Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
43
НАЦІОНАЛЬНИЙ АВІАЦІЙНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
іванова інна миколаївна
удк 574+677.46.02
концептуально-методичні засади
підвищення екологічної безпеки виробництва
синтетичних ниток, волокон, плівок
21.06.01 –екологічна безпека
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
доктора технічних наук
Київ –
Дисертацією є рукопис
Робота виконана у ВАТ "Хімтекстильмаш" Міністерства промислової політики України.
|
Науковий консультант |
доктор технічних наук, професор Котельніков Дмитро Іванович Чернігівський державний технологічний університет, професор кафедри менеджменту |
|
Офіційні опоненти: |
доктор технічних наук, професор Пляцук Леонід Дмитрович, Сумський державний університет, завідувач кафедри прикладної екології доктор технічних наук, Почесний розвідник надр України, Яковлєв Євгеній Олександрович, Інститут проблем національної безпеки при РНБО України, головний науковий співробітник доктор технічних наук, професор Сиза Ольга Іллівна, Чернігівський державний технологічний університет, завідувач кафедри хімії і конструкційних матеріалів |
|
Провідна установа |
Український науково-дослідний інститут екологічних проблем Міністерства охорони навколишнього природного середовища України, м. Харків |
Захист відбудеться 02.03.2006 р. о 15 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.062.09 у Національному авіаційному університеті МОН України, просп. Космонавта Комарова, 1, м. Київ, 03680, Україна.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного авіаційного університету,
просп. Космонавта Комарова, 1, м. Київ, 03680, Україна.
Автореферат розісланий 01.02.2006 р.
Учений секретар спеціалізованої вченої ради
канд. хім. наук, доцент Г.В. Сокольський
загальна характеристика роботи
Актуальність теми. Національна доктрина інноваційного розвитку та модернізації економіки України, а також зобов’язання щодо реалізації рішень Всесвітнього самміту в Йоганнесбурзі (2002 р.), політика Європейської інтеграції України та рішення 5-ї Загальноєвропейської конференції міністрів навколишнього середовища спонукають виробників і науковців до збільшення обсягів продукції при зменшенні її питомої енерго- і ресурсоємкості, а також покращення екологічної безпеки виробництв у кожній галузі. Виробництво синтетичних ниток, волокон, плівок (СНВП) у всіх розвинених країнах визначає технічні можливості розв’язання багатьох сучасних проблем —від космічних до побутових, а також створює численні робочі місця на своїх виробництвах і виробництвах легкої промисловості. Це виробництво зростає в усьому світі, проте воно має велику кількість екологічно небезпечних відходів, які забруднюють довкілля й потребують подальшої переробки з додатковим використанням енергії та інших ресурсів, створюють небезпеку не тільки для робітників виробництва СНВП, а й пересічних громадян. Уявлення щодо екологічної безпеки виробництва виникли у СРСР у 60—роки (у період серійного впровадження СНВП) і базуються на визначених у той час ГДК окремих компонентів. Сьогодні вже загально визнано, що необхідно передбачити не тільки ризик окремого відходу, а й усієї сукупності відходів, до того ж із урахуванням регіональної екотоксикологічної ситуації. Таким чином, стає актуальнім комплексне дослідження взаємодії виробництва та довкілля, розробка концептуально-методичних засад підвищення екологічної безпеки виробництва синтетичних ниток, волокон, плівок.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Результати роботи входять у госпдоговірні (г/д) і держбюджетні (д/б) НДР за тематичними планами ВАТ "Хімтекстильмаш" (раніше —Всесоюзний науково-дослідний інститут машин для виробництва синтетичних волокон ВНДІМСВ), Чернігівського відділення Інженерної академії України, АТ "Інститут" ВНДІХІМПРОЕКТ", в яких автор був виконавцем, відповідальним виконавцем або керівником: 2002—3 рр. д/б НДР № 222в-01 "Розробка технології та напрямків використання змішаних відходів багатошарових полімерних і комбінованих плівок" (РК № 0102U001087) згідно з Програмою використання відходів виробництва та споживання на період до 2005р., затвердженою постановою Кабінету Міністрів України від 10 жовтня 2001 р. № 1314; 1997-2002 рр. д/б НДР № 03-42-97 "Прийняти участь у розробці обладнання, асортименту та технології одержання надзвичайно тонких ниток із полімерних систем для товарів народного призначення" (РК № 0199U000763, ОК № 0299U000548), згідно з Державною програмою розвитку легкої промисловості на період до 2000 р., затвердженою Постановою Кабінету Міністрів України від 29.01.1996р. № 147; 2003 р. г/д № 1686ДУ "Дослідження й впровадження інновацій у виробництво ниткопровідників з метою підвищення його техногенної безпеки" (РК № 0103U007412, ОК №0204U003107); 2003 р. г/д НДР № 70-100-03 "Опанування науково-технічною продукцією —фарбованими та нефарбованими нитками та гранулами" (РК № 0103U006515, ОК № 0303U007559); 1995-1997 рр. д/б НДР № 14/95-97 "Перспективні напрями геологорозвідувальних робіт на нафту та газ в південних регіонах України" (РК № 0195U024057, ОК № 0399U002530); 1995-1998 рр. г/д НДР № 222-а "Дослідження нафтогазогенеруючих властивостей порід, нетрадиційних скупчень газу та складення бази даних по Дніпровсько-донецькій западині" (РК № 0199U002309, ОК № 0299U000641); 1987 р. г/д НДР № 12-87 "Створити направляючий диск із хромовим покриттям для оснащення крутильних механізмів текстуруючих машин FK6-UF-900" (РК № 01.87.0082672, ОК № 028.80017830); 1985 р. д/б № 44-85 "Провести науково-дослідні роботи по створенню високошвидкісного крутильного механізму фрикційного типу для текстурування синтетичних текстильних ниток" (РК № 01.85.000 87 38, ОК № 0287.0 020485); 1976-1977 рр. д\б НДР № 22-76 "Науково-дослідні роботи щодо підвищення довговічності гільз, шнеків та деталей шестеренних насосів машин формування синтетичних волокон та розробка технології виготовлення цих вузлів", етап 1 (РК № 76015055, ОК № Б510201), етап 2 (РК № 76015055, ОК № Б626156).
Мета та завдання дослідження. Мета роботи —розробити концептуально-методичні засади підвищення екологічної безпеки виробництва синтетичних ниток, волокон, плівок.
Відповідно до мети були поставлені та розв’язані такі завдання:
Об’єкт дослідження —процес виробництва синтетичних ниток, волокон, плівок у природно-техногенному комплексі вуглеводнева сировина —синтетичні нитки, волокна, плівки і відходи —довкілля.
Предмет дослідження —виникнення та шляхи зменшення екологічно негативного ефекту в природно-техногенному комплексі вуглеводнева сировина —синтетичні нитки, волокна, плівки і відходи —довкілля; інтоксикація біоценозів —азотфіксуючих бактерій Agrobacterium radiobacter і Enterobacter aerogenes; закономірності вибору та удосконалення технологій і устаткування, які впливають на використання природних ресурсів і забруднення довкілля.
Методи дослідження. Методологічною основою роботи є системний підхід дослідження об’єкту. Для вирішення поставлених завдань використовували теоретичні положення та методи екології, ґрунтової мікробіології, електрохімії, хімії високомолекулярних сполук, машинобудування, трибології, теплофізики, математичного аналізу. Експерименти проводили на технологічному обладнанні та в лабораторних умовах із використанням стандартних методик та сучасних приладів. результати обробляли методом кореляційного аналізу, застосовуючи сучасне програмне забезпечення. Методом кількісного розрахунку ґрунтових мікроорганізмів та культивації азотфіксуючих бактерій вивчали вплив відходів на бактерії. місцевий коефіцієнт тепловіддачі б обчислювали за допомогою програми Microsoft Excel методом Ньютона—Котеса. хромування здійснювали електрохімічним методом із стандартного хромового електроліту. полярографічним методом на полярографі ППТ-1 визначали адсорбцію поліамідною ниткою компонентів замаслювачів —неіоногенних поверхнево-активних речовин (НПАР). Металографічним та гравіметричним методами із проведенням кореляційного та регресивного аналізу досліджували корозію сталей. вплив інгібітору на процес розхромування деталей в HCl вивчали гравіметричним та фотоелектрокалориметричним методом на приборі КФК-2. малоциклову втому сталі (МЦВ) визначали на машині ІП-2 віднульовим чистим згином при частоті 50 циклів/хв. мікрорельєф металевої поверхні досліджували за допомогою атомно-силового мікроскопу NT-206V, профілометра-профілографа ПП мод. 202 (згідно ГОСТ 2789—), металографічного мікроскопу "Neophot-21", фотоелектричного блискоміру ФБ-2. Методом безпосереднього підрахунку колоній бактерій визначали кількість бактерій в нейтральному або забрудненому відходами середовищі, вибіркові дисперсії порівнювали за критерієм Кохрена.
Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що:
. Розроблено концептуально-методичні засади підвищення екологічної безпеки виробництва. Вперше розроблено ієрархію за впливом на довкілля складових виробництва СНВП та запропоновано нову авторську концепцію виникнення і поширення у природно-техногенному комплексі вуглеводнева сировина —синтетичні нитки, волокна, плівки і відходи —довкілля екологічно негативного синергічного ефекту (ЕНСЕ) з амплітудою Ак = А·(1ч100), виявлено можливість поширення ЕНСЕ у просторі й часі.
. Уперше виявлено руйнацію ґрунтових азотфіксуючих бактерій Agrobacterium radiobacter і Enterobacter aerogenes відходами виробництва поліаміду та ремонтними відходами (е-капролактам, гліцерин, хромовий ангідрид), що знижує продуктивність рослин, спричиняє деградацію ґрунтів.
. Започатковано для зменшення токсичних відходів і розвинуто науковий напрямок створення нових хромових покриттів. Розкрито механізм отримання відкладень хрому у вигляді кульки і закономірності впливу технології отримання нового хромового покриття на його фізико-механічні параметри, зокрема встановлено:
|
Ra= (0,0094АЧ –,0611) · ег, де г = (0,296АЧ + 3,814) · Р |
4. Встановлено, що 1—г/дм відходу виробництва полікапроаміду зменшує корозію (m=2,13 –,22, zm= 53—,9, де m —коефіцієнт гальмування корозії, zm —захисний ефект) і не уповільнює суттєво швидкість розхромування.
. На основі отриманих теоретичних і експериментальних даних уперше запропоновано:
Практичне значення отриманих результатів. Виявлено, що інтоксикація азотфіксуючих бактерій Agrobacterium radiobacter та Enterobacter aerogenes відходами виробництва СНВП може впливати на ефективність використання сучасних мікробних препаратів у сільському господарстві залежно від забруднення ґрунтів. Результати досліджень передано для використання в Інститут сільськогосподарської мікробіології Української академії аграрних наук. Впроваджено на підприємствах країн СНД технології хромування (А. с. 1313013), вдосконалені екструдера, методики технологічної підтримки цілеспрямованого вибору параметрів деталі і матеріалу, програма екологічного оцінювання варіантів устаткування. Створено новий нагрівач (А. с. 1542974), що забезпечує зменшення відходів. Реальний економічний ефект, отриманий від впровадження представлених в дисертації розробок, —понад 1,5 млн грн., а екологічна ефективність (визначена з урахуванням зменшення токсичних і мутагенних відходів) —,15 млн грн/рік.
У навчальному процесі результати дисертаційної роботи щодо авторської концепції ЕНСЕ та концептуально-методичних засад підвищення екологічної безпеки виробництва використовуються у Чернігівському державному технологічному університеті, Івано-Франківському національному технічному університеті нафти й газу, Ніжинському державному педагогічному університеті, Північно-донецькому технологічному інституті Східноукраїнського національного університету ім. В. Даля, а також у Російському державному університеті нафти й газу ім. І. М. Губкіна та Сіверському державному технологічному університеті (Росія).
Особистий внесок здобувача Основні результати теоретичних і експериментальних досліджень, що виносяться на захист, отримані здобувачем особисто. Дисертаційні розробки опубліковано у вигляді 11 одноосібних статей та 1 патенту України на корисну модель, а також 15 спільних статей і 2 А. с. на винахід. Особистий внесок у роботах, виконаних у співавторстві, полягає в обґрунтуванні наукових напрямків, формуванні мети роботи і завдань досліджень щодо зменшення на різних етапах виробництва токсичних відходів, забруднюючих довкілля, обґрунтуванні і проведенні експериментальних і виробничих випробувань створених матеріалів, технологій, конструкцій, формуванні новизни та основних висновків за результатами роботи, аналізі й узагальненні отриманих результатів, розробці методик, рекомендацій, апаратурно-технологічних засобів підвищення екологічної безпеки виробництва.
Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційного дослідження доповідалися та обговорювалися на Міжнародних конференціях і семінарах як в Україні, так і за її межами, а саме на: Міжнародних науково-практичних конференціях "Техніка для хімволокон" (Чернігів, 2001, 2003, 2004, 2005); Міжнародних конференціях "Новые идеи в геологии и геохимии нефти и газа" (Москва, МГУ, 2001, 2005); IV International Scientific Conference "AIMS for future of engineering science" (Igalo, Republic of Montenegro, July 2-8, 2003); II Міжнародній науково-технічній конференції "Сучасні технології та обладнання для одержання та переробки полімерів, полімерних композиційних матеріалів і хімічних волокон (Київ, КНУТД, 2003); конференції "Нові технології та обладнання по переробці промислових та побутових відходів і їх медико-екологічне забезпечення" (Східниця, 2003; Свалява, 2004); конференції "Вітчизняний та міжнародний досвід поводження з відходами виробництва та споживання" (Ялта, 2003); 5 Міжнародній конференції "Крим-2003. Проблеми геодинаміки і нафтогазоносності Черноморсько-Каспійського регіону" (Гурзуф, 2003); науково-практичній конференції "Актуальні токсикологічні та санітарно-епідеміологічні аспекти поводження з відходами" (Київ, 2003); Міжнародному семінарі за проектом програми TACIS Європейського союзу (Чернігів, 2003); V науково-практичній конференції "Переработка энергоресурсных отходов" (Свалява, 2004); Міжнародній науково-практичній конференції "Сучасні проблеми охорони довкілля, раціонального використання водних ресурсів та очистки природних і стічних вод" (Миргород, 2004); Міжнародних науково-практичних конференціях "Экология и здоровье человека. Охрана водного и воздушного бассейнов. Утилизация отходов" (Харків, 2004, 2005); Міжнародній науково-технічній конференції "Екологія промислових підприємств. Проблема утилізації відходів" (Ялта, 2004), The fifth International Scientific Forum AFES 2004 (Paris, France, 2004) та інших.
Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 58 праць, у тому числі 26 статей у наукових фахових виданнях, 2 авторських свідоцтва та 1 патент на корисну модель, 29 тез міжнародних та інших науково-технічних конференцій в Україні, Росії, Чорногорії, Франції.
Структура дисертації. Дисертація складається із вступу, восьми розділів, висновків, додатків, викладена на 269 сторінках основного тексту, містить 33 таблиці і 76 рисунків, список літератури (289 найменувань) займає 30 сторінок, додатки —сторінок.
основний зміст роботи
у вступі оцінено стан проблеми екологічної безпеки виробництва СНВП. Обґрунтовано актуальність теми, зв’язок із державними програмами, д/б і г/д темами, сформульовано мету та завдання дослідження, висвітлено наукову новизну та практичну цінність роботи, особистий внесок здобувача.
У першому розділі проаналізовано доробки щодо пошуку шляхів збереження довкілля, до яких можна віднести роботи відомих вчених України та країн СНД —Бент О.Й., Бойчук Ю.Д., Бутко М.П., Геллер Б.Е., Гомеля М.Д., Гурський Д.С., Іванюта М.М., Ільїн В.Г., Ірклей В.М., Кислий В.Н., Кукуруза В.Д., Лозанський В.В., Мельник Л.Г., Митропольський О.Ю., Надкернична О.В., Носов М.П., Огняник М.С., Пахаренко В.О., Платонов Є.К., Пляцук Л.Д., Рабкін Л.Р., Романкевич О.В., Сиза О.І., Старчак В.Г., Ступа В.І., Трофімов В.Т., Трофімчук О.М., Чередніченко П.І., Цебренко М.В., Яковлєв Є.О. Досліджено відповідності виробництва СНВП завданням збереження довкілля та забезпечення сталого соціально-економічного розвитку України. Виявлено, що синтетичні нитки, волокна, плівки мають суттєве значення щодо забезпечення сталого соціально-економічного розвитку України і збереження довкілля з урахуванням їх внеску до державного бюджету, інших галузей, випуску товарів, націлених на збереження здоров’я людини, та ролі вітчизняного виробництва у стриманні іноземної технічної і технологічної експансії, протидії накопиченню в Україні відходів невідомого складу, але екологічній безпеці цього виробництва приділялось недостатньо уваги. Досліджень ієрархії компонентів, що впливають на екологічну безпеку, екологічному аналізу життєвого циклу СНВП, концепції виникнення екологічно негативного ефекту виробництва в літературі не виявлено.
Аналіз життєвого циклу синтетичних ниток, волокон, плівок виявив, що їх отримують за участю промислових підприємств різних галузей (рис. 1) із різноманітними відходами. Наприклад, у Чернігівщині (одній з найбільших в Україні областей за територією) значну кількість токсичних відходів, типових для виробництва поліаміду, формують "Чернігівнафтогаз" ВАТ "Укрнафта", Гнідинцівський газонафтопереробний завод, ВАТ "Чернігівське хімволокно", концерни "ЧеЗаРа", "Чексіл" та інші підприємства, що належать до нафтогазовидобувної, нафтопереробної, машинобудівельної, легкої, хімічної, енергетичної промисловості. Враховуючи, що на Чернігівщині видобувається ~25 % української нафти (перший етап життєвого циклу продукції) і тут розташований найбільший в Європі виробник кордних ниток і тканин (останній етап) стає зрозумілим, що Чернігівщина має важливе значення для дослідження впливу виробництва СНВП на довкілля.
|
Рис. 1. Розподіл за галузями народного господарства основних еколого-економічних витрат виробництва синтетичних ниток, волокон, плівок. |
У дисертації проаналізовано зв’язок між розвитком промисловості на Чернігівщині починаючи з 1960 року та погіршенням екологічної ситуації за наступні 40 років. Виявлено при аналізі статистичних даних накопичення токсичних відходів на Чернігівщині, що близько 80 % рідинних токсичних типових для виробництва СНВП відходів надходять у ставки-накопичувачі. Поступове накопичення відходів за 40 років призвело до значного забруднення довкілля. Так, вміст нафтопродуктів у ґрунтових водах перевищує ГДК до 25 разів, а -капролактаму —до 50 разів, значне перевищення хрому визначено у чернігівських річках Десна і Сейм.
Встановлено залежність між накопиченням в області токсичних відходів та захворюваннями людей, тварин, рослин, деградацією ґрунтів (рис. 2). Це свідчить про доцільність використання відходів виробництв у якості критерію їх екологічної безпеки.
Згідно з даними аналізу виникнення відходів, у виробництві поліаміду особливої уваги потребує останній етап перетворення -капролактаму в полікапроамідні нитки і волокна (18 % сировини перетворюється на відходи, з них 11% —відходи мономеру на стадії полімеризації і екстракції, 6% —відходи полімеру при взаємодії пари нитка-ниткопровідник на стадіях намотування, крутки, текстурування, 1% —відходи полімеру на стадії формування внаслідок недосконалого устаткування), а також утворюються гальванічні відходи хромування (Сr+6) з умовним скидом ≈20 10 ум.т/рік, відходи замаслювача —кг замаслювача на кожну тонну ниток та різноманітні ремонтні відходи. Цей останній етап є важливим не тільки тому, що створює дуже багато токсичних відходів, а й тому, що недоліки останнього етапу перекреслюють ефективність усіх попередніх екологічно важливих етапів.
Рис. 2. Деякі показники екологічного стану Чернігівщини.
Визначено, що в зв’язку з тим, що СНВП отримують за участю найважливіших галузей народного господарства, то доцільно виробництво СНВП розглядати комплексно: вуглеводнева сировина —СНВП і відходи —довкілля. Сформульовано гіпотезу щодо особливості виробництва СНВП —зв’язок між компонентами виробництва СНВП призводить до виникнення екологічно негативного синергічного ефекту (ЕНСЕ). Таким чином, з огляду на вищесказане, було визначено коло нерозв’язаних теоретичних і практичних питань, пов’язаних із підвищенням екологічної безпеки виробництва СНВП.
У другому розділі описано об’єкт, предмет та методи дослідження (теоретичні та експериментальні). Теоретичні дослідження пов’язані з природно-техногенним комплексом, проведенням його декомпозиції на компоненти нижчого рівня (вуглеводнева сировина, водні та інші природні ресурси, енергія, устаткування, технології), синтезом та виявленням в якості емерджентної властивості (від лат. emergens —те, що з’являється небажано й несподівано) можливості виникнення екологічно негативного синергічного ефекту (ЕНСЕ). Обґрунтовано гіпотезу щодо емерджентної властивості системи. Згідно з гіпотезою, усі компоненти природно-техногенного комплексу пов’язані між собою, при наявності відходів зв’язок між окремими компонентами носить синергічний характер (від грец. ухнесгьт —діючий разом), а не адитивний, як це можна було б передбачити. Це приводить до лавиноподібного зростання негативної дії виробництва на довкілля.
Відповідно до завдань дисертації проведено комплекс експериментальних досліджень щодо виникнення відходів і їх впливу на довкілля. Інтоксикацію біоценозів відходами вивчали за допомогою двох видів поширених у ґрунтах азотфіксуючих бактерій: Agrobacterium radiobacter та Enterobacter aerogenes. Використовували загальноприйняті методи ґрунтової мікробіології: метод культивації азотфіксуючих бактерій; метод кількісного врахування ґрунтових мікроорганізмів. Бактерії вирощували 72 год у водному поживному середовищі та з додаванням замість води у поживне середовище водних розчинів забруднюючих відходів. У якості забруднюючих відходів використовували відходи основного виробництва ПА, допоміжного виробництва та ремонтні відходи —г/дм водного розчину е-капролактаму HN(CH)CO; 0,03— мг/дм хромового ангідриду CrO; 100—г/дм водного розчину гліцерину СНО.
За результатами вивчення походження відходів розробляли нові технології та устаткування, що забезпечують зменшення забруднюючих відходів, захист від них довкілля, а також сприяють раціональному використанню природних ресурсів. При цьому проведено гравіметричним методом корозійні випробування промислових сталей (ПС) та експериментальних сталей (ЕС): сталь 20 й 45 (ГОСТ 1050-88), азотована сталь 38ХМЮА (ГОСТ 4543-71), сталь 9Х18 (ГОСТ 5632-72), ванадієва сталь Р12Ф3 (ГОСТ 19265-73), комплексно леговані хромом, молібденом, кобальтом, ітрієм литі безнікелеві експериментальні сталі (спільна розробка з Інститутом проблем лиття АН УРСР) у розплаві полікапроаміду (ПА), кислотах HSO, HCl, CHCOOH, розчинниках —гліцерин, триетиленгліколь (тег). Досліджено полярографічним методом на ППТ-1 адсорбцію (Г) компонентів замаслювачів (НПАР) ниткою залежно від температури. Вивчено процес розхромування деталей з використанням інгібітору. Швидкість розхромування у середовищі 20%-ної HCl без та в присутності інгібітору визначали гравіметричним та фотоелектрокалориметричним методом, з КФК-2, із використанням стандартних методик та за допомогою оптичної щільності розчинів (D) та залежності Сcr+—D. Як інгібітор використовували промислові відходи ВАТ "Чернігівське хімволокно" —відхід першої дистиляції цеху регенерації е-капролактаму.
Мікрорельєф поверхні деталей вивчали за допомогою комплексу NT-206 —атомно-силового мікроскопа з апаратними і програмними засобами аналізу топографії з поверхонь твердих тіл, з нанометровим розділенням, металографічного мікроскопу "Neophot-21", профілометра-профілографа згідно ГОСТ 2789-73, за допомогою фотоелектричного блискоміру ФБ-2 визначено блиск поверхні (БП). За зміною маси зразків Дm розраховували швидкість корозії хкор = Дm/ф·s [г/м·год.], коефіцієнт гальмування корозії гm= кор/кор, де кор та кор - швидкість корозії без та в присутності інгібітору, і захисний ефект Zm= (1-1/гm)·100%. Статистичну обробку результатів проводили для ймовірності 95%, число вимірювань 3—, відносна похибка не перевищує 10%. малоциклову втому (МЦВ) оцінювали на машині ІП-2 віднульовим чистим згином при частоті 50 циклів/хв.
Досліджено роль окремих параметрів процесу формування спеціального мікрорельєфу хромованої поверхні деталі абразивною обробкою з частинками АЧ=10—мкм під тиском Р = 0,2ч0,6 МПа і наступним хромуванням із густиною струму ік=1·10-1·10 А/м. Адекватність отриманої залежності перевірено за допомогою критерію Фішера: F= /, де Sзал —залишкова дисперсія Ra, Sвідт —дисперсія відтворюваності. Методами теплофізики та чисельного аналізу теоретично досліджено нагрівання та витягування нитки на хромованому термопластифікаторі (ТЕП). Утворення відходів, обривів нитки, її фізико-механічні властивості після взаємодії з ниткопровідниками визначено згідно з ГОСТ 6611.0-73. Для кожного варіанта поверхні отримано при текстуруванні —по десять, а при витягуванні —не менше 100 результатів вимірів (по п’ять з кожної паковки). Експериментальні дані оброблено за допомогою комп’ютерних програм.
У третьому розділі наведено результати дослідження щодо життєвого циклу СНВП на прикладі четвірки лідерів світового виробництва і використання —поліефірних (ПЕТФ), поліпропіленових (ПП), поліамідних (ПА) і поліакрилонітрільних (ПАН). Проведено декомпозицію природно-техногенної системи на компоненти нижчого рівня, визначено ієрархію за впливом на довкілля складових виробництва, розглянуто їх якісний зв’язок (рис. 3). Виділено п’ять груп основних компонентів, використовуваних у виробництві —сировина, природні (у тому числі водні) ресурси, енергія, технологія, устаткування. Проаналізовано виникнення забруднюючих довкілля відходів, а також вплив розглянутих компонентів на формування екологічно негативного ефекту. Особлива увага в виробництві ПА приділяється забрудненню водних ресурсів промисловими стоками та токсичними викидами у атмосферу, у тому числі замаслювачами, недостатньо стійкими при нагріванні (рис. 4, 5).
|
Рис. 4. Залежність адсорбції НПАР замаслювачів поверхнею поліамідної нитки від температури: —ОП-10; 2 —ДС-4; 3 —ДС-10; 4 —ДС-20; 5 —СТ-6; 6 —ОП-4. |
Рис. 5. Деякі складові екологічно негативного ефекту виробництва поліаміду. |
Із метою мінімізації забруднення водних ресурсів та безпосереднього захисту працівників виробництва від розвитку професійних патологій, обумовлених підвищеною загазованістю в цеху, проведено дослідження щодо розробки технологічного засобу зменшення газоподібних відходів шляхом створення термостійкого замаслювача нитки. Досліджено адсорбцію ПА волокнами НПАР марок ОС-20, ОП-4, ОП-10, СТ-6, ДС-4, ДС-10, ДС-20 у інтервалі Т=298-328 К. Виявлена залежність Г=f(С). За умов С = 1·10–—·10– моль/дм, Т=293 К залежність має вигляд Г = А + ВС. Експериментально встановлено значення А і В для досліджених НПАР (наприклад, для ДС-4 Г=4,07·10-7+6,20·10-3·С). Нагрівання волокна викликає десорбцію НПАР. Найбільшу стійкість до підвищення температури виявляє НПАР марки ДС-4. Установлено, що при створенні нових композицій замаслювачів ПА ниток можна використовувати ДС-4 як найбільш термостійкий компонент серед досліджених НПАР.
Досліджено інтоксикацію біоценозів (зокрема, ґрунтових азотфіксуючих бактерій) відходами основних та допоміжних ділянок виробництва СНВП. Використання мікробних азотфіксуючих препаратів замість азотних добрив у сільському господарстві є сучасним безпечним засобом підвищення продуктивності рослин і забезпечення населення достатньою кількістю екологічної продукції. Встановлено, що додавання до поживного середовища замість чистої води водного розчину 0,3 мг/дм CrO (CrO використовується у допоміжному виробництві ниткопровідників) зменшує кількість азотфіксуючих бактерій Agrobacterium radiobacter та Enterobacter aerogenes на 50-80% (рис. 6, б, 7, б). Відходи основного виробництва полікапроамідних ниток теж негативно впливають на бактерії: розчин -капролактаму 35 г/дм призводить до загибелі 63% Agrobacterium radiobacter (рис. 6, в) і 100% Enterobacter aerogenes.
Отримані результати свідчать про небезпеку накопичення відходів виробництва СНВП і виявляють можливий механізм впливу відходів на деградацію земель і зменшення сільськогоспо-
|
а |
б |
в |
Рис. 6. Колоній бактерій Agrobacterium radiobacter у нейтральному середовищі (а) та при наявності промислових відходів —,3 мг/дм CrO (б) та 35 мг/дм е-капролактаму (в) за 72 год.
|
а |
б |
Рис. 7. Колоній бактерій Enterobacter aerogenes у нейтральному середовищі (а) та при наявності 0,3 мг/дм CrO (б) за 72 год.
дарської продукції, а також відповідне погіршення харчування людей та їх захворюваність, посилення ризику господарювання та життєдіяльності, що особливо важливе в умовах існуючої в Україні з 1995 року епідемії туберкульозу (на Чернігівщині при зростанні кількості токсичних відходів і зменшенні сільськогосподарської продукції захворюваність туберкульозом за останнє десятиріччя збільшилось на 72%).
У четвертому розділі проаналізовано кількісний зв’язок між компонентами природно-техногенної системи, що дає підставу визначити формування екологічно негативного синергічного ефекту (ЕНСЕ) як емерджентної її властивості. Для цього згідно з ISO 14040 розглянуто утворення відходів на основних етапах життєвого циклу поліамідних ниток (рис. 8), та взаємозв’язок між сировиною, енергією та необхідними для її отримання ПР, цей зв’язок розглянуто на прикладі кінцевого етапу перетворення мономера в ПА-нитки та волокна (рис. 9).
Рис. 8. Основні етапи життєвого циклу поліамідних ниток.
Рис. 9. Схема матеріальних потоків у виробництві ПА ниток з урахуванням регенерації відходів.
Кількість відходів Мвідх(R), що надходить на регенерацію, можна визначити за формулою Мвідх (R)=Мс·(1–)·f, де Мс —початкова сировина, б —вихід продукції у основному процесі, f —частка відходів, котра підлягає регенерації. Щоб компенсувати втрати сировини та отримати одиницю готової продукції необхідно збільшити кількість циклів (n) переробки відходів. Тоді загальна кількість сировини ДМс, що поступає у виробничий процес із урахуванням регенерованих відходів (вихід продукції у процесі регенерації kR) за n циклів визначається як сума геометричної прогресії, що зменшується (знаменник прогресії q=[1–]·f ·kR):
|
∆Мс=Мс·[1-(1–)n·f n·kRn] : [1-(1–)·f ·kR], |
(1) |
|
або ∆Мс= К · Мс , |
(2) |
|
де К=[1-(1–б)n· fn · kRn] / [1–(1–б) · f · kR]. |
(3) |
Підвищення кількості сировини, яку необхідно переробити для отримання одиниці продукції, означає підвищення витрат енергії, завантаження та зношування устаткування, додаткові екологічні збитки. Енергетичні витрати при цьому можна записати як ЕK=ЕO+ЕR, де ЕK —сумарні енергетичні витрати; ЕO —енергетичні витрати виробництва ниток (ПА); ЕR —енергетичні витрати регенерації відходів. Тоді ЕK=e·K·Мс+eR·МR, де e —питома енергоємність виробництва ПА; eR —питома енергоємність зворотнього процесу (переробки відходів).
За умов, що e≈eR та початкова кількість відходів Мс · (1-) · f й q = kR· , кількість відходів МR, яка пройшла регенерацію за n циклів дорівнює
|
MR = Mc · (1–б) · f · kR · [1–(1–б)n · fn · ] : [1 –(1–б) · f · kR], |
(4) |
|
EК = e · K · Mc + eR · Mc · (1-б) · f · (1- · бn) / (1 –kR ·б) = = e · Mc · [K + (1–б) · f · (1- · бn) / (1 –kR ·б) = e · Mc · L |
(5) |
|
або EК=Eo·L , |
(6) |
|
де L = K + (1–б) · f · (1- · бn) / (1– kR ·б). |
(7) |
Для того, щоб визначити кількість ПР, котра не відновлюється, але потрібна на виробництво електроенергії, необхідно враховувати, що ЕО=с·ПРО, де с —питома теплоємність палива. Тоді з урахуванням втрат ПР під час розвідки, видобутку, транспортування, витрат згідно з інфраструктурою (котрі, як відомо, у 7—разів більше), отримуємо:
|
, |
(8) |
|
(9) |
Таким чином, щоб переробити сировину з урахуванням відходів і отримати одиницю готової продукції, необхідно фактично переробити у K разів більше екологічно важливої сировини, при цьому витрачається у L разів більше енергії, що сприяє підвищенню парникового ефекту, відповідно при цьому витрачається в N разів більше природних ресурсів, що не відновлюються й видобування яких негативно впливає на довкілля. Отже
|
K < L < N, |
(10) |
тобто зв’язок між основними компонентами виробництва СНВП носить не адитивний, а синергічний характер. Це значно посилює негативний вплив виробництва на довкілля, формує екологічно негативний синергічний ефект (рис. 10). Цей синергічний ефект посилюється також під впливом устаткування на використання сировини, ПР, Е. На рис. 11, а показано можливості зменшення ремонтних відходів від недосконалого устаткування.
У дисертації визначено такі коефіцієнти синергічного ефекту: коефіцієнт зростання кількості сировини, необхідної для отримання одиниці готової продукції з урахуванням регенерації відходів, розрахований аналітично —К= 1-2; коефіцієнт зростання використання енергії при руйнації екструдера Ех(1) =1-6, зростання ремонтних токсичних відходів, та інші визначено експериментально.
Для побудови концепції у дисертації використано також наявні літературні дані відносно окремих компонентів системи. Так, в роботі Матвєєва В.С., Гвоздєва В.В. руйнація насосів у 30 разів підвищує їх енергоємність, а в роботі Мельника Л.Г., Лєксіна В.М. визначено, що на виготовлення устаткування потрібно у 9 разів більше природних ресурсів з урахуванням відходів, а за Намаконовим Б.В. для отримання енергії потрібно з урахуванням відходів у 7—разів більше природних ресурсів. Формування ЕНСЕ представлено за допомогою аналогії з резонансом системи на рис. 11, б. Як було нами встановлено за допомогою біоіндикаторів, такий негативний ефект розповсюджується і на біоценози, руйнацію бактерій, захворювання людей. Відомо, що кожен туберкульозний хворий за рік інфікує близько 100 людей, з яких 10 обов’язково захворіють. А захворювання, викликані шестивалентним хромом, передаються ще і нащадкам.
Рис. 10. Фрагмент утворення ЕНСЕ з урахуванням відходів сировини та корозійно-механічної руйнації обладнання (K, L, N, Q, Eх, Y —коефіцієнти синергічного ефекту).
Виникнення негативного синергічного ефекту ми розглядаємо в якості емерджентної властивості системи (від латинського “emergens” —те, що з’являється, з’являється несподівано і в даному випадку, небажано). Результати досліджень мікровзаємодії компонентів системи (корозійна та механічна руйнація матеріалів, термодеструкція полімеру при забрудненні технологічного середовища, адсорбція ниткою компонентів замаслювача), макровзаємодії (використання природних ресурсів, енергії, виникнення технологічних твердих відходів полімеру, металобрухту, токсичних рідинних відходів, газоподібних викидів), а також мегавзаємодії (котра з’являється внаслідок розглянутих обставин і визначається інтоксикацією біоценозів, негативною зміною навколишнього середовища та здоров'я людини) об’єднано і представлено у вигляді авторської концепції ЕНСЕ. Основні положення концепції такі:
|
а |
б |
Рис. 11. Витрати енергії агрегату МФ-600-КШ24 (а) при використанні екструдера з різних матеріалів, та зростання амплітуди ЕНСЕ (б) при виникненні відходів виробництва та руйнації устаткування на ділянці qq:
1 —планове використання сировини ДМс, енергії Е, природних ресурсів ПРЕ; 2 —додаткове використання сировини ДМс при появі відходів; 3 —додаткове використання енергії ДЕ на переробку ДМс; 4.1 —експериментальні данні ДЕ при руйнації екструдера; 4.2 —літературні данні ДЕ щодо насосів; 5 —використання ПРЕ.
Отже, згідно з представленою концепцією ЕНСЕ, для безпечного функціонування системи є необхідним режим мінімізації газоподібних, рідинних та твердих відходів на усіх її етапах. Одним з напрямків зменшення забруднюючих довкілля відходів є повернення відходів у виробничий процес. Значна кількість відходів (≈11%) утворюється на стадії полімерізації. Іноземні фірми, зокрема, "Aguafil S.p.A." (Італія), "Inventa Fischer GmbH" (Німеччина), та українські виробники пропонують різні варіанти устаткування для повернення відходів у виробничий процес. Представлені розрахунки (рис. 12, а, б) свідчать про ефективність циркуляції відходів до n=1-3. У зв’язку з тим, що більшість компаній подає інформацію про свої розробки без розкриття технічних "ноу-хау" і багатьох показників, виникає питання, які критерії обирати для оцінки устаткування та технологій, яку екологічну вартість мають повернені у виробництво відходи. Нами запропоновано проводити екологічну оцінку новацій з урахуванням збільшення кількості сировини, необхідної для отримання одиниці продукції, згідно з рівнянням (3). Аналітичне дослідження впливу параметрів б, f, kR, n, які входять в цю формулу, досить складне, тому нами розроблена програма розрахунку (рис. 12 в). Таким чином, нами запропоновано на основі отриманих даних узгодити й уточнити методологію і здійснювати екологічний контроль не тільки за забрудненням довкілля, а й за впровадженням нової техніки.
У п’ятому розділі представлено результати досліджень щодо розробки концептуально-методичних засад раціонального використання сталей. у виробництві ПЕТФ, ПП, ПА використовується різноманітне металеве устаткування з загальною вагою понад сотні тисяч тонн, тому економне використання ПР в устаткуванні розглядається нами згідно з представленою концепцією як один із факторів підвищення екологічної безпеки виробництва СНВП. Роботу щодо збереження ПР проводили у двох напрямках: обґрунтування заміни високолегованих сталей в устаткуванні на сталі з меншою кількістю дефіцитних компонентів; запобігання руйнації численних металевих деталей шляхом вдосконалення технології їх виготовлення. Згідно з першим напрямом проведено експериментальні та теоретичні дослідження щодо методології вибору матеріалу для устаткування з метою зменшення кількості дефіцитних компонентів у сталі при забезпеченні чис- тоти середовища (ТС) та протидії утворенню відходів. Визначено, що кор деяких ПС за умови виробництва ПА змінюється від 4·10– г/м·год до 20·10– г/м·год. Це дає підставу для пошуку можливості використання сталей з меншою кількістю дефіцитних компонентів (порівняно з маркою 12Х18Н10Т, котра використовується сьогодні). Думка щодо важливості зменшення використання дефіцитних компонентів не нова, її проголошено у працях Колотиркіна Я.М., Новаковського В.М., Заєць І.І. та інші ще у 80-х роках. Було підкреслено, що за недотримання геохімічного принципу розплачуються наступні покоління. Сьогодні, як відомо, світових запасів нікелю (40 % якого йшло на виготовлення сталей) залишилось не більше як на 4 десятиріччя.
Нами розроблено методичні засади щодо використання сталі, запропоновано в якості критерію для практичного використання розрахункове значення допустимої кількості заліза в технологічному середовищі (Вдоп.). При цьому Вдоп. розраховується на основі відомих обмежень щодо наявності заліза (Fe), маси (mтс) технологічного середовища, часу. Обмеження щодо наявності заліза в ТС виявлено для різних виробництв, нами запропоновано принцип вибору матеріалу устаткування не тільки для виробництва СНВП —ПА, ПЕТФ, ПП, а й інших, наприклад, віскозних. Принцип вибору матеріалу для устаткування складається з порівняння допустимої кількості заліза Вдоп = Fe · mтс з тією кількістю заліза Вх = кор Ч ф Ч s, яка може накопичитись в технологічному середовищі при заданих апаратурно-технологічних умовах процесу та корозійній стійкості матеріалу обладнання. За умови Вх ≤ Вдоп стає можливим використання запропонованого матеріалу в устаткуванні з мінімізацією ЕНСЕ.
Використавши при аналізі властивостей матеріалу для нового устаткування конструкції ВАТ "Хімтекстильмаш" —форполімерізатора установки двохступінчастого поліамідування УДСП-30К і форекстрактора установки безперервної екстракції та сушіння УНЭ-30К їх конструктивні параметри, отримуємо значення допустимої втрати ваги (табл. 1).
Згідно з іншим напрямком розглянуто запобігання руйнації металевих ниткопровідників, тисячі одиниць котрих використовуються у виробництві СНВП. На першій стадії реновації —розчиненні зношеного ниткою хромового покриття —ниткопровідник занурюється у розчин HCl без використання струму. За умови гладкої поверхні хром рівномірно розчиняється з поверхні деталі.
|
а |
|
|
б |
в |
Рис. 12. Кінетика накопичення сировини ДМс залежно від циклів регенерації відходів при kR = 0,8; f = 0,5 (а), зміна кількості сировини для отримання одиниці ПА залежно від параметрів процесу (f = 0,8; kR = 0,8) (б), блок-схема розрахунків (в).
Таблиця 1
Вплив конструктивних параметрів обладнання на допустиму швидкість корозії
|
Найменування |
Позначення (одиниці виміру). |
форполімерізатор УДСП-30К |
форекстрактор УНЭ-30К |
|
Маса технологічного середовища |
mTC (г) |
7510 |
28010 |
|
Внутрішня поверхня апарату |
S (м) |
,0 |
,2 |
|
Тривалість процесу |
(год0 |
5,5 |
|
|
Допустима втрата ваги |
Вдоп. (г) |
1,50 |
,60 |
|
Допустима швидкість корозії |
кор (доп.) (г/м·год) |
0,0039 |
,0018 |
|
Бал корозійної стійкості |
|||
|
Група корозійної стійкості |
Вельми стійкі |
Вельми стійкі |
|
|
Вимоги до матеріалу, що обирається |
х (г/м·год) |
≤0,0039 |
≤0,0018 |
Для складної розвиненої поверхні, створеної ударами абразивних часток, Дд = f (ik), де Дд —товщина шару хрому, ik —фактична миттєва густина струму. Оскільки ik (в) >> ik (н), де ik (в) —фактична густина струму на виступах, ik (н) —фактична густина струму у западинах, то Дд (в) >> Дд (н), де Дд (в) —товщина шару хрому на виступах, Дд (н) —товщина шару хрому у западинах. Тому, доки на одних ділянках хром поступово розчиняється, на інших ділянках відбувається перетравлення, розтріскування ниткопровідника. Це потребує зняття пошкодженого шару металу деталі, що поступово призводить до зменшення розмірів деталі. Для деталей у формі тіл оберту із отвором у середині, різьбою, зварними швами циклічність процесу реновації призводить до накопичення негативного впливу корозійного середовища, зростання тріщин (особливо при наявності рисок, дефектів поверхні), руйнації посадочних місць кріплення деталі на машину та перетворення металевої деталі у відходи та брухт. За результатами дослідження кінетики розхромування без та в присутності інгібітору встановлено можливість використання відходу виробництва ПА як інгібітору під час розхромування. Виявлено, що використання інгібітору (Ін) дозволяє зменшити корозію деталі з сталі Ст.3: m=2,13—,22 для концентрації 1—3 г/дм Ін, а Zm = 53—,9. Присутність Ін практично не заважає розчиненню хромового покриття, як це видно з табл.. 2, де представлено зміну оптичної щільності розчинів (D) та концентрації іонів хрому Cr+. Концентрація іонів хрому Cr+ в розчині при розхромуванні (ТС) без та в присутності інгібітору вже через 1,5 год процесу суттєво не відрізняється.
Отримані результати дозволяють вдосконалити наявний процес реновації хромованих ниткопровідників щодо зменшення токсичних відходів. Цей технологічний засіб захищений автором Деклараційним патентом України на корисну модель № 2834.
У шостому розділі представлено результати експериментальних досліджень щодо зменшення ремонтних відходів на стадії формування. Руйнація та заміна екструдера впливає на кіль–
Таблиця 2
Кінетика процесу розхромування
|
Час, хв |
Розчин |
|
ТС |
ТС + 1 г/дм Iн |
ТС + 3 г/дм Iн |
|
D |
СCr+, г/дм |
D |
СCr+, г/дм |
D |
СCr+, г/дм |
|
|
40 |
,110 |
,150 |
,09 |
,133 |
,020 |
,075 |
|
80 |
,130 |
,168 |
,120 |
,160 |
,095 |
,135 |
|
120 |
,140 |
,175 |
,135 |
,170 |
,125 |
,168 |
кість металевих відходів, відходів сировини, використання енергії формовочним агрегатом МФ-600-КШ24, а також використання непередбачених основною технологією органічних розчинників при промиванні устаткування під час ремонту, тобто виникнення нових (ремонтних) відходів. Негативний вплив цих ремонтних відходів на біоценози виявлено за допомогою бактерій Enterobacter aerogenes —кількість ґрунтових азотфіксуючих бактерій зменшується залежно від концентрації забруднювача (рис. 13).
|
а |
б |
в |
Рис. 13. Колонії азотфіксуючих бактерій Enterobacter aerogenes у нейтральному середовищі (а) та забрудненому водним розчином гліцерину —г/дм (б) і 250 г/дм (в) за 72 год.
Зменшення ремонтних відходів забезпечує підвищення працездатності устаткування шляхом впровадження відповідних матеріалів.
Використання сталі 38ХМЮА з газовим азотуванням поверхні на глибину 0,5 мм було визнано незадовільним для переробки ПА у зв`язку із значною руйнацією деталей: протягом двох місяців роботи зношування шнека складало 0,45 мм, а гільзи —,2 мм. Дослідження корозійної стійкості різноманітних сталей до розплаву полікапроаміду, гліцерину, триетиленгліколю, оцтової, соляної, сульфатної кислоти (рис. 14), виявило підвищену корозійну стійкість безнікелевих експериментальних легованих хромом, молібденом, кобальтом та ітрієм сталей. Швидкості корозії сталі для марок 20Х15М2К3 та 50Х15М2К3 у сірчаній кислоті з часом змінюється: до 5 год зі збільшенням часу експерименту швидкість корозії зростає, а після —зменшується. До того ж швидкість корозії сталі 20Х15М2К3 зростає у 19,4 рази, а сталі 50Х15М2К3 —тільки у 1,3 рази.
d8 , /2 .
|
а |
б |
Рис. 14. Кінетика зміни швидкості корозії сталей у часі у 20%-ній HSO (а): 1 —Х15М2К3; 2 —Х15М2К3; 3 —Х15М2В2; 4 —Х15М2К5; 5 —Х15М2К3; 6 —Х15М2К1; 7 —Х15М2К3; 8 —Р12Ф3, а також кінетика швидкості корозії сталі 50Х15М2К3Y залежно від вмісту ітрію у 1,5%-ній HCl (б).
Збільшення вмісту вуглецю призводить до зміни характеру залежності швидкості корозії сталі з часом. Так, для сталі марок 70Х15М2К3 та 90Х15М2К3 із часом експерименту швидкість корозії зменшується. Регресійним аналізом встановлені залежності кор= f(C) (де С —вміст вуглецю у відсотках), які мають вигляд експоненціальної функції. Для сталі 70Х15М2К3 кор=2,23·ф–,72 та для сталі 90Х15М2К3 кор=5,321· ф-0,92.
дослідженням експериментальних сталей 70Х15М2К із вмістом кобальту 1— % виявлено, що підвищення вмісту кобальту від 1 до 3 % та від 3 до 5 % зменшує швидкість корозії у сульфатній кислоті у 2,05 та 1,2 рази, відповідно, при часі експерименту 1 год; у 6,4 та 1,28 рази, відповідно, при часі експерименту 24 год. залежність кор від ССо має логарифмічний характер. Додавання ж до експериментальної сталі (ЕС) 0,2ч0,3% ітрію дозволяє суттєво підвищити її корозійну стійкість (рис. 14, б). Це робить сталь перспективною щодо використання на багатьох етапах виробництва.
Дослідження впливу тиску на характер зношування ЕС і ПС в умовах, що моделюють виробництво ПА, виявило посилення корозійних процесів зі зростанням тиску від 50 кПа до 200 кПа. За цих умов більш придатне використання сталі 70Х15М2К2. Деталі, відлиті з цієї сталі, мають твердість 48—HRC, яка заважає механічній обробці. З метою використання цієї нової сталі досліджено залежність твердості сталі від умов термічної обробки (рис. 15, а), що дозволило отримувати сталь із необхідними властивостями.
Вдосконалення конструкції екструдера шляхом впровадження замість сталі 38ХМЮА матеріалу 70Х15М2К2 підвищило строк служби екструдерів у 6 разів. Це забезпечило на машинах МФ600-КШ-24 зменшення відходів капролактаму на 57888 кг, економію енергії у 46699,2 кВт, зменшення металевих відходів та забруднюючих довкілля токсичних відходів. До того ж відходи,
|
а |
б |
Рис. 15. Залежність твердості сталі 70Х15М2К2 від температури і часу відпалу (а) та зменшені ремонтні відходи ПА (б) при використанні цієї сталі 70Х15М2К2 в екструдері (1, 2) порівняно з використанням сталі 38ХМЮА (3, 4) на стадії формування нитки (1, 4) і стадії промивання екструдера (2, 3).
які утворюються за рахунок ремонтних втрат (рис. 15, б), з урахуванням втрат сировини на попередніх стадіях є значно більшими, створюють синергічний ефект та впливають на ЕНСЕ з урахуванням інтоксикації біоценозів, забруднення ґрунту, водних ресурсів, повітря.
Таким чином, проведене нами вдосконалення конструкції екструдера з використанням безнікелевої сталі 70Х15М2К2 забезпечило зменшення забруднюючих довкілля відходів і підвищення на цьому етапі екологічної безпеки виробництва СНВП.
У сьомому розділі приведено результати теоретичних і експериментальних досліджень щодо розвитку започаткованого автором дисертації нового наукового напрямку створення необхідних для зменшення токсичних відходів нових хромових покриттів (які на відміну від традиційних не повторюють мікрорельєф поверхні деталі). Відомо, що загальноприйнятим напрямком хромування є отримання хромового покриття, яке повторює мікрорельєф поверхні деталі. Це висвітлено в роботах Городиського О.В., Бірюкова М.Д., Болдирєва Е.І., Ваграмян А.Т., Іванової Н.Д., Іванова С.В., Лайнера В.І., Левитського Г.С., Шлугера М.А. Такі покриття мають цінні властивості для автомобілебудування, приладобудування, машинобудування. Проте у контакті з ниткою гладка хромова поверхня обриває нитку, створює відходи (рис. 16). Автором дисертації вперше виявлено, що за певних умов хромове покриття не повторює мікрорельєф поверхні деталі (основи), а має власний мікрорельєф, характер якого визначається умовами процесу. Цим було започатковано новий науковий напрямок робіт щодо зменшення токсичних відходів через забезпечення необхідного для контакту з ниткою мікрорельєфу поверхні хромованої деталі. Серед багатьох відходів, що утворюються внаслідок незадовільної взаємодії пари нитка—ниткопровідник, особливо небезпечними є відходи хрому. Хром є мутагенним та токсикогенним компонентом, котрий здатен поступово накопичуватись в організмі і приводити до незворотніх руйнацій. Виявлену нами руйнацію ґрунтових бактерій залежно від концентрації хромового ангідриду представлено в табл. 3.
Рис. 16. Формування екологічно негативного синергічного ефекту при взаємодії пари нитка—ниткопровідник (у виробництві ПА одночасно працює понад 1·10 ниткопровідників).
Таблиця 3
Вплив концентрації CrO на ґрунтові азотфіксуючі бактерії
|
Бактерії |
Кількість бактерій у поживному середовищі при забрудненні його CrO, мг/дм |
|
0,0 |
,03 |
,3 |
,0 |
|
|
Agrobacterium radiobacter |
87·10 |
80·10 |
42·10 |
0 |
|
Enterobacter aerogenes |
50·10 |
49·10 |
·10 |
0 |
Проведено комплексне дослідження впливу параметрів технологічного процесу абразивної підготовки поверхні (розмір абразивних часток АЧ=10ч14 мкм, тиск Р = 0,2-0,6 МПа) та наступного хромування (ік = (0,1—)·10 А/м) на мікрорельєф (М) поверхні (табл. 4).
Таблиця 4
Формування хромованої поверхні ниткопровідників, яка зменшує відходи нитки
|
Піскоструйна обробка |
Параметри поверхні |
Густина струму ік, А/дм |
хпкм |
||||
|
Розмір часток, мкм |
Тиск, МПа |
Висота мікро- виступів, Ra, мкм |
Діаметр, Д, мкм |
||||
|
10 |
,20 |
,19 |
,19 |
17-170 |
100-1000 |
± |
|
|
10 |
,35 |
,32 |
,21 |
,5 |
– |
||
|
10 |
,50 |
,25 |
,25 |
+ |
|||
|
12 |
,35 |
,63 |
,063 |
+ |
|||
|
12 |
,20 |
,2 |
,48 |
1 |
28-280 |
100-1000 |
– |
|
14 |
,35 |
,2 |
,57 |
,1 |
– |
За результатами експерименту отримано рівняння, що адекватно описує процес абразивної обробки поверхні: Ra= (0,0094·АЧ - 0,0611) · ег, де г = (0,296·АЧ + 3,814) · Р. Виявлено можливість отримання хромованої поверхні з кулькоподібними мікровиступами (ХПКМ), зміну мікрорельєфу поверхні (рис. 17) та її властивостей (Д = 5ч50 мкм, h=0,09ч0,3; БП = 3ч20%) залежно від зміни параметрів процесу. Дослідження топографії експериментальних зразків, проведене за допомогою сучасного комплексу на базі атомно-силового мікроскопу NT-206V з апаратними і програмними засобами, дозволило встановити механізм формування поверхні —поступове її вигладжування шляхом зростання окремих виступів (рис. 17, г) внаслідок різниці між миттєвими щільностями струму на мікровиступах та мікрозападинах. Складність розвинутої абразивною підготовкою поверхні зберігається і під час утворення хромового шару (рис. 18).
Проведені дослідження дозволили з’ясувати роль основних параметрів процесу хромування та поверхні деталі і механізм в отриманні відкладень хрому на мікровиступах поверхні у вигляді кульки: М=f (Ra/Д; Ік/Ra). Виявлено, що відкладення хрому у вигляді кульки відбуваються при Ra/Д=1ч10 та Ік/Ra=100-1000 А/дм·мкм (А. с. 1313013). Така поверхня зменшує руйнацію деталі (та гальванічні відходи), а також руйнацію нитки (та відходи, пов’язані з ниткою).
Створена нами технологія отримання хромованої поверхні з кулькоподібними мікровиступами (розмір яких можна змінювати відповідно до умов виробництва залежно від діаметру різних ниток) дозволяє перейти до вдосконалення нагрівача, котрий особливо впливає на утворення різноманітних відходів. Вивчено утворення відходів нитки від недосконалих ТЕП безпосередньо на стадії витягування нитки та на стадіях подальшої її переробки. Проведено моделювання процесу нагрівання та витягування нитки з використанням положень теплофізики і чисельного аналізу. У процесі дослідження нагрівачів було зроблене припущення, що комплексна нитка, яка витягується на плоскому нагрівачі, розглядається як одношарова стрічка, а нагрівання її є ідентичним нагріванню окремого елементарного волокна.
Оскільки діаметр волокна на нагрівачі не перевищує 30—мкм, і критерій Біо значно менше одиниці (Ві<<1), то можна не враховувати радіальний розподіл температури нитки, замінюючи її середньою температурою.
Відомо, що
|
Ві = б · Rн / лн, |
(11) |
де б —коефіцієнт тепловіддачі; Rн —радіус нитки; лн —коефіцієнт теплопровідності матеріалу нитки.
Оскільки при теплопередачі від ХПКМ відсутній щільний контакт із ниткою, а тепло передається через повітря або шар забруднень, який знаходиться на поверхні ТЕП, коефіцієнт тепловіддачі розраховуємо через суму термічних опорів:
(12)
де бХПКМ —коефіцієнт тепловіддачі хромованої поверхні з кулькоподібними мікровиступами, бПЛ —коефіцієнт тепловіддачі плоскої поверхні, УrОП —сума термічних опорів, викликаних формою поверхні. При цьому
.
|
а |
б |
|
в |
г |
Рис. 17. Хромована поверхня (Ч400) ниткопровідника з боріздками від попереднього шліфування (а), вплив параметрів процесу хромування на мікрорельєф поверхні Ік : Ra= 200 А/дм · мкм (б), Ік : Ra= 400 А/дм · мкм (в) та профілограми щодо поступової зміни мікрорельєфу поверхні під час хромування (г), отримані на NT-206V ув режимі "Topography".
|
а |
б |
|
в |
г |
д |
Рис. 18. Змінювання діаметру мікровиступів хромованої поверхні (Ч400) при підвищенні густини струму Ік/Ra= 125 А/дм · мкм (а), Ік/Ra= 625 А/дм · мкм (б) та результати п’єзосканування (topography ) (в) і візуалізації поверхні в режимі "Deflection" (г) і "Torsion" (д).
(13)
де —сума термічних опорів виступів, —сума термічних опорів западин, n —кількість виступів, m —кількість западин на одиниці поверхні (м) нагрівача. Із урахуванням граничних умов першого роду, використовуючи закон теплопровідності Фур`є, знаходимо УrОП.
Особливості взаємодії нитки з специфічною поверхнею ХПКМ представимо за допомогою модельної схеми теплообміну (рис. 19). Розглянемо спочатку тепловіддачу від одного мікровиступу поверхні. Термічні опори rОПВ і rОПЗ зумовлені теплопровідністю і- середовища (лі) —повітря або полікапроаміду, а також довжиною змінної відстані BD від поверхні нагрівача до умовної площини, що проходить по вершинах мікровиступів. Для западин вважаємо цю відстань постійною, вона дорівнює R. Для виступів враховуємо, що тепловий опір rОПВ залежить не тільки від відстані CD, а й від площі елементарної поверхні dF, котра є проекцією кільцевого перетину елементарної теплової трубки току від мікровиступу і визначається за рівнянням:
|
dF = р [(rj + dr) –rj], |
(14) |
де rj —плинний радіус кільцевого перетину мікровиступу згідно методу Ньютона —Котеса, dr —прирощення плинного радіусу.
Відстань CD визначаємо як відстань, що зумовлює тепловий опір між стрічкою і умовною плоскою поверхнею без виступів і западин, за формулою
CD = лі / бПЛ
|
. |
(15) |
Змінна відстань CDB між стрічкою (І) та ділянками нагрівача (ІІ) залежить від плинного радіусу rj, (який змінюється в межах від 0 до R і визначає додатню відстань DB). Максимальна змінна відстань (дjmax) від умовної площини до ділянки поверхні западини дорівнює
дjmax= DB = R
|
. |
(16) |
Коефіцієнт тепловіддачі бj на ділянці мікровиступу можна розрахувати за формулою:
(17)
|
де |
(18) |
Згідно з рис. 19а відстань (СВ), що враховує теплообмін між ниткою і ділянкою півкулі площею dF визначається за рівнянням:
(19)
Кількість тепла, що передається від ділянки півкулі до стрічки, обчислюємо за допомогою рівняння теплового балансу:
|
а |
б |
|
в |
г |
Рис. 19. Модельна схема теплообміну між ниткою та поверхнею (а), зміна температури волокна за довжиною ТЕП і зміна відношення коефіцієнтів тепловіддачі бХПКМ/бПЛ від розміру мікровиступів (б), вплив прошарку відкладень на тепловіддачу (в) та структурна схема технологічної підтримки цілеспрямованого вибору параметрів деталі (г): І — нитка, ІІ —поверхня ТЕП, 1 — нагрівання за допомогою ПЛ, 2 — нагрівання на ХПКМ, 3 — тепловіддача через прошарок ПА, 4 — тепловіддача через шар повітря, R — радіус мікровиступів хромованої поверхні, Rн — радіус нитки, rj — плинний радіус перетину мікровиступу.
(20)
де dq — доля теплового потоку через елементарну поверхню dF, Тs — температура нагрівача, Тн — температура нитки.
З урахуванням рівнянь (12), (17)—(19), отримуємо із (20) значення коефіцієнту тепловіддачі бj від окремого мікровиступу до поверхні нитки:
(21)
де FB — площа проекції виступу на поверхню стрічки.
Значення бj отримуємо інтегруванням рівняння (21) методом Ньютона — Котеса. Щоб перейти від кількості тепла, отриманого за рівнянням (21) від однієї півкулі, до загальної кількості тепла від площі термопластифікатора, потрібно врахувати (13) і визначити, що
|
Qj = qПК + qЗП, |
(22) |
де Qj — тепловий потік з 1м2 нагрівача,
qПК — тепловий потік від мікровиступів, , qЗП — тепловий потік від западин (або вільної поверхні, не зайнятої мікровиступами),.
Тепловий потік від мікровиступів визначаємо за рівнянням:
|
qПК = бj Ч FМВ Ч (Тs – Тн), |
(23) |
де FМВ — площа мікровиступів на 1м2 нагрівача, а тепловий потік від западин (або вільної поверхні):
(24)
(FЗП — площа западин).
За розрахованим за рівняннями (13, 14) значенням Qj визначимо коефіцієнт тепловіддачі:
(25)
Розмір мікровиступів впливає на коефіцієнт тепловіддачі від нагрівача (термопластифікатора) до нитки. Наявність прошарку відкладень полікапроаміду у порівнянні з прошарком повітря підвищує коефіцієнт тепловіддачі з 600 Вт/м2·К до 870 Вт/м2·К при R = 100 мкм для швидкості нитки 7,76 м/с та її радіусі 2,02·10-5 м. Використання виявленої залежності бХПКМ—R дозволяє розрахувати термопластифікатор та необхідну для нагріву нитки поверхню за спрощеною методикою без використання (21). Визначення необхідного для контакту з ниткою мікрорельєфу хромованої поверхні деталі дозволяє не тільки розв’язати технічні проблеми щодо працездатності устаткування, а й забезпечує мінімізацію використання гальванічних розчинів під час реновації деталей. В результаті проведених досліджень визначено залежність коефіцієнту тепловіддачі від розміру мікровиступів поверхні
|
бХПКМ = 0,0068R2 – 2,1502R + бПЛ, |
(26) |
зміну температури нитки за довжиною нагрівача, ефективність нагрівання на ТЕП з ХПКМ і плоскою поверхнею. Отримано номограму бХПКМ/бПЛ—R (рис. 19, б) щодо спрощеного розрахунку ТЕП, враховано вплив забруднень поверхні на її тепловіддачу (рис. 19, в) та розроблено методику розрахунку термопластифікатора. Також створено конструкцію трьохзонного контактного ТЕП, поверхня якого має змінний мікрорельєф і забезпечує зменшення токсичних відходів. Конструкція та технологія нагрівача захищена А. с. 1542974. Представлені результати розкривають закономірності впливу технології отримання нового хромового покриття на його фізико-механічні властивості, дозволяють створити методологію спрямованого вибору технологій з метою зменшення різноманітних токсичних відходів (рис. 19, г), встановити вплив режимів виготовлення на теплофізичні властивості деталі, забезпечують підтримку прийняття рішення щодо конструкції та технології її виготовлення.
У восьмому розділі показано, що досягнення мети роботи — розробка і впровадження концептуально-методичних засад підвищення екологічної безпеки виробництва СНВП — забезпечило зменшення токсичних і мутагенних відходів, раціональне використання сировини та енергії. Попереджено забруднення довкілля вуглеводневою сировиною (нафта), -капролактамом та олігомерами, органічними розчинниками, замаслювачами, хромовим ангідридом на різних етапах життєвого циклу СНВП. Виявлений вплив токсичних і мутагенних відходів (що зменшуються) на інтоксикацію ґрунтових бактерій та механізм впливу на здоров`я людини представлено на рис. 20.
Еколого- та соціально-економічну ефективність впроваджених розробок (ЕЛЗ) визначено з урахуванням зменшення токсичних і мутагенних відходів.
|
ЕЛЗ = З1 + З2 + З3 + З4 + З5 + З6 + З7, |
(27) |
де З1 — ліквідований екологічний збиток від забруднення хромовим ангідридом атмосфери та водних ресурсів, З2 — зменшення забруднення водойм замаслювачем, З3 — захист від забруднення довкілля е-капролактамом та олігомерами, З4 — запобігання забрудненню водних ресурсів нафтою, З5 — ліквідоване забруднення органічними розчинниками, З6 — економія, пов’язана з запобіганням сільськогосподарських збитків від недоотриманого врожаю внаслідок руйнації відходами сучасного мікробного препарату, що використовується замість шкідливих азотних добрив, З7 — вартість лікування в стаціонарі туберкульозних хворих, що захворіли внаслідок нераціонального харчування та зниження імунітету. Розрахункове значення ліквідованого екологічного збитку довкіллю за рік становить ЕЛЗ = 50,15 млн. грн/рік. Економічний ефект, отриманий у виробництвах внаслідок зменшення відходів та збереження енергії, становить 1,5 млн. грн.
Внаслідок втілення концептуально-методичних засад (рис. 21): створена технологія вибору сталей з меншою кількістю дефіцитних компонентів із використанням запропоновано розрахункового критерію щодо можливого накопичення заліза в технологічному середовищі; створена
Рис. 20. Шляхи синергічно небезпечного впливу токсичних та мутагенних речовин виробництва СНВП.
d0. 21. c5 f7ed , , (1—8) eee4.
технологія оцінювання новацій щодо повернення відходів у технологічний процес згідно з розробленою в дисертації програмою розрахунку; виготовлення устаткування з безнікелевої литої легованої хромом, молібденом, кобальтом, ітрієм сталі, у тому числі вдосконалення конструкції екструдера з використанням безнікелевої сталі 70Х15М2К2 і нової технології виготовлення з неї деталей; виявлено серед серійних замаслювачів найбільш термостійку НПАР марки ДС-4 з метою створення більш екологічних композицій; запропонована нова технологія отримання хромованих ниткопровідників для вітчизняного та закордонного устаткування (А. с. 1313013); розроблена нова технологія реновації хромованих деталей (Деклараційний Патент України № 2834); запропоновано нові конструкція та технологія хромованого нагрівача нитки (А. с. 1542974); розроблена інженерна методика розрахунку нагрівача для різних ниток і умов виробництв.
Так, впровадження нових сталі та технології виготовлення з неї деталей, а також вдосконаленої конструкції екструдера при серійному виготовленні 65 гільз екструдерів із поставкою їх у виробництво СНВП м. Даугавпілс, Кемерово, Київ, Руставі, Чернігів, Щокіно та інших, зменшило ремонтні відходи вуглеводневої сировини, енергії, органічних розчинників і забезпечило фактичний економічний ефект від впровадження понад 1,4 млн грн.
Впровадження у виробництво хромованих за новою технологією деталей (табл. 5) дозволило не тільки зменшити кількість відходів на різних вітчизняних машинах та етапах виробництва (рис. 22), а й відмовитись від імпорту деталей з хромованою поверхнею, закордонний аналог якої має назву "with orange skin effect". Це має особливе значення тому, що використання закордонного устаткування у виробництві СНВП призводить до довгострокової економічної залежності від фірми-виробника в зв’язку з необхідністю замінювання зношених деталей.
Таблиця 5
Використання вітчизняних хромованих дисків на імпортному обладнанні
|
Найменування машини, підприємство |
Тип дисків |
Характеристика ниток |
|
Ліній-на щіль-ність, текс |
Міц-ність, гс/текс |
Подов-ження, % |
Розтяж-ність, % |
Стій-кість зви-висті, % |
Коефі-цієнт варіації по подов-женню |
Коефі-цієнт варіації по тексу |
||
|
TFT-620 Могільовське ВО "Хімво-локно" |
Фірми "Тойобо", Японія |
18,12 |
37,5 |
31,5 |
39,8 |
71,7 |
— |
— |
|
ВАТ "Хімтекстиль-маш", Україна |
18,03 |
39,36 |
35,1 |
42,9 |
73,0 |
-— |
— |
|
|
FK6-UF-900 Світлогорське ВО "Хімво-локно" |
Фірми "Бармаг", Німеччина |
18,52 |
34,67 |
25,22 |
24,19 |
69,09 |
5,37 |
0,61 |
|
ВАТ "Хімтекстиль-маш", Україна |
18,45 |
34,12 |
24,83 |
24,19 |
68,78 |
8,66 |
0,52 |
Важливе значення для виробництва СНВП розробленої технології хромування є не тільки в тому, що вона забезпечила зменшення токсичних відходів і дозволила відмовитись від імпорту деяких ниткопровідників вітчизняних та імпортних машин, що працюють зі швидкістю руху нитки до 15 м/с. Ці хромовані деталі можна використовувати при створені нових зразків машин при високій швидкості руху нитки до 75 м/с (цього вже досягли закордонні фірми) без зростання токсичних відходів.
Використання хромованих дисків на машині FK6-UF-900 фірми "Бармаг" (Німеччина) у Світлогорському ВО "Хімволокно" дозволило відмовитись від імпорту деталей та отримати без токсичних відходів поліефірну текстуровану нитку 12 текс відповідно до вимог нормативних документів (ТУ 6-06-С202-87) на швидкості випуску 8,3 м/с, а також відновити 1200 робочих місць, що простоювали.
Випробування дисків на надійність виявило мінімальне напрацювання не нижче 25000 годин. Партія направляючих дисків у кількості 1500 одиниць виготовлена Дослідним заводом ВАТ "Хімтекстильмаш" і впроваджена з економічним ефектом 42,6 грн./диск. Фактичний економічний
|
а |
б |
в |
г |
Рис. 22. утворення відходів на ТЕП (а) та використання нової технології хромування в обладнанні для текстурування (б), витягування (в), перемотування (г):
1 — нитка, 2 — хромований направляючий диск (машина FK6-UF-900), 3 — хромований термопластифікатор (31 — А. с. 1313013, 32 — А. с. 1542974), машина КВ-ІІІ-250КА, 4 і 5 — хромовані верхній та нижній прутки, машина КО-228-ИМ2, А — полірована поверхня, В — матова, С — ХПКМ (1 зона), З — ХПКМ (3 зони).
ефект від впровадження партії дисків у Світлогорському ВО "Хімволокно" складає 63,9 тис. грн. У виробничих умовах ВАТ "Чернігівське хімволокно" використання нової технології хромування на вітчизняних машинах та для крутильної машини "Platt—Brait" (Англія), забезпечило зменшення відходів нитки, підвищення строку експлуатації деталей та економічний ефект понад 50 тис. грн. Позитивний досвід використання хромованих за новою технологією деталей у виробництві СНВП на підприємствах України та Білорусі в деталях вітчизняних та закордонних машин дозволив поширити цю технологію на використання в машинобудуванні, хімічній промисловості, приладобудуванні, легкій промисловості — на підприємствах, котрі негативно впливали понад 40 років на екологічну ситуацію Чернігівщини — ВАТ "Чернігівський завод радіоприладів — "ЧеЗаРа", концерн "Чексіл", Дослідний завод ВАТ "Хімтекстильмаш" (м. Чернігів).
Інші дисертаційні розробки щодо концептуально-методичних засад (програми розрахунку, методики, рекомендації передано для використання у Державне управління екології та природних ресурсів в Чернігівській області, НТУ "Інститут хімічної технології та промислової екології" (м. Рубіжне), АТ "ВНДІХІМПРОЕКТ" (м. Київ), у Головну організацію з обладнання для виробництва хімволокон ВАТ "Хімтекстильмаш" (м. Чернігів).
Наведені приклади свідчать про впровадження у виробництво та багаторічне використання представлених у дисертації розробок і рекомендацій, що сприяють мінімізації токсичних і мутагенних відходів, раціональному використанню природних ресурсів, соціально-економічному розвитку галузі, та вирішують важливу наукову й практичну проблему підвищення екологічної безпеки виробництва синтетичних ниток, волокон, плівок.
У додатках наведено 25 документів, що підтверджують практичне застосування отриманих результатів, а також блок-схема та програма розрахунку ефективності повернення відходів у виробничий процес.
висновки
У дисертації запропоноване новий розв’язок актуальної науково-технічної проблеми підвищення екологічної безпеки виробництва синтетичних ниток, волокон, плівок, який ґрунтується на встановленні ієрархії компонентів, врахуванні не адитивного, як визнавалося раніше, а синергічного зв’язку між ними та забезпечується розробленими концептуально-методичними засобами щодо зменшення токсичних відходів на різних етапах виробництва. Теоретичні й експериментальні результати дисертаційної роботі дозволили розвинути і поглибити уявлення щодо екологічної безпеки виробництва синтетичних ниток, волокон, плівок.
1. Вперше розроблено ієрархію за впливом на довкілля складових виробництва (сировина, водні й інші природні ресурси, енергія, технологія, устаткування). Встановлено, що зв’язок між цими компонентами (внаслідок існування забруднюючих довкілля відходів) носить не адитивний, а синергічний характер, що формує в якості емерджентної властивості системи екологічно негативний синергічний ефект (ЕНСЕ). Визначене зростання амплітуди ЕНСЕ до Ак=А0·(1ч100) обумовлює необхідність мінімізації відходів для безпечного функціонування виробництва та пояснює посилення навіть нетоксичними відходами процесу зростання кількості токсичних відходів. Представлено авторську концепцію формування ЕНСЕ та поширення у просторі й часі, що сприяє виявленню шляхів підвищення екологічної безпеки виробництва.
2. Виявлено можливий механізм впливу відходів виробництва СНВП на біоценози через забруднене довкілля . Уперше встановлено руйнацію ґрунтових азотфіксуючих бактерій Agrobacterium radiobacter і Enterobacter aerogenes відходами виробництва поліаміду та ремонтними відходами. Додавання до поживного середовища замість чистої води водного розчину 35 г/л -капролактаму за 72 год зменшує кількість бактерій на 63—100%, водного розчину 0,03—0,3 мг/л CrO3 — на 50—80%. Руйнація ґрунтових азотфіксуючих бактерій спричиняє деградацію ґрунтів, заважає ефективному впровадженню сучасних засобів підвищення продуктивності рослин і забезпечення населення екологічною продукцією.
3. Встановлено негативний вплив відходів виробництва СНВП на довкілля на прикладі одного з найбільших регіонів України — Чернігівщини — з урахуванням захворюваності населення за 40 років, використанням статистичних даних щодо накопичення відходів і забруднення довкілля (вміст -капролактаму у ґрунтових водах перевищує ГДК до 50 разів, нафтопродуктів — до 25 разів, а вміст хрому в річках — до 40 разів), а також на основі проведених уперше експериментів з використанням в якості біоіндикаторів ґрунтових бактерій.
4. Започатковано для зменшення токсичних відходів і розвинуто науковий напрямок створення нових хромових покриттів (які на відміну від традиційних покриттів не повторюють мікрорельєф поверхні деталі). На основі теоретичних і експериментальних досліджень розкрито механізм отримання відкладень хрому у вигляді кульки і закономірності впливу технології отримання нового хромового покриття на його фізико-механічні параметри, що дозволило створити методологію спрямованого вибору ефективних технологій з метою зменшення різноманітних токсичних відходів. Зокрема, встановлено при дослідженні субмікронних (від 5 до 900 нм) елементів топографії хромованої при Ік = (0,1—9) · 104 А/м2 поверхні механізм її вигладжування шляхом зростання окремих виступів внаслідок різниці між миттєвими щільностями струму на мікровиступах і мікрозападинах. Визначено, що відкладення хрому у вигляді кульки відбуваються за умов наступного співвідношення висоти мікровиступів (Ra), діаметру основи (Д) та щільності струму (Ік): Ra/Д=1ч10 та Ік/Ra=100-1000 А/дм2·мкм (А. с. 1313013). Знайдено залежність мікрорельєфу поверхні (Ra) від розміру абразивних часток (АЧ) та їх тиску (Р) під час підготовки до хромування: Ra = (0,0094АЧ - 0,0611) · ег, де г = (0,296АЧ + 3,814) · Р. Це уможливлює технологічну підтримку виготовлення деталей із заданими властивостями щодо зменшення відходів.
5. Визначено властивості нових хромових покриттів, на основі теоретичних досліджень встановлена залежність між коефіцієнтом тепловіддачі нової (бХПКМ) і традиційної (бПЛ) хромованої поверхні та радіусом мікровиступів (R) нової поверхні: бХПКМ = 0,0068R2–2,1502R+бПЛ. Результати теоретичних і експериментальних досліджень реалізовано при створені нового нагрівача (А. с 1542974). Розроблено номограму та інженерну методику розрахунку параметрів нагрівача, що забезпечує підтримку прийняття рішення щодо конструкції і технології її виготовлення, мінімізацію відходів, дозволяє встановити зв'язок впливу режимів виготовлення з теплофізичними властивостями деталі.
6. Відповідно до авторської концепції ЕНСЕ і вимог, які пред’являються до чистоти технологічного середовища, розроблено методологія та критерій (Вдоп) вибору сталей для устаткування Вдоп= Fe · mТС із урахуванням обмежень щодо наявності заліза (гFe) у технологічному середовищі (ТС). Ця методологія полягає у порівнянні запропонованого критерію Вдоп із тією кількістю заліза (Вх), накопичення якої в технологічному середовищі може забезпечити передбачуваний матеріал із урахуванням його корозійної стійкості (Вх=кор · ф · s). За умови Вх ≤ Вдоп стає можливим використання сталі. Розроблено і впроваджено рекомендації, що сприяють на стадії проектування використанню сталей з меншою кількістю дефіцитних компонентів.
7. На основі теоретичних і експериментальних розробок запропоновано доповнити методологію екологічного моніторингу і об’єктивно оцінювати екологічність нової техніки не тільки за фактом забруднення довкілля, а ще й на стадії проектування. Запропонована методологія та критерій (К) екологічного оцінювання новацій з повернення відходів у виробничий процес: К=[1-(1-б)n · fn · kRn]/[1-(1-б) · f · kR], де К — коефіцієнт зростання кількості сировини, для отримання одиниці готової продукції, а б, f, n, kR — показники процесу і наявності відходів. Розроблено програму розрахунку цього критерію і впроваджено в Державному управлінні екології та природних ресурсів в Чернігівській області.
8. На основі дослідження кінетики розхромування без та в присутності інгібітору встановлено, що використання 1—3 г/дм3 відходу виробництва ПА забезпечує зменшення корозії (m=2,13 — 3,22, zm=53-68,9, де m — коефіцієнт гальмування корозії, zm — захисний ефект) і не уповільнює суттєво швидкість розхромування (Деклараційний патент України № 2834)
9. Встановлено шляхом дослідження адсорбції (Г) промислових замаслювачів ПА ниткою можливість зменшення токсичних відходів. Визначено, що при концентрації (С) досліджених замаслювачів С = 1·10-5 - 1·10-3 моль/дм3 залежність адсорбції від концентрації носить лінійний характер, найбільшу стійкість при Т=298-328 К виявляє НПАР марки ДС-4, що можна використовувати з метою розробки нових більш екологічних замаслювачів.
10. За результатами експериментальних досліджень встановлено властивості безнікелевих експериментальних сталей залежно від вмісту легуючих компонентів, а також вплив температури й часу відпалу, гартування та відпуску, забезпечено необхідна для виготовлення та експлуатації на різних етапах виробництва твердість деталей із сталі 70Х15М2К2: 27-29 HRC після відпалу, 55 HRC після гартування, 60 HRC після відпуску. Використання литого безнікелевого матеріалу 70Х15М2К2, розробка технології виготовлення з нього гільз екструдерів значно (у 6 разів) підвищила їх ресурс, зменшено у шість разів токсичні ремонтні відходи та відходи сировини.
11. Створені в дисертації концептуально-методичні засади підвищення екологічної безпеки виробництв СНВП впроваджено в науково-дослідних, проектних, навчальних організаціях України та Російської Федерації, на підприємствах країн СНД. Запропоновані технології отримання спеціальних хромових покриттів дозволили позбутися залежності від імпорту хромованих ниткопровідників, забезпечити відновлення робочих місць, зменшення токсичних відходів в Україні і Білорусі. Вдосконалена гільза екструдера з використанням безнікелевої сталі 70Х15М2К2 впроваджена у виробництві СНВП м. Даугавпілс, Кемерово, Київ, Руставі, Чернігів, Щокіно та інших. Реальний економічний ефект від їх впровадження становить 1,5 млн. грн., а розрахований щодо фактично зменшених токсичних відходів екологічний ефект становить 50,15 млн. грн/рік.
Список основних опублікованих праць за темою дисертації
В роботі [12] автору належить постановка завдання дослідження, участь у дослідженні впливу відходів на інтоксикацію ґрунтових бактерій Agrobacterium radiobacter і Enterobacter aerogenes, математичному моделюванні процесу виготовлення ниток:
В роботах [13—19] автору належить постановка завдання дослідження , участь у проведенні експериментів і обробці результатів:
В роботах [19, 20] автору належить вибір замаслювачів, постановка завдання дослідження та участь в обробці результатів:
В роботах [21, 22] автору належить участь у постановці завдань дослідження та обробці результатів експериментальних досліджень:
У роботах [23, 24] автору належить постановка завдання дослідження, відпрацювання технології хромування деталей, контроль за їх виготовленням на виробництві, участь у виробничих випробуваннях й обробці результатів:
У роботах [25, 26] автору належить аналіз еколого-економічних аспектів процесу видобування вуглеводневої сировини для виробництва синтетичних ниток, волокон, плівок:
В роботах [27, 28] автору належить участь у постановці завдань досліджень, проведенні експериментів, обговоренні результатів, аналізі патентної літератури та підготовці заявки на винахід:
АнотаціЯ
Іванова І.М. Концептуально-методичні засади підвищення екологічної безпеки виробництва синтетичних ниток, волокон, плівок. — Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 21.06.01 — Екологічна безпека. — Національний авіаційний університет. — Київ, 2006.
У дисертації представлено теоретичне узагальнення і нове вирішення наукової і прикладної проблеми підвищення екологічної безпеки виробництва синтетичних ниток, волокон і плівок (СНВП) на основі розробки концептуально-методичних засад. Проведено аналіз життєвого циклу СНВП, відповідності умов виробництва завданням збереження довкілля та здоров'я людини. Розвинено уявлення щодо екологічної безпеки виробництва на основі дослідження впливу відходів виробництва СНВП на довкілля на прикладі одного з найбільших регіонів України — Чернігівщини — з використанням статистичних даних щодо накопичення токсичних відходів і захворюваності населення за 40 років, а також на основі проведених експериментів з використанням в якості біоіндикаторів азотфіксуючих ґрунтових бактерій Agrobacterium radiobacter і Enterobacter aerogenes. Представлено авторську концепцію виникнення і поширення у просторі і часі екологічно негативного синергічного ефекту (ЕНСЕ). Започатковано для зменшення токсичних відходів і розвинуто науковий напрямок створення нових хромових покриттів (які на відміну від традиційних покриттів не повторюють мікрорельєф поверхні деталі). Розкрито закономірності впливу технології отримання нового хромового покриття на його фізико-механічні параметри (2 А. с. СРСР і 1 патент України), що дозволило створити методологію спрямованого вибору технологій з метою зменшення різноманітних токсичних відходів. Розроблено концептуально-методичні засади забезпечення підвищення екологічної безпеки виробництва щодо екологічного контролю за впровадженням нової техніки та забезпечення зменшення кількості забруднюючих довкілля відходів.
Ключові слова: синтетичні нитки, волокна і плівки, інтоксикація біоценозів, токсичні і мутагенні відходи, руйнація устаткування, хромовий ангідрид, екологічно негативний синергічний ефект (ЕНСЕ).
Аннотация
Иванова И.Н. Концептуально-методические основы повышения экологической безопасности производства синтетических нитей, волокон, пленок. — Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 21.06.01. — Экологическая безопасность. — Национальный авиационный университет. — Киев, 2006.
Диссертация посвящена решению актуальной научно-технической проблемы повышения экологической безопасности производства синтетических нитей, волокон, пленок (СНВП), которое непрерывно увеличивается во всем мире, но характеризуется значительным количеством токсичных отходов. Представления об экологической безопасности производства возникли в СССР в 60—70-х годах (в период серийного внедрения СНВП) и базируются на определённых в тот период ПДК отдельных компонентов. Но сегодня уже общепризнанна необходимость учитывать не только риск отдельного отхода, но и всей массы отходов, к тому же, на фоне региональной экотоксикологической ситуации. Цель диссертации — разработать концептуально-методические основы повышения экологической безопасности производства СНВП.
Проанализирован жизненный цикл СНВП на примере четверки лидеров по объему мирового выпуска и потребления (полиэфирные, полипропиленовые, полиамидные, полиакрилонитрильные). Изучена и обоснована степень соответствия существующих экологических условий в природно-техногенном комплексе углеводородное сырье — синтетические нити, волокна, пленки и отходы заданиям сохранения окружающей среды и здоровья человека, обеспечения устойчивого социально-экономического развития и потенциала отрасли. Исследована связь между развитием промышленности на протяжении 40 лет, накоплением токсичных отходов (типичных для производства полиамида) и ухудшением экологической ситуации в одной из крупнейших по территории областей Украины — на Черниговщине, где содержание нефтепродуктов в грунтовых водах превышает ПДК до 25 раз, е-капролактама — до 50 раз, содержание хрома в реках — до 40 раз. Установлен возможный механизм влияния отходов производства на биоценозы через загрязненную окружающую среду. Впервые установлено разрушение грунтовых азотфиксирующих бактерий Agrobacterium radiobacter и Enterobacter aerogenes отходами производства полиамида и ремонтными отходами (при внесении в питательную среду вместо чистой воды водного раствора 35 г/л е-капролактама за 72 часа количество бактерий уменьшается на 63—100%, при внесении 0,03—0,3 мг/л CrO3 — на 50—80%). Впервые разработана иерархия по влиянию на окружающую среду компонентов производства (сырье, водные и другие природные ресурсы, энергия, технология, оборудование). Исследованы микровзаимодействие компонентов производства (коррозионное и механическое разрушение материалов, термодеструкция полимера при загрязнении технологической среды, адсорбция нитью замасливателей), макровзаимодействие (использование природных ресурсов, энергии, возникновение технологических твердых отходов полимера, металлолома, токсичных жидких отходов, газообразных выбросов загрязняющих веществ), а также мегавзаимодействие (которое возникает вследствие рассмотренных обстоятельств и проявляется интоксикацией биоценозов, негативными изменениями окружающей среды и здоровья человека). Результаты исследований представлены в виде авторской концепции возникновения экологически негативного синергического эффекта (ЭНСЭ). Основные положения концепции следующие:
Представленная концепция ЭНСЭ способствует выявлению путей повышения экологической безопасности, устанавливает, что даже нетоксичные отходы усиливают процесс возникновения токсичных отходов. Для уменьшения токсичных отходов и вызванного ими ЭНСЭ создано и развито новое научное направление — получение новых хромовых покрытий (которые в отличие от традиционных покрытий не повторяют микрорельеф поверхности детали). Раскрыт механизм формирования шарообразных отложений хрома, установлены закономерности влияния технологии получения нового хромового покрытия на его физико-механические параметры, что позволило создать методические основы выбора эффективных технологий для уменьшения токсичных отходов. Разработаны концептуально-методические основы повышения экологической безопасности производства путем использования сталей с меньшим количеством дефицитных компонентов, совершенствования процесса реновации хромированных деталей, экологического контроля за внедрением новой техники. Диссертационные разработки относятся к стадиям полимеризации, формования, вытягивания, крутки, текстурирования, защищены 2 А. с. СССР и 1 патентом Украины. Внедрение результатов диссертации обеспечило повышение экологической безопасности производства, в том числе: защиту окружающей среды на различных этапах жизненного цикла СНВП путем уменьшения токсичных и мутагенных отходов, которые загрязняют водные ресурсы, воздух и грунт, влияют на интоксикацию биоценозов, мешают эффективному использованию современных микробных препаратов вместо небезопасных азотных удобрений и получению сельскохозяйственной продукции для сохранения здоровья человека; эколого- и социально-экономическую эффективность оборудования, в частности возобновление рабочих мест, отказ от импорта хромированных нитепроводников путем использования новой технологии, которая уменьшает токсичные и мутагенные отходы. Экономический эффект от внедрения хромированных деталей и усовершенствованных гильз экструдеров в производствах стран СНГ составляет 1,5 млн грн., а рассчитанный по фактически уменьшенным токсичным отходам экологический эффект составляет 50,15 млн грн.
Ключевые слова: синтетические нити, волокна и пленки, интоксикация биоценозов, токсичные и мутагенные отходы, разрушение оборудования, хромовый ангидрид, экологически негативный синергический эффект (ЭНСЭ).
abstract
I. M. Ivanova Conceptual and methodical framework for enhancing of ecological safety of man-made yarn, fiber and film production. — Manuscript.
Thesis for candidates of doctor degree in technical science, speciality 21.06.01. — Ecological Safety. — National Aviation University. — Kyiv, 2006.
It is presented in the dissertation a theoretical generalization and a new solving of scientific and applied problem of enhancing of environmental safety of man-made yarn, fiber and film (MYFF) production based on working out of conceptual and methodical framework. It is analysed the life cycle of MYFF, correspondence of production conditions to the objectives of environment and people’s health saving. It is developed an idea of ecological safety of production based on the studies of the influence of MYFF production waste on the environment by the example of one of the largest Ukrainian regions — Chernigiv region — using statistical information about accumulation of toxic waste and morbidity for 40 years and also based on experiments carried out using nitrogen-fixing ground bacteria Agrobacterium radiobacter and Enterobacter aerogens as bioindicators. It is represented the author’s conception of appearance and extension in space and time of ecologically negative synergistic effect (ENSE). It is founded for toxic waste reduction and developed a scientific trend of creation of new chromium coverings (that unlike traditional coverings do not repeat the microrelief of the part surface). Regularities concerning the influence of new chromium covering production technology on its physical and mechanical parameters are explained (2 AC USSR, 1 patent of Ukraine), that made possible to create a directed choice of technology in order to reduce different toxic waste. It is worked out conceptual and methodical framework of assuring of environmental safety of production concerning ecological control of new equipment introduction and assuring reduction of waste polluting environment.
Keywords: man-made yarn, fiber and film; biocenosis intoxication; toxic and mutagenic waste; damage of equipment; chromium anhydride; ecologically negative synergistic effect (ENSE).