CC BY
15
УДК 622.867.324:658.567.1
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОТХОДОВ САМОСПАСАТЕЛЕЙ НА ХИМИЧЕСКИ СВЯЗАННОМ КИСЛОРОДЕ ДЛЯ СНИЖЕНИЯ КАРБОНАТНОЙ ЖЕСТКОСТИ ШАХТНОЙ ВОДЫ
Высоцкий Сергей Павлович1,
Плотников Денис Александрович1,
Мамаев Валерий Владимирович2,
1 Донбасская национальная академия строительства и архитектуры, Украина, 286123, г. Макеевка, ул. Державина, 2.
2 Государственный научно-исследовательский институт горноспасательного дела, пожарной безопасности и гражданской защиты «Респиратор» МЧС ДНР, Украина, 283048, г. Донецк, ул. Артема, 157.
Актуальность. В угледобывающей промышленности Донбасса существует потребность в использовании большого количества индивидуального аварийно-спасательного оборудования, содержащего регенерирующие продукты. В настоящее время необходимая процедура утилизации этих отходов в регионе не предусмотрена. Таким образом, закономерно, происходит неорганизованное скопление опасного для человека и окружающей среды продукта, содержащего надпероксид калия, к тому же являющегося ценным и дорогостоящим продуктом. Вторая острая экологическая проблема региона - образование большого количества шахтных вод на угледобывающих предприятиях и последующий их сброс в поверхностные водоемы. Одним из этапов очистки шахтной воды для последующего ее применения в хозяйственных циклах является умягчение (удаление соединений жесткости). Для этих целей обынно используются вещества, аналогичные отходам регенеративных продуктов самоспасателей, например, известь и карбонат натрия в отстойниках и осветлителях. Такая схема повторного использования будет выгодным и современным подходом к экологической безопасности региона.
Цель: исследование возможности повторного использования отходов регенеративного продукта непригодных к эксплуатации самоспасателей для дальнейшего их применения в хозяйственно-бытовых нуждах предприятий. Объект: отходы самоспасателей на кислородсодержащем продукте на основе надпероксида калия, шахтные воды Донбасского региона.
Методы: экспериментальные исследования по очистке шахтной воды отходами регенеративного продукта шахтных самоспасателей на химически связанном кислороде методом реагентного умягчения.
Результаты. Экспериментально установлено, что очистка шахтных вод отходами регенеративного продукта шахтных самоспасателей обеспечивает высокую степень умягчения шахтных вод. Шахтные воды Донбасского региона, обработанные регенерирующим средством, соответствуют требованиям к использованию в хозяйственных целях и при дозе реагента 4 мг-экв/дм3 имеют следующие показатели качества: электропроводность - 2891 мкСм/см; водородный показатель (рН)=8,66; Ж=6,3 мг-экв/дм3; СОз-2 =0; НСОз=6,5 мг-экв/дм3.
Ключевые слова:
Шахтные самоспасатели, утилизация отходов, регенеративный продукт, надпероксид калия, шахтная вода. Состояние вопроса
Метод, применяемый для оценки процессов, защищающих окружающую среду, наряду с потреблением ресурсов и энергии от наиболее благоприятных до наименее благоприятных действий, называется иерархия отходов [1]. Иерархия отражает продвижение материала или продукта через последовательные этапы управления отходами и представляет последнюю часть жизненного цикла каждого продукта.
Предотвращение образования отходов считается оптимальным вариантом использования, а утилизация (например, путем сжигания) - наихудшим вариантом (рис. 1). Иерархический порядок должен учитывать потребности региона, в котором образовались отходы, а также количественный и качественный состав отходов [1, 2].
Цель иерархии отходов - получение наибольшей практической выгоды из продуктов утилизации и наименьшего количества отходов. Правильное использование иерархии отходов способно дать ряд преимуществ. Например, возможность предупредить выбросы парниковых газов, снизить количество загрязняющих веществ, сберечь ценные ресурсы и инициировать развитие экологических технологий [1, 2].
Рис. 1. Структура иерархии отходов Fig. 1. Waste hierarchy structure
172
DOI 10.18799/24131830/2021/07/3281
Важнейшей составляющей концепции жизнеобеспечения в закрытых пространствах являются системы регенерации воздуха по двуокиси углерода и кислороду, которые можно разделить на две принципиально отличающиеся друг от друга группы: регенераци-онные системы на химически связанном кислороде и системы с применением сжатого кислорода. Супероксиды натрия или калия, сформованные в виде блоков из механических смесей порошков, таблеток или гранул, являются основными источниками химически связанного кислорода. Регенеративные продукты на основе химически связанного кислорода обширно используются как средства коллективной и индивидуальной защиты в различных сферах: подземные горные работы, горноспасательные и пожарные спасательные службы, при строительстве и обслуживании подземных коммуникаций, метро, тоннелей, военных объектов, а также в других ситуациях, где возможен риск образования несовместимой для дыхания среды [3]. Продукты химической регенерации предусмотрены для восстановления состава воздуха по диоксиду углерода и кислороду в замкнутых циклах системах жизнеобеспечения.
Самоспасатели используются для защиты органов дыхания на конкретный период времени в случае аварий, чрезвычайных ситуаций, при аварийно-спасательных работах. Система самоспасения подземного персонала в чрезвычайных ситуациях представляет собой совокупность организационных мероприятий и технических средств, предназначенных
Рис. 2. Шахтный самоспасатель ШСС-1П
Fig. 2. Mine self-extractor SSS-1P
обеспечивать безопасность пребывания персонала в несовместимой для дыхания среде до восстановления нормального режима вентиляции или эвакуации из подземных выработок [4].
Самоспасатели с кислородсодержащим продуктом (рис. 2) широко распространены в РФ, Украине, их также используют Германия, Китай, Индия, Индонезия, ЮАР и др. [5]. Изолирующие самоспасатели, работающие на сжатом воздухе, распространены по большей части в США и Австралии, а в странах Европы, Азии и Африки практически не применяются из-за своей высокой стоимости. В угольной промышленности РФ на 2019 г. задействовано 158 угледобывающих предприятий, в том числе 112 разрезов и 53 шахты с общей производительностью 419,2 млн т угля в год. Общая численность персонала всех угледобывающих предприятий за 2018 г. составила 179,1 тыс. человек. В Донбасском регионе шахтные самоспасатели (ШСС) выпускаются единственным производителем - «DEZEGA» (Донецкий завод горноспасательного оборудования) - и в качестве компонента, генерирующего кислород, применяются регенеративные продукты на основе супероксида калия (КО2), обладающего способностью поглощать из воздуха двуокись углерода и пары влаги и одновременно производить достаточное для дыхания количество кислорода [5, 6]. Состав регенеративного продукта ОКЧ-3: супероксид калия (КО2) - 85-88 %; оксид кальция (СаО) - 10-15 %; хризотиловый асбест (3^0^02-2^0) -1,5-2 % [6, 7].
Принцип работы ШСС: пусковое устройство срабатывает при вскрытии самоспасателя, в результате чего выделяется кислород и влага, в аппарате значительно повышается температура. До начала реакции в регенеративном патроне в первые секунды после включения пользователь начинает дышать кислородом, заполнившим дыхательный мешок от пускового устройства. Пары воды, тепло и воздушная смесь, выдыхаемая пользователем, реагируют в регенеративном картридже. Вдыхаемая газовая дыхательная
смесь проходит через гофрированную трубку и теп-ловлагообменник в регенеративный картридж, дыхательная смесь очищается от диоксида углерода, насыщается кислородом и поступает в дыхательный мешок (обратный процесс идет при вдохе). Избыток дыхательной смеси стравливается через предохранительный клапан.
Срок службы самоспасателя, по данным производителя, гарантированно составляет 5 лет, после его окончания аппарат подлежит утилизации или обез-
вреживанию. По данным Министерства по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий в Донецкой Народной Республике (ДНР) необходимость ежегодная утилизация составляет порядка 10 т ШСС, на территории РФ ежегодно образуется более 450 т самоспасателей, утративших потребительские свойства. Однако, несмотря на потребность в обезвреживании такого значительного объема регенеративного продукта, вопросы утилизации отходов самоспасателей с кислородсодержащим веществом остаются нерешенными. Исследования оптимального метода нейтрализации или повторного использования не проводились, более того, использованные аппараты и кислородсодержащий продукт, невзирая на долголетнюю практику их использования, внесены в Федеральный классификационный каталог отходов (ФККО) как отдельный вид отходов только в 2016 г. [1, 5].
В ФККО указано, что изолирующие самоспасатели с химически связанным кислородом относятся к III классу опасности, согласно Федеральным законам [6, 7] отходы такого класса опасности подлежат утилизации либо обезвреживанию в специализированной организации, имеющей лицензии на сбор, транспортирование, утилизацию и обезвреживание данных отходов.
При выборе способов утилизации необходимо учитывать, что любые действия с кислородсодержащим веществом представляют значительную опасность в связи с его токсичностью для человека и окружающей среды, а также высокой пожаропасно-стью и реакционной способностью. Регенеративный продукт способен самовоспламеняться, реагировать с влагой из воздуха, превращаясь в опасную концентрированную щелочь с высоким содержанием остаточного кислорода, выделяющегося при растворении или контакте с воздухом. Наиболее распространенные схемы обращения с данными отходами на сегодняшний день:
• повторное использование за счет извлечения регенеративного продукта из самоспасателя с ис-
Для осуществления деятельности по утилизации изолирующих средств индивидуальной защиты органов дыхания специализированные организации должны иметь лицензии Федеральной службой по надзору в сфере природопользования, а также разрешения и технологические регламенты утилизации самоспасателей, согласованные с заводами-изготовителями.
В инструкциях по эксплуатации ШСС производители указывают на необходимость утилизации отработанных и утративших срок годности аппаратов. Требования завода-изготовителя, как правило, ограничиваются необходимостью передачи аппаратов в специализированные организации, имеющие лицензию на их утилизацию (отметим, что в ДНР на 2020 г. такие организации не зарегистрированы). Конкретные методы утилизации или нейтрализации кислородсодержащего регенерата, являющегося токсичным и пожароопасным продуктом, не приводятся. Основной способ утилизации аппаратов на данный момент - разборка ШСС на составляющие части с последующей утилизацией (металлических, пластиковых и резиновых частей) и нейтрализацией кислородсодержащих отходов (регенеративного вещества). Проведенный литературный анализ позволил выявить основные способы обращения с отходами самоспасателей, в табл. 1 отображены их главные проблемы и недостатки.
текшим сроком эксплуатации с последующим применением в новом аппарате, если установлено, что кислородсодержащее вещество не подвергалось воздействию и находится в заводском герметично закрытом брикете [8, 9]; • нейтрализация кислородсодержащего вещества путем обезвреживания кислотным раствором его компонентов реакции. В емкость, наполненную слабым раствором соляной, уксусной, серной или азотной кислоты, после вскрытия брикета пересыпают кислородсодержащий продукт, контролируя рН. По достижении рН 6,5-8,5 раствор сливают в бетонную яму, нерастворимый осадок вывозится на полигон промышленных отходов совместно со строительным мусором.
Таблица 1. Характеристика основных способов обращения с отходами самоспасателей Table 1. Characteristics of the main methods of disposal of self-rescuers
Наименование способа утилизации самоспасателей Method of disposal of self-rescuers Сжигание Incineration Гашение водой с последующим сливом в специальную канализацию Extinguishing with water followed by draining into a special sewer Нейтрализация путем добавления слабого раствора соляной,серной или азотной кислоты Neutralization by adding a weak solution of hydrochloric, sulfuric or nitric acid Повторное использование за счет извлечения регенеративного продукта из использованного самоспасателя с последующим применением в новом аппарате Reuse by removing the regenerative product from the used self-rescuer with subsequent use in a new apparatus
Годы применения Years of application 1960-1970 с 1980-х гг. до н.в. from 1980-s till now с 1990-х гг. до н.в. from 1990-s till now
Основные недостатки способа Main disadvantages of the method значительный вред окружающей среде significant harm to the environment в результате реакции с водой образуется опасная щелочь as a result of reaction with water, dangerous alkali is formed опасность реакции кислотной утилизации, высокая стоимость Hazard of acid disposal reaction, high cost низкий процент объема продукта пригоден для повторного использования, остальной дорогостоящий продукт сливается в канализацию после нейтрализации low percentage of product volume is suitable for reuse, the rest of the expensive product is discharged into the sewer after neutralization
Опыт работы Сибирского центра утилизации по обезвреживанию самоспасателей показывает, что лишь незначительное количество аппаратов пригодного для повторного использования, около 10 % от всего объема, остальное нужно нейтрализовать. Кислородсодержащее вещество, растворяясь в воде, образует высококонцентрированную щелочь (как правило, гидроксид калия), которая требует большого количества кислоты для нейтрализации, что тре-
На ценность кислородсодержащего продукта (супероксида калия) оказывают влияние следующие факторы:
• трудозатраты при производстве;
• высокая опасность и вредность производства;
• дороговизна продукта;
• опасность для человека и окружающей среды;
• обязательная и дорогостоящая утилизация. Одним из перспективных направлений использования кислородсодержащего продукта отходов самоспасателей в условиях Донбасского региона является применение регенеративного продукта в качестве реагента для очистки и умягчения шахтной воды. Ежедневно шахты откачивают и сбрасывают (после отстаивания) большое количество сточной шахтной воды в водоемы Донбасского региона, данные приведены в табл. 3. Помимо экономических затрат для предприятий (шахт), сточные шахтные воды вносят основной вклад в загрязнение дефицитной воды в поверхностных водоемах региона. Состав шахтных вод
бует дополнительных затрат. Кроме того, уничтожаются тонны ценного продукта с высоким содержанием калия.
Супероксид калия - дорогостоящий продукт, который широко используется в таких сферах, как промышленность, городское и сельское хозяйство, охрана окружающей среды и др. Перспективные направления и сферы использования продуктов, содержащих супероксид калия, представлены в табл. 2.
в различных регионах может существенно различаться [10-12].
Очищенная шахтная вода, принимая во внимание дефицит ресурсов пресной воды в Донецкой области, в перспективе может быть применена для восполнения потерь воды в системах коммунального водоснабжения, например, для хозяйственно-бытовых нужд предприятий (шахт). Таким образом, основной целью исследования возможности повторного использования отходов регенеративного продукта самоспасателей является дальнейшее их применение в хозяйственно-бытовых нуждах предприятий.
Методика
Проведены исследования условий удаления из шахтной воды соединений жесткости реагентным методом, а также условия снижения водородного показателя (рН) и показателей электропроводности (к) воды до нормируемых значений. Обработка шахтной воды проводилась раствором, приготовленным из отходов самоспасателей ШСС-1, содержащих в каче-
Таблица 2. Перспективные направления использования продуктов, содержащих супероксид калия Table 2. Promising areas of application ofproducts based on potassium superoxide
Вещество Substance Область применения/Application area Направления применения/Directions of application
Надпероксид калия KO2 Potassium superoxide KO2 Промышленность/Industry 1. Композиции герметических составов. Compositions of hermetic compositions. 2. Отбелка целлюлозосодержащих материалов. Bleaching of cellulose-containing materials. 3. Источник кислорода в металлургии. Oxygen source in metallurgy.
Сельское хозяйство/Agriculture 1. Ускорение процесса перегнивания. Acceleration of the decay process. 2. Аэрация (оксидация) почвы и воды. Soil and water aeration (oxidation). 3. Ускорение адаптации пересаженных растений. Accelerating the adaptation of transplanted plants.
Решение военно-прикладных задач Solution of military applications 1. Детоксикация и утилизация токсичных химикатов. Detoxification and disposal of toxic chemicals. 2. Ремедиация загрязнений территорий. Remediation of contaminated areas.
Охрана окружающей среды Environmental protection 1. Фунгицид для почв (токсинов). Fungicide for soils (toxins). 2. Регулятор pH почвы. Soil pH regulator. 3. Очистка водоемов от ионов металлов. Purification of reservoirs from metal ions. 4. Дезодорирующий агент. Deodorant agent.
Бытовые нужды Household needs 1. Фармацевтические и косметические препараты. Pharmaceutical and cosmetic preparations. 2. Реагент для очистки воды. Reagent for water purification. 3. Устранение запахов фекальных отходов. Elimination of odors of fecal waste. 4. Препараты для дезинфекции и фунгицидной обработки. Preparations for disinfection and fungicidal treatment.
стве кислородсодержащего компонента ОКЧ-3 (супероксид калия - 85-88 %), растворенный в дистиллированной воде реагента концентрацией 10 г/дм3. Подготовленный реагент в разных количествах - от 1 до 7 мг-экв/дм3 - постепенно дозировался в пробы шахтной воды, объем шахтной воды с раствором доводил-
ся до 50 мл. Перед исследованием образцы обработанной воды отфильтровывались обеззоленными фильтрами ФМ - 125 мм «синяя лента». Показатели электропроводности измерялись при помощи кондуктометра «ОЬаш» ST10C-B, водородный показатель (рН) - с использованием прибора DLS-986.
Таблица 3. Сброс сточных шахтных вод и их компонентный состав Table 3. Mine waste water discharge and their component composition
Наименование предприятия (шахты) Name of the enterprise (mine) Количество сбрасываемой воды, м3/сутки Discharged water amount, m3/day Содержание в сточных водах, мг/дм3 Content in wastewater, mg/dm3
Cl- SO42- Ca2+ Сухой остаток Dry residue Окисляемость Oxidizability
Лидиевка/Lidievka 1050 370 1488 205 2979 6,4
Заперевальная/Zaprevalnaya 1200 420 2028 - 4428 7,2
Красногвардейская Krasnogvardeyskaya 10000 790 2540 - 6970 142,0
Калининская/Kalininskaya 2750 2750 2200 446 9212 2,1
Бутовка Донецкая Butovka Donetsk 3050 5057 2452 390 13127 22,9
Кировская/Kirovskaya 6850 3062 7206 666 18474 37,7
Центр. Заводская Tsentralno Zavodskaya 10450 2926 8464 1057 22154 -
Засядько/Zasyadko 7400 7770 6216 1184 24938 65,9
Челюскинцев/ Chelyuskintsev 11250 9675 24986 8161 45641 79,9
Октябрьская/Oktyabrskaya 17550 8038 17900 2950 53900 230,0
Трудовская/Trudovskaya 11540 9500 20344 3226 62885 72,3
Обсуждение экспериментальных данных
Результаты экспериментальных исследований показателей уровня рН и электропроводности после обработки шахтной воды раствором на основе регенеративного продукта ОКЧ-3 приведены на рис. 3. Снижение электропроводности происходит вследствие осаждения карбоната кальция и гидроксида
магния при добавлении раствора реагента, а последующее ее повышение обусловлено избытком карбонат-ионов после достижения эквивалентности. Исследования поведения карбоната кальция в щелочных и кислых средах, а также при различных механических и физических воздействиях встречаются в работах [13-19].
S.4
.'"■X J
1 *
1 /
\ / ft
\ i 2
У J /
/
/
3300
3250
3200
3150
3100
- 3000
2950
- 2900
- 2S50
2S00
11 Уровень pH. у — 0.3б1п(х)—8.23 R; = 0.9579
а 2) Удельная электропроводность, к. мкСМ/см;
у = -13,02х3-179,1х; - 688,4х-3 727.7 R! = 0.SS71
01234567S Доза реагента, мг-экв/дм3
Рис. 3. Показатели электропроводности и pH обработанной шахтной воды раствором из отхода регенеративного продукта
Fig. 3. Indicators of electrical conductivity and pH of the treated mine water with a solution from the waste of the regenerative product
Показатели общей жесткости и щелочности шахтной воды, обработанной раствором на основе отхода кислородсодержащего продукта, приведенные на рис. 4, 5, показывают, что скорость осаждения ионов при обработке шахтной воды раствором реагента достаточно
медленная, на полный цикл осаждения уходит примерно 24 ч. Пропорционально количеству раствора реагента снижается содержание гидрокарбонат-ионов и ионов жесткости, при этом концентрация карбонат-ионов в обработанной шахтной воде увеличивается.
11
о
^3
r----- > • •— - 4 ^___ j —з —^ ■----
У
1 ,/ у/ ■
L — ^ / 2
■ j __. j
0 i У
11
-
& 1) Содержание гидрокарбонат-ионов(НС03), мг-экв/дм3; у = -0.47Х + 5.74 R:=0.918
■ 2) Содержание карбонат-ионов (С03) мг-экв/дм3; у = 3,27441п(х) - 0.1529 R:=0r9653
X 3} Содержание ионов жесткости. мг-экв/дм3; у = -О.Зх + 10.95 R:=0.8199
Доза реагента, мг-экв/дм3
Рис. 4. Показатели общей жесткости и щелочности обработанной шахтной воды раствором из отхода регенеративного продукта (t=2 ч)
Fig. 4. Indicators of the total hardness and alkalinity of the treated mine water with a solution from the waste of the regenerative product (t=2 h)
x
ъ 5
4
О
a
J Jl i
J Г
3 \ 1 1
0 ( r i:
ii
1) Содержание карбонат-ионов (СОз) мг-экв/дм3:
у = 0,069х3-0,43х+0,51 R'=0,S9S1
2) Содержание гидрокарбонат-ионов (НСОз). мг-экв/дм3; у=-2,11п(х) + 10,41 R'=0,8817
3) Содержание ионовжесткости. мг-экв/дм3:
у = 7.74еЛ(-0,031х) R'=0,7233
Доза реагента, мг-экв/дм3
Рис. 5. Показатели общей жесткости и щелочности обработанной шахтной воды раствором из отхода регенеративного продукта (t=24 ч)
Fig. 5. Indicators of the total hardness and alkalinity of the treated mine water with a solution from the waste of the regenerative product (t=24 h)
Представленные на рис. 5 данные отображают уменьшение степени образования карбонат-ионов в шахтной воде, обработанной регенеративным раствором, которая выдерживалась более 24 ч. Вероятно, это связанно с наличием в шахтной воде значительного количества двуокиси углерода, который со временем удаляется из воды в результате естественной дегазации. Особенности поведения диоксида углерода, а также полного и частичного их удаления из подземных вод рассмотрено в литературных источниках [20, 21].
Высокие показатели снижения карбонатной жесткости шахтной воды при обработке регенеративным раствором объясняются тем, что на первом этапе очистки гидроксид калия (КОН), образующийся в результате растворения ОКЧ-3 в дистиллированной воде (раздел Методика), вступая в реакцию с гидрокарбонатом кальция Са(НС03)2, формирует новые соединения, такие как карбонат калия (К2С03):
Са(НТО3)2+КОН^К2С03+СаС03+Н20.
Образовавшийся в результате реакции карбонат калия дополнительно осаждает соли хлорида калия (СаС12), таким образом увеличивая показатели умягчения шахтной воды:
К2С0з+СаС12^СаС0з+2КС1.
Аналогично должно происходить снижение магниевой жесткости за счет реакции гидроксида калия с ионами магния.
Проведенные исследования показали, что шахтная вода Донбасского региона, типичными представителями которой являются шахты им. М.И. Калинина, им. А.Ф. Засядько, Челюскинцев и т.д., умягченная отходами регенеративных продуктов самоспасателей пригодна для использования в хозяйственно-бытовых целях, после ее подготовки. Обычно для очистки воду обрабатывают аналогичным по действующим свойствам гидроксиду калия более доступным раствором едкого натра (гидроксид натрия). Процессы и результаты исследования по осаждению солей жесткости (карбоната кальция) подробно описаны литературных источниках [22-26]. Оценивая экономический эффект от результата умягчения воды с применением отхода ОКЧ-3, необходимо учитывать следующие факторы. По известным причинам реагенты для очистки воды ввозятся из РФ, стоимость едкого натра в Донецке составляет примерно 32000 р. за тонну. Показатель
жесткости исследуемой воды для коммунальных нужд после осветления и обеззараживания составляет примерно 13 г-экв/т. Обрабатывая воду аналогичным по своИствам и применяющимся повсеместно едким натром, при удельном расходе 1,0 г-экв/г-экв затраты на него составят 37 г-экв/т, или 2,04 кг/т умягченноИ воды. Следовательно, на реагенты для умягчения воды при ее потреблении 2,59 тыс. м3 в год потребуется затратить 2,59х105х3,2х10-3:2,04=406 тыс. р. в год для предприятия. Итоговая экономия для предприятия с учетом стоимости потребляемой воды, а также платы за стоки может составить порядка 815 тыс. р. в год. Очистка шахтной воды отходом ШСС по полученным данным позволяет снизить жесткость воды до нормативного значения - не более 7 г-экв/т, соответственно, сэкономить на стоимости реагентов и утилизировать отход III класса опасности. Также необходимо учитывать последующее сокращение потребления дефицитной для региона воды из канала Север-ский Донец-Донбасс, в перспективе получится сэкономить 2,59х105х12,72=3,29 млн р. в год.
Выводы
1. В угледобывающей промышленности Донбасса (ДНР) ежегодно накапливается большое количество отходов индивидуального аварийно-спасательного оборудования (самоспасателей), представляющих как высокую опасность (III класс опасности), так и материальную ценность как реагент, который может быть использован для умягчения воды.
2. Установлено, что очистка шахтных вод отходами регенеративного продукта шахтных самоспасателей обеспечивает высокую степень умягчения шахтных вод.
3. Экспериментально установлено, что шахтные воды Донбасского региона, обработанные регенерирующим средством, соответствуют требованиям к использованию в хозяйственных целях и при дозе реагента 4 мг-экв/дм3 имеют следующие показатели качества: электропроводность - 2891 мкСм/см; водородный показатель (рН)=8,66; Ж=6,3 мг-экв/дм ; CO3- =0; HCO3=6,5 мг-экв/дм .
4. Повторное использование кислородсодержащего продукта отходов самоспасателей для предприятия в качестве реагента для очистки шахтной воды может приносить экономическую выгоду около 815 тыс. р. в год.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Guidelines for National Waste Management Strategies: moving from challenges to opportunities // Docslide. 2014. URL: https ://cwm.unitar.org/national-
profiles/publications/cw/wm/UNEP_UNITAR_NWMS_English.p df. (дата обращения 30.11.2020).
2. Hoornweg D., Bhada-Tata P., Kennedy C. Environment: waste production must peak this century // Nature. - 2013. - V. 502. -7473. DOI: 10.1038/502615a
3. Плотников Д.А. Анализ проблемы образования отходов шахтных самоспасателей на химически связанном кислороде в условиях ДНР // Вестник Донбасской национальной академии строительства и архитектуры. Инженерные системы и техногенная безопасность. - 2019. - Вып. 139. - № 5. - С. 26-31.
4. Nemtsev A.V., Westmoreland E.M. Actual issues on using of insulating industrial self-rescuers. Self-rescuers on chemically bound oxygen // Labor Safety in Industry. - 2013. -V. 2. - P. 62-66.
5. Гудков С.В., Милосердов А.В. Средства защиты органов дыхания подземного персонала угольных шахт - современное состояние и перспективы развития с учетом мирового опыта // Системы и технологии жизнеобеспечения, индикации, химической разведки и защиты человека от негативного воздействия факторов химической природы: Материалы Международной научно-практической конференции. - Тамбов, 2013. -С. 118-119.
6. Федеральный закон Российской Федерации от 24 июня 1998 г. № 89-ФЗ (с изменениями на 26 июля 2019 года) «Об отходах производства и потребления». - М.: Кремль, 1998. - 11 с.
7. Федеральный закон Российской Федерации от 4 мая 2011 г. № 99-ФЗ (с изменениями на 31 июля 2020 года) «О лицензи-
ровании отдельных видов деятельности» - М.: Кремль, 2011. -62 с.
8. Зеленцова В.В., Неверова О.А. Утилизация регенеративного калийсодержащего продукта шахтных самоспасателей // Сборник статей по материалам VIII международной научно-практической конференции. - Томск, 2017. - С. 13-18.
9. Improving self-rescue equipment // Docslide. 2015. URL: https ://www.diva-portal.org/smash/get/diva2:850140/ FULLTEXT01.pdf. (дата обращения 02.12.2020).
10. Jarosite versus soluble iron-sulfate formation and their role in acid mine drainage formation at the Pan de Azúcar Mine tailings (Zn-Pb-Ag), NW Argentina / J. Murray, A. Kirschbaum, B. Dold, E.M. Guimaraes, E.P. Miner // Minerals. - 2014. - V. 4 (2). - P. 477-502.
11. Environmental geochemistry and quality assessment of mine water of Jharia coalfield, India / A.K. Singh, M.K. Mahato, B. Neogi, B.K. Tewary, A. Sinha // Environmental Earth Sciences. - 2012. -V. 65 (1). - P. 49-65.
12. Multivariate statistical analysis of water chemistry in evaluating groundwater geochemical evolution and aquifer connectivity near a large coal mine, Anhui, China / J. Qian, L. Wang, L. Ma, Y.H. Lu, W. Zhao, Y. Zhang // Environmental Earth Sciences. -2016. - V. 75 (9). - № 747.
13. Mitigation of CaCO3 scale formation in pipes under influence of vibration and additives / W. Mangestiyono, S. Muryanto, J. Jamari, A.P. Bayuseno // Rasayan J. Chem. - 2019. - V. 12 (1). - P. 192-204. URL: http://dx.doi.org/10.31788/RJC.2019.1215055 (дата обращения 03.12.2020).
14. Mechanistic study of the synergetic inhibiting effects of Zn2+, Cu2+ and Mg2+ ions on calcium carbonate precipitation / S. Benslimane, K.-E. Bouhidel, A. Ferfache, S. Farhi // Water Research. - 2020. -V. 186. - № 116323.
15. Effect of silica nanoparticles to prevent calcium carbonate scaling using an in situ turbidimetre / W.N. Al Nasser, U.V. Shah, K. Nikiforou, P. Petrou, J.Y.Y. Heng // Chemical Engineering Research and Design. - 2016. - V. 110. - P. 98-107.
16. Influence of alternating electromagnetic field and ultrasonic on calcium carbonate crystallization in the presence of magnesium ions / Y. Han, C. Zhang, L. Wu, Q. Zhang, L. Zhu, R. Zhao // Journal of Crystal Growth. - 2018. - V. 499. - P. 67-76.
17. Scale inhibition properties of metallic cations on CaCO3 formation using fast controlled precipitation and a scaling quartz microbalance / M. Gritli, H. Cheap-Charpentier, O. Horner, H. Perrot, Y.B. Amor // Desalination and Water Treatment. -2019. - V. 167. - P. 113-121.
18. The use of the cavitation effect in the mitigation of CaCO3 Deposits / D. Heath, B. Sirok, M. Hocevar, B. Pecnik // Strojniski Vestnik/Journal of Mechanical Engineering. - 2013. - V. 59 (4). -P. 203-215.
19. Kiaei Z., Haghtalab A. Experimental study of using Ca-DTPMP nanoparticles in inhibition of CaCO3 scaling in a bulk water process // Desalination. - 2014. - V. 338. - P. 84-92. DOI: 10.1016/j.desal.2014.01.027
20. Calcium carbonate precipitation for CO2 storage and utilization: a review of the carbonate crystallization and polymorphism / R. Chang, S. Kim, S. Lee, S. Choi, M. Kim, Y. Park // Frontiers in Energy Research. - 2017. - V. 5. - № 17.
21. Solving the carbon-dioxide buoyancy challenge: the design and field testing of a dissolved CO2 injection system / B. Sigfusson, S.R. Gislason, J.M. Matter, et al. // International Journal of Greenhouse Gas Control. - 2015. - V. 37. - P. 213-219.
22. Calcium carbonate scale formation in pipes: effect of flow rates, temperature, and malic acid as additives on the mass and morphology of the scale / S. Muryanto, A. Bayuseno, H. Ma'mun, M. Usamah, Jotho // Procedia Chemistry. - 2014. - V. 9. - P. 69-76. URL: https://doi.org/10.1016/j.proche.2014.05.009 (дата обращения 04.12.2020).
23. Formation and inhibition of calcium carbonate crystals under cathodic polarization conditions / K. Sheng, H. Ge, X. Huang, Y. Zhang, Y. Song, F. Ge, Y. Zhao, X. Meng // Crystals. - 2020. -V. 10 (4). - № 275.
24. Calcium carbonate scale formation in copper pipes on laminar flow / S. Raharjo, A. Bayuseno, J. Jamari, S. Muryanto // Chemical Engineering & Food Technology. - 2016. - V. 58. -№ 01029. URL: https://doi.org/10.1051/matecconf/20165801029 (дата обращения 02.12.2020).
25. State of art of natural inhibitors of calcium carbonate scaling / M. Chaussemier, E. Pourmohtasham, D. Gelus, N. Pecoul, H. Perrot, J. Ledion, H. Cheap-Charpentier, O. Horner // Desalination. - 2015. - V. 58. - P. 47-55.
26. Calcium carbonate fouling on double-pipe heat exchanger with different heat exchanging surfaces / K.H. Teng, S.N. Kazi, A. Amiri, A.F. Habali, M.A. Bakar, B.T. Chew, A. Al-Shamma'a, A. Shaw, K.H. Solangi, G. Khan // Powder Technology. - 2017. -V. 315. - P. 216-226.
Поступила 16.06.2021 г.
Информация об авторах
Высоцкий С.П., доктор технических наук, профессор кафедры техносферной безопасности Донбасской национальной академии строительства и архитектуры.
Плотников Д.А., ассистент кафедры техносферной безопасности Донбасской национальной академии строительства и архитектуры.
Мамаев В.В., доктор технических наук, профессор Государственного научно-исследовательского института горноспасательного дела, пожарной безопасности и гражданской защиты «Респиратор» МЧС ДНР.
UDC 622.867.324:658.567.1
USE OF SELF-RESCUE WASTE ON CHEMICALLY BOND OXYGEN TO REDUCE THE CARBONATE HARDNESS OF MINING WATER
Sergey P. Vysotskii1,
Denis A. Plotnikov1,
Valery V. Mamaev2,
1 Donbas National Academy of Civil Engineering and Architecture, 2, Derzhavin street, Makiivka, 286123, Ukraine.
2 «Respirator» State Scientific Research Institute of Mine-rescue Work, Fire Safety and Civil Protection of the MChS DPR, 157, Artema stereet, Donetsk, 283048, Ukraine.
The relevance of the research. In the coal mining industry of the Donbass region, there is a need to use large quantities of personal rescue equipment, which contain regenerative products. At present time, the necessary procedure for this waste disposal is not provided in this region. Thus, naturally, there is an unorganized accumulation of a product containing potassium superoxide that is dangerous for humans and the environment. The above mentioned product is also valuable and expensive. The second acute environmental problem of the region is the formation of a large amount of mine water at coal mining enterprises and their subsequent discharge into surface water bodies. One of the stages of mine water purification for its subsequent use in economic cycles is softening (reduction of total hardness). For these purposes, substances similar to the waste of regenerative products of self-rescuers, for example, lime and sodium carbonate in settlers and clarifiers, are commonly used. Such a reuse scheme would be a profitable and modern approach to the environmental safety of the region.
The main aim of the research is to study the possibility of re-using the waste of a regenerative product of unsuitable self-rescuers for their further use in the household needs of enterprises.
Object: waste from chemically bound oxygen self-rescuers based on potassium superoxide, mine waters of the Donbass region. Methods: experimental research on the softening of mine water by waste of mine self-rescuers regenerative product on chemically bound oxygen by the reagent method.
Results. It has been experimentally determined that the treatment of mine water with waste of the regenerative product of mine self-rescuers provides a high degree of mine water softening. Mine waters of Donbass region treated with a regenerative product meet the requirements for use in household purposes and have the following quality indicators: specific conductivity - 2891 yS/cm; pH=8,66; hard-ness=6,3 mg-eq/dm3; CO3~2=0; HCO3=6,5 mEq/dm3, with a reagent dose of 4 mg-eq/dm3.
Key words:
Mine self-rescuers, waste disposal, regenerative product, potassium superoxide, mine water.
REFERENCES
1. Guidelines for National Waste Management Strategies: Moving from Challenges to Opportunities. Docslide. 2014. Available at: https://cwm.unitar.org/national-profiles/publications/cw/wm/ UNEP_UNITAR_NWMS_English.pdf. (accessed 30 November 2020).
2. Hoornweg D., Bhada-Tata P., Kennedy C. Environment: waste production must peak this century. Nature, 2013, vol. 502, 7473. DOI: 10.1038/502615a
3. Plotnikov D.A. Analysis of the problem of waste formation of mine self-rescuers on chemically bound oxygen in the conditions of DPR. Bulletin of the Donbass National Academy of Civil Engineering and Architecture, 2019. vol. 5 (139), pp. 26-31. In Rus.
4. Nemtsev A.V., Westmoreland E.M. Actual issues on using of insulating industrial self-rescuers. Self-rescuers on chemically bound oxygen. Labor Safety in Industry, 2013, vol. 2, pp. 62-66.
5. Gudkov S.V., Miloserdov A.V. Sredstva zashchity organov dykhaniya podzemnogo personala ugolnykh shakht - sovremennoe sostoyanie i perspektivy razvitiya s uchetom mirovogo opyta [Respiratory protection equipment for underground personnel of coal mines - current state and development prospects taking into account world experience]. Materialy Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii. Sistemy i tekhnologii zhizneobespeche-niya, indikatsii, khimicheskoy razvedki i zashchity cheloveka ot negativnogo vozdeystviya faktorov khimicheskoy prirody [Materials of the International Scientific and Practical Conference. Sys-
tems and Technologies of Life Support, Indication, Chemical Intelligence and Human Protection from the Negative Impact of Chemical Factors]. Tambov, Tambov State Technical University, 2013. pp. 118-119.
6. Federalny zakon Rossiyskoy Federatsii ot 24 iyunya 1998 g. № 89-FZ (s izmeneniyami na 26 iyulya 2019 goda) «Ob ot-khodakh proizvodstva i potrebleniya» [Federal Law of the Russian Federation of June 24, 1998 No. 89-FZ (as amended on July 26, 2019) «On production and consumption waste»]. (1998, June 24). Moscow, Kremlin Publ., 1998. 11 p.
7. Federalny zakon Rossiyskoy Federatsii ot 4 maya 2011 g. № 99-FZ (s izmeneniyami na 31 iyulya 2020 goda) «0 litsenzirovanii otdelnykh vidov deyatelnosti» [Federal Law of the Russian Federation of May 4, 2011 No. 99-FZ (as amended on July 31, 2020) «On licensing certain types of activities»]. Moscow, Kremlin Publ., 2011. 62 p.
8. Zelentsova V.V., Neverova O.A. Utilizatsiya regenerativnogo ka-liysoderzhashchego produkta shakhtnykh samospasateley [Utilization of the regenerative potassium-containing product of mine self-rescuers]. Sbornik statey po materialam VIII mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii [Collection of articles based on the materials of the VIII international scientific and practical conference]. Tomsk, 2017. P. 1. pp. 13-18.
9. Improving self-rescue equipment. Docslide. 2015. Available at: https://www.diva-portal.org/smash/get/diva2:850140/FULLTEXT01.pdf (accessed 2 December 2020).
10. Murray J., Kirschbaum A., Dold B., Guimaraes E.M., Miner E.P. Jarosite versus soluble iron-sulfate formation and their role in acid
mine drainage formation at the Pan de Azúcar Mine tailings (Zn-Pb-Ag), NW Argentina. Minerals, 2014, vol. 4 (2), pp. 477-502.
11. Singh A.K., Mahato M.K., Neogi B., Tewary B.K., Sinha A. Environmental geochemistry and quality assessment of mine water of Jharia coalfield, India. Environmental Earth Sciences, 2012, vol. 65 (1), pp. 49-65.
12. Qian J., Wang L., Ma L., Lu Y.H., Zhao W., Zhang Y. Multivariate statistical analysis of water chemistry in evaluating groundwa-ter geochemical evolution and aquifer connectivity near a large coal mine, Anhui, China. Environmental Earth Sciences, 2016, vol. 75 (9), no. 747.
13. Mangestiyono W., Muryanto S., Jamari J., Bayuseno A.P. Mitigation of CaCO3 scale formation in pipes under influence of vibration and additives. Rasayan J. Chem, 2019, vol. 12, vol. 1, pp. 192-204. Available at: http://dx.doi.org/10.31788/RJC. 2019.1215055 (accessed 3 December 2020).
14. Benslimane S., Bouhidel K.-E., Ferfache A., Farhi S. Mechanistic study of the synergetic inhibiting effects of Zn2+, Cu2+ and Mg2+ ions on calcium carbonate precipitation. Water Research, 2020, vol. 186, no. 116323.
15. Al Nasser W.N., Shah U.V., Nikiforou K., Petrou P., Heng J.Y.Y. Effect of silica nanoparticles to prevent calcium carbonate scaling using an in situ turbidimetre. Chemical Engineering Research and Design, 2016, vol. 110, pp. 98-107.
16. Han Y., Zhang C., Wu L., Zhang Q., Zhu L., Zhao R. Influence of alternating electromagnetic field and ultrasonic on calcium carbonate crystallization in the presence of magnesium ions. Journal of Crystal Growth, 2018, vol. 499, pp. 67-76.
17. Gritli M., Cheap-Charpentier H., Horner O., Perrot H., Amor Y.B. Scale inhibition properties of metallic cations on CaCO3 formation using fast controlled precipitation and a scaling quartz microbalance. Desalination and Water Treatment, 2019, vol. 167, pp. 113-121.
18. Heath D., Sirok B., Hocevar M., Pecnik B. The use of the cavitation effect in the mitigation of CaCO3 Deposits. Strojniski Vest-nik/Journal of Mechanical Engineering, 2013, vol. 59 (4), pp. 203-215.
19. Kiae, Z., Haghtalab A. Experimental study of using Ca-DTPMP nanoparticles in inhibition of CaCO3 scaling in a bulk water pro-
cess. Desalination, 2014, vol. 338, pp. 84-92. DOI: 10.1016/j.desal.2014.01.027
20. Chang R., Kim S., Lee S., Choi S., Kim M., Park Y. Calcium carbonate precipitation for CO2 storage and utilization: A review of the carbonate crystallization and polymorphism. Frontiers in Energy Research, 2017, vol. 5, no. 17.
21. Sigfusson B., Gislason S.R., Matter J.M. Solving the carbondioxide buoyancy challenge: the design and field testing of a dissolved CO2 injection system. International Journal of Greenhouse Gas Control, 2015, vol. 37, pp. 213-219.
22. Muryanto S., Bayuseno A., Ma'mun H., Usamah M., Jotho. Calcium carbonate scale formation in pipes: effect of flow rates, temperature, and malic acid as additives on the mass and morphology of the scale. Procedia Chemistry, 2014, vol. 9, pp. 69-76. Available at: https://doi.org/10.1016/j.proche.2014.05.009 (accessed 4 December 2020).
23. Sheng K., Ge H., Huang X., Zhang Y., Song Y., Ge F., Zhao Y., Meng X. Formation and Inhibition of Calcium Carbonate Crystals under Cathodic Polarization Conditions. Crystals, 2020, vol. 10 (4), no. 275.
24. Raharjo S., Bayuseno A., J. Jamari, Muryanto S. Calcium carbonate scale formation in copper pipes on laminar flow. Chemical Engineering & Food Technology, 2016, vol. 58, no. 01029. Available at: https://doi.org/10.1051/matecconf/20165801029 (accessed 2 December 2020).
25. Chaussemier M., Pourmohtasham E., Gelus D., Pecoul N., Perrot H., Ledion J., Cheap-Charpentier H., Horner O. State of art of natural inhibitors of calcium carbonate scaling. Desalination, 2015, vol. 58, pp. 47-55.
26. Teng K.H., Kazi S.N., Amiri A., Habali A.F., Bakar M.A., Chew B.T., Al-Shamma'a A., Shaw A., Solangi K.H., Khan G. Calcium carbonate fouling on double-pipe heat exchanger with different heat exchanging surfaces. Powder Technology, 2017, vol. 315, pp. 216-226.
Received: 16 June 2021.
Information about the authors
Sergey P. Vysotskii, Dr. Sc., professor, Donbas National Academy of Civil Engineering and Architecture.
Denis A. Plotnikov, assistant, Donbas National Academy of Civil Engineering and Architecture.
Valery V. Mamayev, Dr. Sc., professor, «Respirator» State Scientific Research Institute of Mine-rescue Work, Fire
Safety and Civil Protection of the MChS DPR.
