Развитие экологически чистого производства

(Принципы создания безотходных технологий)

Создание малоотходных, экологически безопасных, ресурсосберегающих технологий базируется на трех основных положениях: технике, организации производства и экономике.

В соответствии с характером производственных процессов все отрасли промышленности могут быть сгруппированы в три группы: добывающая промышленность, перерабатывающая и выпускающая готовые изделия.

Исходя из приведенной выше классификации промышленных предприятий по отраслям, основные направления по созданию малоотходных, ресурсосберегающих технологий могут быть сформулированы следующим образом:

- обеспечение высокой степени извлечения и использования природных ископаемых из месторождений, уменьшения количества отходов при их разработке;

- использование традиционных природных ресурсов на качественно более высоком уровне (использование прогрессивных технологий);

- использование новых видов источников сырья и энергии;

- уменьшение удельного расхода сырья на производство готовой продукции;

- комплексное использование природных ресурсов;

- максимально возможное полное использование природных ресурсов;

- использование в производстве отходов;

- создание оборотных, повторных технологий по воде, воздуху, теплоносителю и др.;

- замена ресурсосберегательных технологий на ресурсосберегающие;

- замена природного сырья на искусственное;

- замена опасных, токсичных видов сырья на экологически безопасные и т.д.

Остановимся на конкретном примере реализации этой задачи на промышленном предприятии производящем нанесение гальванических покрытий. Производства гальванических покрытий одни из самых распространенных участков предприятий машиностроения. Отходы от этого производства отличаются высокой токсичностью и расточительностью ресурсов, со сточными водами и газовыми выбросами теряется до 30% используемого в производстве сырья.

Основное количество загрязнений поступает в сточные воды в результате выноса электролита на поверхности деталей и оснастки. Количество выносимого электролита, в зависимости от формы деталей и вязкости электролита, составляет до 0,7 л на 1 кв.м обрабатываемой поверхности.

Для уменьшения выноса электролита покрываемыми изделиями проводятся следующие мероприятия: рациональное расположение деталей на подвесках, выдержка их над ванной (для стекания электролита) покрытия; встряхивание деталей; обдувка сжатым воздухом, паром или газом; установка ванн улавливания и др. Такие мероприятия позволяют снизить вынос электролита на 70-85%.

Эффективность стекания электролитов с деталей во многом определяется конструкцией подвесочных приспособлений, которые должны обеспечивать не только качество покрытия, но и эффективное стекание электролита.

Основными направлениями, позволяющими значительно снизить загрязненность сточных вод, являются: совершенствование технологии нанесения гальванопокрытий, внедрение прогрессивного современного оборудования, создание экологически безопасных электролитов, разработка рациональных, эффективных межоперационных промывок.

Реализация мероприятий по созданию малоотходных технологических процессов гальванических процессов гальванического производства предполагает наличие современного оборудования, позволяющего обеспечить требования как технологического, так и экологического характера.

Существующее оборудование цехов гальванопокрытий, как правило, решает сугубо технологические задачи, не решая экологических проблем.

Автоматические линии с жестким циклом просты в эксплуатации, обладают высокой надежностью. Однако, с точки зрения экологической безопасности такие линии бесперспективны. Их применение не позволяет использовать новые технические решения, направленные на снижение выноса электролитов и сокращение промывных вод.

Автоматизированные линии с гибким программным управлением в экологическом отношении более перспективны, т.к. обеспечивают:

- движение автооператора с деталями как в прямом, так и в обратном направлении, что позволяет многократно использовать промывные позиции в технологическом процессе;

- простоту изменения последовательности выполнения технологических операций, что уменьшает частоту сброса отработанных растворов в канализацию;

- возможность программной установки временных интервалов выдержки загрузочных приспособлений над ваннами в верхней и нижней позициях;

- выполнение нескольких одноименных операций различных техпроцессов на одной позиции.

Важнейшим условием снижения загрязненности сточных вод гальванического цеха является правильный выбор электролитов.

Традиционные электролиты, обладая заданными технологическими показателями, зачастую не удовлетворяет экологическим требованиям из-за высокой концентрации солей тяжелых металлов и наличия других экологически опасных веществ.

При наличии в составе электролитов комплексообразующих соединений, повышающих уровень растворимости тяжелых металлов в технологических растворах, извлечение последних из сточных вод реагентным способом становится невозможным. Поэтому следует, по возможности, избегать применения различных скоростных электролитов, если их применение не вызвано технологической необходимостью.

Предварительную оценку экологической безопасности электролитов можно сделать по их рецептуре. Сложности обезвреживания создают входящие в состав электролитов цианиды, соединения шестивалентного хрома, соли аммония, трилон В, ПАВ и некоторые другие соединения.

Основные направления снижения экологической опасности от электролитов:

- замена цианистых электролитов меднения и цинкования на менее токсичные электролиты;

- отказ от электролитов никелирования на основе сульфаминовой кислоты;

- замена применяемых в растворах обезжиривания, биологически жестких СПАВ типа ОП-7 и ОП-10 на менее СПАВ типа ОС;

- замена широко применяемых аммиакатных электролитов цинкования на цинкатные с концентрацией цинка 10-15 г/л;

- применение для процесса защитно-декоративного хромирования электролита на основе соединения трехвалентного хрома "ДХТИ-трихром".

Значительное снижение выноса тяжелых металлов может быть достигнуто применением малоконцентрированных электролитов. Разработаны и применяются малоконцентрированные электролиты никелирования, цинкования, хромирования и др. Применение малоконцентрированных электролитов также позволяет снизить расход промывной воды.

Конкретными примерами значительного сокращение выбросов в окружающую среду, а также сокращения расхода воды в гальванопроизводстве являются:

- применение в операциях меднения электролитов, в которых концентрация сернокислой меди с 200 снижена до 70 г/л, а концентрация серной кислоты повышена с 50 до 150-170 г/л;

- снижение в ваннах хромирования концентрации хромового ангидрида можно снижать с 250 до 150 г/л с введением в электролит добавки "хромоксан", которая позволяет резко сократить унос электролита с ванны промывки и в вентиляционные системы;

- применение цинкатных электролитов позволяет поддерживать концентрацию цинка в технологических ваннах на уровне 10-15 г/л;

- применение для травления медных сплавов взамен применения концентрированных серной и азотной кислот раствора с общим содержанием кислот 300 г/л с ингибитором кислотной коррекции НТПС (в этом случае количество снятого травлением металла уменьшается примерно в 100 раз);

- применение для хроматной пассивации цинковых и кадмиевых покрытий возможно применение раствора с пониженным содержанием хромпика (до 10-14 г/л), что позволяет в несколько раз снизить сброс со стоками шестивалентного хрома.

Основные технологические покрытия по степени экологической безопасности можно расположить следующим образом: на первом месте стоит кадмирование, далее - хромирование, никелирование, меднение, цинкование, химическое оксидирование.

В настоящее время накоплен значительный опыт замены покрытий на менее экологически опасные. Например, кадмирование, как свидетельствует опыт ряда предприятий, можно заменить на цинкование или на покрытие из сплавов цинка с никелем; хромирование - на сплав никель-висмут, при этом по функциональным характеристикам новое покрытие не уступает хромовому; никелирование в большинстве случаев может быть заменено на блестящее цинкование.

Вынос электролитов с деталями из рабочих ванн в промывные может быть значительно сокращен за счет выдержки их при выгрузке из рабочих ванн над поверхностью электролита для стекания не зафиксированного на поверхности покрываемого изделия раствора. Продолжительность выдержки деталей над рабочими ваннами определяется конфигурацией и размером изделий, составом и вязкостью электролитов и возможностью взаимодействия электролита с воздухом. Обычно продолжительность стекания электролита составляет 10-25 с, для вязких электролитов время выдержки может быть увеличено.

В автоматических линиях время выдержки можно ввести в программу движения автооператора. При ручном обслуживании ванн рекомендуется установить над ванной вспомогательную штангу и при выгрузки подвесок с деталями из ванны завешивать их на эту штангу; по окончании этой операции детали снимать со штанги и промывать как обычно.

Для уменьшения поступления загрязняющих веществ в сточные воды рекомендуется применение ванн улавливания. Применение одной такой ванны сокращает потери электролита на 50%, а трех ванн – на 85-90%.

Как правило, все малоотходные технологии нанесения гальванических покрытий предусматривают установку одной или нескольких ванн-улавливателей. На практике используется до пяти ванн. Наиболее часто большое число ванн-улавливателей применяется при нанесении покрытий из драгметаллов.

По конструкции ванны-улавливатели не отличаются от обычных ванн химической обработки.

Для эффективной работы ванны-улавливателя в ней необходимо поддерживать минимальную концентрацию раствора.

Для первоначального заполнения ванн-улавливателей используется дионизированная вода.

В процессе работы раствор из них используется на компенсацию выноса и испарения электролита в ваннах нанесения покрытий или периодически утилизируется.

На практике достаточно часто возникает ситуация, когда регенерация растворов улавливателей не целесообразна по техническим или экономическим причинам. Для уменьшения содержания тяжелых металлов в ваннах-улавливателях могут быть применены различные способы их удаления.

Наиболее простое решение при внедрении электролитического метода извлечения металлов из стоков – превращение ванны-сборника в электролизер. Конструктивно это может быть выполнено различными способами – размещением электродов (анодов и катодов) у стенок ванны-сборника или введением в раствор особого устройства кассетного типа, содержащего анодные и катодные пластины. Чтобы обеспечить катодное выделение металла из разбавленных растворов, их рекомендуется интенсивно перемешивать. В качестве катодов используются пластины из титана или нержавеющей стали, в качестве анодов – графит или титан, покрытый окисно-рутениевой (ОРТА) или окисно-кобальтовой (ОПОКТА) пленкой. Аноды и катоды подключаются к источнику тока, питающего гальваническую ванну. Общий расход электроэнергии при этом увеличивается не более, чем на 5-10%.

Следует отметить, что вынос электролита происходит не только в промывные ванны, но и в воздух, удаляемый вентсистемами гальванических производств. Особенно это относится к аэрозолям электролита хромирования.

Уменьшить вынос электролита хромирования из гальванической ванны можно за счет применения депрессантов хромового тумана "Пенохром", "Хромин", "Хромоксан". Эти добавки не только уменьшают капельный унос с поверхности электролита деталей, но и снижают в воздухе рабочей зоны концентрацию хромового тумана в 2-10 раз.

Очень часто значительный унос электролитов происходит при его стекании с подвесочных приспособлений при неудачной конструкции бортовых отсосов.

В настоящее время широкое распространение получила струйная промывка, позволяющая в несколько раз сократить расход промывной воды. Струйная промывка применима только к деталям простой формы, покрываемым на подвесках.

Струйно-погружная промывка совмещает в себе оба способа. Промывка производится в заполненной водой ванне, а окончательная промывка - струйным способом через форсунки, установленные в верхней части ванны при подъеме деталей.

Для сокращения расхода воды при высоких критериях промывки применяется двух- и трехкаскадная промывки с противоточным движением воды.

Одним из способов уменьшения сброса тяжелых металлов может служить изменение технологической последовательности осуществления промывочных операций. В этом случае промывка деталей по окончании какой-либо из технологических операций, например, никелирования, производится сначала в ванне последней ступени промывки после декапирования возвратным движением автооператора, а затем в ваннах промывки после данной технологической операции.

Подобного рода возвратное, а затем последовательное движение автооператора позволяет возвращать в рабочую ванну с деталями часть компонентов, занесенных в предшествующую промывочную ванну, и экономит до 60% воды.

Большая экономия воды может быть получена при последовательном использовании воды на промывных операциях.

В этом случае чистая вода, подаваемая на финишную промывку, переливается в промывочные ванны, предшествующие гальваническим ваннам. Например, вода из ванны финишной промывки передается в промывочную ванну, стоящую после декапирования, а оттуда переливается в ванну промывки после травления и далее в ванну промывки после обезжиривания.

Подобный способ позволяет в 3-4 раза снизить расход воды без ухудшения качества промывок. Перелив воды из одной ванны в другую может выполняться по принципу сообщающихся сосудов с установкой гидравлических затворов.

Промывка деталей производится практически на всех стадиях нанесения гальванического покрытия. Но достаточно часто можно вообще отказаться от межоперационной промывки. Промывка не выполняется в том случае, если перенос раствора из одной ванны в другую допускается по технологии, например, из ванны декапирования в ванну покрытия; из ванны химического обезжиривания в ванну электрохимического обезжиривания.

Структурно биосфера представляет собой совокупность функционально связанных и иерархически соподчиненныхотдельностей - экосистем. Такой взгляд на биосферу вытекает из принципа системной целостности - основного принципа современного научного знания. Именно потому, что отдельные составляющие - экосистемы - функциональны, а не хаотично структурны, возникает системная целостность. В связи с этим одно из наиболее катастрофичных последствий деятельности человека связано с разрушением структуры экосистем и, следовательно, с разрушением структуры биосферы в целом как системной целостности.

Важным законом природы является закон развития природной системы за счет окружающей ее среды: любая природная система может развиваться только за счет использования материально-энергетических и информационных возможностей окружающей ее среды. Изолированное саморазвитие невозможно.

Из закона развития природной системы за счет окружающей среды вытекают важные в теоретическом и практическом отношении следствия.

1. Абсолютно безотходное производство невозможно. Согласно этому следствию можно рассчитывать лишь на малоотходные производства. Поэтому первым принципом разработки технологий должна быть их малая ресурсоемкость, обеспечивающая как на входе, так и на выходе экономичность и незначительные выбросы; вторым принципом должно быть создание цикличного производства, когда отходы одного производства являются сырьем для другого; третьим принципом - организация разумного захоронения неминуемых остатков и нейтрализация неустранимых энергетических отходов. Представление, что биосфера работает по принципу безотходности, ошибочно, так как в ней всегда накапливаются выбывающие из биологического круговорота вещества, формирующие осадочные породы.

2. Любая более высоко организованная биосистема, например вид живого, используя и видоизменяя среду жизни, представляет потенциальную угрозу для более низкоорганизованных систем. Согласно этому следствию воздействие человека на природу требует мероприятий по нейтрализации этих воздействий, поскольку они могут оказаться разрушающими для природы и угрожающими самому человеку. В связи с этим охрана природы и среды жизни должна быть одной из обязательных составляющих социально-экономической политики цивилизованного общества.

3. Биосфера Земли как система развивается не только за счет ресурсов планеты, но и опосредованно за счет и под управляющим воздействием космических систем, прежде всего Солнечной. Это следствие имеет важное значение для долгосрочного прогнозирования, оно должно учитываться при рассмотрении всех процессов, происходящих на Земле. Однако необходимо осознавать, что космические воздействия преломляются земными процессами и выявление здесь прямых связей носит вероятностный характер. Например, в годы солнечной активности необязательно будет проявляться весь аспект явлений, наблюдавшихся в предыдущий цикл активности светила. Они лишь могут возникать и статистически вероятны, но конкретное их проявление зависит от сочетания огромного числа космических и земных факторов.

Человек, для того чтобы выжить во все более быстро изменяющихся условиях окружающей его среды, должен уметь приспосабливаться к этим изменениям. Природа наделила его такими возможностями. Все представители вида Homo sapiens способны проявлять необходимую пластичность реакций в ответ на изменение внешней среды - приспособляемость. Приспособляемость выработалась в ходе эволюции. Процессы и явления активного приспособления человека к окружающей среде, жизнедеятельности, а также обусловленные ими изменения в организме называют адаптацией.

Канадский ученый Ганс Селье назвал факторы, воздействие которых на организм приводит к адаптации, стресс факторами. Другое их название - экстремальные или адаптогенные факторы.

По отношению к человеку адаптогенные факторы могут быть природными и социальными, связанными с трудовой деятельностью.

Природные факторы.Действие природных факторов, вызывающих развитие адаптационных механизмов, всегда является комплексным, так что можно говорить о действии группы факторов того или иного характера. Так, например, все живые организмы в ходе эволюции, прежде всего, приспособились к земным условиям существования: определенному барометрическому давлению и гравитации, уровню космических и тепловых излучений, определенному газовому составу окружающей среды и т. д. Животные приобрели способность заранее реагировать на смену времен года, например, при приближении зимы, но еще до наступления холодов у многих млекопитающих образуется значительная прослойка подкожного жира, шерсть становится густой, меняется ее окраска и т. д. Этот механизм предварительных изменений, позволяющий животным встретить надвигающиеся холода подготовленными, является замечательным достижением эволюции. В результате фиксированности в организме изменений окружающего мира и сигнального значения факторов внешней среды и развиваются опережающие реакции приспособления. Помимо смены сезонов в течение года животный и растительный мир адаптировался к смене дня и ночи. Эти природные изменения определенным образом зафиксированы во всех системах организма. Природные факторы действуют как на организмы животных и растений, так и на организм человека. В том и другом случаях эти факторы приводят к развитию адаптивных механизмов человеческой природы.

Социальные факторы. Социальные условия жизни человека породили специфические факторы, к которым необходимо адаптироваться. Их число растет с развитием цивилизации. Так, с расширением среды обитания появляются совершенно новые для человеческого организма условия и воздействия, например космические полеты, приносят новые комплексы воздействий: невесомость сочетается с гиподинамией, изменением суточного режима жизни и т. д. Люди, проникающие в недра земли или совершающие глубоководные погружения, подвергаются воздействию непривычно высокого давления, влажности, дышат воздухом с повышенным (пониженным) содержанием кислорода. Работа в горячих цехах или холодном климате создает факторы, требующие расширенного диапазона адаптации к крайним температурам. Выполняя свои служебные обязанности, человек вынужден приспосабливаться к шуму, вибрации, изменению освещенности и т.п. Загрязнение окружающей природы, включение в пищу большого числа синтетических продуктов, алкогольных напитков, злоупотребление медикаментами, курение - все это дополнительная нагрузка для гомеостазируемых систем организма современного человека. Переход к механизированным и автоматизированным формам труда сопровождается нарастанием Научные (инженерные) дисциплины, которые занимаются принципами создания чистых технологий, объединяются общим названием инженерной или прмышленной экологии. Данные дисциплины - разные по своему конкретному содержанию, но они объединяются общей методологией и общей целью - предельно сократить влияние промышленной деятельности на процессы кругооборота веществ в природе и загрязнение окружающей среды.

К экологии часто относят большое количество смежных отраслей знаний, главным образом из области охраны окружающей среды.

Охрана окружающей человека среды - это комплекс международных, государственных, региональных и локальных (местных) административно - хозяйственных, технологических, политических, юридических и общественных мероприятий, направленных на обеспечение социально - экономического, культурно - исторического, физического, химического и биологического комфорта, необходимого для сохранения здоровья человека. Здоровье человека - критерий состояния окружающей среды, а организм человека - это инструмент, позволяющий оценивать это состояние.

Помимо охраны окружающей человека среды существует понятие охраны природы.

Охрана природы - это совокупность международных, государственных и локальных (местных) административно - хозяйственных, технологических, политических, юридических и общественных мероприятий, направленных на сохранение, рациональное использование и воспроизводство природы Земли и ближайшего к ней космического пространства в интересах существующих и будущих поколений людей.

Иногда понятия охрана окружающей среды и охрана природы считают синонимом экологии, что вряд ли правомерно, поскольку экология как фундаментальная наука о взаимоотношениях живых организмов и среды значительно шире учения лишь об охране и защите этой среды, даже если в понятие среды включать всю природу Земли и ближайший космос.

Кроме того, экологи и специалисты сегодня по-новому ставят саму задачу охраны окружающей человека среды и охраны природы. Они считают, что пришло время говорить не об охране среды или природы, а о сохранении биосферы, имея в виду, прежде всего сохранение в ней самого человека как биологического вида, поскольку пока есть приток энергии Солнца, биосфера Земли будет существовать.