Исследование адсорбционной способности твёрдых продуктов пиролиза иловых осадков

Содержание

Введение

Глава 1. Теоретические аспекты термической переработки органических отходов и адсорбционных процессов

1.1. Состояние и перспективы утилизации осадков сточных вод в Российской Федерации

1.2. Физико-химические основы процесса пиролиза и формирования пористой структуры углеродных материалов

1.3. Нормативно-правовое регулирование обращения с отходами и требования к качеству адсорбентов согласно ГОСТ

Глава 2. Экспериментальное исследование характеристик иловых осадков и продуктов их пиролиза

2.1. Характеристика объекта исследования и методики лабораторных испытаний

2.2. Анализ влияния режимных параметров пиролитического реактора на выход и элементный состав твердого остатка

2.3. Изучение текстурных характеристик и морфологии поверхности полученных сорбентов

Глава 3. Технологические решения по получению и применению адсорбентов из вторичного сырья

3.1. Адаптация технологической схемы переработки иловых осадков для нужд конкретного предприятия

3.2. Кинетические закономерности адсорбции загрязняющих веществ на пиролизном угольном остатке

3.3. Оценка ресурсосберегающего эффекта и промышленной безопасности проектируемого производства

Заключение

Список использованной литературы

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА

Исследование адсорбционной способности твердых продуктов пиролиза иловых осадков

Направление подготовки: 18.03.01 Химическая технология

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы выпускной квалификационной работы обусловлена комплексом экологических, технологических и экономических факторов, определяющих современное состояние химической промышленности и сферы водоснабжения и водоотведения Российской Федерации. Ежегодно на очистных сооружениях коммунального и промышленного назначения образуется более 4,5 млн тонн иловых осадков сточных вод в пересчете на сухое вещество, которые относятся к отходам IV класса опасности и требуют специальных методов утилизации согласно Федеральному закону № 89-ФЗ «Об отходах производства и потребления». Традиционные способы обращения с осадками – захоронение на полигонах, компостирование, сельскохозяйственное использование – имеют существенные ограничения, связанные с накоплением тяжелых металлов, патогенных микроорганизмов, стойких органических загрязнителей и необходимостью отчуждения значительных земельных площадей. В контексте реализации национального проекта «Экология» и стратегических целей достижения углеродной нейтральности к 2060 году особую значимость приобретают ресурсосберегающие технологии переработки органических отходов с получением продуктов с добавленной стоимостью.

Термическая переработка иловых осадков, в частности пиролиз, представляет собой перспективное направление их утилизации, позволяющее одновременно решить несколько задач: значительно сократить объем и массу отходов, обезвредить опасные компоненты, получить энергоносители в виде пиролизного газа и жидких продуктов, а также твердый углеродсодержащий остаток с развитой пористой структурой. Процесс пиролиза протекает в бескислородной среде при температурах 400–800 °С, что обеспечивает термическую деструкцию органических соединений с образованием высокоуглеродистого материала, характеризующегося значительной удельной поверхностью и адсорбционной емкостью. Применение продуктов пиролиза в качестве адсорбентов для очистки сточных вод, газовых выбросов и технологических растворов открывает возможности создания замкнутых циклов водопользования на химических предприятиях и снижения нагрузки на централизованные очистные сооружения. Данный подход соответствует принципам циркулярной экономики и концепции наилучших доступных технологий, закрепленной в информационно-технических справочниках ИТС 8-2015 «Утилизация и обезвреживание отходов термическими способами» и ИТС 10-2015 «Очистка сточных вод при производстве продукции органического синтеза».

Степень разработанности проблемы в отечественной научной и технической литературе характеризуется активным исследованием процессов термической конверсии различных видов биомассы и органических отходов коллективами РХТУ им. Д.И. Менделеева, КНИТУ, Института катализа им. Г.К. Борескова СО РАН, ИНХС РАН им. А.В. Топчиева. Работы А.И. Леонтьева, В.П. Мешалкина, Н.А. Кузнецова посвящены изучению кинетических закономерностей пиролиза органических материалов и моделированию реакционных процессов в реакторах различной конфигурации. Исследования С.А. Забродской, Д.А. Маркова, Е.В. Семеновой сосредоточены на определении оптимальных температурно-временных режимов переработки осадков сточных вод с учетом их компонентного состава и влагосодержания. Вопросам активации углеродных материалов и увеличения их адсорбционной способности посвящены труды Г.Ю. Юрьева, О.Н. Бабаева, Т.М. Шаталовой. Вместе с тем недостаточно изученными остаются вопросы комплексной характеристики адсорбционных свойств пиролизных продуктов из иловых осадков конкретного состава, влияния режимных параметров процесса на текстурные характеристики получаемых сорбентов и возможности их применения для решения специфических задач водоочистки на химических производствах.

Цель выпускной квалификационной работы – разработка научно обоснованных рекомендаций по получению адсорбентов из твердых продуктов пиролиза иловых осадков сточных вод и оценка их практической применимости для очистки сточных вод промышленных предприятий.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• провести анализ современного состояния проблемы утилизации осадков сточных вод в Российской Федерации и обобщить физико-химические основы процессов пиролиза органических материалов;
• систематизировать нормативно-правовые требования к обращению с отходами и качеству адсорбционных материалов согласно действующим стандартам;
• выполнить экспериментальное исследование характеристик иловых осадков городских очистных сооружений и определить оптимальные режимные параметры их пиролитической переработки;
• изучить текстурные характеристики, морфологию поверхности и элементный состав полученных углеродных материалов методами физико-химического анализа;
• исследовать кинетические закономерности адсорбции загрязняющих веществ на пиролизном остатке и определить адсорбционную емкость материала;
• разработать технологическую схему получения адсорбентов из иловых осадков и оценить ресурсосберегающий эффект предлагаемого решения.

Объектом исследования выступают иловые осадки городских очистных сооружений канализации г. Тулы, прошедшие стадии механического обезвоживания и характеризующиеся влажностью 75–80 %, а также твердые продукты их термической переработки в лабораторном пиролизном реакторе.

Предметом исследования являются адсорбционные свойства углеродсодержащих материалов, полученных в результате пиролиза иловых осадков при различных температурных режимах, и их способность к извлечению органических и неорганических загрязнителей из водных растворов.

Методологическая база исследования включает теоретическую основу процессов химической технологии – учение о химических реакторах, кинетику гетерогенных процессов, теорию адсорбции на пористых материалах, принципы тепло- и массопереноса в реакционных аппаратах. В работе применены аналитические методы исследования состава

…