Снижение антропогенного воздействия акролеина на окружающую среду в производстве связующих для художественных красок

Охрана природных ресурсов, окружающей среды и обеспечение экологической безопасности являются приоритетными задачами любого производства. В соответствии с Федеральным законом № 7-ФЗ (от 10.01.2002 г) «Об охране окружающей среды» хозяйственная деятельность, оказывающая воздействие на окружающую среду, должна обеспечивать снижение негативного воздействия на экосистему в соответствии с нормами в области охраны окружающей среды, которое можно достигнуть на основе использования наилучших существующих технологий в сочетании с экологическими, экономическими и социальными интересами человека, общества и государства в целях устойчивого развития и благоприятной окружающей среды.

В технологии художественных красок, в качестве связующего масляных и темперных красок, рельефных паст, как разбавитель красок для художественно-живописных работ, широко используют полимеризованное льняное масло, получаемое путем термической обработки масла при 200−250°С. Качество продукта (цвет, вязкость, кислотное и йодное число, время высыхания) зависят от температуры и времени теплового воздействия. Процесс термической полимеризации сопровождается образованием более легких, летучих побочных продуктов: альдегидов, кислот, эфиров, углеводородов, из которых наиболее вредным и дурно пахнущим является акролеин (пропен-2-аль). Для получения высококачественного масла на стадии полимеризации отгонку акролеина осуществляют воздухом, который, перед сбросом в атмосферу, поступает на очистку от паров вредных веществ в полый форсуночный скруббер. Однако, степень очистки (не более 60%) абсорбционной установки, существующей в цехе связующих и лаков ЗАО «Завод художественных красок «Невская палитра» (ЗХК), не обеспечивает санитарно-гигиенические и экологические нормативы: концентрация акролеина (Са) в вентиляционных выбросах достигала максимального значел ния, равного 4,07 мг/м, а в атмосфере на границе территории завода (угол л наб. Черной речки и ул. Сердобольской, д.68) — 0,55 мг/м .

Опасность загрязнения окружающей среды осложняется расположением завода в городской черте и малой санитарно-защитной зоной (50 м). Поэтому актуальна разработка практических мер, направленных на минимизацию влияния антропогенных факторов на экосистему, включая новые технические средства.

Целью работы является научное обоснование, разработка и практическое решение проблемы повышения эффективности и экологической безопасности функционирования газоочистных систем на принципиально новом абсорбционно-циркуляционном техническом решении, обеспечивающем минимизацию антропогенного воздействия акролеина на окружающую среду.

Задачи исследования:

• Комплексная санитарно-гигиеническая и эколого-экономическая оценка влияния деятельности цеха связующих и лаков на состояния атмои гидросферы.

• Обоснование оптимальных условий термической полимеризации льняного масла, на основе исследования и анализа параметров, определяющих качество связующих и обеспечивающих снижение выбросов акролеина.

• Исследование процессов ади абсорбции акролеина из паровоздушной смеси на синтезированных оксидных алюмоборат-ных сорбентах и водными растворами различных Na-содержащих абсорбентовопределение сорбционной емкости и срока службы исследуемых сорбентов и выбор эффективного способа очистки до безопасного уровня.

• Синтез катализаторов «корочного» типа и исследование каталитического способа обезвреживания вентиляционных выбросов при термической полимеризации льняного масла.

• Научное обоснование, разработка и внедрение эффективной и экологически безопасной абсорбционноциркуляционной газоочистной системы, обеспечивающей минимизацию антропогенного воздействия акролеина на окружающую среду.

• Определение значения предотвращенного эколого-экономического ущерба от выбросов загрязняющих веществ в атмосферу и водным ресурсам.

Научная новизна работы.

• Впервые исследовано с применением комплекса современных физико-химических, статистических и математических методов состояние атмои гидросферы, определены региональные особенности и осуществлена, на основании санитарно-гигиенических и экологических критериев, оценка антропогенного воздействия акролеина на окружающую среду Приморского района Санкт-Петербурга.

• Исследован механизм адсорбции акролеина на алюмооксидных и алюмоборатных сорбентахустановлено протекание двух параллельных процессов: полимеризации, инициированной кислотными L-центрами, и термической деструкции полимера, образовавшегося на поверхности сорбента. Степень очистки у оксида алюминия марки А-1 не превышает 50−55%, у А1203-В203 стабилизируется на уровне — 85−95% при 150−200°С.

• Синтезированы алюмохромовые и алюмохроммедные катализаторы с «корочным» распределением активных компонентов, осуществляющие в процессе очистки полимеризацию и глубокое окисление акролеина. Показана возможность проведения низкотемпературного процесса каталитической очистки газов от акролеина путем полимеризации непредельного соединения на поверхности гранул. Оптимизированы условия регенерации слоя катализатора: продувка воздухом при температурах свыше 300 °C.

• Впервые определены технологические параметры процесса жидкофазной каталитической димеризации акролеина, содержащегося в многокомпонентой газовой смеси в нестационарных условиях. Предложен и экспериментально подтверждён механизм интенсивной последовательной нейтрализации токсичных компонентов, обеспечивающий минимизацию воздействия акролеина на окружающую среду.

• При исследовании процесса полимеризации льняного масла показано, что наиболее качественный продукт получается в случае принудительного отвода летучих побочных веществ потоком азота, подаваемого в реактор-полимеризатор. Наличие кислорода в газовой среде над слоем масла приводит к росту скорости процесса полимеризации и сокращения в два раза времени достижения требуемой вязкости продукта, чем при использовании азота. Однако выход акролеина и концентрация его в вентиляционных выбросах увеличивается.

• Реализован оптимальный режим разработанной технической системы газоочистки с полной циркуляцией газа между полимеризатором и узлом абсорбционного извлечения побочных продуктов термического разложения масла из паро-газового потока, обеспечивающий снижение образования акролеина, требуемое качество масла, эффективные условия очистки отходящих газов от акролеина.

Практическая значимость.

Спроектирована, изготовлена и смонтирована в цехе связующих и лаков ЗАО «Завод художественных красок «Невская палитра» абсорбционноциркуляционная газоочистная установка. Разработаны методические рекомендации для повышения экологической безопасности и минимизации выбросов акролеина в атмосферу и гидросферу при термической полимеризации льняного масла в реакторе периодического действия производительностью 550 кг связующего за цикл. За год безаварийной эксплуатации произведено свыше 60 тонн продукта. Эмиссия акролеина в атмосферу и бассейн Черной речки, практически, отсутствовала.

Аналитический обзор

ВЫВОДЫ.

1. Современными физико-химическими, санитарно-гигиеническими, экологическими, статистическими и математическими методами проанализировано качество атмои гидросферы ЗАО «Завод художественных красок «Невская палитра» По комплексной оценке качества атмосфера и поверхностные воды относятся к сильно загрязненным, что определило необходимость разработки технических систем газоочистки.

2. Синтезированы и изучены свойства оксидных алюмоборатных сорбентовисследован механизм адсорбции акролеинаустановлено протекание двух параллельных процессов: полимеризации, инициированной кислотными L-центрами, и термической деструкции полимера, образовавшегося на поверхности сорбентастепень очистки на AI2O3 (марка А-1) стабилизируется на уровне 50−55% при 140−150 °СА120з-В20з — 85−95% при 150−200 °С.

3. Синтезированы алюмохромовые и алюмохроммедные катализаторы с «корочным» распределением компонентов, активных в реакциях полимеризации и глубокого окисления. Показана возможность проведения низкотемпературного процесса очистки газов методом полимеризации акролеина, ответственными за которую являются катионы Сг6+.

4. Изучен процесс нейтрализации вредных веществ, содержащихся в сточных водах установки полимеризации льняного масла. Экспериментально установлено, что NaOH является катализатором процесса димеризации акролеина. Определена оптимальная концентрация NaOH, составляющая 5,0 мас.%, обеспечивающая снижение концентрации углеводородов в пять, а акролеина в 9 раз.

5. Проведено лабораторное моделирование процесса очистки вентиляционных газов полимеризации. Установлено, что при использовании двухступенчатой системы достигается степень очистки от акролеина, равная 99,5%. Доказано, что для обеспечения содержания акролеина ниже ПДК необходимо обеспечить соотношение массы полимеризуемого масла и количества раствора NaOH в первом и втором абсорберах как 1:0,5:0,3, при котором экологическая безопасность установки обеспечивается при 9 циклах полимеризации.

6. Экспериментально изучено влияние температуры, продолжительности ведения процесса под вакуумом, в атмосфере воздуха и инертного газа на состав и свойства получаемых продуктов и выход в газовую фазу образующихся летучих веществ. Полученные результаты позволили повысить качество продукта, снизить количество выделяющегося акролеина и понизить его концентрацию в газовом потоке.

7. Впервые методом построения деревьев причинно-следственных связей проанализирована экологическая надёжность однои двухступенчатых систем газооочистки в проточном и циркуляционном режимах. Выявлены первопричины вероятного залпового выброса акролеина в окружающую среду и проведена диагностика причин отказов работы оборудования. Установлено, что использование циркуляционной схемы газоочистки, включающей барботажный и насадочный абсорберы, обеспечивает соблюдение санитарно-гигиенических и экологических нормативов.

8. Разработанная система абсорбционно-циркуляционного метода очистки вентиляционных газов от акролеина внедрена на ЗАО «Завод художественных красок «Невская палитра». В 2006 году получено более 60 тонн продукции с высокими показателями качества. Мониторинг показал постоянное снижение удельных выбросов с 0,63 кг/т в 2004 г. до 0,06 кг/т в 2006 г, что свидетельствует об эффективности данного способа очистки.

9. Проведены систематические наблюдения за динамикой изменения СА в атмосфере территории завода, в СЗЗ, в сточных водах и бассейне Черной речки. Данные анализов представлены в виде корреляционных уравнений, получена зависимость Сл на мониторинговой площадке во времени в виде уравнения: СА=А (г-То)+В, где То-начальная точка (год) наблюдения. Доказано, что: отсутствует процесс накопления акролеина в атмои гидросфере;

— концентрация водорастворимого акролеина находится на относительно низком уровне 0,004−0,005 мг/дм3 (40−50% от ПДК);

— не обнаружено признаков нарушения природного равновесия в результате антропогенного воздействия цеха лаков и связующих ЗХК.

Значение предотвращенного эколого-экономического ущерба атмосферному воздуху равно 67,23 тыс. руб/год.