CC BY
0
УДК 330.15
ПУТИ ДЕКАРБОНИЗАЦИИ ПРОИЗВОДСТВА
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОТХОДА ОТБЕЛЬНОЙ ГЛИНЫ
Ж.А. Сапронова, С.В. Свергузова, Р.Р. Гафаров, Н.С. Лупандина
Изменение климата является наиболее серьезной экологической проблемой, с которой сталкивается человечество в настоящее время. Выбросы парниковых газов, связанные с сектором транспорта, постоянно возрастают в большинстве стран. Переход промышленного сектора к снижению выбросов углерода включает изменения в существующих цепочках производства и потребления, поэтому взаимодействие различных отраслей играет ключевую роль в уменьшении выбросов парниковых газов. Проблема накопления промышленных отходов традиционно остается одной из наиболее серьезных, влияющих на различные аспекты жизни людей и окружающую среду. При использовании адсорбционного отбеливания масел используются специальные порошки, способные абсорбировать растворенные вещества, придающие маслам окраску. После фильтрации эти сорбционные материалы складируются на полигонах отходов и служат источником загрязнения окружающей среды, выделяют при разложении токсичные и парниковые газы. Была исследована возможность применения термообработан-ного отхода рафинации подсолнечного масла (отбельной глины) для очистки сточных вод от красителей. Получены и проанализированы ИК-спектры исходного и термооб-работанного материалов. Установлено, что лучшие результаты очистки модельных вод от красителя «метиленовый голубой» достигаются при использовании отхода отбельной глины, обожженной при температуре 300... 350 оС.
Ключевые слова: обжиг, отход отбельной глины, промышленные отходы, адсорбция, эффективность очистки.
Введение
Увеличение численности населения, урбанизация и экономический рост повсеместно сопряжены с образованием все большего количества разнообразных отходов. По прогнозам некоторых ученых, к 2030 году в мире будут образованы 2,59 миллиарда тонн отходов, которые, по прогнозам, к 2050 году достигнут 3,4 миллиарда тонн. [1, 2].
Все существующие виды отходов условно можно разделить на три большие группы: твердые коммунальные отходы, сельскохозяйственные отходы и отходы промышленных производств. При этом большинство образовавшихся отходов не перерабатываются и не утилизируются в производственных циклах, а также не относятся к вторичным сырьевым ресурсам. Они просто складируются на многочисленных полигонах для длительного хранения. При этом, поскольку отходы не являются инертной массой, а являют собой конгломерат различных веществ с множеством физико-химических свойств, в массе отходов непрерывно протекают процессы взаимодействия, в результате которых отходы претерпевают изменения с выделением таких веществ, как аммиак, метан, сероводород, диоксид углерода и др. Вы-
бросы подобных газов вносят ощутимый вклад в процессы изменения климата. Между тем изменение климата относится к одной из наиболее острых экологических проблем современности, угрожающей благополучию всего человечества [3].
Стратегия глубокой декарбонизации сводится к повышению эффективности энергопотребления и использования материальных ресурсов, обезуглероживание энергоносителей, прямое сокращение выбросов парниковых газов за счет эффективного землепользования и улавливания С02 [47].
В то же время приведение национальных, региональных и отраслевых выбросов в соответствие с глубокой декарбонизацией зависит не только от того, насколько они будут сокращены в краткосрочной перспективе, но и от того, насколько глубокое сокращение станет возможным для всех секторов к середине века за счет фундаментальных преобразований в использовании энергии и материалов, в строительстве, на транспорте и в промышленности, состояния сельскохозяйственных, городских и других земель [8].
Перевод промышленного сектора к минерализации выбросов С02 зависит от рационального построения существующих логических цепочек производства и потребления продукции, создания новых источников энергии [9].
Образование отходов является одним из следствий традиционного линейного производственного процесса, применявшегося в последние десятилетия. Модель добычи первичных материалов, производства, потребления и утилизации, ускоренная экономическим развитием, увеличила количество образующихся отходов. В рамках этой линейной модели материалы извлекаются из окружающей среды и превращаются в конечные продукты, которые утилизируются по истечении срока их полезного использования [10].
За последние десятилетия в промышленных секторах были внедрены оптимизированные системы снижения затрат и потребности в энергии, что позволило значительно сократить потребление ископаемого топлива. Экономика замкнутого цикла может способствовать дальнейшему сокращению выбросов на уровне производственных процессов.
Постановка проблемы
Промышленный симбиоз - это когда компании и сектора сотрудничают для оптимизации своих поставок сырья, энергии и потоков отходов для сотрудничества с другими секторами, такими как сельское хозяйство, пищевая промышленность, энергетика и коммунальное хозяйство. Следовательно, синергия отраслей играет важную роль в сокращении выбросов парниковых газов [11].
Единственным возможным способом решения проблемы снижения количества образующихся отходов и использования имеющихся на промышленных полигонах - модернизация существующих технологий и создание эффективных способов переработки накопившихся отходов [12, 13].
К одному из востребованных до настоящего времени крупнотоннажному промышленному отходу относится отработанная отбельная глина - отход образуется в производстве растительных масел.
Длительное хранение отработанной отбельной глины (ООГ) в природных условиях представляет серьезную экологическую угрозу окружающей природной среде вследствие процессов гниения, брожения, окисления и других процессов, протекающих в массе отхода [17, 18].
В настоящей работе были исследованы физико-химические и сорб-ционные свойства ООГ с целью установления возможности применения термообработанной ООГ в водоочистке.
Материалы и методы
В работе использовалась ООГ, содержащая монтмориллонит (Al2O3-4SiO2-4H2O), каолинит (Al2O3-2SiO2-2H2O), мусковит (K2-3Al2O3-6SiO2-2H2O), альбит (Na[AlSi3O8]). Использованная в процессе очистки масла ООГ, кроме вышеуказанных минеральных веществ, содержит остатки масла, растительные воски, красители и другие вещества, извлекаемые из масла в процессе очистки.
ООГ содержит до 51,4 % SiO2; 16,4 % A^; Fe2O3 - 17,1 %; TiO2, K2O, MgO и прочие примеси-остальные.
Термообработка образцов осуществлялась путем нагрева усредненной пробы в электрической печи марки LOIP LF-7/13.
Инфракрасные спектры были получены на приборе Vertex 70 (производство США), а затем расшифрованы с использованием справочной и научной литературы [22, 23].
Для приготовления модельных растворов использовался краситель метиленовый синий, химическая формула CieHisClNaS.
Очистку растворов проводили в статических условиях, путем добавления навесок сорбционного материала к модельному раствору красителя известной концентрации. Содержимое сосудов перемешивалось в течение 20 минут, затем отфильтровывалось через бумажный фильтр «синяя лента».
Концентрацию красителей в растворе определяли фотоколориметри-чески (прибор spectrophotometer "KFK-3", Russia), с построением калибровочных графиков.
Результаты
С целью получения сорбционного материала ООГ обжигали при различных температурах в муфельной печи LOIP LF-7/13. При обугливании органических веществ, содержащихся в составе ООГ, образуется тонкодисперсный слой углерода с наноразмерными частицами. Углеродный слой
покрывает частицы ООГ, придавая им высокие сорбционные свойства. Однако углеродный слой образуется в определенном температурном интервале, при превышении которого углеродный слой выгорает и сорбционные свойства ООГ снижаются.
Цветовая гамма образцов ООГ, обожжённых при разных температурах, подтверждает протекание процесса обугливания органических веществ, содержащихся в ООГ (рис. 1).
ООГ исходный ООГ 200 °С 1 ООГ 350 °С 1 . "
Рис. 1. Изменение окраски ООГ при термообработке
Из-за изменчивости состава отходов в зависимости от температуры вызвало интерес определение оптимальных параметров обжига. Обожженные образцы применялись для очистки модельных растворов от красителя «метиленовый синий», при этом содержание добавки, модифицированной составило 1 г на 100 мл. Результаты исследования отражены на рис. 2.
Рис. 2. Зависимость эффективности очистки растворов от температуры обжига ООГ
Из полученных данных видно, что лучшие результаты очистки модельных вод от красителя «метиленовый голубой» достигаются при использовании ООГ, обожженной при температуре 300... 350 оС.
Для анализа процессов трансформаций, протекающих в ООГ в ходе термообработки, были получены ИК-спектры (рис. 3).
■а н
О 0
Я
са
0,6 0,5
1
10,4 ■
10,3
н 0,2
0,1 0
ООГ исходный
3300
2300
длина волны, см-1
1300
300
0,14
„ 0,12 -й '
% 0,1
о
вн0,08 | 0,06 | 0,04 и0,02 0
ООГ 300°С
3300 2300
длина волны, см
1300
300
-1
0,1
£ 0,08
0
1 0,06
0,04
0,02
ООГ 350°С
3300 2300
длина волны, см-1
1300
300
Рис. 3. ИК- спектры ООГ, исходного и обработанного при разных температурах
Процессы и превращения, отмеченные на ИК-спектрах, представлены в таблице.
0
Процессы и превращения, отмеченные на ИК-спектрах
Длина волны, см"1 Превращения и процессв1
400-1300 Растяжение и изгиб связей 81-0-81; Изгиб О-Н
1350-1470 Деформационные колебания групп деформационные колебания метильных и метиленовых групп; разрушение структуры жирных кислот
-1600 Деформационные колебания молекул Н-ОН
2700-2900 Колебания связей С-Н
2700-3700 Валентные колебания ОН-групп
Из анализов ИК-спектров следует, что оптимальной для обжига является температура 350 °С, и отбельная глина обладает высокой эффективностью очистки от основных компонентов сточных вод загрязненных красителем, а, значит, её использование в качестве сорбента при очистке таких сточных вод является перспективным.
Заключение
Исследования показали, что отход рафинирования подсолнечного масла, известный как отбельная глина, был модифицирован для создания сорбента. Анализ ИК-спектров показал, что при термической обработке материала происходят удаление воды и частичное разрушение органических веществ на его поверхности. Установлено, что термообработанная при 300...350 °C отбельная глина эффективно адсорбирует метиленовый голубой из водных растворов
Данная работа выполнена в рамках программы «Приоритет-2030» на базе Белгородского государственного технологического университета имени В.Г. Шухова. Работа выполнена с использованием оборудования Центра высоких технологий БГТУ имени В.Г. Шухова.
Список литературы
1. Carbon capture from stationary power generation sources / Muhammad Zaman // A review of the current status of the technologies. 2013. V. 30 (8). Р. 1497-1526.
2. Mario Burgui-Burgui. Beyond Carbon Footprint Calculators // New Approaches for Linking Consumer Behaviour and Climate Action. 2020. 12 (6529) 14 P.
3. Emissions Gap Report. Executive summary United Nations Environment Programme Emissions Gap Report 2020. 16
4. Margarita Mediavilla, Inigo Capellan-Perez, Carmen Duce. The limits of transport decarbonization under the current growth paradigm // Ignacio de Blas Energy Strategy Reviews. 2020. 32 (100543). 23 p.
5. Андреева Е.Ю., Пиливанова Е.Г. Вопросы экологизации в логистических процессах в условиях глобализации // Финансовые исследования. 2017. №3 (56) С. 18-22.
6. Christopher Bataille, Henri Waisman, Yann Briand. Net-zero deep de-carbonization pathways in Latin America Challenges and opportunities // Energy Strategy Reviews. 2020. 30 (100510). 17 p.
7. Pramod K. Singh Harpalsinh Chudasama. Conceptualizing and achieving industrial system transition for a dematerialized and decarbonized world // Global Environmental Change 2021. 70 (102349). 17 p.
8. Sonia ' Almeida Neves, Antonio ' Cardoso Marques. Drivers and barriers in the transition from a linear economy to a circular economy // Journal of Cleaner Production. 2022. № 341 (130865). 13 p.
9. Environmental management of industrial decarbonization with focus on chemical sectors / Talieh Rajabloo [et al] // A Review Journal of Environmental Management. 2022. 302 (114055). 19 p.
10. Tina Chanda Phiri, Pritam Singh, Aleksandar N. Nikoloski. The potential for copper slag waste as a resource for a circular economy // A Review Part I Minerals Engineering. 2022. 180 (107474). 14 p.
11. Свергузова С.В., Сапронова Ж.А., Святченко А.В. Технология получения железосодержащего коагулянта из отходов сталеплавильного производства для очистки ливневых вод // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2016. № 12. С. 160-164.
12. Analysis of the pyrolysis products from spent bleaching clay / Norza-hir Sapawe, Muhammad Farhan Hanafi. Materials Today: Proceedings. 2018. 5. Р. 21940-21947.
13. Sedghamiz M.A., Attar F., Raeissi S. Experimental investigation of acid regeneration of spent bleaching clay de-oiled by the in-situ transesterification process at various operating conditions // Process Safety and Environmental Protection. 2019. № 124. Р. 121-127.
14. Farihahusnah Hussin, Mohamed Kheireddine Aroua, Wan Mohd Ashri Wan Daud. Textural characteristics, surface chemistry and activation of bleaching earth // A Review Chemical Engineering Journal. 2011. № 170. Р. 90106.
15. Soh Kheang Loh, Stephen James, Muzzamil Ngatiman. Enhancement of palm oil refinery waste Spent bleaching earth (SBE) into bio organic fertilizer and their effects on crop biomass growth // Industrial Crops and Products. 2013. V 49. Р. 775-781.
16. Chafika Meziti, Abdelhamid Boukerroui. Regeneration of a solid waste from an edible oil refinery // Ceramics International. 2011. № 37. Р. 1953— 1957.
17. Полетаева М.А., Сусоева Н.М. Утилизация отбельной глины при производстве растительных масел // Ползуновский вестник. 2014. № 3. С. 249-251.
18. Мустафаев С.К., Смычагин Е.О. Разработка комплексной технологии переработки отходов масложирового производства // Научные труды КубГТУ. 2019. № 3. С. 883-895.
19. Lupandina N. S., Sapronova Zh. A. Modified Bleaching Clay as a Sorption Material // IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science. 2020. № 459 (042063). 5 p.
20. Michele R. Derrick, Dusan Stulik, James M. Landry. Infrared Spectroscopy in Conservation // Science the Getty Conservation Institute Los Angeles. 1999. 248 р.
21. Peter Larkin. Infrared and raman spectroscopy principles and spectral interpretation // Elsevier Inc 2011. 230 p.
22. Rao C. N. R. Chemical Applications of Infrared Spectroscopy // Academic Press, New York. 1963. 683 р.
23. Barbara H. Stuart. Infrared spectroscopy fundamentals and applications // John Wiley & Sons Ltd 2004. 244 р.
Сапронова Жанна Ануаровна, д-р техн. наук, доц., sapronova.2016@yandex. ru, Россия, Белгород, Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова,
Свергузова Светлана Васильевна, д-р техн. наук, проф., [email protected], Россия, Белгород, Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова,
Гафаров Решат Решатович, аспиран, beldevid94@,mail.ru, Россия, Белгород, Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова,
Лупандина Наталья Сергеевна, канд. техн. наук, доц., [email protected], Россия, Белгород, Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова
WAYS OF DECARBONIZATION OF PRODUCTION USING WASTE OF BLEACHED CLAY J.A. Sapronova, S.V. Sverguzova, R.R Gafarov, N.S. Lupandina
Climate change is the most serious environmental problem facing humanity today. Greenhouse gas emissions associated with the transport sector are constantly increasing in most countries. The industrial sector's transition to lower carbon emissions involves changes in existing production and consumption chains, so cross-industry collaboration is key to reducing greenhouse gas emissions. The problem of industrial waste accumulation traditionally remains one of the most serious, affecting various aspects ofpeople's lives and the environment.
When using adsorption bleaching of oils, special powders are used that can absorb dissolved substances that give oils their color. After filtration, these sorption materials are stored in waste sites and serve as a source of environmental pollution and emit toxic and greenhouse gases during decomposition. The work investigated the possibility of using heat-treated sunflower oil refining waste (bleaching clay) to purify wastewater from dyes. IR spectra of the original and heat-treated materials were obtained and analyzed. It has been established that the best results in purifying model waters from the methylene blue dye are achieved by using waste bleaching clay fired at a temperature of300-350 oC.
Key words: roasting, bleaching clay waste, industrial waste, adsorption, cleaning efficiency.
Sapronova Zhanna Anuarovna, doctor of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Belgorod, Belgorod State Technological University. V.G. Shukhova,
Sverguzova Svetlana Vasilievna, doctor of technical sciences, professor, [email protected], Russia, Belgorod, Belgorod State Technological University. V.G. Shukhova,
Gafarov Reshat Reshatovich, postgraduate, beldevid94@,mail.ru, Russia, Belgorod, Belgorod State Technological University. V.G. Shukhova,
Lupandina Natalya Sergeevna, candidate of technical sciences, docent, ec-nata@,mail.ru, Russia, Belgorod, Belgorod State Technological University. V.G. Shukhova
Reference
1. Carbon capture by stationary sources of electricity generation / Mu-Hammad Zaman // Review of the current state of technology. 2013. Vol. 30 (8), 1497-1526 p.
2. Mario Burgui-Burgui. In addition to carbon footprint calculators // New approaches to linking consumer behavior and measures to combat climate change. 2020. 12 (6529) 14 p
3. Emission Reduction Report. Summary of the United Nations Environment Programme 2020 Emission reduction report. 16
4. Margarita Mediavilla, Inigo Chaplain-Perez, Carmen Duce. The limits of decarbon-ization of transport within the framework of the current growth paradigm // Reviews of the energy strategy of Ig-nacio de Blas. 2020. 32 (100543) 23 p
5. Andreeva E.Yu., Pilivanova E.G. Issues of greening in ecological processes in the context of globalization // Financial research. 2017. No.3 (56) pp. 18-22.
6. Christopher Bataille, Henri Weissman, Jan Briand. Ways of deep decarbonization with zero emissions in Latin America: problems and opportunities // Reviews of Energy Strategy. 2020. 30 (100510) 17 pages.
7. Pramod K. Singh Harpalsinh Chudasama. Development of the concept and implementation of the transition to an industrial system for a dematerialized and decarbonized world // Global environmental changes 2021. 70 (102349) 17 p
8. Sonya Almeida Neves, Antonio Cardoso Marquez. Factors and barriers in the transition from a linear economy to a closed-loop economy // Journal of Clean Production. 2022. No. 341 (130865) 13 pages.
9. Environmental management of industrial decarbonization with an emphasis on chemical industries / Talie Rajablu [et al.] // Review Journal of Environmental Management. 2022. 302 (114055) 19 pages.
10. Tina Chanda Phiri, Pritam Singh, Alexander N. Nikoloski. The potential of copper slag waste as a resource for a closed-cycle economy // Review, Part I. Mining of minerals. 2022. 180 (107474) 14 pages.
11. Sverguzova S.V., Sapronova Zh.A., Svyatchenko A.V. Technology of obtaining an iron-containing coagulant from steel production waste for storm water treatment // Bulletin of the BSTU named after V.G. Shukhov. 2016. No. 12. pp. 160-164.
12. Analysis of pyrolysis products of spent bleaching clay / Norzahir Sapawe, Muhammad Farhan Hanafi. Today's materials: Continued. 2018. No. 5. 21940-21947 p.
13. Sedjamiz M.A., Attar F., Raissi S. Experimental study of acid regeneration of spent bleaching clay, degreased during on-site transesterification under various operating conditions // Process safety and environmental protection. 2019. No. 124. 121-127 p.
14. Fariha Husna Hussin, Mohamed Kheyreddin Arua, Van Mohd Ashri Van Daoud. Textural characteristics, chemical composition of the surface and activation of bleaching clay // Review Chemical Technology Journal. 2011. No. 170. 90-106 p.
15. So Kheang Loh, Stephen James, Muzzamil Ngatiman. Transformation of waste from palm oil processing, waste land for bleaching (SBE), into bioorganic fertilizer and their effect on the growth of biomass of agricultural crops // Technical crops and products. 2013. Volume 49. 775-781 pages.
16. Chafika Meziti, Abdelhamid Boukerroui. Regeneration of solid waste from the edible oil processing plant // Ceramics International. 2011. No. 37. 1953-1957 p.
17. Poletaeva M.A., Susoeva N.M. Utilization of bleached clay in the production of vegetable oils // Polzunovsky vestnik. 2014. No. 3. pp. 249-251.
18. Mustafaev S.K., Smychagin E.O. Development of a comprehensive technology for processing waste from fat and oil production // Scientific works of KubSTU. 2019. No. 3. pp. 883-895.
19. Lupandina N. S., Sapronova J. A. Modified bleaching clay as a sorption material // International Scientific Conference. Series: Earth and Environmental Science. 2020. № 459 (042063). 5 pages .
20. Michelle R. Derrick, Dusan Stulik, James M. Landry. Infrared spectroscopy in conservation // Science, Getty Conservation Institute, Los Angeles. 1999. 248 p.
21. Peter Larkin. Principles of infrared and raman spectroscopy and spectral interpretation // Elsevier Inc., 2011. 230 p.
22. Rao K. N. R. Chemical applications of infrared spectroscopy // Academic Press, New York. 1963. 683 p.
23. Barbara H. Stuart. Fundamentals and application of infrared spectroscopy // John Wiley & Sons Ltd. 2004. 244 p.
