CC BY
12
УДК 628.4+628.52
Ю. I. ФОРДЗЮН (Мукашвський державний унiверситет), Й. Й. ЛУЧКО (ДПТ) I. П. ПОЛЮЖИН (Нацюнальний унiверситет «Львiвська полiтехнiка»)
ПЕРСПЕКТИВИ ВИКОРИСТАННЯ ПРИРОДНЬОГО М1НЕРАЛУ ЦЕОЛ1ТУ ДЛЯ ЗНИЖЕННЯ АНТРОПОГЕННОГО ВПЛИВУ НА СПОРУДИ ПОБУТОВИХ В1ДХОД1В
Розглянуто проблему зменшення виквдв парникових газ1в в1д побутових в1дход1в на смптезвалищах. Дослщжено гнитгя трави, як модельного об'екту, протягом двохр1чного перюду в пол1мерних упаковках. Встановлено особливосп використання природного цеолиу для поглинання водяно! пари та вуглекислого газу в умовах гниття трави.
Ключовi слова: парников1 гази, антропогенний вплив, природний цеолгт, водяна пара
Вступ
Антропогенний вплив см1ттезвалищ на на-вколишне середовище пострадянських кра!н вивчений та дослщжений недостатньо. Дана проблема е особливо актуальною в умовах гло-бал1заци та урбашзаци, як для мегапол1с1в, так I для населених пункта менших за сво!ми розмь рами. Це обумовлено, з одного боку, збшьшен-ням кшькост побутових вщход1в, а з шшого боку використанням пол1мерних упаковок: пляшок, банок, пакета, шдивщуальних упаковок, а також використанням пол1мерних пакета для збер1гання, перемщення побутових вщхо-д1в до централ1зованих смгтниюв та см1ттезва-лищ. Актуальнють проблеми зумовлена також суб'ективними чинниками - вщсутнютю нале-жно! паспортизаци см1ттезвалищ, недостатшм р1внем еколопчно! свщомост1, як комунальних служб, так { суспшьства. Слщ зауважити, що законопроект Мшютерства репонального роз-витку, буд1вництва 1 житлово-комунального господарства «Про обмеження виробництва, використання, ввезення { розповсюдження в Укра!ш пол1мерних пакета», що вступить в силу з 1 шчня 2013, спрямований переважно на полшшення стану благоустрою мют, а не на кардинальне розв'язання юнуючо! проблеми.
Однак м1жнародна законодавча сфера в га-луз1 створення нацюнально! системи швентари-зацп викид1в вщповщно до м1жнародних стандарта [1], може сприяти розв'язанню еколопч-них проблем смгттезвалищ. Укра!на у жовтш 1996 року ратифшувала Конвенщю ООН з1 зм> ни кл1мату (Закон № 435/96-ВР вщ 29.10.96, ВВР, 1996, № 50, ст. 227). Змша кл1мату е глобальною проблемою довкшля пов'язаною з глобальним потеплшням - прогресуючим, пос-туповим шдвищенням температури поверхш Земл1. Це призводить до парникового ефекту, пагубно! змши кл1мату в глобальних масштабах
{ обумовлено парниковими газами (чадний газ СО, вуглекислий газ СО2, вуглеводш: метан СН4, етан С2Н6 I ш.). Результати останшх дос-лщжень шдтверджують те, що причиною глобального потеплшня е людська д1яльнють, ймов1рнють природних, а не антропогенних причин змши кл1мату на планет складае не б1-льше 5 % [2].
Постановка завдання
Кютський протокол е м1жнародною угодою, яка зобов'язуе кра!ни учасниюв скоротити викиди парникових газ1в. Основними парниковими газами на Земл1 е: водяна пара (Н20), компонент який е вщповщальним приблизно за 36...70 % парникового ефекту (без урахування хмар), вуглекислий газ (С02) - 9.26 %, метан (СН4) - 4.9 % 1 озон (0з) - 3.7 %. В данш робот здшснено анал1з л1тературних даних стосовно мехашзму процесу гниття побутових вщход1в та можливого антропогенного впливу продукта гниття на парниковий ефект.
Мета даног роботи полягае в оцшщ р1вшв викид1в основних складниюв парникових газ1в та шших шюдливих газопод1бних викид1в вщ см1ттезвалищ, оскшьки зпдно м1жнародного законодавства в цш галуз1, нацюнальна швен-таризащя зобов'язана включати повний спектр шюдливих викид1в. Це дозволить здшснити рекомендацп щодо практичних заход1в для зниження антропогенного впливу на довкшля викид1в та вщход1в см1ттезвалищ.
Об'екти та методи дослщжень
Мехашзм парникового ефекту достатньо простий. Звичайне сонячне випромшювання при безхмарнш погод1 1 чистш атмосфер! порь вняно легко досягае поверхш Земл1, поглина-еться поверхнею грунту, рослиннютю 1 ш. На-грт поверхш вщдають теплову енерпю знову
© Фордзюн Ю. I., Лучко Й. Й., Полюжин I. П., 2012
в атмосферу, але вже у виглядi довгохвильово-го теплового випромiнювання, яке частково розсдаеться, а також поглинасться молекулами парникових газiв (зокрема СО2 поглинае 18 % теплоти, що вiддаеться), i при цьому збшьшу-еться iнтенсивнiсть теплового руху молекул та шдвищуеться температура повiтря.
Вщомо [3], що процес гниття побутового смотя вiдбуваеться пiд дiею двох титв бакте-рiй сiмейства ацидогешв i метаногенiв. Ацидо-гени здшснюють первинний розклад смiття до летких карбонових кислот, зокрема мурашина, оцтова, протонова та масляна, якi тд дiею ме-таногенiв перетворюються до вуглекислого газу та метану за такими брутто схемами реакцш:
СН3СООН ^ СО2+СН 4, СО2+4Н2 ^ СН4+2Н2О .
Склад газоподiбних продуктiв гниття представлений в табл. 1 вказуе на те, що вш суттево може збшьшувати парниковий ефект. Газопод> бнi продукти гниття побутових вiдходiв мiстять 50.75 % метану та вуглекислого газу, а також незначну кшьюсть шрководню (бiля 3 %), кис-ню (бшя 2 %) та водню (бiля 1 %). Такий бюгаз може використовуватись як низькокалоршне паливо, або шсля збагачення метаном, як зви-чайний горючий газ.
Таблиця 1
Склад продукив гниття побутових вiдходiв (типовий склад бшгазу)
№ з/п Речовина Концентрацш, % об'емш
1 Метан, СН4 50.75
2 Вуглекислий газ, С02 25.50
3 Азот, N 0.10
4 Водень, Н2 0.1
5 Орководень, Н28 0.3
6 Кисень, 02 0.2
Слiд, зазначити, що вуглекислий газ техногенного походження i зокрема той, який посту-пае вщ смггтезвалищ, слiд розглядати як забру-днювач. Встановлено, що щорiчний прирiст концентрацп диоксиду вуглецю в атмосферi складае бiльше 0,3 % вщ вмiсту СО2 в атмосфе-рi (0,0387 % об.) i постiйно збiльшуеться [4].
Враховуючи те, що мiськi смiттезвалища е серйозним джерелом забруднення навколиш-нього середовища, а iснуюча система швента-ризаци викидiв знаходиться на стади станов-ленн я, на наш погляд, представляе штерес ви-
користання сорбешгв для знешкодження продукта гниття побутових вiдходiв.
Нами дослщжуються продукти гниття рiз-них видiв побутових вiдходiв. В данiй робот^ як достатньо простий модельний об'ект побутових вiдходiв, використовували траву, скоше-ну газонокосилкою. В пляшки ПЕТФ з широкими горловинами мютюстю 1 або 1,5 дм3 було помщено 250 або 500 грам свiжоскошеноl трави та цеол^ в рiзних пропорцiях приблизно 25 % та 47 % вщ загально! маси сумiшi (табл. 2). Порошок цеол^у був доданий в межах 33...36 % та 88...90 % вщ маси модельного вщходу вщповщно проби (2-1; 1-1) та (2-2; 12). Проби з iндексом 2 - гниття в прозорих пляшках, проби з iндексом 1 - непрозорi пляшки бшого кольору.
Процес гниття здшснювався протягом двох рокiв в замкнутому просторi пляшки при се-зонно змшних температурах, що на наш погляд, максимально моделюе умови гниття в природ-них умовах в полiмернiй упаковцi. Було вико-ристано два види пляшок: прозорi та непрозорi з метою визначення можливого впливу свггла на процес. В кшщ процесу гниття було проведено зважування пляшок i встановлено змен-шення !х маси, що очевидно вщбулася за раху-нок виходу з пляшок водяно! пари через корко-вi рiзьбовi з'еднання, оскiльки на початкових стадiях процесу в пляшках утворився певний надлишковий тиск, та дифузп крiзь полiмернi стiнки пляшок (див. табл. 2). Очевидно, основна втрата маси припадае на видяну пару i це пiдтверджуеться тим, що трава всередиш пляшок пiсля дворiчного переду була майже сухою. Втрата маси в прозорих пляшках була приблизно в 2,72 рази бшьшою шж в пляшках непроникних для свггла, що можна пояснити бшьшою проникливютю полiмеру, з якого були виготовлеш цi пляшки, а також меншою кшькь стю св^лово! енергп через стiнки непрозорих пляшок.
Пюля дворiчного перiоду провели початко-вий аналiз газоподiбних продуктiв гниття на вмют вуглекислого газу методом газотвер-дофазово! хроматографа за умов, яю данi в табл. 3, а типова хроматограма приведена на рис. 1 (тд пiком повiтря виходить також метан). Кшьюсний аналiз проводили методом абсолютного калiбрування за висотою хроматог-рафiчного пiку СО2. За цими даними можна оцшити фактичнi об'еми викидiв, як вуглекислого газу так i шших газiв за типовими розра-хунковими пропорщями у вiдповiдностi до ю-лькостi вiдходiв.
Сшввщношення компонент у дослщжуваних пробах
Проба Маса трави, грами Маса цеолпу, грами Масова частка цеолпу у почат- ковш сумш, % Р1зниця м1ж масою проб на початку та в кшщ процесу, грами Зменшення маси проб вщносно завантаження трави, %
1-0 250 0 0 63 25,2
1-1 250 85 25,37 63 25,2
1-2 250 225 47,37 63 25,2
2-0 500 0 0 341 68,2
2-1 500 182 26,69 341 68,2
2-2 500 440 46,81 340 68,0
0,6
0,5
0,4
0,3
5
= 0,2
О
0,1
повггря
СО2
М
Масштаб М-2
Масштаб М-10
100
200 300 400 500
Час хроматографування, секунди
600
0
0
Рис. 1. Типова хроматограма дослвджувано1 газово1 сум1ш1
Таблиця 3
Умови хроматографування
№ з/п Параметр Значення
1 Марка приладу Цв1т-100
2 Детектор за теплопровщшстю
3 Струм детектора 120 мА
4 Температура детектора 25 °С
5 Нерухома фаза Пол1сорб-1, зерн1ння 0,25 .0,50 мм (пористий пол1мер - сп1в-пол1мер див1н1лбензолу та стиролу)
6 Довжина колонки 3 метри
7 Ддаметр колонки 3 мм
Температура колонки 25 °С
7 Газ-носш водень (Н2)
8 Витрата газу-ноая 25 см3/хв
9 Об'ем дозуючо1 петл1 0,5 см3
Результати та ix обговорення
Нами зроблено TexHiKO-eKOHOMi4He обгрун-тування щодо вибору сорбенту (табл. 4). Для порiвняльноi характеристики сорбентв [5, 6] враховувались: традицiйнi параметри сорбентiв - розмiр частинок, внутрiшня пористiсть, сере-днш дiаметр пор, площа питомо! поверхш, а також маслоeмкiсть сорбенту, тобто здатшсть утримувати, локалiзувати жирнi речовини, що можуть потрапляти в грунт. Маслоемюсть сорбенту - це показник стандартизований i вира-жаеться у кiлькостi олп льону, яку здатен пог-линути сорбент. Було встановлено, що як сорбент для локалiзацil шюдливих викидiв вщ продуктiв гниття, доцiльно використовувати природнш мiнерал - цеолiт. Цеолiт в виглядi порошку або гранул рiзного дисперсного складу отримують шляхом подрiбнення природного мiнералу-цеолiту на заводi у мiстi Хуст (Закар-
патська область, Укра!на) i3 загальною порисп-стю 33 % та здатшстю до поглинання водяних парiв при вщноснш вологостi 98% в межах 13,5.14,5 гр H2O/IOO гр при 20 °С. Цеолiт Со-кирницького родовища - це природний алюмо-гiдро-силiкат лужних та лужноземельних мета-лiв кристалiчноl структури з вмiстом клиноп-тилолпу 65.80 % .
Кожна цеолггова частинка мае безлiч на-с^зних пор дiаметром 2.10 ангстрем. Цеолгг здатен адсорбувати як молекули води, так i СО2, H2S, СН4, N2O, iншi органiчнi, неорганiчнi речо-вин, нафтопродукти, масла жири та продукти 1хнього розпаду. Цеолiт володiе адсорбцiйними, iонообмiнними, каталiтичними, бактерицидними та шшими цiнними властивостям, що поясню-еться високою мiкропористiстю, питомою пове-рхнею та алюмосилiкатною природою.
Таблиця 4
TexHiKO-eKOHOMi4He обгрунтування щодо вибору сорбенту
Адсорбент Внутршня пориспсть % Густина, кг/м3 Маслоемшсть, грам олп на 100 г сорбенту Цша за 1 кг, центи
Польовий шпат 2600 30 5
Крейда 2700 5.16 3.9
Тальк 2710 55.59 5
Каолш 2580 32.60 12
Барит 4400 11 12
Ддатомгг - 2050 88 15
Гвдроокис алюмшш 20.60 2420 30.60 18
Аеросил 1950 170 15
Цеолгт 34 2370 170 5
Встановлено, що концентращя вуглекислого газу в дослщжуваних пробах, яка е результатом гниття побутових вiдходiв, вiдповiдае межам, що приведенi в лiтературi i знаходиться в дiа-пазонi 25.50 % (див. табл. 1). Виявлено сутте-ве зниження кiлькостi вуглекислого газу до 6.9 % в пробi з 88 % вмютом цеолiту в прозо-рiй пляшцi ПЕТФ, ймовiрно через вплив св^ла на гниття на вiдмiну вiд тако! ж проби (1-2), де кшьюсть енергп св^ла була значно меншою (табл. 5).
Розрахунок кшькост вуглекислого газу, яку видiляють 500 грам побутових трав'яних вщхо-дiв, на основi приблизно1 оцiнки газового простору дослщжуваних модельних об'екпв та ре-зультатiв газохроматографiчного аналiзу пред-ставленi в табл. 6.
Отримаш результати свiдчать про склад-нiсть процесу гниття навiть вщносно простих за складом модельних дослщжуваних проб на ос-новi свiжоскошеноl трави i при цьому можна частково штерпретувати цi результати на осно-вi механiзму сорбци газiв цеолiтом. Максима-льний розмiр молекул, яю можуть проникнути в пори цеол^у, контролюеться дiаметром кана-лiв пор. Ефективний дiаметр пор цеол^у (м. Хуст), використовуваного в робот, складае 4 Ангстреми. На початку процесу, який вщбу-ваеться в замкнутому просторi полiмерноl пля-шки, газовий простiр насичуеться парами води, що видшяються з свiжоскошеноl трави i цеолiт, як молекулярне сито, поглинае воду.
Результати визначення концентраци вуглекислого газу для модельних проб гниття сшжкоскошеноУ трави в полiмернiй умаковщ з добавкою природного цеолiту
№ з/п Проба Концентрац1я СО2, % об. Додано цеолггу, % ввд маси модельного вщходу Ор1ентовна частка газового простору % (в1зуально)
1 Проба 2-0 (прозора) 27.29 0 80
2 Проба 2-1 (прозора) 29.32 10 70
3 Проба 2-2 (прозора) 6.9 25 30
4 Проба 1-0 38.42 0 -
5 Проба 1-1 23.25 10 -
6 Проба 1-2 50.53 25 -
Таблиця 6
Кшьккна оцiнка викидiв вуглекислого газу для дослщжуваних проб
Проба трави 500 грам у прозорш ПЕТФ пляшщ (1,5 дм3) Приблизна оцшка об'ему газового простору, см3 Концентрац1я СО2, % об. Об'ем СО2 у пляшщ, см3 Маса СО2 у пляшщ, грами
Без цеолиу 1200 27.29 336 0,66
36 % цеолиу 1000 29.32 310 0,61
88 % цеолиу 450 6.9 32 0,06
Очевидно, активш центри цеолiту в чисель-них порах стають зайнятими молекулами води i цеолiт вже майже не поглинае iншi гази. Цьому сприяють меншi розмiри молекул води в порiв-няннi з молекулами вуглекислоти та коефщен-ти дифузн (наприклад, при 20 °С в повiтрi Б (И20 ) = 0,242 см2/с та Б (С02 ) = 0,160
см2/с) - вода в 1,5 рази швидше дифундуе шж вуглекислий газ. Це пояснюе, той експеримен-тальний факт, що концентращя вуглекислого газу суттево не зменшуеться до тих пiр поки не з'явився вшьний вiд води надлишковий цеолiт (проби , де цеолиу е 80 % вiд маси трави).
В подальшому за рахунок дифузшних про-цесiв, яю вщбувалися протягом тривалого часу (2 роки), водят пари покидали проспр пляшки, а вуглекислий газ частково сорбувався на цеолт, що вiдобразилося у зменшенш його концентраци в пробi (2-2). В пробi (1-2) такого зменшення не спостерiгалося, тому, що, очевидно, не було ди свiтла, про що свiдчить майже в три рази менша втрата води пробами в непрозорих пляшках. Як наслщок, в цеолiтi не було створено вакансш для подальшо! адсорбци диоксиду вуглецю.
Очевидно, такий мехашзм послщовно! селективно! сорбцшно! дп цеолiту на пари води та вуглекислий газ м^ бути одним iз варiантiв ло-калiзацil продукпв гниття побутових вiдходiв,
що вщбуваються в полiмернiй упаковцi при гнитп побутових вiдходiв.
Отриманi початковi результати гниття дослщжуваних проб за параметром концентраци вуглекислого газу, можуть бути покладеш в основу одше! з ймовiрних математичних моделей для оптимiзацil технiчного рiшення для зниження впливу побутових вiдходiв на склад атмосферного пов^ря. Однак, створення, пере-вiрка та удосконалення будь-яко! математично! моделi потребуе бшьшо! кшькосп результатiв експериментальних дослiджень.
Висновки
1. На 500 г побутових вiдходiв викиди вуглекислого газу в умовах, що моделюють процес гниття побутових вiдходiв в полiмернiй упако-вцi, можуть становити 0,66 грами. Використан-ня як сорбенту цеолиу (88 % вiд маси модельного вщходу), дозволяе зменшити кшьюсть вуглекислого газу орiентовно в 10 разiв, тобто до 0,06 грам.
2. Результати дослщжень показують перспе-ктившсть використання цеолiту для локалiзацil неконтрольованих викидiв вуглекислого газу, а також шших складникiв бiогазу в атмосферу. Для оптишзацл технологiчних параметрiв використання природного сорбенту цеолиу для зменшення викидiв газiв процесу гниття побу-
тових вiдходiв необхщно провести додатковi детальш дослiдження як на вiдповiдних модельних об'ектах, так i для сумшей справжнiх побутових вiдходiв при !х складуваннi у пол> мерних упаковках на смотезвалищах.
Б1БЛ1ОГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК
1. Канадсько-Украшська програма еколопчного сшвробггаицтва. Рекомендацп щодо створення нацюнально! системи оцшки викид1в 1з джерел та абсорбцп поглиначами парникових газ1в ввд-повщно до м1жнародних стандарпв [Текст]. -К.: 1нститут загально! енергетики НАНУ, 2002.
2. Защита атмосферы от промышленных загрязнений [Текст]: справочн. изд. В 2 ч. Ч. 1: Пер. с англ. / под ред. С. Калверта, Г. М. Инглунда. -М.: «Металлургия», 1988. - 760 с.
3. Вщходи виробництва 1 споживання та !х вплив на грунти 1 природш води [Текст]: навч. поаб. /
В. М. Савицький, В. К. Х1льчевський, О. В. Чу-нарьов. - К.: ВПЦ «Ки1вський ушверситет», 2007 - 152 с.
4. Glen, P. Peters Rapid growth in CO2 emissions after the 2008-2009 global financial crisis [Текст] / P. Peters Glen. - Nature Climate Change 2012, ISSN: 1758-678X, EISSN: 1758-6798 - Р. 2-4.
5. Справочник по композиционным матер1алам [Текст]. В 2 кн. Кн. 2 / под ред. Дж. Любина; пер. с англ. А. Б. Геллера и др.; (под ред. Б. Э. Геллера). - М.: Машиностроение, 1988. - 584 с.
6. Кузнецов, И. Е. Оборудование для санитарной очистки газов [Текст]: справочник / И. Е. Кузнецов, К. И. Шмат, С. И. Кузнецов; под общей ред. И. Е. Кузнецова. - К.: Техника, 1989 -304 с.
Надшшла до редколеги 03.04.2012. Прийнята до друку 20.04.2012.
Ю. И. ФОРДЗЮН (Мукачевский государственный университет), Й. Й. ЛУЧКО (Львовский филиал ДИИТа), И. П. ПОЛЮЖИН (Национальный университет «Львовская политехника»)
ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПРИРОДНОГО МИНЕРАЛА ЦЕОЛИТА ДЛЯ СНИЖЕНИЯ АНТРОПОГЕННОГО ВЛИЯНИЯ НА СООРУЖЕНИЯ БЫТОВЫХ ОТХОДОВ
Рассмотрена проблема снижения выбросов парниковых газов от бытовых отходов на свалках. Исследованы гниения травы, как модельного объекта, в течение двухлетнего периода в полимерных упаковках. Установлены особенности использования природного цеолита для поглощения водяного пара и углекислого газа в условиях гниения травы.
Ключевые слова: парниковые газы, антропогенное влияние, природный цеолит, водяной пар
Y. I. FORDZYUN (Mukachev States University), I. I. LUTCHKO (Lviv branch of Dniepropetrovsk National University of Railway Transport), I. P. POLYUJIN (Lviv Polytechnic National University)
PERSPEKTIVE OF THE NATURAL ZEOLITE USING TO LOWERING ANTROPOGENIK INFLUENCE ON STRUCTURES OF WASTE LANDFILLS
The problem of reducing greenhouse gas emissions from waste landfills is observed. Grass rotting, as the model object, was investigated for two-year period in plastic containers. Some peculiarities were obtained for natural zeolite using to absorb water vapor and carbon dioxide at grass rotting conditions.
Keywords: greenhouse gas, anthropogenic influence, natural zeolite, water vapor
