Исследование возможности переработки отходов производств тротила и нитробензола в 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

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 (нитропроизводных 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

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 fu-ture». 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 на-трий-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.%: SiO 2 71,5-72; Аl 2 O 3 1,5; CaO 8-8,5; Na 2 O 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 углеродсодержащих 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, Na 2 SO 4 , Na 2 СО 3 применяются для введения в состав стекла оксида натрия, а Na 2 SO 4 , NaCl, (NH 4 ) 2 SO 4 , Fe 2 O 3 , H 2 O – 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

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.%: SiO2 72,0; Аl2O3 1,5; CaO 7,0; Na2O 16,5; MgO 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 этих веществ в огарке отходов энергоемких соединений. В табл. 2 приведен состав опытной стекольной шихты для получения алюмомагнезиальной стекломассы.

Таблица 3. Характеристика образцов стекломассы

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 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.