супеси (песчано-глинистых пород) и Архангельской алмазоносной провинции – в виде супеси и песка – получены автоклавные стеновые силикатные материалы с высокой прочностью

Перспективные направления развития экологии и химической технологии и водостойкостью. Также необходимо отметить, что, применяя тот или иной вид отхода, можно получить широкую цветовую гамму стеновых материалов: от красной до светло-желтой. Кроме того, данные виды вскрышных пород вполне пригодны для использования в производстве дорожно-строительных материалов, таких как заполнители и минеральные порошки в асфальтобетоны. Причем, получение последних возможно после термической модификации отходов, позволяющей повысить их водостойкость [3,4]. На ОАО «Докучаевский флюсо-доломитный комбинат» в процессе измельчения сырого доломита до нужных фракций ежегодно образовывается порядка 250000-260000 т доломитового отсева. Его использование предоставляет значительное преимущества, по сравнению с технологиями основанными на применении природного сырья: уменьшение энергетических затрат за счет исключения операций дробления исходного сырья; отсутствие необходимости применения дорогостоящего дробильного оборудования; освобождение земельных площадей, занимаемых отвалами; улучшение санитрано-гигиенических условий труда. Доломитовое сырье может применяться в производстве различных типов доломитовых вяжущих веществ и строительных материалов на их основе. Одно из достоинств вяжущих веществ полученных на основе доломитов заключается в том, что их производство требует значительно меньше энергетических затрат нежели производство портландцемента. Весомым преимуществом производства цемента из доломита является то, что при получении клинкера используется только однокомпонентное сырье – доломит, не требующий корректирующих добавок. Температура обжига доломитового клинкера вдвое ниже, чем портландцемента следовательно отпадает необходимость футеровки печей дорогостоящими материалами. Несмотря на значительный объём научных исследований в этой области, в настоящее время на территории стран СНГ такие составы не выпускаться промышленностью. Большинство запасов месторождений России нельзя добывать открытым способом, поэтому в ближайшем будущем им предстоит перейти на технологии разработки подземным способом. Эта тенденция противоречит аграрному направлению регионального развития. Многие из них располагают крупными запасами черноземных пахотных земель, которые в совокупности составляют основу продовольственной безопасности в Российской Федерации и исключают использование технологий с разрушением земной поверхности. Опыт разработки месторождений позволяет прогнозировать для использования системы разработки с закладкой пустот твердеющими 54

Перспективные направления развития экологии и химической технологии смесями, что при неоспоримых преимуществах требует высоких эксплуатационных затрат на изготовление твердеющих закладочных смесей и наличие определенного сырья для их изготовления [5]. Концепция освоения рудных месторождений включает освоение технологий глубокой переработки отходов горного производства для комплексного предотвращения деградации геологической среды. Отходы добычи доломитов выглядят как наиболее перспективные и могут использоваться как некондиционный строительный материал. Из отходов доломитов силами горного предприятия возможно получение вяжущего вещества, сравнимого по свойствам с товарным цементом, что позволяет использовать экологически корректные технологии добычи руд. Смеси на основе доломитов и хвостов обогащения по прочности всего лишь 8-22% уступают смесям со стандартным цементом и пригодны для строительства в горных выработках. Экономическая целесообразность технологий разработки с закладкой твердеющими смесями увеличивается в связи с тем, что при дополнительной подготовке в активаторах возможно принципиальное изменение качества продукции из доломитов с получением мелких активных фракций, что кардинально меняет извлекаемую ценность доломитов и другого сырья [5].

Из представленных данных следует, что отходы горнодобывающей промышленности, образующиеся при разработке месторождений полезных ископаемых, являются перспективным сырьем для производства широкого ассортимента высококачественных строительных материалов. Использование их в данной отрасли позволит не только снизить экологическую нагрузку на окружающую природную среду, создавать «зеленые» горнодобывающие предприятия, но также выпускать дешевую, конкурентоспособную продукцию. В связи с возросшим спросом на доломит, неизбежно увеличивается выход отсева дробления, который не реализуется и складируется в отвалы. В сложившейся ситуации необходимо производить поиск рынков сбыта отсевов дробления или продуктов их переработки. Перечень ссылок: 1. Федеральная служба государственной статистики [Электронный ресурс]. URL: www.gks.ru (20.03.2017). 2. Горюхин М.В. Перспективы использования вскрышных пород Ушумунского месторождения бу-рого угля как вторичных минеральных ресурсов // Региональные проблемы. 2007. № 8. С. 112–113. 3. Володченко А.Н. Нетрадиционное сырье для автоклавных силикатных материалов: мат-лы XX междунар. конф. «Технические науки – от теории к практике». Новосибирск: СибАК, 2013. № 20. С. 82–88. 4. Лебедев М.С., Строкова В.В, Жерновский И.В., Потапова И.Ю. Изменение свойств минеральных порошков из алюмосиликатного сырья под влияни-ем термической модификации // Строительные ма-териалы. 2016. № 9. С. 68–70. 5. Голик В.И., Габараев 0.3, Полухин О.Н // Утилизация отходов доломита в горном производстве // Сухие строительные смеси. 2016. № 5. С 14-16 55

Перспективные направления развития экологии и химической технологии УДК 628.4

ОРГАНИЗАЦИЯ РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЯ ПРИ ОБРАЩЕНИИ С ТВЁРДЫМИ БЫТОВЫМИ ОТХОДАМИ В ЖИЛИЩНО-КОММУНАЛЬНОМ ХОЗЯЙСТВЕ Е.С. Матлак, М.Н. Шафоростова ГОУ ВПО «ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ», г. Донецк, ДНР Аннотация: предложен инновационный механизм государственного управления обращением с твердыми бытовыми отходами в ЖКХ Ключевые слова: твердые бытовые отходы, ЖКХ, вертикально интегрированное объединение, экотехнопарк Annotation: an innovative mechanism of state management of solid waste management in the housing and communal services is proposed Keywords: municipal solid waste, housing and communal services, vertically integrated pool, ecological industrial park В настоящее время в разных странах имеет место экспоненциальный рост количества твёрдых бытовых отходов (ТБО), изменение их морфологического состава и, как следствие, повышение негативного влияния на окружающую природную среду, нарастание дефицита ресурсов и увеличение затрат, связанных со сбором отходов, их складированием на свалках, а также промышленной переработкой. Наиболее отчётливо последствия воздействия ТБО проявляется на мезоуровне, т.е. уровне регионов. В последние годы различные уровни европейской «иерархии управления отходами» складываются в единую (интегральную) экономическую и технологическую парадигму, где сама проблема отходов рассматривается на принципиально более широком – ресурсном подходе (отходам придаётся статус ресурсов наравне с природными ресурсами). Выделение отходов в разряд ресурсов указывает на необходимость перемен в укладе жизни общества и смещает его основные приоритеты в сторону эколого-экономического развития.

Перспективные направления развития экологии и химической технологии Актуальной задачей является разработка правильной стратегии (сценария) управления решением проблемы обращения с ТБО, адаптированной к условиям конкретного региона. Объектом стратегического планирования выступает инфраструктура обращения с ТБО. Субъектом стратегического планирования является система региональной политики в сфере обращения с ТБО. Выделим основные задачи, решаемые с помощью региональной стратегии управления в сфере обращения с ТБО:  определение перспектив развития сферы обращения с ТБО на кратко-, средне- и долгосрочную перспективы;  улучшение экологической ситуации в регионе;  повышение сырьевой обеспеченности хозяйственного комплекса региона за счёт расширения использования вторичных ресурсов, получаемых из ТБО;  уменьшение объёмов захоронения ТБО на полигонах, а тем самым сокращение площади земель, занятых этими сооружениями. Базовые положения формирования и реализации стратегии управления обращением с ТБО следующие:  законы гарбологии;  принципы и критерии концепции устойчивого развития, учитывающие баланс экологических, социальных и экономических интересов общества в регионе;  принципы иерархичности и использования методов европейской концепции комплексного управления отходами (КУО), основанной на базовых общемировых ресурсосберегающих подходах: «ZeroWaste» (ноль отходов на полигонах) и 4R («предотвращение образования отходов»; «повторное использование»; «переработка во вторичные ресурсы»; «извлечение пользы в виде энергии»);  принцип Деминга. Изложенные теоретические представления о стратегии управления ресурсосбережением при обращении с ТБО на современном этапе принципиально проецируются на хозяйственную деятельность жилищно-коммунального хозяйства (ЖКХ) – одного из базовых отраслей экономики, обеспечивающей население жизненно важными услугами и определяющей уровень его цивилизованной жизни. Современное состояние ЖКХ характеризуется различными противоречивыми тенденциями:

Перспективные направления развития экологии и химической технологии Исчерпание возможностей экстенсивного развития, которое является не ресурсосберегающим в целом и, в частности в сфере обращения с ТБО, так как сопровождается большими потерями ценных (утильных) компонентов отходов, что обесценивает необходимость перехода на интенсивные методы хозяйствования. 2. Рынок обеспечивает перспективы развития ЖКХ и рыночной свободой ЖКХ уже пользуется, но нормативная база, которая должна регулировать такое развитие, почти не изменилась, а потому ответственность за своё развитие ЖКХ ещё не осознало. Действие этих тенденций происходит на фоне недостаточного объёма инвестиций. Приоритеты, закладываемые в программы организации ресурсосбережения при обращении с ТБО в рамках современного ЖКХ, должны соответствовать сущности ресурсосбережения как процесса. Это означает, что работа современного реформированного ЖКХ должна осуществляться на практике двум приоритетным направлениям: 1. Социально-экологическое – эффективная охрана окружающей природной среды и здоровья населения от вредного влияния отходов на всех стадиях системы санитарной очистки населённых пунктах путём минимизации образования отходов на принципах устойчивого развития, комплексного управления отходами, «ZeroWaste», «4R». 2. Эколого-экономические – эффективное и безопасное извлечение из состава собираемых ТБО ресурсоценных компонентов (вторсырья) и их последующее вовлечение в производственнохозяйственный цикл путём переработки на принципах утилизации для уменьшения потребления невозобновляемых природных ресурсов и получения на этой основе коммерческой (экономической) выгоды. Первое направление (обеспечение санитарной чистоты населённого пункта) – это то, чем ЖКХ традиционно занималось всегда (сбор, накопление, транспортировка и размещение отходов), не заботясь об извлечении ценных (утильных) компонентов. В современных условиях в эту деятельность в ресурсосберегающем аспекте добавляется решение задач второго направления – вовлечение ТБО в хозяйственный оборот на основе принципов ресурсосбережения и инструментов его реализации (рециклинг, регенерация, рекуперация вторичных материальных и энергетических ресурсов). Это направление имеет ключевое значение для повышения коэффициента безотходности техпроцессов при 1.

Перспективные направления развития экологии и химической технологии изготовлении инновационной продукции из вторичного сырья на вышеназванных принципах. Данное направление обеспечивает получение прибыли ЖКХ вместо получения систематической финансовой помощи от государства. По нашему мнению, практическим выходом от реализации программ по организации ресурсосбережения при обращении с ТБО в рамках ЖКХ должно стать создание на региональном уровне вертикально интегрированных объединений, предложенное кафедрой «Природоохранная деятельность» ДОННТУ [1]. Инновационный вариант предполагает качественные изменения сферы обращения с отходами на основе организации трёхуровневой системы обращения с бытовыми отходами на региональном уровне и создание отходоперерабатывающей отрасли Актуальным механизмом развития научно-производственной деятельности в отходоперерабатывающей отрасли является создание и развитие системы экотехнопарков. Исходя из принципа комплексного назначения, экотехнопарк определяется как многофункциональный научно-производственный комплекс, представляющий собой совокупность специального технологического оборудования, функционирующего в ресурсосберегающем режиме и обеспечивающего непрерывную сортировку поступающих отходов, предварительную физико-механическую обработку разделённых потоков для выделения вторичного сырья и неутильных фракций («хвостов»), заключительную переработку (утилизацию) вторсырья в новую (инновационную) продукцию и обезвреживание неутильных «хвостов». В составе экотехнопарков в качестве замыкающего звена должны находиться предприятия – потенциальные переработчики разных ценных (утильных) компонентов ТБО – технологическая база отходоперерабатывающей отрасли. Пока опыт свидетельствует о неудовлетворительном уровне развития промышленности ДНР в области вовлечения отходов в хозяйственный оборот. Текущий объём инвестиций в обеспечение производственной деятельности по обработке, утилизации и обезвреживанию отходов крайне недостаточен для создания полноценной эффективной отрасли промышленности в этой сфере. Одновременно всё ещё имеет высокий уровень зависимости от зарубежных технологий и используемого оборудования при производстве продукции из отходов. Одним из факторов, сдерживающих вовлечение отходов в хозяйственный оборот, является несовершенство нормативной правовой базы. В неполной мере отражены в законодательстве ДНР

Перспективные направления развития экологии и химической технологии межотраслевое, межведомственное и межсубъектное взаимодействие в сфере управления, регулирования и организации деятельности в сфере ресурсосбережения, промышленной обработки, утилизации и обезвреживания отходов. Нормирование в области обращения с отходами сводится лишь к констатации образования, движения и размещения опасных отходов на основе проектов нормативов образования отходов и лимитов на их размещение. Значительные проблемы связаны с недостатком информации об отходах, в том числе об их составе, ресурсной ценности, возможностях производства из них товаров и других сведений. В полной мере не реализуется также экономический механизм возмещения ущерба, нанесённого компонентам природной среды в результате загрязнения их отходами, в том числе накопленного десятилетиями в результате функционирования полигонов и свалок. Эти немалые средства можно использовать в качестве финансовых инструментов государственного механизма управления в отходоперерабатывающей индустрии. Выводы: Таким образом, сложившаяся в Донецком регионе ситуация в сфере обращения с ТБО предопределяет целесообразность:  корректировки и развития нормативно-правовой базы обращения с отходами, актуализации и оптимизации структуры, наполнения и содержания региональных ресурсосберегающих программ при обращении с ТБО в рамках ЖКХ;  обсуждения вопроса о пересмотре задач и требований к формированию и реализации на практике экотехнопарков в рамках новой отходоперерабатывающей отрасли. Постановка и решение этих задач требует создание новых организационноэкономических систем и моделей по обращению с отходами с учётом передового международного опыта, накопленного в результате использования ресурсного подхода на принципах «ZeroWaste» и «4R». Реализация поставленных задач должна быть поэтапной и осуществляться путем создания вертикально интегрированных объединений, отходоперерабатывающей отрасли и экотехнопарков.

Перечень ссылок Матлак, Е.С. Инновационный вариант развития сферы обращения с твёрдыми бытовыми отходами в Донецком регионе / Е.С. Матлак, М.Н. Шафоростова // Сб. трудов IIмеждународной научно-практической конференции «Инновационные перспективы Донбасса» (25-26 мая 2016). – Донецк: ДОННТУ. – С. 82-86.

Перспективные направления развития экологии и химической технологии УДК 662.7:552.57

ПОЛУКОКСОВАНИЕ АЛКИЛИРОВАННОГО УГЛЯ 1

Л.Ф. Бутузова, 2 В.А, Сафин, 1В.А. Колбаса, 1 Е.В. Хмелевская 1 ГОУВПО «Донецкий национальный технический университет» ludmila.lfb@yandex.ru 2 Институт нефти и газа, Сибирский федеральный университет, Красноярск, РФ vsafin@sfu-kras.ru Аннотация. В работе выявлены отличительные особенности выхода и состава продуктов полукоксования угля, алкилированного гидроксидом тетраметиламмония. Методом ИК-спектроскопии показано изменение группового состава полукоксов под действием алкилирующих агентов. Annotation. The distinctive features of the yield and composition of semi-coking products for coal alkylated with tetramethylammonium hydroxide are revealed. The method of IR spectroscopy shows a change in the semicoke group composition under the action of alkylating agents. Ключевые слова: угли, термохимолиз, полукоксование, икспектроскопия Keywords: coal, thermochemistry, semi-coking, ir -spectroscopy Одним из возможных путей увеличения степени конверсии угля в жидкие и газообразные продукты, т.е. путей предотвращения реакций конденсации при пиролизе, является целенаправленное разрушение межмолекулярных взаимодействий, например, водородных связей. Это приводит к улучшению термопластичных свойств углей, увеличению выхода жидких продуктов и др. Высокую эффективность в этом направлении показывает способ алкилирования углей, при котором водород гидроксильных групп удается заменить на алкил. В конце прошлого века был предложен новый метод метилирования углей – термохимолиз, который предполагает обработку образца гидроксидом тетраметиламмония в условиях быстрого нагрева (400-5000С). Метод использовали для исследования биополимеров, лигнинов, гуминовых веществ, асфальтенов и бурых углей. Показано, что указанная обработка позволяет увеличить выход жидких продуктов пиролиза, препятствует разрушению кислородсодержащих групп, образует с продуктами деструкции простые и сложные эфиры [1]. Целью настоящей работы является изучение влияния алкилирования каменного угля гидроксидом тетраметиламмония в 61

Перспективные направления развития экологии и химической технологии условиях стандартного полукоксования на выход продуктов полукоксования и структурно-групповой состав полукоксов. Для реализации поставленной задачи использовали следующие методы: алкилирование с последующим полукоксованием по ГОСТ 3168-93, ИСО 647-74, элементный и технический анализы образцов (ГОСТ 12113-94, ГОСТ 27314-91, ГОСТ 11022-95); ИК-спектроскопия полукоксов. В качестве объекта исследования использовали уголь шахты «Россия», характеристики которого приведены в таблице 1. Таблица 1 – Характеристика угля шахты «Россия» Шахта Технический Элементный анализ, % daf анализ,% a W Ad Vdaf C H So (N + O) Россия 3,48 6,48 39,77 78,9 5,3 3,41 12,5 Исследуемый уголь подвергали предварительной обработке путем алкилирования 25 %-ным раствором гидроксида тетраметиламмония (ТМА) в метаноле в соотношении 1:1 (на 10 г угля 10 мл раствора). Полученную смесь выдерживали 3-4 суток до полной пропитки раствором при комнатной температуре. ТМА - четвертичное аммонийное соединение, которое используется, как растворитель, поверхностно-активное вещество при синтезе ферромагнитных жидкостей, чтобы препятствовать слипанию её частиц. ИК-спектры регистрировали в таблетке с бромидом калия (5 %) с использованием накопления сигнала и Фурье-преобразования. Инфракрасная спектроскопия давно применяется, как информативный метод исследования молекулярной структуры угля [2]. ИК-спектры отличаются большой индивидуальностью, что и определяет их ценность при идентификации и изучении строения соединений. Современная ИК-спектроскопия представляет собой экспресс-метод установления структурных особенностей органических соединений. Большинство колебательных переходов в молекулах органических соединений реализуется в диапазоне длин волн λ от 2.5 до 25 мкм. В единицах волновых чисел ν = 1/λ (cм -1), величин обратных длинам волн, этот интервал составляет 4000–400 cм-1. Результаты, полученные при проведении лабораторного полукоксования исходного и алкилированного угля показали, что при введении тетраметиламмония интенсифицируются реакции

Перспективные направления развития экологии и химической технологии деструкции ОМУ, наблюдается снижение выхода полукокса (с 69,19 до 57,85); происходит значительное увеличение выхода смолы (с 16,00 до 29,68%) и газа (с 5,76 до 8,33). Это может свидетельствовать об уменьшении прочности межмолекулярных взаимодействии при замещении водорода кислых групп угля на группу (CH3)4NOтетраметиламмония. ИК-спектры полукоксов химически обработанного и исходного углей, представлены в таблицах 2, 3 и на рисунках 1 и 2. Как видно из таблицы, предварительное алкилирование приводит к резкому увеличению (≈ в 2 раза) в угле содержания алифатического водорода (2850-2955 см-1) - результат замены водорода гидроксильных групп на алкил; уменьшается содержание ароматического водорода (≈3030 см-1). Таблица полукоксов

Результаты

ИК-спектроскопии

исследуемых

Относительная интенсивность полос поглощения Ix/I1600 проба 3417 3026 2955 2925 2851 1744 1428 1383 исх 1,10 0,14 0,16 0,36 0,19 - 0,09 0,05 Алк 1,62 0,12 0,28 0,67 0,4 0,86 0,13 0,23

Таблица полукоксов

Результаты

1232

798

462

2,69 0,82 0,98 1,358 3,32 0,79 1,06

1078

0,08

ИК-спектроскопии

865

исследуемых

Относительная интенсивность полос поглощения Ix/I2920 проба исх алк

3417

3026

2955

2851

1744

3,02 2,4

0,38 0,18

0,44 0,42

0,52 0,59

0,12

1569 0,27

1,47

В результате алкилирования появляется новая, не характерная для полукокса необработанного угля полоса в области 1232 см -1, которая совместно с полосой 1054см-1 свидетельствует об образовании простых ароматических эфиров, а появление полосы при частоте 1744 см-1 характерно для сложных эфиров. При этом отношение содержания фенольных гидроксилов к количеству алифатических групп соответственно снижается (I3417/I2920). Следовательно, основное влияние на выход и состав продуктов пиролиза оказывают реакции этерификации и переэтерификации, схема приведена на рис .3.

Перспективные направления развития экологии и химической технологии

Рисунок 1 – Спектр исходного угля

Рисунок 2 – Спектр алкилированного угля

Перспективные направления развития экологии и химической технологии

Рисунок 3 – Схема реакции этерификации и переэтерификации. В полукоксах практически отсутствуют карбоксильные группы, которые разлагаются в результате реакций декарбоксилирования. Таким образом, в работе впервые показана эффективность предварительной обработки углей низкой стадии метаморфизма методом алкилирования для увеличения степени конверсии их органической массы в парогазовые продукты в условиях стандартного полукоксования. Алкилирование угля приводит к снижению его термостабильности. В ходе алкилирования превалирующую роль играют реакции этерификации и переэтерификации. Перечень ссылок 1. McKinney, D.E., Hatcher, P.G. Characterization of peatified and coalified wood by TMAH thermochemolysis. International journal of Coal Geology 1996. - 32, р. 217-228. 2. Geng W., Nakajima T., Takanashi H., Ohki A. Analysis of carboxyl group in coal and aromaticity by Fourier transform infrared (FT-IR) spectrometry // Fuel. – 2009. – V. 88. – р. 139 – 144.

Перспективные направления развития экологии и химической технологии УДК 662.7:552.57

ВЕДУЩАЯ РОЛЬ КИСЛОРОДСОДЕРЖАЩИХ ГРУПП В ПРОЦЕССЕ МЕТАМОРФИЗМА МОЛОДЫХ УГЛЕЙ Л.Ф. Бутузова, И.В. Подройко, В.Н. Шевкопляс ГОУВПО «ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» г. Донецк, ДНР Аннотация. В докладе показаны возможности использования DRIFT-спектроскопии для оценки стадии метаморфизма углей низкой и средней степени углефикации, рассмотрена роль гетероатомов. Annotation. The paper shows the possibilities of using DRIFTspectroscopy to evaluate the stage of metamorphism of low- and mediumcoal grade. Ключевые слова: DRIFT-спектроскопия, метаморфизм, маловосстановленные и восстановленные угли. Keywords: DRIFT-spectroscopy, coalification, reduced coals, lowreduced coals. ИК-спектроскопия с преобразованием Фурье и техникой диффузного отражения (DRIFT) дает возможность получить высокочувствительные спектры, которые позволяют значительно быстрее охарактеризовать уголь по сравнению с другими общепринятыми методами анализа. Цель работы заключается в проведении анализа структурногруппового состава изометаморфных пар углей Донецкого бассейна разных генетических типов по восстановленности марок Д, Г и Ж по их DRIFT-спектрам с целью выявления наиболее значимого параметра, отражающего изменения ОМУ разных типов при метаморфизме и сравнить его с общепринятыми критериями степени метаморфизма угля – показателем отражения витринита (Rо) и выходом летучих веществ (Vdaf), а также с отношением углерода к кислороду (Н/С ат.) и суммой всех гетероатомов. Характеристика исследуемых углей приведена в таблице 1.

Перспективные направления развития экологии и химической технологии Таблица 1 – Характеристика исследуемых углей

Кураховская, l4

37,2

1,04

79,3

Челюскинцев, l4

35,6

2,17

79,3

4,94

15,76

0,93

0,76

0,90

0,71

0,75

Tрудовская, l4

37,3

1,05

78,4

4,95

16,65

0,95

0,78

0,92

0,55

0,76

Центральная, k7

36,0

1,22

85,1

5,11

9,79

0,31

0,01

0,20

0,94

0,75

Гагарина, m3

28,7

0,70

87,4

5,1

7,50

0,15

0,04

0,20

1,18

0,69

Засядько, l4

31,7

1,09

87,8

5,16

7,04

0,20

0,04

0,21

1,01

0,71

Кураховская, 12

43,0

5,60

76,1

5,22

18,68

0,81

0,63

0,80

0,52

0,82

Украина, k8 Tрудовская, k8

41,8 46,2

2,87 5,85

77,9 76,1

5,30 5,43

16,80 18,47

0,88 0,88

0,80 1,00

0,93 0,93

0,57 0,49

0,82 0,86

Димитрова, l1

38,7

2,49

83,8

5,34

10,86

0,47

0,04

0,21

0,85

0,77

Гагарина, m04

35,6

3,75

83,6

4,9

11,50

0,19

0,03

0,15

0,96

0,70

Засядько, k8

31,7

2,81

87,3

5,23

7,23

0,25

0,02

0,20

0,96

0,72

№

Марка

O+N+S = I3300/I160 I1740/I292 I3050/I292 H Rо,% H/C, ат. 1000 0 0 (С+Н) 5,07 15,63 0,93 0,76 0,90 0,66 0,77

Шахта, пласт

Т и п

Vdaf

Sdt

Перспективные направления развития экологии и химической технологии ИК-спектры углей регистрировали на спектрометре “Bruker” FTS-7. Построение базовой линии проводили по локальным минимумам, которые регистрируются при определенной длине волны и являются характеристическими для всех ИК-спектров углей [1,2]. Коррекцию базовой линии проводили с использованием компьютерной программы “Origin”. Корреляционный анализ и обработку результатов проводили в пакете Microsoft Excel. В данной работе был выполнен поиск корреляционных зависимостей между спектральными характеристиками (I3300/I1600, I1740/I2920, I3050/I2920) и вышеупомянутыми критериями. Полученные данные сведены в таблицу 2. Таблица 2 – Данные регрессионного анализа, описывающие зависимости между классификационными параметрами исследуемых углей и их спектральными характеристиками Спектра- КлассиУгли типа «а» Угли типа Угли «а» и льные фикаци«в» «в» характер- онные истики параметры I3300/I1600 Vdaf y = -53,69x2 + y = 15,19x + y =-143,5x3 68,19x + 19,94 30,68 + 181,4x2R² = 0,949 R² = 0,839 39,74x+ 3,74 R² = 0,780 daf I1740/I2920 V y=6,064x+32,00 y=15,19x+30, y=10,84x+3 R²=0,499 68 1,65 R²=0,839 R²=0,603 daf I3050/I2920 V y=-6,493x+ y=11,83x+33, y=2,518x+3 38,02 14 5,58 R²=0,521 R²=0,753 R²=0,034 2 I3300/I1600 Rо y = 0,994x - y = -0,686x + y = 2,413x3 1,711x + 1,368 1,122 -3,027x2 R² = 0,933 R² = 0,962 +0,191x + 1,102 R² = 0,905 I1740/I2920 Rо y=-0,545x+ y=-0,480x y=-0,513x+ 1,058 +0,926 0,993 R²=0,841 R²=0,915 R²=0,823

Перспективные направления развития экологии и химической технологии Продолжение таблицы 2 I3050/I2920 Rо y=-0,576x+ y=1,161 0,558x+1,024 R²=0,855 R²=0,944 2 I3300/I1600 H/C y = -0,448x + y = 0,198x + 0,577x + 0,613 0,664 R² = 0,954 R² = 0,952

I1740/I2920

H/C

I3050/I2920

H/C

I3300/I1600

N+O+S

I1740/I2920

N+O+S

I3050/I2920

N+O+S

y=-0,616x +1,124 R²=0,857 y =-1,606x3 + 2,099x20,518x+0,7 35 R² = 0,849 y=0,057x+0,715 y=0,131x+0,7 y=0,099x+ R²=0,552 26 0,719 R²=0,861 R²=0,588 y=0,061x+0,704 y=0,149x+ y=0,111x+ R²=0,574 0,701 0,701 R²=0,853 R²=0,563 2 y = 11,12x + y = 20,20x y = -5,394x2 5,626 8,758x + + 18,11x + R² = 0,984 10,50 4,892 R² = 0,856 R² = 0,851 2 y = 10,67x + y = -13,38x y=7,811 + 22,04x + 8,043x2 + R² = 0,940 9,214 17,16x + R² = 0,888 8,520 R² = 0,861 2 y = 11,23x + y = -12,30x + y = -12,13x2 5,826 24,53x + + 23,83x + R² = 0,949 5,834 5,341 R² = 0,845 R² = 0,839

На рисунке 1 приведены корреляционные зависимости между суммой гетероатомов N+O+S и структурными параметрами. Таким образом, данные по маловосстановленным углям показывают более тесную корреляционную взаимосвязь с (N+O+S) в сравнении с восстановленными. Эти зависимости говорят о важной роли гетероатомов и в том числе кислородсодержащих групп в процессе метаморфизма молодых углей. Отношение интенсивностей полос поглощения I3300/I1600, наилучшим образом коррелирует с критериями степени метаморфизма. Следовательно, среди функциональных групп наиболее значимые изменения происходят в отношении фенольных гидроксилов, связанных водородной связью.

Перспективные направления развития экологии и химической технологии

Рисунок 1 – Корреляционные зависимости между суммой гетероатомов N+O+S и структурными параметрами: а, б) I3300/I1600; в, г) I1740/I2920; д, е) I3050/I2920; б, г, д) раздельно для углей типов «а» и «в» и а, в, е) при совместной обработке. Перечень ссылок 1. Machnikowska, H. The characterization of coal macerals by diffuse reflectance infrared spectroscopy / H. Machnikowska, A. Krzton, J. Machnikowski / Fuel. – 2002. – V.81 –P. 245–252. 2. Bechtel, A., Butuzova, L., Turchanina. O. Thermochemical and geochemical characteristics of sulphur coals // Fuel Processing Technology, 2002. –V. 77-78, p. 45-52.