CC BY
25
УДК547.458.82
П. Г. Черенков, М. А. Гладченко, А. Б. Лифшиц В. А. Петров, М. Р. Гибадуллин
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА АЭРОБНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ НИТРОЦЕЛЛЮЛОЗОСОДЕРЖАЩИХ ОСАДКОВ СТОЧНЫХ ВОД НА ОСНОВЕ УРАВНЕНИЙ
РЕАКЦИЙ РАСПАДА НЦ ПЕРВОГО ПОРЯДКА
Ключевые слова: аэробная переработка, нитрат целлюлозы, сточные воды.
Произведено моделирование технологического процесса аэробной переработки нитрат целлюлозосодержа-щих осадков сточных вод на основе уравнения распада первого порядка.
Keywords: aerobic processing, nitrat tsellyulozy waste water.
Produced modeling process nitrattsellyulozosoderzhaschih aerobic treatment of sewage sludge, based on first order decay equations .
Введение
Нитраты целлюлозы (НЦ) находят широкое применение в производстве порохов, фильтрующих материалов, лаков, красок, искусственных кож, целлулоида, в фармацевтике ит.п. [1-6]. Объем производства НЦ в гражданских отраслях промышленности составляет порядка 80000 тонн в год [2]. Нитраты целлюлозы получают обработкой целлюлозы серно-азотной кислотной смесью. В общем виде схему реакции можно представить следующим образом:
[С6Н7О2(ОН)з]т + т nHNOs = [C6H7O2(ONO2)n(OH)3-n]m + т n H2O.
Согласно современной теории нитрующих кислотных смесей нитрующим агентом является катион нитронияNO2+ и реакция протекает по схеме:
ROH + NO2+= RONO2 + H+. При этом образование катиона нитрония можно представить следующим уравнением:
HNO3 + 2 H2SO4 = NO2+ + 2HSO4 + H3O+.
Согласно этой теории роль серной кислоты в кислотной смеси следующая:
- ионизирует азотную кислоту с образованием катиона нитрония;
- связывает воду, выделяющуюся во время реакции;
- вызывает набухание целлюлозы, что облегчает протекание реакции.
Максимальное содержание азотаа НЦ составляет 14,1% масс. Ди- и тринитраты целлюлозы с содержанием азота свыше 10 % являются взрывоопасными. На практике применяется нитроцеллюлоза с массовым содержанием азота 13,0-13,5%. [2].
При производстве нитроцеллюлозы образуется большое количество сточных вод, содержащих НЦ, которые накапливаются в прудах-отстойниках (прудках) в виде донных отложений. Любые отходы, образованные в производстве НЦ, классифицируются как опасные, а в больших объемах приравниваются к веществам с выраженным мутагенным действием.
Для деградации НЦ разработаны различные физические, химические и биологические методы. Одним из наиболее перспективных методов утилизации отходов НЦ является аэробная деградация
нитроцеллюлозосодержащего осадка сточных вод (НЦСОСВ), в основу которой положено воздействие воздуха на ферментируемую массу.
Экспериментальная часть
В процессе обработки НЦСОСВ, в соответствии с разработанным регламентом, материал подвергается трем типам основных технологических манипуляций, включающих:
- жидкофазную ферментацию в прудке;
- начальное компостирование и обработку материала энзимным препаратом в буртах на открытом воздухе;
- финальную реакторную обработку материала в автоматизированном биомодуле.
Для определения оптимальной длительности отдельных технологических операций, а ряда других параметров, была разработана компьютерная модель технологического процесса, базирующаяся на уравнениях реакций распада НЦ первого порядка, протекающих на всех этапах обработки НЦСОСВ.
Модель включает следующие уравнения:
С1=Оо вхр (-к^),
С2=(Ооехр (-к^^вхр (-к^2),
Сз=((Оо ехр (-к^))ехр (-к^,2)) ехр (-к£э), где Со- начальная концентрация НЦ в ОСВ, установленная на основании полевых и лабораторных исследований, равная 504 г/кг; С1- остаточная концентрация НЦ, после обработки в прудке, рассчитанная с шагом 10 дней на период 40 дней, в течение которого проводится обработка материала в прудке, г/кг; к1- константа скорости распада НЦ в прудке, установлена экспериментально составляет 0,031/сутки; t1- длительность обработки НЦ в прудке; С2- текущая концентрация НЦ после обработки в буртах на открытом воздухе, г/кг; к2- константа скорости распада НЦ в буртах, установлена экспериментально , равна 0,04 1/сутки; 2 длительность обработки НЦ в бурте , определялась в процессе подбора значений переменных компьютерной модели, сутки; Сз- текущая концентрация НЦ, после финальной реакторной обработки материала,г/кг; кз-константа скорости распада НЦ в реакторе, определяется экспериментально составляет порядка 0,3,
1/сутки; 13- длительность обработки НЦ в реакторе, определяется путем подбора значений переменных компьютерной модели, сутки.
Модельные расчеты проводились при следующих ограничениях:
- Объем рабочей смеси порядка 40000 м3
- Объем загрузки 10 модулей рабочей смесью -
300 м3
- Срок обработки НЦСОСВ по графику действующего контракта - 210 дней.
Результаты компьютерного моделирования могут быть представлены серией следующих зависимостей (рис. 1-3).
400,0 -
131,0
2Я№ ¿Ч)!>
пор над 50.0 «а
I 2 -1 !г Ъ 7 В У Ю 11 12 и Г Ь 10 V и 19 20 II
Время (декады)
Рис. 1 - Динамика концентраций НЦ на различных этапах технологической обработки,г/кг
\\ =
tiii
ч
1 г 3 4 5 Б 7 8 Ч 10 11 12 13 14 15 16 17 13 19 ¡0 21
Время (декады)
Рис. 2 - Динамика длительности обработки материала в буртах и реакторах, дни
3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 О
Выводы
Анализ представленных кривых позволяет сделать следующие выводы:
1. Оптимальная длительность жидкофазной обработки НЦСОСВ в прудке составляет порядке 40 дней, за этот период достигается средняя концентрация НЦ - 151,8 мг/кг, которая в дальнейшем редуцируется в буртах и реакторах.
2. Длительность обработки материала в буртах фиксирована и составляет 10 дней. В первые 40 дней обработки концентрация НЦ варьирует от 250 до 137 г/кг, в дальнейшем она падает и остается неизменной на уровне 101 г/кг.
3. Время пребывания материала в реакторах в первые40 дней обработки меняется от 4 до 2 суток, в дальнейшем оно фиксируется на уровне 1 суток. Принятый график обработки материала позволяет провести реакторную обработку всего объема рабочей смеси в установленные сроки. Концентрация НЦ при выгрузке из реактора не превышает 80 г/кг, что обеспечивает нормативную концентрацию НЦ в конечном продукте, в результате смешения компоста с донными отложениями в соотношении 1,5:1.
4. Для полноценной загрузки реакторов предварительно подготовленным материалом, в течение первых 40 дней объем буртов меняется от 750м3 до 3000 м3 и затем не снижается до конца периода обработки НЦСОСВ.
Список литературы
1. Gold K., Brodman B.W. Pollution control, sulfhydryl compound: US Patent 4814439 // 1989.
2. Sharma A., Sundaram S.T., Zhang Y.Z., Brodman B.W. // J. Indus. Microbiol. 1995. V. 15. Р. 1.
3. Sharma A., Sundaram S.T., Zhang Y.Z., Brodman B. W. // J. Energ. Mater. 1995. V. 13. Р. 283.
4. Duran M., Kim B.J., Speece R.E. // Waste Management. 1994. V. 14. No. 6. Р. 481.
5. Souza J.V.B., Da Silva E.S., Da Silva F.T., Paiva T.C.B. // Bioresource Technology. 2005. V. 96. Р. 1936.
6. Auer N., Hedger J.N., Evans C.S. // Biodegradation. 2005. V. 16. No. 3. Р. 229.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21
Время (декады) Рис. 3 - Динамика объема буртов первичного компостирования
© П. Г. Черенков, исп. дир. ФКП «Алексинский химический комбинат», [email protected]; М. А. Гладченко, канд. хим. наук, доц. каф. химической энзимологии, химический факультетМГУ имени М. В. Ломоносова; А. Б. Лифшиц, канд. хим. наук, доц. той же кафедры; В. А. Петров, д-р техн. наук, проф. каф. химии и технологии высокомолекулярных соединений КНИТУ, [email protected]; М. Р. Гибадуллин, канд. техн. наук, доц. той же кафедры, [email protected].
© P. G. Cherenkov , executive director of «Aleksin Chemical Combine», [email protected]; M. A. Gladchenko, Ph.D., assistant professor of chemical enzymology, chemistry faculty of Moscow State University; A. B. Lifshitz, PhD, assistant professor of chemical en-zymology, chemistry faculty of Moscow State University; V. A. Petrov , PhD, professor of chemistry and technology of high-molecular compounds KNRTU, [email protected]; M. R. Gibadullin, Ph.D., assistant professor of chemistry and technology of high-molecular compounds KNRTU, [email protected].
