Методические указания по предмету: "Технология и оборудование по переработке твердых бытовых и промышленных отходов"

ГБОУ СПО «ДЯТЬКОВСКИЙ ИНДУСТРИАЛЬНЫЙ ТЕХНИКУМ»

Методические указания для проведения лабораторных и практических работ по предмету: "Технология и оборудование по переработке твердых бытовых и промышленных отходов".

для студентов 4 курса специальности 280201 «Охрана окружающей среды и

рациональное использование природных ресурсов».

Содержание.

1. Лабораторная работа № 1.

Получение активных углей из промышленных отходов и изучение их характеристик.                                                                         3

2.  Лабораторная работа № 2.

  Переработка пиритных огарков с получением  цветных пигментов.                                                                                                  16

3. Практическая работа № 1.

 Изучение процессов складирования и хранения бытовых отходов на полигонах. Пути использование полигонов ТБО после закрытия.                                                                                                  22

4. Практическая работа №2.

Расчет и проектирование полигона для размещения промышленных и бытовых отходов                                                             24

Список используемой литературы

Лабораторная работа № 1

Получение активных углей из промышленных отходов

и изучение их характеристик

Цель работы: целью работы является практическое ознакомление с технологией и основными параметрами контроля производства и качества активных углей из промышленных отходов на основе целлюлозы.

В задачи, решаемые при выполнении работы, входит подготовка и определение основных физических характеристик исходного сырья, полупродукта и продукта; карбонизация подготовленного сырья с получением угля-сырца и приготовление на его основе активного угля способом паровой активации; изучение сорбционных характеристик полученных сорбентов.

Оборудование и материалы: опилки, отходы деревообрабатывающей промышленности, бюкс, фарфоровый тигель, эксикатор с бензолом, 0,1н. рр HCl и 0,1 н. рр NaOH; муфельная печь, сушильный шкаф, технические весы, бюретка, конические колбы на 50 мл.

Теоретическое обоснование

Промышленные отходы, содержащие различные виды органических веществ (например, опилки, стружки, обрезки в деревообрабатывающей промышленности, косточки и скорлупа плодов, остатки стеблей, кора и стержни початков в сельском хозяйстве, кости животных в пищевой промышленности и др.) могут служить наряду с другими естественными и искусственными органическими материалами прекрасным сырьем для получения пористых углеродных адсорбентов – активных углей, широко используемых в промышленности с целью очистки жидких и газообразных сред, рекуперации содержащихся в них ценных компонентов и производства катализаторов.

Активные угли выпускаются промышленностью в двух видах – порошкообразном и гранулированном. Производство активных углей обычно включает ряд операций, основными из которых являются термическая обработка сырья без доступа воздуха (карбонизация, сухая перегонка, пиролиз, термолиз, пирогенетическое разложение) с получением угля-сырца и активация последнего при повышенных температурах с использованием различных агентов активации, приводящая к образованию товарного продукта.

Целью первого этапа производства является удаление из сырья летучих веществ, влаги и, частично, смолы. Максимальная температура в стадии пиролиза зависит от типа используемого сырья. Для наиболее часто применяемой древесины она, как правило, составляет 450 - 5500С. Скорость нагревания сырья при карбонизации должна быть невысокой: при форсировании осуществления процесса, как отмечает академик Дубинин М.М., распределение образующихся первичных пор резко смещается в сторону более крупных разновидностей, которые при активировании образуют преимущественно мезо- и макропоры.  По мере повышения температуры (до 1500С) пиролиз древесины сопровождается удалением влаги, при 170 - 2700С начинается образование оксида и диоксида углерода, небольших количеств паров уксусной кислоты и метилового спирта. При 270-280 0С начинают происходить экзотермические реакции, причем выделение СО и СО2 сокращается, а СН3СООН и СН3ОН – усиливается, интенсивно выделяются другие парообразные и газообразные вещества. Отгонка летучих продуктов завершается при более высоких температурах. Выход важнейших продуктов при пиролизе древесины иллюстрируется характеристиками, представленными в таблице 1. Образующаяся в стадии пиролиза структура угля-сырца обычно не позволяет использовать его  по целевому назначению ввиду низкой сорбционной емкости и возможного загрязнения очищаемых жидких сред и рекуперируемых веществ продуктами выщелачивания.

В среднем пиролиз дает 32 — 38 % угля, 45 — 50 % жидких веществ и 16,5 — 18 % газообразных продуктов. Выход продуктов пиролиза древесины зависит от размеров и влажности сырья, температуры процесса и его скорости. Повышение температуры ведет к получению угля с более высоким содержанием углерода с одновременным увеличением выхода газов и смолы и снижением выхода уксусной кислоты и спиртовых продуктов. Увеличение скорости процесса ведет к уменьшению выхода угля и кислоты и возрастанию выхода смолы.

Таблица 1

Выходы  важнейших  продуктов  при  сухой  перегонке

древесины

Активация угля-сырца, имеющая целью развитие в нем микропористой структуры, осуществляется, в основном, либо окислением угля-сырца при повышенных температурах газом или паром, либо его обработкой различными реактивами.

Наиболее часто агентами парогазовой активации являются диоксид углерода и водяной пар.

При использовании СО2 активацию осуществляют при температуре около 9000С. Часть угля в этих условиях выгорает (С + СО2 → 2СО). Долю выгоревшего угля обозначают как «степень обгара», характеризующую внутреннюю структуру получаемого активного угля. Так, значительные степени обгара (>75%) приводят к получению макропористых структур, угли с достаточно развитой микро- и макропористой структурой получают при степенях обгара 60—75 %, степень обгара - 60% приводит к образованию наиболее микропористых углей.

Окисление водяным паром (взаимодействие водяного пара с углеродистым материалом: С + Н2О → СО + Н2; СО + Н2О → СО2 + Н2), несмотря на довольно глубокую его изученность, остается процессом, подход к расчету режима которого является, в основном, эмпирическим (общая методика такого расчета отсутствует). В связи с этим на практике в большинстве случаев процесс осуществляют при 800…1000 0С и расходе пара 2 - 4 кг/кг сырья, зачастую повышая производительность установки и в ущерб качества вырабатываемого адсорбента. Ввиду того, что взаимодействие угля с парами воды катализируется оксидами и карбонатами щелочных металлов, а также соединениями железа и меди, эти вещества иногда вводят в сырье в небольших количествах.

Активация воздухом или другими кислородсодержащими газами (С +  О2 → СО2, 2С + О2   → 2СО) в практике используется редко. Трудности создания равномерного температурного режима в реакторе приводят обычно к получению при парогазовой активации неоднороднопористых активных углей.

Химическую активацию осуществляют обычно при 200…650 0С (в технологии производства ряда специальных активных углей – при 900…1000 0С), подвергая уголь-сырец пропитке растворами солей, выделяющих при высоких температурах газ-окислитель, кислот-окислителей, ряда хлоридов и некоторых других веществ. Такие реагенты переводят целлюлозу в раствор, из которого при повышении температуры выделяется высокодисперсный аморфный углерод, формирующий микропористую структуру. Регулирование характера внутренней структуры адсорбентов в этом случае осуществляется вариацией коэффициента пропитки — отношения сухих масс активатора и угля-сырца. С увеличением этого коэффициента вначале развивается микропористость и происходит рост суммарного объема пор, при высоких значениях коэффициента пропитки развивается макропористость, сопровождающаяся уменьшением объема микропор. Получаемые химической активацией активные угли характеризуются большей однородностью структуры, как приготовляемой партии в целом, так и отдельных ее гранул (структурная идентичность периферийных и внутренних участков).

Технологические схемы получения порошкообразных активных углей принципиально мало отличаются от таковых для гранулированных адсорбентов. Более сложными, ввиду наличия экстракционного (удаление избытка активатора) и смежного оборудования являются схемы, работающие по принципу химической активации. Основным оборудованием являются печи-реакторы пиролиза и активации, смесители, формовочные машины, сушилки, промывные аппараты, экстракторы, классификаторы, устройства для затаривания готовой продукции, рекуперации ценных компонентов и обезвреживания отходов производства. Себестоимость производства порошкообразных активных углей является обычно более низкой, чем  гранулированных.

Экспериментальная часть

1. Подготовка сырья. Определение основных физических характеристик сырья, угля-сырца и активного угля

С точки зрения получения собственно целевого продукта наиболее важными характеристиками сырья, используемого для производства активного угля, являются его гранулометрический состав (максимальная однородность которого служит определенной гарантией возможности получения продукта с идентичной пористой структурой отдельных частиц), влажность (существенно влияющая на энергетические затраты процесса карбонизации) и зольность (зола концентрируется в полупродукте и приготовляемом из него активном угле, серьезно осложняя в ряде случаев соответствующие технологические процессы с его использованием).*

В настоящей работе в качестве исходного сырья используют древесные опилки хвойных пород. В связи с изложенным исходные опилки подвергают фракционированию на лабораторных ситах, отбирая для проведения экспериментов фракцию 2 - 4 мм в количестве 120 г.

Влажность (W) и зольность (А) древесных опилок (а также получаемых угля-сырца и активного угля) определяют стандартными методами технического анализа твердого топлива. Получаемые при таком анализе данные обычно относят к определенному состоянию топлива: рабочему (р), воздушно- сухому (а) или абсолютно сухому (с). Рабочим топливом называют такое, которое не подвергается подсушке. Воздушно-сухим обозначают топливо, получаемое подсушкой образца в сушильном шкафу при 70 … 75 0С с последующим выдерживанием его на воздухе при температуре 18… 20 0 С. Топливо, полученное подсушкой пробы до постоянной массы при 105 0С, называют абсолютно сухим.

2. Определение влажности.

Древесина содержит свободную (в полостях клеток) и связанную (в оболочках клеток) влагу. Влажность древесины, соответствующая пределу ее гигроскопичности (состоянию, при котором в древесине содержится максимальное количество связанной, или гигроскопической влаги, а свободная влага отсутствует) при 20 0С составляет в среднем 30 %.

Для определения влажности в предварительно взвешенный бюкс диаметром 35 - 40 мм и высотой 25 - 30 мм помещают взвешенную на аналитических весах с точностью до 0,01 г навеску опилок (1 г), размер частиц которых не превышает 0,21 мм. Навеску разравнивают легким встряхиванием бюкса и высушивают в предварительно разогретом сушильном шкафу при 105…110 0С при полуоткрытой крышке бюкса в течение 60 мин. Затем бюкс с испытуемой пробой вынимают из шкафа, плотно закрывают крышкой, охлаждают на воздухе 2 - 3 мин, затем в эксикаторе до комнатной температуры и взвешивают. Контрольные просушивания проводят при той же температуре в течение 30 мин, каждое до тех пор, пока убыль массы не окажется меньше 0,01 г. Проводят не менее двух параллельных определений, причем расхождение между ними при вычислении результатов анализа с точностью до 0,01% не должно превышать 0,3%.

При промышленной реализации процесса целесообразным является изучение и ряда других характеристик сырья, например, выхода летучих веществ, элементного состава и т.п.

Содержание влаги в испытуемом образце рассчитывают по формуле:

W = (mmo) / m *100 (%)                                  (1)

где m – начальная масса образца, г; mo – масса образца в абсолютно сухом состоянии, г.

3. Определение зольности

Минеральные примеси в виде золы в том или ином количестве присутствуют практически во всех активных углях, получаемых из традиционного, «чистого» сырья. Присутствия более значительных их количеств следует ожидать по вполне очевидным причинам в активных углях, получаемых из промышленных отходов. Отдельные компоненты золы являются катализаторами многих нежелательных реакций, могущих осуществляться в присутствии ряда адсорбентов, в условиях работы адсорбционной аппаратуры. В связи с этим контроль зольности исходного сырья, полупродуктов и получаемых сорбентов является весьма важным.

Для определения зольности в предварительно взвешенный на аналитических весах фарфоровый тигель берут навеску древесных опилок (1 ± 0,1г) и помещают его в нагретую до 250…300 0С муфельную печь, температуру в которой повышают в течение 1- 1,5 ч до 850±25 С. Образовавшийся зольный осадок выдерживают при температуре в течение 1-2 ч, после чего тигель вынимают из муфеля и охлаждают вначале на воздухе в течение 5 мин, а затем в эксикаторе до температуры 18…20 0 С. Охлажденный тигель взвешивают на аналитических весах с точностью до 0,0002 г. Контрольные прокаливания при той же температуре проводят в течение 30 мин до получения разности между двумя последовательными взвешиваниями, не превышающей 0,001г.

Содержание золы вычисляют по формуле:

Аа = mo/m.100(%)                                        (2)

где m – начальная масса образца, г; mo – масса прокаленного образца, г.

Результаты двух параллельных определений для образцов с зольностью ниже 12 % не должны расходиться более чем на 0,2 %.

Пересчет зольности на абсолютно сухое Ас (%) и рабочее Ар (%) состояние образца осуществляют по формулам:

Ас = Аа * 100/(100-Wa);                                  (3)

Ap = Aa * (100-Wp)/(100-Wa)                          (4)

где Wa и Wp – содержание влаги соответственно при воздушно-сухом и рабочем состоянии образца, %.

Получение угля-сырца и активного угля

• Описание экспериментальной установки

Пиролиз исходного сырья с получением угля сырца осуществляют в муфельной печи при Т= 350…600 0С (температуру указывает преподаватель). Затем производим активацию угля паром. Задание, каким способом провести активацию необходимо получить у преподавателя.

• Методика проведения эксперимента

а) Карбонизация исходного сырья с получением угля-сырца

Взвешивают с точностью до 0,01 г древесные опилки в  количестве 20 г, обращая особое внимание на равномерность заполнения ими объема (допускается разравнивание, но не уплотнение вводимых порций опилок стеклянной палочкой). Для получения достаточных количеств полупродукта и активного угля операцию карбонизации повторяют в тех же условиях еще с двумя порциями сырья.

б) Активация угля-сырца водяным паром с получением активного угля

Процесс активации ведут в течение задаваемого преподавателем времени (обычно не более 60 — 90 мин). По его окончании и после остывания определяют  массу активного угля и степень обгара.

Определение осветляющей способности активированного угля

по  метиленовому  голубому

Испытуемый уголь, предварительно высушенный при 110±30С в течение 3 ч, в количестве 0,1 г взвешивают с точностью до 0,01 г, помещают в колбу с притертой пробкой емкостью 50 мл 5 мл раствора метиленового голубого (0,15% водный раствор) и взбалтывают в течение 5 мин. После обесцвечивания раствора прибавляют раствор метиленового голубого по 1 мл до неисчезающего в течение 5 мин синего окрашивания раствора.

Если первые 5 мл метиленового голубого не обесцвечиваются в течение 5 мин, то прибавление раствора начинают с 1 мл.

Осветляющую способность угля вычисляют в % к условно принятой величине осветляющей способности такого угля, 0,1 г которого обесцвечивает 20 мл 0,15% водного раствора метиленового голубого. Осветляющая способность такого угля условно принята за 100 %. Для расчета используем формулу:

Е=5*n,                                               (5)

где Е – осветляющая способность угля, %,

 n – количество мл раствора метиленового голубого, обесцвечивающегося навеской испытуемого угля в 0,1 г,

 5 – коэффициент 100/20.

Осветляющую способность вычисляют с точностью до 1 %.

Определение сорбционных характеристик угля-сырца

и активного угля

Сорбция окисленными активными углями определяется в основном дисперсионными силами взаимодействия поглощаемых молекул с углеродной поверхностью и в ряде случаев в определенной степени ионообменными свойствами последней, находящейся в  водном растворе. Активные угли представляют собой единственный гидрофобный тип промышленных адсорбентов. Процесс насыщения углей влагой является чрезвычайно медленным: равновесие его достигается в течение нескольких месяцев. В связи с этим влажность среды практически не влияет на эффективность извлечения примесей из газовой или жидкой фаз. Это обстоятельство и определяет широкое использование активных углей для рекуперации паров, очистки влажных газов и сточных вод.

Для полученных в работе угля-сырца и активного угля определяют их влажность и зольность (см. раздел «подготовка сырья»), общую обменную емкость, суммарный объем микро- и мезопор. Кроме того, для активного угля экспериментально определяют изотерму адсорбции по парам бензола, на основании которой рассчитывают параметры термического уравнения адсорбции Дубинина-Радушкевича, характеризующие качество полученного адсорбента

Определение общей обменной емкости

В соответствии с современными представлениями ионообменные свойства окисленных углей обусловлены присутствием на их поверхности различных протогенных функциональных групп (карбоксильных, фенольных, карбонильных, хинонных, пероксидных и др.), а также относительно свободных ионов водорода, образующих наружную обкладку двойного электрического слоя у отрицательно заряженной поверхности окисленных углей. Общее количество указанных групп, их соотношение и степень кислотной ионизации зависят от конкретных условий, т.е. от характеристик исходного углеродного сырья, способа и степени его окисления.

Проведенные специальные исследования позволяют утверждать, что функциональные группы являются поверхностными, нефазовыми соединениями, тождественными по химическому составу таким же группам, являющимся частью индивидуальных химических соединений. Это позволяет осуществлять их идентификацию и количественное определение общепринятыми для этих целей методами, наиболее доступным из которых является химический. Данный метод основан на нейтрализации поверхностных групп щелочами и кислотами. В соответствии с ним общая обменная емкость сорбента (в мг-эквивалентах на г сорбента) определяется в статических условиях путем приведения в равновесие 100 см3 0,1 н водных растворов NaOH и HCl с 1 г сорбента с последующим обратным титрованием не вступивших во взаимодействие реагентов. Для ускорения достижения равновесия рекомендуется периодическое взбалтывание испытуемой пробы при достаточном времени контакта. Последнее устанавливают по совпадению результатов титрования последовательно отбираемых проб раствора или проведением ряда последовательных испытаний.

Вычисление статической обменной емкости (СОЕ) производят по формулам для анионообменной емкости:

COEa = (N HCl* V HCl - N NaOH * V NaOH)/V HCl * 1000  (мг-экв/л)      (6)

 для катионообменной емкости:

COEk = (N NaOH * V NaOH - N HCl *V HCl)/V NaOH * 1000 (мг-экв/л),       (7)

 где NHCl, NNaOH представляют нормальности, а VHCl, VNaOH  — объемы реактивов, израсходованных на определение обменной емкости и титрование растворов.

Определение суммарного объема микро- и  мезопор.

Адсорбционная способность углей может быть оценена по показателю бензолоемкости, который приблизительно соответствует суммарному объему  микро- и мезопор, выраженному в см3/г.

Для осуществления определения этой характеристики навеску угля (1г), взвешенную с точностью до 0,01 г, помещают в предварительно взвешенный бюкс, высушивают при 1200С до постоянной массы, охлаждают до температуры 18-200С, помещают в эксикатор с бензолом и выдерживают там при этой температуре до постоянной массы. Определения показателя бензолоемкости осуществляют по формуле:

V = (g2 - g1)/((g1 - go)*p C6H6)                                          (8)

где go – масса пустого сухого бюкса, г; g1 – масса бюкса с навеской угля после сушки, г; g2 – масса бюкса с навеской угля после поглощения бензола, г; 

ρ (C6H6) = 0,879 — плотность бензола при 200С, г/см3.

Представление результатов эксперимента

Результаты проведенных экспериментов и расчетов соответствующих характеристик представляют в виде следующих таблиц (табл.2 -7).

Таблица 2

Результаты определения влажности сырья, полупродукта и

готового продукта

Таблица 3

Результаты определения зольности сырья, полупродукта и

готового продукта

Таблица 4

Характеристика процесса карбонизации исходного сырья

Таблица 5

Характеристика процесса активации полупродукта

Таблица 6

Результаты определения общей обменной емкости угля-сырца и

активного угля

* В графе отмечают характер возможного окрашивания раствора.

Таблица 7

Результаты приближенного определения суммарного объема микро- и мезопор угля-сырца и активного угля по адсорбции бензола

Контрольные вопросы

1. Отходы каких производств используются для получения активных углей?

2. Как происходит активация угля-сырца?

3. Как определяется влажность угля?

4. Как определяется зольность угля?

5. Что такое статическая обменная емкость?

6. Как определяется суммарный объем микро- и мезопор?

7. Как определяется осветляющая способность активных углей?

8. Какие виды активных углей Вы знаете?

9. В каких отраслях промышленности  используются активные угли?

10. Перечислить основные стадии производства активных углей. Нарисовать технологическую схему  их получения.

Лабораторная работа № 2

Переработка пиритных огарков с получением

 цветных пигментов.

Цель работы: изучить основные методы переработки отходов сернокислотного производства с получением пигментов.

Оборудование и материалы: пиритные огарки, муфельная печь, сушильный шкаф, фильтры, ступка с пестиком, шаровая мельница.

Теоретическое обоснование

По происхождению различают природные и синтетические неорганические пигменты, по назначению - декоративные, декоративно-защитные, противокоррозионные и целевого назначения, к которым относят полиграфические, художественные, сигнальные (светящиеся), светотехнические, термоиндикаторные, бактерицидные, термостойкие и др. Природные неорганические пигменты (напр., железный сурик, мумия, охры, умбра) получают из минералов, а также их можно получить из техногенных отходов. В производстве синтетических неорганических пигментов используют следующие способы: химическое осаждение из водных растворов и суспензий (например, литопон, кроны, железная лазурь); прокаливание смесей твердых веществ (например, ультрамарин - из каолина и серы, Сг2О3 - из хромпика, ТiO2 - из гидратированного диоксида титана TiO(OH)2); реакциями в паровой или газовой фазе с последующей конденсацией продуктов реакций (ZnO - из Zn, ТiO2 - из ТiCl4, технический углерод - из природного газа).

Для придания пигментных свойств продукты синтеза и природные пигменты подвергают различным обработкам (например, промывке, фильтрации, водному размолу, сушке, измельчению, микронизации, модифицированию и др.). Модифицированные неорганические пигменты кроме основного красящего веществ содержат разнообразные добавки ПАВ и неорганических веществ (например, зародышей, модификаторов и стабилизаторов кристаллической структуры).

Так, разные марки пигментного ТiO2 содержат до 4,5% SiO2, 7,5% Аl2О3, 3% ZnO, снижающих фотоактивность, коагуляцию и флокуляцию, а также органические модификаторы. В так называемых оболочковых, или керновых (от нем. Kern - ядро) неорганических пигментах пигментные вещества образуют внешнюю оболочку частиц (10-30% общей массы), полученную осаждением на наполнитель (ядро), например, на тальк, каолин, белую сажу, пример оболочкового пигмента - силико-хромат Рb.

Модифицированием сначала неорганическими веществами, а затем ПАВ и микронизацией получают легкодиспергируемые пигменты. Максимальное практическое использование оптических свойств  белых пигментов достигнуто созданием микрокапсулированных в органической полимерной оболочке (размер 0,4-0,6 мкм) частиц ТiO2 (0,2-0,3 мкм) совместно с пузырьком воздуха. В этом случае повышается укрывистость пигмента и снижается их расход на 30% в водоразбавляемых красках.

Мировое производство неорганических пигментов (без технического углерода) составило 4,3-4,5 млн. т (1985); из них 2,3-2,6 млн. т ТiO2, 0,57 млн. т синтетических железооксидных пигментов. В настоящее время мировое ежегодное потребление природного и синтетического железо-окисного пигмента — составляет 800 тыс. т. К 2010 г. его потребление превысит 1 млн. т, причем в Западной Европе его потребление составит более 30 процентов от этой цифры, в Северной Америке — чуть менее 30 процентов, еще чуть меньше — в Азиатско-Тихоокеанском регионе.

Токсичные неорганические пигменты, содержащие Pb, Cr, Cd, заменяют экологически безвредными ферритами, титанатами, алюминатами. В Европе вступил в силу новый гармонизированный стандарт на пигменты для окрашивания строительных материалов на основе цементных и известковых связующих EN 12878, где содержатся правила проведения испытаний пигментов для установления их соответствия требованиям стандарта с привлечением независимой испытательной лаборатории.

Рассмотрим, основные технологические стадии получения минеральных пигментов из пиритных  огарков и пыли сухих электрофильтров.

Железный  сурик представляет собой  оксид железа с примесью небольших количеств глинистых веществ и кварца. Содержание Fe2O3 в сурике составляет 75-87%. По цвету железные сурики делятся на темные и ярко-красные. Они обладают высокой укрывистостью (10-20 г/м2) и интенсивностью, свето-, атмосферо- и коррозионной стойкостью, а также стойки к действию щелочей и слабых кислот. В концентрированной соляной кислоте растворяются только при кипячении  Железный сурик применяют очень широко для всех видов окрасочных работ (как покрывных, так и грунтовочных) и со всеми связующими – водными, масляными, нитролаками и для окраски цемента и асбоцемента. Размер частиц железного сурика составляет 0,2-30,0 мкм, средний размер 2-4 мкм.

Мумии делят на светлые и темные. Светлые мумии содержат 20-35% Fe2O3, темными – 30-75% Fe2O3.  Цвет мумий колеблется от светлого до темного коричневато-красного. Мумии отличаются очень высокой свето-, атмосферо-, и коррозионной стойкостью; они стойки даже к действию химических агентов: в азотной и серной кислоте растворяются с трудом, в соляной кислоте полностью только при кипячении.

Охры представляют собой кристаллический гидроксид железа (III) с примесью большего или меньшего количества глины. По содержанию гидроксида железа (III) (в пересчете на Fe2O3) охры делятся на глинистые (12-20%) и железоокисные (до 70-75%). По цвету охры разделяются на светло-желтые, средне-желтые, золотисто-желтые и темные. Цвет охры зависит от содержания кристаллического гидроксида железа (III): в светлых охрах его содержится 12-25%, в средних – 25-40%, в золотистых  - 40-75%. Однако прямой зависимости может не существовать, так как на цвет оказывают влияние структура и дисперсность гидроксида, а также присутствие примесей. Охры обладают свето- и атмосферостойкостью; они стойки также к действию щелочей и слабых кислот. В крепкой соляной кислоте соединения железа растворяются полностью. Охры наиболее дешевые и прочные пигменты, поэтому их широко применяют для всех видов красок, а также в цементной, асбоцементной, резиновой, бумажной, пластмассовой  и др.

 Технология их приготовления из производственных отходов  может быть различной. Обычно для получения пигментов типа мумии и железного сурика ога-

рок  при нагревании обрабатывают концентрированной серной кислотой. Полученный сульфат железа смешивают с алебастром, мелом, глиной и обжигают в печах. В зависимости от температуры  обжига и выбранных добавок в результате химических взаимодействий получают пигменты различных оттенков. Недостатком такой технологии является присутствие в получаемых пигментах серы и ее соединений, вследствие чего краски  на основе таких пигментов нельзя использовать для покрытия металлических поверхностей, поскольку сера способствует коррозии металла.

Разработана и технология минеральных пигментов, на основе которых получают краски, пригодные для покрытия всевозможных поверхностей, в том числе и металлических. Согласно этой технологии, исключающей использование серной кислотой, для приготовления пигмента типа железного сурика используют фракцию огарка 0,27-1,3 мм, наиболее богатую оксидом железа.

Экспериментальная часть

1. Получение железного сурика

20 г огарка просеять через сито, мелкую фракцию 0,1-0,2 мм отделить, а фракцию с размером зерен 0,5-2 мм измельчить в шаровой мельнице. Мелкую фракцию   огарка промывают водой. При этом удаляются водорастворимые соли железа, цинка, меди, вызывающие коррозию металлов и частично – элементная сера. Промывку проводят горячей (60-80 0С) водой при перемешивании несколько раз, которое чередуют с получасовым отстаиванием, до исчезновения окраски, вызываемой растворимыми солями. Отмытый огарок подсушивают сухим паром и подают на обжиг при 850-9000С в муфельную  печь. Целью обжига является удаление из огарка влаги и серы (из сульфидов и сульфатов). Сера и сернистые соединения, содержащиеся в огарке, влияют на свертываемость краски, на чем построен контроль качества. Полученный после обжига полуфабрикат (содержание Fe2O3 до 90%) размалывают и смешивают с наполнителями для получения готового продукта.

2. Получение желтой охры

Огарковая пыль (<0,1 мм), осаждаемая в сухих электрофильтрах, отличается от огарка несколько большим содержанием водорастворимых соединений железа. Ее используют как сырье для получения пигментов типа желтой охры. 20 г огарковой пыли смешивают с 50-100 мл воды в течение 20-25 мин. Затем раствор отстаивают в течение 1 ч. Окрашенную жидкую фазу сливают в стакан, куда добавляют 10 г предварительно измельченных  мела или глины.  В объеме протекает реакция:

Fe2(SO4)3   +  3 CaCO3   →   Fe2O3   +   3 CaSO4 + 3 CO2,                       (8)

в результате которой получают насыщенный влагой осадок гипса с глиной. Эту массу высушивают при 80 0С и растирают в ступке или подают в шаровую мельницу, из которой выходит готовый продукт – сухой минеральный пигмент типа желтой охры.

3. Получение  мумии

        Предварительную работу нужно провести, как и в случае получения охры. Осадок, полученный   в виде влажной массы (91% Fe2O3; 3,7% FeS; 5,3 % балласта) сушат при температуре до 1000С. Полученную массу затем обжигают в муфельной печи при температуре 800-9000С, при этом из оставшихся соединений выжигается сера. Полупродукт (95% Fe2O3) из печи поступает на измельчение в шаровую мельницу или растирают в ступке, куда одновременно добавляют глину (15%). В результате этих процессов образуется  готовый продукт – минеральный пигмент типа мумии.

        Получаемые согласно описанным процессам минеральные пигменты являются стабильными по цвету и неизменяемыми по времени. Масляная краска на их основе не сворачивается, а известковая хорошо схватывается.

Представление результатов эксперимента

Результаты  экспериментов заносятся в таблицы 8, 9 и 10.

Таблица 8

Характеристика процесса получения железного сурика

Таблица 9

Характеристика процесса получения желтой охры

Таблица 10

Характеристика процесса получения мумии

Контрольные вопросы

1. Классификация пигментов, получаемых промышленностью.
2. Основные направления получения и применения пигментов.
3. Получение пигментов из отходов сернокислотного производства.
4. Методика получения железного сурика из отходов производства.
5. Методика получения желтой охры из отходов сернокислотного производства.
6. Методика получения мумии из пиритных огарков.

Практическая работа № 1.

Изучение процессов складирования и хранения бытовых отходов на полигонах. Пути использование полигонов ТБО после закрытия

Практическая работа №2.

Расчет и проектирование полигона для размещения промышленных и бытовых отходов

Цель работы: приобретение студентами навыков расчета и проектирование полигона для размешенных промышленных и бытовых отходов.

Введение

В решении природоохранных задач одним из основных способов утилизации промышленных отходов является складирование их на специально оборудованных полигонах, которые предназначены для изоляции и обезвреживания отходов при обеспечении высокой степени экологической безопасности для окружающей среды и здоровья человека.

Возможный ущерб окружающей среде от функционирования полигона обусловлен следующими факторами:

- выделением мусорного газа, образующегося в результате биологических процессов разложения мусора, в атмосферу, что приводит к опасности возникновения взрывов, пожаров, наличия неприятного запаха;

- пожарами при горении мусора;

- загрязнением грунтовых вод при их контакте с дренажными водами полигона;

- выносом мусора ветром за пределы территории полигона;

- размножением крыс, мышей, мух и других паразитов, а также болезнетворных микроорганизмов и простейших.

Меры по уменьшению или нейтрализации вредного действия этих факторов предпринимаются при проектировании, строительстве и эксплуатации полигонов. Кроме того, полигоны должны обеспечивать статическую устойчивость складируемых отходов с учетом динамики уплотнения, минерализации, газовыделения, а также возможности последующего использования участка после его закрытия и рекультивации.

1. Общие сведения

Размещение отходов должно соответствовать требованием ст. 12 Федерального закона «Об отходах производства и потребления». В частности, следует иметь в виду, что «... определение места строительства объектов размещения отходов осуществляется на основе специальных (геологических, гидрологических и иных) исследований в порядке, установленном законодательством РФ, и при наличии положительного заключения государственной экологической экспертизы. Запрещается захоронение отходов на территории городских и других поселений, лесопарковых, курортных, лечебно-оздоровительных, рекреационных объектов, а также водоохранных зон, на водосборных площадях подземных водных объектов, которые используются в целях питьевого и хозяйственно-бытового водоснабжения. Запрещается захоронение отходов в местах залегания полезных ископаемых и ведения горных работ в случаях, если возникает угроза загрязнения мест залегания полезных ископаемых и безопасности горных работ…»

Полигон– природоохранное сооружение для централизованного сбора, обезвреживания отходов, обеспечивающее защиту от загрязнения атмосферы, почв, поверхностных и грунтовых вод и препятствующее распространению болезнетворных микроорганизмов. Полигоны для токсичных твердых промышленных отходов (ТПрО) (Iи II класса опасности) имеют такие же санитарные ограничения и такой же размер санитарно-защитной зоны (СЗЗ), как и свалки. Полигоны твердых бытовых отходов (ТБО), не принимающие навоз и фекалии, приравниваются к санитарным объектом Iкласса и имеют СЗЗ не менее 300 м. центральные полигоны ТБО, принимающие нечистоты населенного пункта, являются объектами IIкласса с СЗЗ не менее 500 м. На полигоны ТБО могут приниматься нетоксичные ТПрО и по согласованию специальный перечень токсичных ТПрО IVи III классов опасности.

Основные особенности полигонов:

- уплотнение отходов, позволяющее увеличить нагрузку на единицу площади;

- послойно укрытие отходов;

-меры по предотвращению проникновение сточных вод полигона в почву и подземные воды;

- сбор биогаза (при необходимости).

Работы на полигонах полностью механизированы, а после их закрытия производится рекультивация участка. Эффективность работы полигона во многом определяется выбором участка в соответствии с техническими требованиями и социально-экологическими аспектами. Так, грамотный с технической точки зрения выбор места полигона для Ростова-на-Дону в 1991 г. в поселке Большой Лог привел к бесполезно потраченным средствам на проектно-изыскательские и строительные работы, поскольку не был согласован с населением.

Очень важен характер грунтов и расположение грунтовых вод. Лучшими для основания полигона является глина и тяжелые суглинки. Грунтовые воды должны быть на достаточной глубине (с четом необходимости складирования отходов на высоту не менее 10 м – из экономических соображений); выходы грунтовых и подземных вод в виде ключей и родников должны отсутствовать. Кроме того, необходимо учитывать природные особенности выбранного места: доминирующие ветры, количество осадков, температуры диапазон, глубину: промерзания грунта.

Длительность функционирования полигона может быть существенно увеличена при предварительной механической обработке отходов – измельчении или брикетировании. При более точных расчетах необходимо учитывать характеристику уплотнения отходов в зависимости от массы катков-уплотнителей или бульдозер и высоты засыпки. Также необходимо учитывать самоуправление отходов с годами, особенно ощутимое при высоте полигона более 10 м.

Защита окружающей среды начинается еще при выборе площадки под полигин: подстилающие грунты должны создавать гидроизоляционный слой. Зачастую (особенно для ТПрО) приходится делать искусственные защитные экраны, которые подразделяются:

- на минеральные природные материалы с коэффициентом фильтрации не более 10 м/с, мощностью не менее 3 м (глины, песчано-бентонитовые смеси);

- синтетические материалы, обладающие прочностью и устойчивостью к агрессивному воздействию. В России это чаще всего геотекстили, полиэтиленовая пленка толщиной 0,3 см, закреплённая сажей. Часто в 2 – 3 слоя;

- асфальтовые покрытия;

- геосинтетические материалы (например, специальные маты из бентонита и сентерического связующего).

При разложении отходов образуются газы, причем в первые дни – при свободном доступе воздуха – процесс является аэробным, выделяются двуокись углерода, повышается температура отходов. После того как свободный кислород будет израсходован, в результате анаэробного разложения образуется метан, диоксид и оксид углерода. Для отходов с сульфитами может выделяться сероводород. На отработанных участках (картах) крупных полигонов экономически оправдано применение системы газосбора только при вместимости не менее 1 млн т ТБО, где максимальная часовая выработка газа на второй-третий год после изоляции составит около 1000м2/ч.

Система получения биогаза состоит из скважин, дренажа, промежуточных и магистральных трубопроводов с арматурой, устройств по очистке и осушки биогаза, вентиляционной и энергетической установок.

После закрытия полигона участок рекультивируют для дальнейшего использования. Основная мера – изоляция грунтом. Но и после этого использование участка может быть разрешено не ранее чем через год, а для южной зоны сроки начала работ следующие: создание пашни, сенокосов, газонов – 3 года; посадка кустарников – 4 года; деревьев – 6 лет; создание садов, огородов – 15 лет. Прокладка подземных коммуникаций, капитальное строительство не разрешаются.

2. Расчетная часть

1. Расчет проектируемой вместимости полигона

Вместимость полигона Ет на расчетный срок определяется по формуле:

Ет=, м3        (1)

где У1 и У2 – удельные годовые нормы накопления отходов по объему на первый и последний год эксплуатации, м3/чел.-год; Н1 и Н2 – количество обслуживаемого полигоном населения на первый и последний годы эксплуатации, чел.; Т – расчетный срок эксплуатации полигона, год; К1 – коэффициент, учитывающий уплотнение отходов в процессе эксплуатации полигона на весь срок Т, принимается по табл.1; К2 – коэффициент, учитывающий объем наружных изолирующих слоев грунта (промежуточный и окончательный), принимается по табл. 2.

Удельная годовая норма накопления отходов по объему на 20-й год эксплуатации определяется из условия ежегодного роста ее по объему на 3%:

У2 =У1 (1,03)Т, м3/чел.-год                (2)

Таблица 1 Значения коэффициента К1

Примечание. Значение К1 приведены при соблюдении послойного уплотнения отходов, оседания в течение не менее 5 лет и плотности отходов в местах сбора 200 кг/м3.

Таблица 2 Значения коэффициента К2

Примечание. При обеспечении работ по промежуточной и окончательной изоляции полостью за счет грунта, разрабатываемого в основании полигона, К2=1. В табл. 2 слой промежуточной изоляции принят 0,25 м. При применении катков КМ-305 допускается слой промежуточной изоляции 0,15 м.

2.2. Расчет требуемой площади земельного участка полигона

Площадь участка складирования отходов определяется:

Фус=3Ет/Нn, м2,                (3)

где Нn – высота складирования отходов, предварительно согласованная с архитектурно-планировочным управлением, м.

Требуемая площадь полигона составит:

Ф=1,1 ФУС + Фдов, га                (4)

где 1,1 – коэффициент, учитывающий полосу вокруг участка складирования. Фдов= 1га – площадь участка хозяйственной зоны и площадки мойки контейнеров.

2.3 Расчет фактической вместимости полигона

        Полигон проектируется на плоском рельефе. Высота полигона Н определяется из условий заложения внешних откосов 1:4 и необходимости иметь размеры верхней площадки, обеспечивающие надежную работу мусоровозов и бульдозеров:

        Н = Ш/8 – н, м,                (5)

где Ш – ширина участка складирования, м; 8 – двойное заложение откосов (4×2); н – показатель снижения высоты полигона, обеспечивающий оптимальные размеры плоской верхней площадки, м.

Фактическая вместимость полигона с учетом уплотнения рассчитывается по формуле усеченной пирамиды:

, м3        (6)

где С1 и С2 – площади основания и верхней площадки, м2.

Примечание. Вместимость котлована в основании полигона не учитывается, так как весь грунт из него идет на изоляцию отходов. В этих условиях фактическая вместимость полигона равна объему уплотненных отходов.

2.4. Расчет потребности в изолирующем материале

Потребность в изолирующем материале определяются по формуле:

        Вг = Еф(1-1/К2), м3,                                (7)

где ВТ – емкость котлована, м3 .

2.5 Расчет объема котлована одной очереди

Средняя проектируемая глубина котлована в основании полигона определяется по формуле:

        Нк = 1,1 Вг/С1, м        (8)

где 1,1 – коэффициент, учитывающий откосы и картавую схему котлована.

Площадь участка складирования разбивается на четыре очереди эксплуатации, каждая из которых эксплуатируется с учетом укладки рабочих слоев. Срок эксплуатации каждой очереди в среднем 4 года.

Высота насыпи на каждую очередь составит:

        Н1оч=Нобщ–Нк, м,         (9)

где Нобщ – общая высота, м.

Объем котлована одной очереди равен:

        Vкотл =Вг/4, м3.        (10)

2.6. Расчет емкости котлована на одну очередь с учетом фильтрата

Емкость котлована на 1 очередь с учетом фильтрата составит:

        В=КР Кф(лФ+РТ)Т1/Сн, м3,        (11)

где КР – коэффициент, учитывающий влагопоглощающую и испарительную способность отходов, для равнинных участков следует принимать КР=0,02-0,04, для оврагов КР=0,05-0,08; Кф – коэффициент, учитывающий фильтрационные свойства водоупорного слоя основания полигона с учетом его кольматации, т.е. сколько влаги фильтруется сквозь него (для тяжелых суглинков принимается равным 0,5, для плотных глин – 0,7-0,85); л – годовое количество выпадающих атмосферных осадков, м3/м2 год; ф – площадь 1 очереди участка складирования полигона со слоем уложенных отходов 8-11м, м2; Рт – годовой расход стоков от мытья контейнеров, м3/год; Т1 – расчетный срок, год; Сн – коэффициент, учитывающий пористость отходов в основании полигона, определяемый по формуле:

        Сн = (Р1-Р2)/Р1,        (12)

где Р1 – плотность, при которой оставшиеся в отходах поры заполнены собственной влагой, кг/м3; Р2 – плотность фактическая у основания полигона.

Расход стоков от мойки контейнеров определяется по формуле:

        Рг =0,06ПсТм, м3/год,        (13)

Где Пс – число моющихся контейнеров в сутки; Тм – число суток в году, когда осуществляется мойка контейнеров.

3. Исходные данные по вариантам

Таблица 3. Исходные данные по вариантам