Исследование возможности переработки отходов производств тротила и нитробензола в силикатное стекло

Пыжов Александр Михайлович; Пыжова Татьяна Ивановна; Попов Ярослав Сергеевич; Абрамов Артем Александрович; Уткин Сергей Анатольевич

УДК 662.2.03: 666.1

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПЕРЕРАБОТКИ ОТХОДОВ ПРОИЗВОДСТВ ТРОТИЛА И НИТРОБЕНЗОЛА В СИЛИКАТНОЕ СТЕКЛО

1 Самарский государственный технический университет 2 ОАО «Промсинтез», г. Чапаевск

Поступила в редакцию 03.10.2012

В статье представлены результаты лабораторных исследований, посвященных оценке возможности переработки отходов производств энергоёмких материалов - тротила и нитробензола в силикатное стекло.

Ключевые слова: тротил, нитробензол, отходы производства, способ переработки, силикатное стекло

Современные производственные процессы, как правило, сопровождаются образованием отходов, количество которых иногда достигает значительных объемов. При ненадлежащем хранении отходов, в случае отсутствия способов их утилизации и дальнейшей переработки они поступают в биосферу, нанося непоправимый урон природе. Так, например, по-прежнему остро стоит проблема утилизации и переработки отходов производства некоторых энергоёмких соединений, таких как тротил и нитробензол. Тротил до недавнего времени являлся одним из основных боевых индивидуальных бризантных взрывчатых веществ средней мощности, а в настоящее время по-прежнему широко используется как компонент промышленных взрывчатых композиций [1]. Нитробензол по своим химическим свойствам является типичным нитросоединением, но в жидком состоянии не обладает взрывчатыми свойствами. В настоящее время нитробензол широко используется в анило-красочной промышленности как полупродукт для производства анилина [1]. В данной статье изложены результаты лабораторных исследований по оценке возможности утилизации и переработки отходов производства тротила и нитробензола в силикатный материал - натрий-кальций-силикатное стекло.

Производство тротила и нитробензола сопровождается образованием значительного количества отходов. Так, например, при очистке тротила-сырца [1] образуются десятки тысяч тонн сульфитного щелока - маточника производства тротила, содержащего натриевые соли сульфокислот

Пыжов Александр Михайлович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Химия и технология органических соединений азота». E-mail: argel33@mail.ru Пыжова Татьяна Ивановна, ведущий инженер кафедры «Химия и технология органических соединений азота». E-mail: var_xtoca@mail.ru

Попов Ярослав Сергеевич, аспирант. E-mail: aeqvitas@rambler. ru

Абрамов Артем Александрович, студент Уткин Сергей Анатольевич, главный инженер

несимметричных изомеров тротила, нитрофенолов, нитрокислот, нитрит и нитрат натрия, соду, сульфат и сульфит натрия, сульфид и хлорид натрия. После получения нитробензола производят его отделение от нитрующей смеси кислот (азотной и серной), а затем промывку аммиачной водой. Маточник производства нитробензола содержит около 8-10% растворенных в воде органических (нит-ропроизводных бензола) и неорганических соединений, основным из которых является сульфат аммония.

В Самарской области производства тротила и нитробензола размещены на территории ОАО «Промсинтез» (г. Чапаевск). Применяют совместное обезвреживание токсичных маточников производств нитробензола и тротила. Для этого маточник нитробензола сливают в хранилище с маточником (сульфитным щелоком) тротила. Полученную смесь маточников тротила и нитробензола после предварительного упаривания до 30-40%-ной концентрации по твердому остатку, направляют на сжигание, а образующуюся золу в отвал. С течением времени и под воздействием атмосферных осадков она превращается в токсичные стоки, загрязняющие грунтовые воды, что может приводить к существенному ухудшению экологической обстановки. Типичный химический состав огарка смеси маточников тротила и нитробензола приведен в таблице 1.

Таблица 1. Химический состав огарка маточник тротила и нитробензола

Компонент Содержание компонентов, %

сульфат натрия карбонат натрия сульфат аммония хлорид натрия оксид железа ^е203) углерод влага качественная реакция на тротил 55.5 24.6 9,4 8,0 1,1 1,3 0,1 положительная

Промышленная экология

Ранее авторами были разработаны способы утилизации отходов производства тротила при изготовлении керамзита (Патент РФ на изобретение № 2381190 от 27.08.2008 г.) и растворимого стекла (Патент РФ на изобретение № 2379233 от 25.08.2008 г.). Способ получения растворимого стекла с применением отходов производства был включен в число «100 лучших изобретений России» в 2009 г. и отмечен международной наградой - золотой медалью Американо-российского делового союза «innovations for investmenta to the future». Однако эти способы утилизации, в основном, были ориентированы на использование тех компонентов, содержание которых в отходах было наибольшим - сульфата и карбоната натрия. В дальнейшем сравнительный анализ составов сырьевых шихт, применяемых для изготовления строительных материалов и отходов производства тротила и нитробензола, позволил предположить, что, материалом, при изготовлении которого могут использоваться все компоненты отходов, является натрий-кальций-силикатное стекло.

Сырьевые материалы, которые применяются для изготовления силикатного стекла, подразделяются на главные и вспомогательные. К главным сырьевым материалам относятся вещества, с помощью которых в стекло вводятся кислотные, щелочные и щелочноземельные оксиды, являющиеся основой состава современных стекол. К вспомогательным сырьевым материалам относятся различные вещества, которые применяются для улучшения качества стекломассы, её окрашивания и глушения, а также для ускорения времени её изготовления [2]. Основу химического состава силикатных промышленных стекол - оконных, архитектурно-строитель-ных, тарных и других - составляют различные сочетания оксидов Na2O, CaO, SiO2. Кроме того, для снижения склонности к кристаллизации и повышения химической стойкости стекол в их состав дополнительно вводят оксиды магния и алюминия. Так, например, еще в середине 30-х годов И.И. Китайгородским было разработано и внедрено в промышленность алюмомагнезиальное стекло состава, масс.%: SiO2 71,5-72; AI2O3 1,5; CaO 8-8,5; Na2O 15; MgO 3,5 [3].

Для введения в состав стекла оксида натрия используют карбонат натрия или сульфат натрия. В связи с этим, существуют два варианта стекольных шихт, содержащих сульфат натрия. Сульфатная шихта - оксид натрия целиком или в количестве более 25% вводится в шихту с помощью сульфата натрия [3]. Однако процесс изготовления стекла из сульфатной шихты становится более продолжительным и требует более высоких температур. В этом случае для ускорения процесса сили-катообразования и снижения температуры прибегают к предварительному разложению сульфата натрия до оксида натрия. Для этого в стекольную шихту вводят некоторое количество углеродсо-держащих материалов - каменного или древесного

угля, древесных опилок или стружек [2] или каких-либо органических веществ, действующих в качестве восстановителей сульфата натрия. К способу получения стекла из сульфатной шихты прибегают в случае необходимости снижения стоимости производства продукции, поскольку исходный сульфат натрия является дешевым заменителем соды.

По мнению авторов, эффективная возможность применения отходов производства тротила и нитробензола - сульфатсодержащей золы и смеси маточников при изготовлении силикатного стекла может быть обусловлена следующими причинами:

- все компоненты отходов используются при промышленном изготовлении силикатного стекла, так например, №^04, №2СО3 применяются для введения в состав стекла оксида натрия, а №^04, №С1, (ЫН4)2804, Ре203, Н20 - для повышения эффективности процесса производства стекла - снижения энергозатрат и повышения качества стекломассы;

- наличие в отходах углеродсодержащих компонентов сажи (огарок маточников) и органических соединений (смесь маточников), используемых в промышленных технологиях для восстановления сульфата натрия в оксид натрия в процессе плавки шихты;

- высокая дисперсность и однородность;

- низкая стоимость стекольной шихты на основе отходов.

Таблица 2. Состав опытной стекольной шихты

Компонент шихты Содержание компонента, %

кремнезем

огарок сульфитных 43,8

щелоков и маточни-

ка нитробензола 29,2

мел 1,1

доломит 10,36

каолин 2,4

смесь маточников 11,6

тротила и нитробен- (по твердому

зола веществу)

уголь 1,4

Для оценки качества стекломассы, получаемой на основе отходов энергоемких соединений, были произведены лабораторные опытные плавки стекольных шихт в достаточно жестких условиях, отличающихся от промышленных. Максимальная температура нагрева стекломассы составляла 1350-1400оС (промышленный процесс - 1450-1600оС), а время выдержки расплавленной стекломассы при максимальной температуре нагрева - 35-60 мин. (промышленный процесс - несколько часов). Стекольные шихты были рассчитаны на получение тарного силикатного стекла состава: масс.%: 8Ю2 72,0; АЬ0з 1,5; Са0 7,0; ^0 16,5; Ме0 3,0. Для сравнения были изготовлены образцы стекломассы

того же состава из содовой и карбонатно-сульфатной шихт, приготовленных с использованием традиционных сырьевых материалов. Соотношение сульфата и карбоната натрия в карбонат-но-сульфатной шихте соответствовало содержанию

Качество полученного стекла оценивалось по его удельному весу, растворимости в воде, однородности и цвету. Полученные результаты приведены в табл. 3. В таблице для сравнения представлены и характеристики штатного бутылочного стекла, применяемого для разлива минеральной воды. Как видно из полученных результатов (табл. 3), применение совместных отходов производства тротила и нитробензола повышает качество образцов получаемой стекломассы с одновременным снижением максимальной температуры плавления шихты, что говорит о реальной возможности их использования при изготовлении силикатного стекла. Суммарное содержание отходов тротилового производства в составе опытной

этих веществ в огарке отходов энергоемких соединений. В табл. 2 приведен состав опытной стекольной шихты для получения алюмомагнезиальной стекломассы.

шихты, используемой для получения стекла по разработанному способу, составляет около 40%, что значительно удешевляет весь процесс и позволяет полностью утилизировать отходы производства тротила и нитробензола.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Орлова, Е.Ю. Химия и технология бризантных взрывчатых веществ. - М.: Химия, 1973. 688 с.

2. Бутт, Л.М. Технология стекла / Л.М. Бутт, В.В. Поляк. - М.: Стройиздат, 1971. 368 с.

3. Артамонова, М.В. Химическая технология стекла и ситаллов / М.В. Артамонова, М.С. Асланова, И.М. Бужинский и др. Под ред. НМ.Павлушкина. - М, Стройиздат, 1983, 432 с.

Таблица 3. Характеристика образцов стекломассы

Стекломасса Удельный вес, г/см3/вы держка, мин Растворимость в воде, %/выдержк а, мин Однородность Цвет

бутылочное стекло 2,59 2,8 однородное, с единичными пузырьками светло-зеленая, равномерная окраска

стекломасса, изготовленная по традиционной карбонатной технологии 2,40/35 9,0/35 наличие значительного количества пузырьков бледно-зеленая, равномерная окраска

стекломасса, изготовленная по традиционной сульфатно-карбонатной технологии 2,43/35 7,5/35 наличие пузырьков бледно-зеленая равномерная окраска

стекломасса, изготовленная на основе отходов производства нитробензола и тротила 2,59/35 2,62/60 2,1/35 1,94/60 однородное, с единичными пузырьками ярко-зеленая, равномерная, интенсивная окраска

RESEARCH OF POSSIBILITY OF PROCESSING WASTE OF TROTYL AND NITROBENZENE PRODUCTIONS IN SILICATE GLASS

1 Samara State Technical University 2 JSC "Promsintez", Chapaevsk

In article results of the laboratory researches devoted to an assessment of possibility the waste processing of productions of power-intensive materials - trotyl and nitrobenzene in silicate glass are presented.

Key words: trotyl, nitrobenzene, production wastes, way of processing, silicate glass

Alexander Pyzhov, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor at the Department "Chemistry and Technology of Nitrogen Organic Compositions". E-mail: argel33@mail.ru Tatiana Pyzhova, Leading Engineer at the Department "Chemistry and Technology of Nitrogen Organic Compositions". E-mail: var_xtoca@mail.ru Yaroslav Popov, Post-graduate Student. E-mail: aeqvitas@rambler.ru Artem Abramov, Student Sergey Utkin, Chief Engineer

RESEARCH OF POSSIBILITY OF PROCESSING WASTE OF TROTYL AND NITROBENZENE PRODUCTIONS IN SILICATE GLASS

Текст научной работы на тему «Исследование возможности переработки отходов производств тротила и нитробензола в силикатное стекло»