С. Л. Хачатурян, доц., канд техн наук



Сторінка1/29
Дата конвертації10.01.2018
Розмір6.02 Mb.
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   29

Наукові записки, вип.13, 2013р.


УДК 62-192:620.193.21
С.Л. Хачатурян, доц., канд. техн. наук

Кіровоградський національний технічний університет
Вплив кліматичних факторів на надійність будівельно-дорожніх машин
У статті проаналізовано вплив кліматичних умов на надійність будівельно-дорожніх машин. Розглянуто вплив кліматичних факторів на властивості матеріалів і конструктивні особливості будівельно-дорожніх машин. Визначено характер безпосереднього впливу кліматичних факторів на підсистем, механізмів і обладнання будівельно-дорожніх машин

кліматичні фактори, будівельно-дорожні машини, надійність будівельно-дорожніх машин
Постановка проблеми. Експлуатація будівельно-дорожніх машин (БДМ) на відкритому повітрі ставить їх в умови активного та, як правило, вельми несприятливого діяння кліматичних факторів, до найголовніших з яких відносяться низькі та високі температури повітря, добові та річні амплітуди цих температур, сонячна радіація, вологість повітря, опади та вітер. Несприятливі діяння на БДМ здійснюють такі атмосферні явища, як тумани, завірюхи, іній, ожеледиця, пилові та піщані буревії та ін. У результаті несприятливого діяння кліматичних факторів властивості конструкційних і експлуатаційних матеріалів різко погіршуються. Зміна властивостей матеріалів, які використовуються, та пряме діяння деяких атмосферних явищ приводять до зниження надійності БДМ і ефективності їх використання.

Надійність роботи та ефективність використання БДМ, які експлуатуються на відкритому повітрі, в значній мірі визначаються ступенем відповідності, пристосованості їх конструкції до експлуатації в заданих кліматичних умовах, тобто їх кліматичною надійністю. Використання БДМ, непристосованих (нерозрахованих) для роботи в даних зонах, викликає в загальнодержавному масштабі значні невиробничі витрати.

Ефективне промислове освоєння та розвиток районів із складними кліматичними умовами можливе на основі широкого використання парку БДМ, які надійно працюють у цих районах.

Вирішення проблеми забезпечення оптимальної надійності БДМ при їх експлуатації в різних кліматичних умовах вимагає розробки питань кліматичної надійності БДМ і узагальнення накопиченого досвіду створення машин, розрахованих на роботу в певних кліматичних умовах.



Аналіз останніх досліджень. Проблеми забезпечення надійності БДМ і дослідження різноманітних факторів впливу на надійність протягом останніх десятиліть перебувають у сфері наукових інтересів як вітчизняних вчених, так і дослідників зарубіжних країн. Серед публікацій необхідно відмітити роботи В.Я. Аніловича, Б.О. Бондаровича, П.І. Коха, В.В. Нічке, П.П. Ощенкова, В.О. Ряхіна, Д.І. Федорова, О.А. Чооду. Проте вирішення проблеми забезпечення оптимальної надійності БДМ вимагає розробки питань кліматичної надійності БДМ і узагальнення накопиченого досвіду створення БДМ, розрахованих на роботу в певних кліматичних умовах.
___________

© С.Л. Хачатурян, 2013



Мета статті. Аналіз комплексного впливу несприятливих кліматичних факторів і атмосферних явищ на властивості матеріалів, окремих механізмів, систем і на надійність БДМ у цілому.

Виклад основного матеріалу. На властивості конструкційних матеріалів БДМ і, як наслідок, на надійність БДМ суттєво впливають далеко не всі кліматичні фактори та атмосферні явища. До факторів і явищ, які не здійснюють безпосереднього впливу на надійність БДМ, відносяться склад і форма хмар, дати перших заморозків, температура верхніх шарів ґрунту та ін. [2].

Найбільш суттєво на технічні пристрої впливають сонячна радіація, низькі та високі температури повітря, вологість повітря, швидкість вітру, тумани, завірюхи, пилові буревії та ін. (рис. 1). Зміни властивостей матеріалів залежать також від інтенсивності та тривалості діяння перерахованих факторів і їх найбільш несприятливого поєднання.

Рисунок 1 - Схема комплексного впливу основних кліматичних факторів і атмосферних явищ


на властивості матеріалів і надійність БДМ

Примітка: Складено за джерелом [2, c. 27]

Діяння кліматичних факторів викликає певного виду відмови, інтенсифікує потоки відмов, які виникають у результаті випадкових перевантажень, явищ стомлюваності в металі, дії сил тертя, недосконалості структурної схеми БДМ і ін.

На БДМ, механізми та обладнання при експлуатації на відкритому повітрі діють кліматичні фактори та атмосферні явища, що викликають зміну фізичних і хімічних властивостей матеріалів, які використовуються в конструкціях (метали, пластмаси, гуми та ін.) або які використовуються при їх експлуатації (мастильні матеріали, технічні рідини та ін.). Ці зміни в переважній кількості випадків викликають погіршення службових (експлуатаційних) властивостей матеріалів – зниження несучої здатності металів, коефіцієнту тертя фрикційних матеріалів, електричної міцності ізоляційних матеріалів і ін. Крім того, кліматичні фактори та атмосферні явища погіршують умови роботи пар тертя і механізмів БДМ внаслідок потрапляння в них вологи, снігу, інею, пилу та ін.

Погіршення експлуатаційних властивостей матеріалів і умов роботи механізмів БДМ викликає пускові та навантажувальні відмови, при котрих БДМ не може бути пущена в роботу (пуск у роботу при низьких температурах, наприклад, двигунів внутрішнього згорання) чи не може бути навантажена до розрахункових параметрів (буксування стрічкових конвеєрів і автомобілів при ожеледиці та ін.), і прискорює появу раптових і поступових відмов при роботі БДМ.

Оскільки під дією кліматичних факторів знижується надійність БДМ – насамперед змінюються властивості конструкційних і експлуатаційних матеріалів, слід розглядати вплив кліматичних факторів на ці матеріали [3].

Дія сонячної радіації на металеві елементи БДМ викликає підвищення температури як самих елементів, так і об’єму повітря, що знаходиться всередині цих елементів (кузовів, кабін керування, корпусів редукторів і ін.). У полімерних матеріалах, які використовуються в конструкціях БДМ, під дією сонячної радіації виникають складні процеси, що викликають старіння цих матеріалів. Крім того, сонячна радіація є основним фактором формування теплового режиму атмосфери та поверхні землі. Тому вплив на властивості матеріалів низьких і високих температур повітря визначається, в кінцевому розрахунку, впливом сонячної радіації на тепловий режим повітря.

Вплив низьких і високих температур на властивості матеріалів у більшості випадків носить діаметрально протилежний характер. Крім того, швидка зміна цих температур (протягом доби чи декількох годин) збільшує ефект шкідливого їх діяння на БДМ.

При різкій зміні температури повітря в елементах металоконструкцій можуть виникнути значні додаткові напруження, що викликаються різними швидкостями теплових розширень цих елементів. Найбільші температурні напруження виникають в тонких елементах, поміщених у жорсткий контур, так як зміна їх довжини відбувається швидше (особливо при вітрі) у порівнянні із зміною довжини масивних елементів.

При різкій зміні температури повітря відбувається нерівномірне охолодження чи нагрівання масивних деталей БДМ, що викликає додаткові напруження в матеріалі. Найбільші напруження виникають при різкому охолодженні деталей.

Внаслідок помірно континентального клімату України річна амплітуда температури повітря досягає 80°С [6]. При таких амплітудах температур значно змінюється опір обмоток, що викликає порушення режимів роботи електричних машин.

Діелектрична проникність повітря залежить від щільності повітря (тиску), вологості та температури. Низькі та високі температури разом з відповідною їм вологістю повітря впливають на напругу пробою повітряного зазору при даному тиску повітря. Різкі зміни температури, вологості, тиску повітря порушують роботу електричних установок, в яких повітря є ізолятором (струмопідвідні пристрої електричних кранів, екскаваторів і ін.).

У результаті різких змін температури на захисних лакових покриттях утворюються тріщини. При різних температурних розширеннях матеріалів (наприклад, сталі та шару фарби) відбувається розшарування цих матеріалів, і внаслідок цього відшарування, лущення та видалення шару фарби з металевих поверхонь.

При значних змінах тиску повітря погіршується робота карбюраторних двигунів і оливних трансформаторів.

Характер несприятливого впливу вологості повітря на матеріали залежить від відсоткового вмісту вологи в повітрі. При великому вмісті вологи в повітрі (більше 90%) вона знижує службові властивості матеріалів, проникаючи всередину цих матеріалів або утворюючи на їх поверхні плівки рідини. При малому вмісті вологи в повітрі (нижче 50%), волога, що міститься в матеріалах, випаровується в повітря, що також змінює властивості матеріалів: вони стають крихкими, в них з’являються тріщини.

Найбільш активно вологу з повітря поглинають гігроскопічні матеріали, наприклад ізоляційні, виготовлені на основі хлопку та паперу. Всередину матеріалу волога може проникати при поглинанні її матеріалом (капілярна конденсація) чи проникненні в структуру полімеру (в міжмолекулярні проміжки), а також через тріщини та великі пори в матеріалі. Насичення вологою таких матеріалів, як гума та деяких інших відбувається шляхом осмосу.

Швидкість проникнення вологи в матеріал збільшується при підвищенні температури оточуючого повітря. Волога, поглинута матеріалом або та, що проникла в нього іншими шляхами, різко знижує його об’ємний опір.

Осідаючи на поверхні матеріалу, волога утворює тонку плівку, в результаті поверхневий опір матеріалів знижується на декілька порядків. Найбільше зниження поверхневого опору ізоляторів відбувається при забрудненні плівки продуктами газів і пилу.

При осіданні вологи на металеві поверхні створюються сприятливі умови для атмосферної корозії металів. Цей вид корозії є найбільш розповсюдженим, і його частка складає біля половини загальних втрат металу від корозії. На швидкість атмосферної корозії крім вологості повітря впливає склад і забрудненість атмосфери та туману та температура повітря. Найбільш забруднені плівки вологи утворюються при діянні туману, так як він у найбільшій мірі здатен поглинати та переносити продукти забруднення повітря. При підвищенні вологості повітря, його температури та вмісту в повітрі та тумані солей, продуктів газів і пилу швидкість корозії збільшується.

Волога, що міститься в повітрі, взаємодіючи з рідкими мінеральними оливами (в картерних і інших мастильних системах машин), обводнює їх, внаслідок чого знижуються мастильні та антикорозійні властивості олив. Взаємодіючи з консистентними мастилами на натрієвій основі, волога утворює водні емульсії, в результаті чого мастила можуть повністю втрачати свої властивості як мастильні матеріали.

Попадання вологи в горючі матеріали (бензин і ін.) викликає порушення роботи двигунів внутрішнього згорання.

Низька вологість повітря викликає висихання матеріалів, їх усихання та короблення. Зниження вмісту вологи в ізоляції обмоток електричних машин підвищує опір цієї ізоляції. У той же час усихання ізоляції викликає утворення в ній мережі тріщин, які, блокуючи певні ділянки, приводять до викришування та руйнування ізоляції. Вміст вологи в повітрі різко змінюється протягом доби та року, а також при дощу та туману. Ця волога легко проникає в тріщини та оголені ділянки ізоляції та різко знижує її опір.

На надійність БДМ вітер здійснює різноманітний вплив: в одних випадках – сприятливий, в інших – несприятливий вплив на процеси в матеріалах, механізмах і елементах БДМ [4]. Крім того, вітер при великих швидкостях діє на БДМ як силовий (навантажувальний) фактор, створюючи додаткові напруження в елементах БДМ.

Вплив вітру на процеси в матеріалах проявляється головним чином у порушенні теплового балансу тіл. При нагріванні тіла сонячними променями вітер внаслідок конвекції повітря збільшує тепловіддачу поверхні тіла в повітря (власне теплове випромінювання поверхні).

Як силовий фактор вітер, діючи на БДМ, впливає на їх стійкість і напруження в елементах. При вітрі «неробочого стану», крани, що працюють на відкритому повітрі, повинні вимикатися з роботи, а їх угон і перекидання попереджуватися вмиканням протиугінних пристроїв.

Значні зміни атмосферного тиску несприятливо впливають на роботу карбюраторних двигунів внутрішнього згорання, турбокомпресорів, трансформаторів, електричних пристроїв, у котрих як ізоляційні середовища використовується повітря та ін. Так, при значному зменшенні атмосферного тиску повітря зменшується напруга пробою повітряного проміжку між провідниками. Ймовірність пробою збільшується на 30% при зниженні тиску з 1013 до 709гПа (з 1 до 0,7ат), що відповідає підйому на висоту біля 3000м над рівнем моря.

Атмосферний (барометричний) тиск значно змінюється із зміною висоти місцевості над рівнем моря. Тому найбільший вплив атмосферний тиск здійснює на БДМ при роботі у високогірних умовах.

При пилових і піщаних буревіях у повітрі міститься велика кількість (1500мг/м3 і більше) твердих частинок пилу та піску. Переміщуючись у повітрі, ці частинки при контакті з відкритими поверхнями матеріалів (гумою, ізоляційними матеріалами та ін.) стирають їх. Потрапляючи до вузлів тертя сковзання, тверді частинки пилу та піску багатократно збільшують швидкості абразивного зношування контактуючих поверхонь. У підшипниках кочення пил і пісок крім збільшення швидкості зношування елементів можуть викликати заклинювання. Це відбувається в тих випадках, коли частинки піску та пилу заповнюють зазор між кільцями та роликами чи кульками підшипників.

Осідаючи на обмотках електричних машин і апаратів, пил зменшує їх тепловіддачу в повітря, що призводить до перегрівання обмоток. Підвищення температури ізоляції обмоток різко зменшує терміни їх служби.

Пил, який містить частинки вугілля та металевих руд, при осіданні на ізоляторах, колекторах електричних машин і на відкритих струмоведучих частинах машин може викликати короткі замикання на корпус або між фазами.

При пилових і піщаних буревіях частинки пилу та піску заносяться в мастильні, гідравлічні та пневматичні системи машин, що збільшує зношування деталей [1]. Слід відмітити високу проникаючу здатність дрібного пилу, для котрого в багатьох випадках існуючі системи ущільнень не створюють нездоланних перешкод.

Під час пилових буревіїв пил і пісок, потрапляючи між гальмівним шківом і фрикційними накладками гальм, збільшують коефіцієнт тертя і гальмівний момент, який розвивається гальмами. За незмінною характеристикою гальм і інерційних мас це призводить до зменшення часу гальмування. У гальмівних системах БДМ таке (раптове) збільшення моменту, що розвивається гальмом, може призвести до небезпечного збільшення інерційних навантажень на елементи механізмів і металоконструкції БДМ.

Іній, осідаючи на матеріалах, не здійснює суттєвого впливу на їх структуру. У той же час, проникаючи в тріщини та великі пори ізоляційних матеріалів, іній може значно знизити їх питомий електричний опір. Осідаючи товстим шаром на неізольованих електричних провідниках, іній зменшує повітряний діелектричний проміжок між цими провідниками, що може викликати замикання провідників. Осідаючи на ізоляторах, голих дротах і опорних конструкціях ізоляторів, шар інею створює умови для пробою на корпус.

Ожеледь і ожеледиця викликають утворення шару криги на поверхні матеріалів, а у гігроскопічних вологих матеріалів, крім того, утворення частинок криги в порах, що знижує електричний опір цих матеріалів. В останньому випадку найбільш небезпечна ожеледиця, що виникає після відлиги та дощу при різкому похолоданні. При замерзанні вологи, що проникає в матеріал, відбуваються мікро руйнування цього матеріалу, що викликаються збільшенням об’єму криги.

При переході криги в рідку фазу (при відлизі чи нагріванні матеріалу) збільшені розміри пор у багатьох випадках зберігаються, що створює пухкість матеріалу. Крига чи вода, що утворюється при її таненні, знижують опір ізоляції електричних провідників. Утворюючись на голих дротах і ізоляторах крига викликає таке ж порушення в роботі електричних пристроїв, що й іній.

При заметілях сніг заноситься в найбільш важкодоступні, та, здавалося б, добре захищені місця БДМ. У результаті в багатьох випадках сніг здійснює діяння на матеріали та пристрої БДМ, які в більшості випадків на це не були розраховані. Діяння на матеріали мокрого снігу чи снігу, що тане на поверхні матеріалу, аналогічне діянню вологи, туману та роси. Сніг, який заповнив повітряний проміжок між неізольованими електричними провідниками, знижує до нульового значення опір повітря, як ізоляційного середовища.

Сухий сніг при заметілях здійснює абразивний вплив на поверхні матеріалів (лакові покриття, ізоляції, пофарбовані поверхні елементів БДМ і ін.).

У реальних умовах на машини, що експлуатуються на відкритому повітрі, діє весь комплекс кліматичних факторів. Ефект цього діяння визначається дією кожного з факторів, а також їх взаємодією. У багатьох випадках на властивості матеріалів, надійність БДМ і системи людина – машина – об’єкт діяння машини визначальний вплив здійснюють не стільки кліматичні фактори самі по собі, скільки їх несприятливе сполучення [5].

Найбільш несприятливе сполучення діяння таких факторів як низькі температури повітря та вітер, високі температури повітря та низька вологість і ін.

Властивості матеріалів під дією окремих кліматичних факторів або комплексу цих факторів змінюються в часі й тому залежать не тільки від характеру та інтенсивності діяння, але й від його тривалості. Чим більше тривалість дії кліматичних факторів, тим у більшій мірі змінюються властивості матеріалу.

Значна частина процесів зміни властивостей матеріалів під дією кліматичних факторів є процесами, котрі більш менш повільно протікають у часі (старіння полімерних матеріалів, корозія металів і ін.), що пояснюється уповільненими швидкостями хімічних і фізичних процесів у матеріалах, і періодичною дією кліматичних факторів. Цей періодичний характер визначається добовим і річним ходом (розподіленням у часі) кожного з факторів. Тривалість же можливого діяння кожного з кліматичних факторів залежить від клімату місця розташування зразків або експлуатації БДМ.



Висновки. З розгляду впливу та діяння окремих кліматичних факторів і їх комплексів видно, що безпосередній вплив більшості цих факторів має направлений вибірковий характер. Окремі кліматичні фактори впливають або тільки на певні матеріали, чи тільки на певні властивості цих матеріалів (табл. 1). Так, високі температури повітря не впливають на механічні властивості металів, але впливають на їх електропровідність.

Таблиця 1 – Характер безпосереднього впливу кліматичних факторів



Кліматичний фактор

Матеріали, на котрі цей фактор

впливає

не впливає

Сонячна радіація

Полімерні та олігомерні матеріали

Метали, технічні рідини

Низькі температури повітря

Метали, полімерні матеріали, технічні рідини



Високі температури повітря

Полімерні матеріали, технічні рідини, метали

Сталі (їх структуру)

Вологість повітря

Метали, полімерні матеріали, технічні рідини

Керамічні матеріали

Вітер

Полімерні матеріали

Метали

Фактори холодного клімату найбільший вплив здійснюють на матеріали, що використовуються в механічних підсистемах БДМ (сталі, пластмаси, технічні рідини та ін.), а фактори жаркого клімату найбільший вплив здійснюють на матеріали, що використовуються в електричних підсистемах БДМ (ізоляційні матеріали, ізоляційні та покривні лаки та ін.). Цей спрямований характер діяння кліматичних факторів визначає види та параметри потоку відмов механічних і електричних підсистем БДМ при їх експлуатації в різних кліматичних зонах і в різні періоди року.

Таким чином, вплив кліматичних факторів на надійність складної БДМ слід розглядати по відношенню до її підсистем, механізмів і обладнання, а не по відношенню до всієї БДМ у цілому.

Список літератури



  1. Дмитриев В.А. Влияние климатических условий эксплуатации на тепловой режим гидросистемы и производительность одноковшовых экскаваторов / В.А. Дмитриев. – СПб, 1981.

  2. Кох П.И. Климат и надёжность машин / П.И. Кох. – М.: Машиностроение, 1981. – 175 с.

  3. Кричевский Ю.И. Влияние климата на надёжность машин и механизмов / Ю.И. Кричевский. – Минск.: Наука и техника, 1968. – 92 с.

  4. Ощенков П.П. Оценка влияния надёжности автомобиля КамАЗ на безопасность дорожного движения в условиях Севера: дис. … кандидата техн. наук: 01.02.06 «Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры» / Ощенков Пётр Платонович. – Якутск, 2000. – 146 с.

  5. Чооду О.А. Разработка методики оценки влияния климатических условий на эксплуатацию дорожно-строительных машин: дис. … кандидата техн. наук: 05.05.04 «Дорожные, строительные и подъёмно-транспортные машины» / Чооду Остап Андреевич. – Санкт-Петербург, 2009. – 128 с.

  6. Веб-сайт: www.lnu.edu.ua.

С. Хачатурян

Влияние климатических факторов на надежность дорожно-строительных машин
В статье проанализировано влияние климатических условий на надежность дорожно-строительных машин. Рассмотрено влияние климатических факторов на свойства материалов и конструктивные особенности дорожно-строительных машин. Определён характер непосредственного влияния климатических факторов на подсистемы, механизмы и оборудование строительно-дорожных машин.
S. Hachaturian

Influence of climatic factors on reliability of road-build machines
In the article influence of climatic terms is analyzed on reliability of road-build machines. Influence of climatic factors is considered on properties of materials and structural features of road-build machines. Character of the direct influencing of climatic factors is certain on subsystems, mechanisms and equipment of road-build machines.
Одержано 10.02.12

УДК 541.18:622.765:546.49:546.81
Л.М. Лопатенко, доц., канд. хім. наук
Кіровоградського державного педагогічного університету ім. Володимира Винниченка
С.В. Лопатенко, доц., канд.фіз.-мат.наук

Кіровоградського національного технічного університету
Фактор розділення як критерій ефективності флотаційного виділення іонів свинцю, цинку та купруму з водних розчинів
Показано суттєвий вплив на ефективність процесу виділення іонів плюмбуму та його розділення від іонів супутніх металів цинку та купруму концентрації металів та концентрації калієвих солей жирних кислот, кислотності розчину, температури, кінетичних закономірностей процесу. Справедливість пояснення отриманих фізико-хімічних закономірностей процесу флотації підтверджено результатами хімічного, ІЧ-спектроскопічного вивчення сублатів, що містять іони плюмбуму, та електрофоретичного та кондуктометричного дослідження колоїдних розчинів.

фактор розділення, критерій ефективності, флотаційне виділення, іони, водний розчин
Відповідно статтям Конституції України обов’язком держави є забезпечення реалізації Основних напрямів державної політики України у галузі охорони довкілля, використання природних ресурсів та забезпечення екологічної безпеки [1].

Нинішню екологічну ситуацію в Україні можна охарактеризувати як кризову, що формувалася протягом тривалого періоду через нехтування об'єктивними законами розвитку і відтворення природно-ресурсного комплексу України [2].

Головними причинами, що призвели до загрожуючого стану довкілля, є: застаріла технологія виробництва та обладнання, висока енергомісткість та матеріаломісткість, що перевищують у два - три рази відповідні показники розвинутих країн; високий рівень концентрації промислових об'єктів; несприятлива структура промислового виробництва з високою концентрацією екологічно небезпечних виробництв; відсутність належних природоохоронних систем (очисних споруд, оборотних систем водозабезпечення тощо), низький рівень експлуатації існуючих природоохоронних об'єктів. відсутність належного контролю за охороною довкілля.

У ряді регіонів України висока концентрація хімічних, металургійних та нафтохімічних виробництв призвела до занадто високого рівня забруднення джерел водопостачання. Основними причинами забруднення поверхневих вод є скидання неочищених та недостатньо очищених господарсько-побутових і виробничих стічних вод. Протягом останніх років спостерігається стала тенденція до погіршення якості води за вмістом біогенних та органічних речовин, синтетичних поверхнево-активних речовин, іонів важких металів майже в усіх поверхневих водах, що зумовлює погіршення питного водопостачання населення, виникнення замору риб та утруднює рекреаційне використання водних об'єктів.

Кардинальне рішення вказаної проблеми можливе лише на основі створення безвідходних технологій, які виключають попадання стоків в навколишнє середовище. Тому найбільш важливим завданням захисту довкілля є розробка таких методів очистки стічних вод, які в змозі забезпечити їх повторне використання в технологічному цикл з одночасною утилізацією продуктів водоочищення. Проблема
___________

© Л.М. Лопатенко, С.В. Лопатенко, 2013

природних умов та якості води є найважливішою й привертає увагу вчених всього світи. Тому дослідження науковців спрямовані на пошук дешевих та ефективних методів виділення шкідливих речовин з стічних вод різних підприємств є дуже актуальними. Очищення стічних вод від важких металів можна здійснювати багатьма методами, всі вони володіють різними перевагами та недоліками, мають певні обмеження та відрізняються за економічною ефективністю [3-5].

Метою даної роботи є вивчення фізико-хімічних закономірностей флотаційного виділення із водних розчинів іонів плюмбуму Рb2+ та можливостей його розділення від іонів супутніх металів цинку Zn2+ та купруму Cu2+.

Проведені дослідження показали, що ефективними реагентами для флотаційного виділення іонів металів є калієві соли насичених жирних кислот СЖК . Ефективність застосування СЖК в якості флотаційних збирачів полівалентних металів в значної ступені пояснюється розчинністю мил відповідних металів, що виділяються з водних розчинів. Проведені дослідження дозволили встановити кількісний зв'язок між розчинністю мил плюмбуму та довжиною вуглеводневого ланцюга. Вплив довжини вуглеводневого ланцюга на розчинність мил плюмбуму (II) характеризували числовими значеннями коефіцієнтів А=2, 4 і В=0,2 в рівнянні Клевенса

lg ККМ = А – nВ,


обчислених на основі зміни енергії Гіббса ∆G під час міцелоутворення.

Термодинамічний аналіз процесу та встановлені експериментальні дані, дозволили здійснити свідомий вибір збирача іонів Pb2+ з оптимальною довжиною вуглеводневого ланцюга, що забезпечить задану остаточну концентрацію іонів Pb2+ в розчині.

Подальший експериментальні дослідження показали, що для кожної СЖК існує своя визначена область кислотності середовища, в якої ступінь виділення іонів Pb2+ максимальна: для калій лаурата це область рН=3.5-6,0, для пальмітата- 4,5-6.0 та для стеарата – 5,0 – 8,0. лауреата Зміщення області значень рН до лужного середовища зі збільшенням довжини вуглеводневого ланцюга знаходяться в відповідності з розрахунковими значеннями рН початку розкладання мил плюмбуму.

Для кожного з п’яти збирачів СЖК, що досліджувалися, існує визначена концентрація в розчині, при якої ступінь флотаційного виділення іонів Pb2+ максимальна(α = 90-98%). Значне флотаційне виділення іонів плюмбуму спостерігається про 100% витраті калій лаурата,тридеканата та пентадеканата й 50% витраті калій стеарата та пальмітата (рис.1).

Отже в першому випадку флотація плюмбуму відбувається в формі середньої солі Pb [ CH 3(CH2)n COO]2 а в другому випадку – в формі основної солі PbОН [ CH 3(CH2)n COO]. Справедливість сказаного підтвердили результати хімічного, ІЧ-спектроскопічного вивчення сублатів, що містять плюмбум та електрофоретичного та кондуктометричного дослідження колоїдних розчинів.

За наслідками проведеного дослідження визначено оптимальні умови ефективного виділення іонів плюмбуму: впливу на ступінь флотаційного виділення концентрації іонів Pb2+ та СЖК рис. 1, температури рис. 2 , кислотності середовища та часу обробки флотації рис.3.


а - ступінь флотаційного виділення(α) плюмбуму; б – вміст плюмбуму (Си)


в ультрафільтраті відповідних колоїдних розчинів

Рисунок 1 – Вплив витрати g% калій лаурата (1), тридеканата (2), пентадеканата (3), пальмитата (4), стеарата (5) на


Рисунок 2 – Вплив температури t0 розчинів на ступінь флотаційного виділення(α) плюмбуму,


зібраного за допомогою лаурата (1), тридеканата (2), пентадеканата (3), пальмитата (4).

Рисунок 3 – Вплив часу флотаційної обробки розчинів t на: а - ступінь флотаційного виділення(α) плюмбуму, зібраного за допомогою калій лаурата (1), тридеканата (2), пентадеканата (3), пальми тата (4) та стеарата (5); б – значень відповідних величин lg (a - α) (1,2,3).

Отримані результати дозволили в подальшому розв’язати завдання флотаційного розділення іонів Pb2+ і Zn2+, Pb2+ та Cu2+.

Було встановлено, що флотаційного розділення іонів Pb2+ від іонів супутніх металів можливе в визначеної області значень рН , межі якої визначаються формами знаходження металів в розчині, а також розчинністю та стійкістю солей жирних кислот плюмбуму, свинцу та купруму.

На ефективність процесу розділення іонів суттєвий вплив здійснює кислотність середовища. При зміні значень рН бінарних розчинів плюмбум та цинк нітратів від 2 до 12 ступінь флотаційного виділення обох металів спочатку збільшується, потім зменшується. Максимальне виділення плюмбуму 90% спостерігається при рН = 5,0 , в той час як ступінь флотаційного виділення цинку досягає свого максимального значення 75% при рН=8,0 Отриманні дані добре погоджуються з результатами вмісту металів в ультрафільтратах колоїдних розчинів: положення максимуму ступені флотаційного виділення металів співпадає з положенням мінімуму вмісту його в ультрафільтраті (рис. 4).

Зменшення ступені флотаційного виділення іонів Pb2+ і Zn2 при зниженні значень рН менш оптимальних зумовлено розкладанням лауратів цих металів, що супроводжується утворенням слабодисоційованої лауринової кислоти. Збільшення рН вище оптимальних значень пояснюється утворенням гідроксидів металів та іонів Me(OH)3- , які не взаємодіють з калій лауратом.



Рисунок 4 – Вплив кислотності розчинів (рН) на ступінь ступінь флотаційного виділення(α)
плюмбуму (1) та цинку (2), зібраних за допомогою калій лаурата із їх бінарних розчинів

та на вміст плюмбуму (Си) в ультрафільтраті колоїдних розчинів (3).

Найбільша різниця в ступенях флотаційного виділення плюмбуму та цинку 68% досягається при рН=4,5 і при витраті калій лаурату - 100% від стехіометрично необхідної концентрації (рис 5).

В той час як найбільша різниця різниця в ступенях флотаційного виділення плюмбуму та купруму 63% спостерігається при рН=4,0 та витраті калій лаурату – 20 і 110% від стехіометрично необхідної концентрації для отримання лауратів плюмбуму та купруму (рис 6).





Рисунок 6 – Вплив витрати (g%) калій лаурата y на ступінь флотаційного виділення(α) плюмбуму (1) та купруму (2), із їх бінарних розчинів зі значенням рН =4,0.


Рисунок 5 – Вплив витрати (g%) калій лауреата y на ступінь флотаційного виділення(α) плюмбуму (1) та цинку (2), із їх бінарних розчинів зі значенням рН =4,5.
З метою кількісного порівняння отриманих результатів проведено обчислення фактора розділення F іонів Pb2+супутніх іонів металів Zn2+ , Cu2+ за формулою:
F = Сп(Pb)· Сp(Me)/ Сп(Me)· Сp(Pb),
де Сп(Pb) і Сп(Me) – концентрація плюмбуму та супутніх металів в пінному продукті;Сp(Pb) і Сp(Me) - концентрація плюмбуму та супутніх металів в розчині, а також вміст плюмбуму в пінному продукті Р при різних значеннях кислотності розчинів (табл.1,2):
Таблиця 1 – Вплив рН середовища на фактор розділення F іонів Pb2+ і Zn2+ та вміст плюмбуму в пенному продукті Р

рН

3,0

4,0

4,5

5,0

7,0

8,0

10,0

F

0

1,3

27,0

10,2

1,1

1,5

2,1

P%

0

6,4

83,6

74,1

57,6

55,3

52,2

Таблиця 2 – Вплив рН середовища на фактор розділення F іонів Pb2+ і Cu2 та вміст плюмбуму в пенному продукті Р



рН

3,0

4,0

4,5

6,0

7,0

8,0

10,0

F

11,0

20,0

4,8

0,4

2,0

1,5

0,8

P%

81,5

67,7

43,9

25,4

38,1

34,5

33,9

З метою подальшого застосування результатів при відпрацюванні технології виділення шкідливих компонентів в умовах виробництва проведено дослідження кінетичних закономірностей флотаційного процесу розділення іонів Pb2+ і Zn2 рис. 53 та іонів Pb2+ та Cu2+ рис. 7,8.




Рисунок 7 – Вплив часу флотації (t) на ступінь флотаційного виділення(α) плюмбуму (1) та цинку (2) із їх бінарних розчинів
зі значенням рН =4,5.

Рисунок 8 – Вплив часу флотації (t) на ступінь флотаційного виділення(α) плюмбуму (1) та купруму (2) із їх бінарних розчинів
зі значенням рН =4,0.

Окрім того проведено обчислення фактора розділення F іонів Рb2+супутніх іонів металів Zn2+ , Cu2+ та вміст плюмбуму в пінному продукті Р при різних концентраціях калій лауреату, а також при різному часі флотаційної обробки розчинів табл 3 .


Таблиця 3 – Вплив часу флотаційної обробки розчинів (t) на фактор розділення F іонів Pb2+ і Cu2 та вміст плюмбуму в пінному продукті Р

t , хв

1

2

3

4

5

6

8

F

-

26,6

22,4

24,6

26,7

35,8

35,8

Р

100

78,7

71,7

68,3

67,0

67,4

67,4

Отриманні дані дозволили визначити оптимальні умови виділення іонів Pb2+ та їх флотаційного розділення з супутніми іонами Zn2+ , Cu2+ .

Опробацію флотаційної обробки розчинів здійснювали на установках різних типів, в тому числі на установці для напорної флотації та імпеллерної однокамерної флотаційної установці, а також використовуючи електрофлотатори.

Відомо також застосування процесів адсорбції, обмінної адсорбції для ефективного виділення шкідливих компонентів із водних та неводних середовищ [6,7] . Протягом останніх років в національному технічному університеті України "Київський політехнічний інститут" успішно розробляється науковий напрям з біологічного очищення побутових та промислових стічних вод з метою створення високоефективних, маловідходних та економічно вигідних технологій з використанням сучасних рішень: анаеробно-аеробних процесів, нітриденітрифікації, анамокс-процесу, іммобілізованих мікроорганізмів, біоконвеєрних технологій [8,9].

Отриманні результати доводять, що використовуючи науковий потенціал країни можна вирішити певні проблеми захисту водних басейнів від забруднення шкідливими речовинами. Але існуючий рівень утилізації відходів вторинних ресурсів поки ще не впливає на поліпшення стану довкілля. Це пов'язано з тим, що до переробки залучаються в основному великотоннажні гірничопромислові та деякі інші відходи - малотоксичні чи нейтральні. Тому екологічний ефект переробки відходів є незначним. Приділяється мало уваги будівництву спеціалізованих заводів з переробки токсичних промислових відходів, немає належним чином організованої системи збирання, зберігання та видалення токсичних відходів, фактично відсутні техніка та обладнання для переробки відходів будівництва і комунального господарства.

Список літератури



  1. Постанова КМУ №1147від 17.09 1996, зміни 3996 від 19.09.2011.

  2. Огляд природоохоронної діяльності. Україна Другий огляд. Організація Об’єднаних Націй, 2007,- 215 с.

  3. Фоминых И. М. Сорбционная очистка сточных вод от тяжелых металлов материалами на основе кремнистых пород: дис. канд. техн. Наук. Екатеринбург, 2006. 110 с.

  4. Дегтев Н.И., Горчаков А.Ф. Способ очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов. /Пат.2189363. опубл.20.09.2002.

  5. Сергеев В.В., Якимова Н.И., Папурин Н.М. Применение углеродных сорбентов нового поколения для очистки питьевой и сточной промышленной воды // Вода и экология. 2001. №1. - С. 34 – 37.

  6. Когановский A.M. Адсорбционная технология очистки сточных вод. К.: Наукова думка, 1983. – 301 с.

  7. Дмитриенко Г.И., Овчаров А.Ф., Курдюк К.М., Гвоздяк П.И. Использование биотехнологической очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов. // Химия и технология воды. 1997. №5. - С. 512 – 514.

  8. Кузьмина Н.А. [Електронний ресурс]: Режим доступу: http://www.bіotechnolog.ru/prombt/prombt1_6.htm.

  9. Постанова КМУ від 11.09.2007 р. № 1118 "Про затвердження Державної програми прогнозування науково-технологічного розвитку на 2008-2012 роки". [Електронний ресурс]: Режим доступу : http://zakon1.rada.gov.ua/cgi-bin/laws/main.cgi

Показано существенное влияние на эффективность процесса выделения свинца и его отделения от сопутствующих металлов цинка и меди концентрации металлов и концентрации собирателей калиевых солей жирных кислот, кислотности раствора, температуры, кинетических закономерностей процесса. Справедливость пояснения полученных физико-химических закономерностей процесса подтверждено результатами химического и ИК спектроскопического изучения продуктов взаимодействия металлов с СЖК, электрофоретического и кондуктометрического исследования растворов.

A fundamental solution to the problem of environmental protection is possible through the creation of non-waste technologies that exclude discharge of production waste into the water bodies of the country. This study selects optimal parameters of effective flotation separation of lead ions and separation of lead ions from zinc and copper ions. A significant influence on the efficiency of the concentration of metals and salts of synthetic fatty acids, acidity, temperature and kinetic regularities of the process is demonstrated.
The validity of our theory was confirmed by chemical and IR spectroscopic study of the interaction products of metals with synthetic fatty acids and electrophoresis and conductometric studies of solutions.

Одержано 25.02.12




Поділіться з Вашими друзьями:
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   29


База даних захищена авторським правом ©wishenko.org 2017
звернутися до адміністрації

    Головна сторінка