Концептуально-методичні засади підвищення екологічної безпеки виробництва синтетичних ниток, волокон, плівок

У п'ятому розділі представлено результати досліджень щодо розробки концептуально-методичних засад раціонального використання сталей. у виробництві ПЕТФ, ПП, ПА використовується різноманітне металеве устаткування з загальною вагою понад сотні тисяч тонн, тому економне використання ПР в устаткуванні розглядається нами згідно з представленою концепцією як один із факторів підвищення екологічної безпеки виробництва СНВП. Роботу щодо збереження ПР проводили у двох напрямках: обґрунтування заміни високолегованих сталей в устаткуванні на сталі з меншою кількістю дефіцитних компонентів; запобігання руйнації численних металевих деталей шляхом вдосконалення технології їх виготовлення. Згідно з першим напрямом проведено експериментальні та теоретичні дослідження щодо методології вибору матеріалу для устаткування з метою зменшення кількості дефіцитних компонентів у сталі при забезпеченні чис- тоти середовища (ТС) та протидії утворенню відходів. Визначено, що _кор деяких ПС за умови виробництва ПА змінюється від 4·10-³ г/м²·год до 20·10-³ г/м²·год. Це дає підставу для пошуку можливості використання сталей з меншою кількістю дефіцитних компонентів (порівняно з маркою 12Х18Н10Т, котра використовується сьогодні). Думка щодо важливості зменшення використання дефіцитних компонентів не нова, її проголошено у працях Колотиркіна Я.М., Новаковського В.М., Заєць І.І. та інші ще у 80-х роках. Було підкреслено, що за недотримання геохімічного принципу розплачуються наступні покоління. Сьогодні, як відомо, світових запасів нікелю (40 % якого йшло на виготовлення сталей) залишилось не більше як на 4 десятиріччя.

Нами розроблено методичні засади щодо використання сталі, запропоновано в якості критерію для практичного використання розрахункове значення допустимої кількості заліза в технологічному середовищі (В_доп.). При цьому В_доп. розраховується на основі відомих обмежень щодо наявності заліза (_Fe), маси (m_тс) технологічного середовища, часу. Обмеження щодо наявності заліза в ТС виявлено для різних виробництв, нами запропоновано принцип вибору матеріалу устаткування не тільки для виробництва СНВП -- ПА, ПЕТФ, ПП, а й інших, наприклад, віскозних. Принцип вибору матеріалу для устаткування складається з порівняння допустимої кількості заліза В_доп = _Fe · m_тс з тією кількістю заліза В_х = _кор Ч ф Ч s, яка може накопичитись в технологічному середовищі при заданих апаратурно-технологічних умовах процесу та корозійній стійкості матеріалу обладнання. За умови В_х ? В_доп стає можливим використання запропонованого матеріалу в устаткуванні з мінімізацією ЕНСЕ.

Використавши при аналізі властивостей матеріалу для нового устаткування конструкції ВАТ "Хімтекстильмаш" -- форполімерізатора установки двохступінчастого поліамідування УДСП-30К і форекстрактора установки безперервної екстракції та сушіння УНЭ-30К їх конструктивні параметри, отримуємо значення допустимої втрати ваги.

Згідно з іншим напрямком розглянуто запобігання руйнації металевих ниткопровідників, тисячі одиниць котрих використовуються у виробництві СНВП. На першій стадії реновації -- розчиненні зношеного ниткою хромового покриття -- ниткопровідник занурюється у розчин HCl без використання струму. За умови гладкої поверхні хром рівномірно розчиняється з поверхні деталі.

Для складної розвиненої поверхні, створеної ударами абразивних часток,

Дд = f (i_k),

де Дд -- товщина шару хрому, i_k -- фактична миттєва густина струму. Оскільки i_k (в) >> i_k (н), де i_k (в) -- фактична густина струму на виступах, i_k (н) -- фактична густина струму у западинах, то Дд (в) >> Дд (н), де Дд (в) -- товщина шару хрому на виступах, Дд (н) -- товщина шару хрому у западинах. Тому, доки на одних ділянках хром поступово розчиняється, на інших ділянках відбувається перетравлення, розтріскування ниткопровідника. Це потребує зняття пошкодженого шару металу деталі, що поступово призводить до зменшення розмірів деталі. Для деталей у формі тіл оберту із отвором у середині, різьбою, зварними швами циклічність процесу реновації призводить до накопичення негативного впливу корозійного середовища, зростання тріщин (особливо при наявності рисок, дефектів поверхні), руйнації посадочних місць кріплення деталі на машину та перетворення металевої деталі у відходи та брухт. За результатами дослідження кінетики розхромування без та в присутності інгібітору встановлено можливість використання відходу виробництва ПА як інгібітору під час розхромування. Виявлено, що використання інгібітору (І_н) дозволяє зменшити корозію деталі з сталі Ст.3: _m=2,13--3,22 для концентрації 1--3 г/дм³ І_н, а Z_m = 53--68,9. Присутність І_н практично не заважає розчиненню хромового покриття, як це видно з табл.. 2, де представлено зміну оптичної щільності розчинів (D) та концентрації іонів хрому Cr³⁺. Концентрація іонів хрому Cr³⁺ в розчині при розхромуванні (ТС) без та в присутності інгібітору вже через 1,5 год процесу суттєво не відрізняється.

Отримані результати дозволяють вдосконалити наявний процес реновації хромованих ниткопровідників щодо зменшення токсичних відходів. Цей технологічний засіб захищений автором Деклараційним патентом України на корисну модель № 2834.

У шостому розділі представлено результати експериментальних досліджень щодо зменшення ремонтних відходів на стадії формування. Руйнація та заміна екструдера впливає на кількість металевих відходів, відходів сировини, використання енергії формовочним агрегатом МФ-600-КШ24, а також використання непередбачених основною технологією органічних розчинників при промиванні устаткування під час ремонту, тобто виникнення нових (ремонтних) відходів. Негативний вплив цих ремонтних відходів на біоценози виявлено за допомогою бактерій Enterobacter aerogenes -- кількість ґрунтових азотфіксуючих бактерій зменшується залежно від концентрації забруднювача.

Зменшення ремонтних відходів забезпечує підвищення працездатності устаткування шляхом впровадження відповідних матеріалів.

Використання сталі 38ХМЮА з газовим азотуванням поверхні на глибину 0,5 мм було визнано незадовільним для переробки ПА у зв`язку із значною руйнацією деталей: протягом двох місяців роботи зношування шнека складало 0,45 мм, а гільзи -- 0,2 мм. Дослідження корозійної стійкості різноманітних сталей до розплаву полікапроаміду, гліцерину, триетиленгліколю, оцтової, соляної, сульфатної кислоти, виявило підвищену корозійну стійкість безнікелевих експериментальних легованих хромом, молібденом, кобальтом та ітрієм сталей. Швидкості корозії сталі для марок 20Х15М2К3 та 50Х15М2К3 у сірчаній кислоті з часом змінюється: до 5 год зі збільшенням часу експерименту швидкість корозії зростає, а після -- зменшується. До того ж швидкість корозії сталі 20Х15М2К3 зростає у 19,4 рази, а сталі 50Х15М2К3 -- тільки у 1,3 рази.

Збільшення вмісту вуглецю призводить до зміни характеру залежності швидкості корозії сталі з часом. Так, для сталі марок 70Х15М2К3 та 90Х15М2К3 із часом експерименту швидкість корозії зменшується. Регресійним аналізом встановлені залежності _кор= f(C) (де С -- вміст вуглецю у відсотках), які мають вигляд експоненціальної функції. Для сталі 70Х15М2К3 _кор=2,23·ф-^0,72 та для сталі 90Х15М2К3 _кор=5,321· ф^-0,92.

дослідженням експериментальних сталей 70Х15М2К із вмістом кобальту 1--5 % виявлено, що підвищення вмісту кобальту від 1 до 3 % та від 3 до 5 % зменшує швидкість корозії у сульфатній кислоті у 2,05 та 1,2 рази, відповідно, при часі експерименту 1 год; у 6,4 та 1,28 рази, відповідно, при часі експерименту 24 год. залежність _кор від С_Со має логарифмічний характер. Додавання ж до експериментальної сталі (ЕС) 0,2ч0,3% ітрію дозволяє суттєво підвищити її корозійну стійкість. Це робить сталь перспективною щодо використання на багатьох етапах виробництва.

Дослідження впливу тиску на характер зношування ЕС і ПС в умовах, що моделюють виробництво ПА, виявило посилення корозійних процесів зі зростанням тиску від 50 кПа до 200 кПа. За цих умов більш придатне використання сталі 70Х15М2К2. Деталі, відлиті з цієї сталі, мають твердість 48--50 HRC, яка заважає механічній обробці. З метою використання цієї нової сталі досліджено залежність твердості сталі від умов термічної обробки, що дозволило отримувати сталь із необхідними властивостями.

Вдосконалення конструкції екструдера шляхом впровадження замість сталі 38ХМЮА матеріалу 70Х15М2К2 підвищило строк служби екструдерів у 6 разів. Це забезпечило на машинах МФ600-КШ-24 зменшення відходів капролактаму на 57888 кг, економію енергії у 46699,2 кВт, зменшення металевих відходів та забруднюючих довкілля токсичних відходів. До того ж відходи, які утворюються за рахунок ремонтних втрат, з урахуванням втрат сировини на попередніх стадіях є значно більшими, створюють синергічний ефект та впливають на ЕНСЕ з урахуванням інтоксикації біоценозів, забруднення ґрунту, водних ресурсів, повітря.

Таким чином, проведене нами вдосконалення конструкції екструдера з використанням безнікелевої сталі 70Х15М2К2 забезпечило зменшення забруднюючих довкілля відходів і підвищення на цьому етапі екологічної безпеки виробництва СНВП.

У сьомому розділі приведено результати теоретичних і експериментальних досліджень щодо розвитку започаткованого автором дисертації нового наукового напрямку створення необхідних для зменшення токсичних відходів нових хромових покриттів (які на відміну від традиційних не повторюють мікрорельєф поверхні деталі). Відомо, що загальноприйнятим напрямком хромування є отримання хромового покриття, яке повторює мікрорельєф поверхні деталі. Це висвітлено в роботах Городиського О.В., Бірюкова М.Д., Болдирєва Е.І., Ваграмян А.Т., Іванової Н.Д., Іванова С.В., Лайнера В.І., Левитського Г.С., Шлугера М.А. Такі покриття мають цінні властивості для автомобілебудування, приладобудування, машинобудування. Проте у контакті з ниткою гладка хромова поверхня обриває нитку, створює відходи. Автором дисертації вперше виявлено, що за певних умов хромове покриття не повторює мікрорельєф поверхні деталі (основи), а має власний мікрорельєф, характер якого визначається умовами процесу. Цим було започатковано новий науковий напрямок робіт щодо зменшення токсичних відходів через забезпечення необхідного для контакту з ниткою мікрорельєфу поверхні хромованої деталі. Серед багатьох відходів, що утворюються внаслідок незадовільної взаємодії пари нитка--ниткопровідник, особливо небезпечними є відходи хрому. Хром є мутагенним та токсикогенним компонентом, котрий здатен поступово накопичуватись в організмі і приводити до незворотніх руйнацій.

За результатами експерименту отримано рівняння, що адекватно описує процес абразивної обробки поверхні: R_a = (0,0094·АЧ - 0,0611) · е^г, де г = (0,296·АЧ + 3,814) · Р. Виявлено можливість отримання хромованої поверхні з кулькоподібними мікровиступами (ХПКМ), зміну мікрорельєфу поверхні (рис. 17) та її властивостей (Д = 5ч50 мкм, h=0,09ч0,3; БП = 3ч20%) залежно від зміни параметрів процесу. Дослідження топографії експериментальних зразків, проведене за допомогою сучасного комплексу на базі атомно-силового мікроскопу NT-206V з апаратними і програмними засобами, дозволило встановити механізм формування поверхні -- поступове її вигладжування шляхом зростання окремих виступів наслідок різниці між миттєвими щільностями струму на мікровиступах та мікрозападинах. Складність розвинутої абразивною підготовкою поверхні зберігається і під час утворення хромового шару.

Проведені дослідження дозволили з'ясувати роль основних параметрів процесу хромування та поверхні деталі і механізм в отриманні відкладень хрому на мікровиступах поверхні у вигляді кульки: М=f (R_a/Д; І_к/R_a). Виявлено, що відкладення хрому у вигляді кульки відбуваються при R_a/Д=1ч10 та І_к/R_a=100-1000 А/дм²·мкм (А. с. 1313013). Така поверхня зменшує руйнацію деталі (та гальванічні відходи), а також руйнацію нитки (та відходи, пов'язані з ниткою).

Створена нами технологія отримання хромованої поверхні з кулькоподібними мікровиступами (розмір яких можна змінювати відповідно до умов виробництва залежно від діаметру різних ниток) дозволяє перейти до вдосконалення нагрівача, котрий особливо впливає на утворення різноманітних відходів. Вивчено утворення відходів нитки від недосконалих ТЕП безпосередньо на стадії витягування нитки та на стадіях подальшої її переробки. Проведено моделювання процесу нагрівання та витягування нитки з використанням положень теплофізики і чисельного аналізу. У процесі дослідження нагрівачів було зроблене припущення, що комплексна нитка, яка витягується на плоскому нагрівачі, розглядається як одношарова стрічка, а нагрівання її є ідентичним нагріванню окремого елементарного волокна.

Оскільки діаметр волокна на нагрівачі не перевищує 30--35 мкм, і критерій Біо значно менше одиниці (Ві<<1), то можна не враховувати радіальний розподіл температури нитки, замінюючи її середньою температурою.

Оскільки при теплопередачі від ХПКМ відсутній щільний контакт із ниткою, а тепло передається через повітря або шар забруднень, який знаходиться на поверхні ТЕП, коефіцієнт тепловіддачі розраховуємо через суму термічних опорів:

де б_ХПКМ -- коефіцієнт тепловіддачі хромованої поверхні з кулькоподібними мікровиступами, б_ПЛ -- коефіцієнт тепловіддачі плоскої поверхні, Уr_ОП -- сума термічних опорів, викликаних формою поверхні. При цьому

де -- сума термічних опорів виступів, -- сума термічних опорів западин, n -- кількість виступів, m -- кількість западин на одиниці поверхні (м²) нагрівача. Із урахуванням граничних умов першого роду, використовуючи закон теплопровідності Фур`є, знаходимо Уr_ОП.

Особливості взаємодії нитки з специфічною поверхнею ХПКМ представимо за допомогою модельної схеми теплообміну. Розглянемо спочатку тепловіддачу від одного мікровиступу поверхні. Термічні опори r_ОПВ і r_ОПЗ зумовлені теплопровідністю і- середовища (л_і) -- повітря або полікапроаміду, а також довжиною змінної відстані BD від поверхні нагрівача до умовної площини, що проходить по вершинах мікровиступів. Для западин вважаємо цю відстань постійною, вона дорівнює R. Для виступів враховуємо, що тепловий опір r_ОПВ залежить не тільки від відстані CD, а й від площі елементарної поверхні dF, котра є проекцією кільцевого перетину елементарної теплової трубки току від мікровиступу і визначається за рівнянням:

dF = р [(r_j + dr)² - r²_j],

де r_j -- плинний радіус кільцевого перетину мікровиступу згідно методу Ньютона -- Котеса, dr -- прирощення плинного радіусу.

Відстань CD визначаємо як відстань, що зумовлює тепловий опір між стрічкою і умовною плоскою поверхнею без виступів і западин, за формулою

CD = л_і / б_ПЛ

Змінна відстань CDB між стрічкою (І) та ділянками нагрівача (ІІ) залежить від плинного радіусу r_j, (який змінюється в межах від 0 до R і визначає додатню відстань DB). Максимальна змінна відстань (д_jmax) від умовної площини до ділянки поверхні западини дорівнює

д_jmax= DB = R.

Коефіцієнт тепловіддачі б_j на ділянці мікровиступу можна розрахувати за формулою:

Згідно з відстань (СВ), що враховує теплообмін між ниткою і ділянкою півкулі площею dF визначається за рівнянням:

(19)

Кількість тепла, що передається від ділянки півкулі до стрічки, обчислюємо за допомогою рівняння теплового балансу:

Значення б_j отримуємо інтегруванням рівняння (21) методом Ньютона -- Котеса. Щоб перейти від кількості тепла, отриманого за рівнянням (21) від однієї півкулі, до загальної кількості тепла від площі термопластифікатора, потрібно врахувати (13) і визначити, що

Q_j = q_ПК + q_ЗП

де Q_j -- тепловий потік з 1м² нагрівача,

q_ПК -- тепловий потік від мікровиступів

q_ЗП -- тепловий потік від западин (або вільної поверхні, не зайнятої мікровиступами)

.

Тепловий потік від мікровиступів визначаємо за рівнянням:

q_ПК = б_j Ч F_МВ Ч (Т_s - Т_н),

де F_МВ -- площа мікровиступів на 1м² нагрівача, а тепловий потік від западин (або вільної поверхні):

(24)

(F_ЗП -- площа западин).

За розрахованим за рівняннями (13, 14) значенням Q_j визначимо коефіцієнт тепловіддачі:

(25)

Розмір мікровиступів впливає на коефіцієнт тепловіддачі від нагрівача (термопластифікатора) до нитки. Наявність прошарку відкладень полікапроаміду у порівнянні з прошарком повітря підвищує коефіцієнт тепловіддачі з 600 Вт/м²·К до 870 Вт/м²·К при R = 100 мкм для швидкості нитки 7,76 м/с та її радіусі 2,02·10^-5 м. Використання виявленої залежності б_ХПКМ--R дозволяє розрахувати термопластифікатор та необхідну для нагріву нитки поверхню за спрощеною методикою без використання (21). Визначення необхідного для контакту з ниткою мікрорельєфу хромованої поверхні деталі дозволяє не тільки розв'язати технічні проблеми щодо працездатності устаткування, а й забезпечує мінімізацію використання гальванічних розчинів під час реновації деталей. В результаті проведених досліджень визначено залежність коефіцієнту тепловіддачі від розміру мікровиступів поверхні зміну температури нитки за довжиною нагрівача, ефективність нагрівання на ТЕП з ХПКМ і плоскою поверхнею. Отримано номограму б_ХПКМ/б_ПЛ--R щодо спрощеного розрахунку ТЕП, враховано вплив забруднень поверхні на її тепловіддачу та розроблено методику розрахунку термопластифікатора. Також створено конструкцію трьохзонного контактного ТЕП, поверхня якого має змінний мікрорельєф і забезпечує зменшення токсичних відходів. Конструкція та технологія нагрівача захищена А. с. 1542974. Представлені результати розкривають закономірності впливу технології отримання нового хромового покриття на його фізико-механічні властивості, дозволяють створити методологію спрямованого вибору технологій з метою зменшення різноманітних токсичних відходів, встановити вплив режимів виготовлення на теплофізичні властивості деталі, забезпечують підтримку прийняття рішення щодо конструкції та технології її виготовлення.

У восьмому розділі показано, що досягнення мети роботи -- розробка і впровадження концептуально-методичних засад підвищення екологічної безпеки виробництва СНВП -- забезпечило зменшення токсичних і мутагенних відходів, раціональне використання сировини та енергії. Попереджено забруднення довкілля вуглеводневою сировиною (нафта), -капролактамом та олігомерами, органічними розчинниками, замаслювачами, хромовим ангідридом на різних етапах життєвого циклу СНВП. Виявлений вплив токсичних і мутагенних відходів (що зменшуються) на інтоксикацію ґрунтових бактерій та механізм впливу на здоров`я людини.

Еколого- та соціально-економічну ефективність впроваджених розробок (Е_ЛЗ) визначено з урахуванням зменшення токсичних і мутагенних відходів.

Внаслідок втілення концептуально-методичних засад створена технологія вибору сталей з меншою кількістю дефіцитних компонентів із використанням запропоновано розрахункового критерію щодо можливого накопичення заліза в технологічному середовищі; створена технологія оцінювання новацій щодо повернення відходів у технологічний процес згідно з розробленою в дисертації програмою розрахунку; виготовлення устаткування з безнікелевої литої легованої хромом, молібденом, кобальтом, ітрієм сталі, у тому числі вдосконалення конструкції екструдера з використанням безнікелевої сталі 70Х15М2К2 і нової технології виготовлення з неї деталей; виявлено серед серійних замаслювачів найбільш термостійку НПАР марки ДС-4 з метою створення більш екологічних композицій; запропонована нова технологія отримання хромованих ниткопровідників для вітчизняного та закордонного устаткування (А. с. 1313013); розроблена нова технологія реновації хромованих деталей (Деклараційний Патент України № 2834); запропоновано нові конструкція та технологія хромованого нагрівача нитки (А. с. 1542974); розроблена інженерна методика розрахунку нагрівача для різних ниток і умов виробництв.

Так, впровадження нових сталі та технології виготовлення з неї деталей, а також вдосконаленої конструкції екструдера при серійному виготовленні 65 гільз екструдерів із поставкою їх у виробництво СНВП м. Даугавпілс, Кемерово, Київ, Руставі, Чернігів, Щокіно та інших, зменшило ремонтні відходи вуглеводневої сировини, енергії, органічних розчинників і забезпечило фактичний економічний ефект від впровадження понад 1,4 млн грн.

Впровадження у виробництво хромованих за новою технологією деталей дозволило не тільки зменшити кількість відходів на різних вітчизняних машинах та етапах виробництва, а й відмовитись від імпорту деталей з хромованою поверхнею, закордонний аналог якої має назву "with orange skin effect". Це має особливе значення тому, що використання закордонного устаткування у виробництві СНВП призводить до довгострокової економічної залежності від фірми-виробника в зв'язку з необхідністю замінювання зношених деталей.

Важливе значення для виробництва СНВП розробленої технології хромування є не тільки в тому, що вона забезпечила зменшення токсичних відходів і дозволила відмовитись від імпорту деяких ниткопровідників вітчизняних та імпортних машин, що працюють зі швидкістю руху нитки до 15 м/с. Ці хромовані деталі можна використовувати при створені нових зразків машин при високій швидкості руху нитки до 75 м/с (цього вже досягли закордонні фірми) без зростання токсичних відходів.

Використання хромованих дисків на машині FK6-UF-900 фірми "Бармаг" (Німеччина) у Світлогорському ВО "Хімволокно" дозволило відмовитись від імпорту деталей та отримати без токсичних відходів поліефірну текстуровану нитку 12 текс відповідно до вимог нормативних документів (ТУ 6-06-С202-87) на швидкості випуску 8,3 м/с, а також відновити 1200 робочих місць, що простоювали.

Випробування дисків на надійність виявило мінімальне напрацювання не нижче 25000 годин. Партія направляючих дисків у кількості 1500 одиниць виготовлена Дослідним заводом ВАТ "Хімтекстильмаш" і впроваджена з економічним ефектом 42,6 грн./диск. Фактичний економічний ефект від впровадження партії дисків у Світлогорському ВО "Хімволокно" складає 63,9 тис. грн. У виробничих умовах ВАТ "Чернігівське хімволокно" використання нової технології хромування на вітчизняних машинах та для крутильної машини "Platt--Brait" (Англія), забезпечило зменшення відходів нитки, підвищення строку експлуатації деталей та економічний ефект понад 50 тис. грн. Позитивний досвід використання хромованих за новою технологією деталей у виробництві СНВП на підприємствах України та Білорусі в деталях вітчизняних та закордонних машин дозволив поширити цю технологію на використання в машинобудуванні, хімічній промисловості, приладобудуванні, легкій промисловості -- на підприємствах, котрі негативно впливали понад 40 років на екологічну ситуацію Чернігівщини -- ВАТ "Чернігівський завод радіоприладів -- "ЧеЗаРа", концерн "Чексіл", Дослідний завод ВАТ "Хімтекстильмаш" (м. Чернігів).

Інші дисертаційні розробки щодо концептуально-методичних засад (програми розрахунку, методики, рекомендації передано для використання у Державне управління екології та природних ресурсів в Чернігівській області, НТУ "Інститут хімічної технології та промислової екології" (м. Рубіжне), АТ "ВНДІХІМПРОЕКТ" (м. Київ), у Головну організацію з обладнання для виробництва хімволокон ВАТ "Хімтекстильмаш" (м. Чернігів).

Наведені приклади свідчать про впровадження у виробництво та багаторічне використання представлених у дисертації розробок і рекомендацій, що сприяють мінімізації токсичних і мутагенних відходів, раціональному використанню природних ресурсів, соціально-економічному розвитку галузі, та вирішують важливу наукову й практичну проблему підвищення екологічної безпеки виробництва синтетичних ниток, волокон, плівок.

У додатках наведено 25 документів, що підтверджують практичне застосування отриманих результатів, а також блок-схема та програма розрахунку ефективності повернення відходів у виробничий процес.

висновки

У дисертації запропоноване новий розв'язок актуальної науково-технічної проблеми підвищення екологічної безпеки виробництва синтетичних ниток, волокон, плівок, який ґрунтується на встановленні ієрархії компонентів, врахуванні не адитивного, як визнавалося раніше, а синергічного зв'язку між ними та забезпечується розробленими концептуально-методичними засобами щодо зменшення токсичних відходів на різних етапах виробництва. Теоретичні й експериментальні результати дисертаційної роботі дозволили розвинути і поглибити уявлення щодо екологічної безпеки виробництва синтетичних ниток, волокон, плівок.

1. Вперше розроблено ієрархію за впливом на довкілля складових виробництва (сировина, водні й інші природні ресурси, енергія, технологія, устаткування). Встановлено, що зв'язок між цими компонентами (внаслідок існування забруднюючих довкілля відходів) носить не адитивний, а синергічний характер, що формує в якості емерджентної властивості системи екологічно негативний синергічний ефект (ЕНСЕ). Визначене зростання амплітуди ЕНСЕ до А_к=А₀·(1ч100) обумовлює необхідність мінімізації відходів для безпечного функціонування виробництва та пояснює посилення навіть нетоксичними відходами процесу зростання кількості токсичних відходів. Представлено авторську концепцію формування ЕНСЕ та поширення у просторі й часі, що сприяє виявленню шляхів підвищення екологічної безпеки виробництва.

2. Виявлено можливий механізм впливу відходів виробництва СНВП на біоценози через забруднене довкілля . Уперше встановлено руйнацію ґрунтових азотфіксуючих бактерій Agrobacterium radiobacter і Enterobacter aerogenes відходами виробництва поліаміду та ремонтними відходами. Додавання до поживного середовища замість чистої води водного розчину 35 г/л -капролактаму за 72 год зменшує кількість бактерій на 63--100%, водного розчину 0,03--0,3 мг/л CrO₃ -- на 50--80%. Руйнація ґрунтових азотфіксуючих бактерій спричиняє деградацію ґрунтів, заважає ефективному впровадженню сучасних засобів підвищення продуктивності рослин і забезпечення населення екологічною продукцією.

3. Встановлено негативний вплив відходів виробництва СНВП на довкілля на прикладі одного з найбільших регіонів України -- Чернігівщини -- з урахуванням захворюваності населення за 40 років, використанням статистичних даних щодо накопичення відходів і забруднення довкілля (вміст -капролактаму у ґрунтових водах перевищує ГДК до 50 разів, нафтопродуктів -- до 25 разів, а вміст хрому в річках -- до 40 разів), а також на основі проведених уперше експериментів з використанням в якості біоіндикаторів ґрунтових бактерій.

4. Започатковано для зменшення токсичних відходів і розвинуто науковий напрямок створення нових хромових покриттів (які на відміну від традиційних покриттів не повторюють мікрорельєф поверхні деталі). На основі теоретичних і експериментальних досліджень розкрито механізм отримання відкладень хрому у вигляді кульки і закономірності впливу технології отримання нового хромового покриття на його фізико-механічні параметри, що дозволило створити методологію спрямованого вибору ефективних технологій з метою зменшення різноманітних токсичних відходів. Зокрема, встановлено при дослідженні субмікронних (від 5 до 900 нм) елементів топографії хромованої при І_к = (0,1--9) · 10⁴ А/м² поверхні механізм її вигладжування шляхом зростання окремих виступів внаслідок різниці між миттєвими щільностями струму на мікровиступах і мікрозападинах. Визначено, що відкладення хрому у вигляді кульки відбуваються за умов наступного співвідношення висоти мікровиступів (R_a), діаметру основи (Д) та щільності струму (І_к): R_a/Д=1ч10 та І_к/R_a=100-1000 А/дм²·мкм (А. с. 1313013). Знайдено залежність мікрорельєфу поверхні (R_a) від розміру абразивних часток (АЧ) та їх тиску (Р) під час підготовки до хромування: R_a = (0,0094АЧ - 0,0611) · е^г, де г = (0,296АЧ + 3,814) · Р. Це уможливлює технологічну підтримку виготовлення деталей із заданими властивостями щодо зменшення відходів.

5. Визначено властивості нових хромових покриттів, на основі теоретичних досліджень встановлена залежність між коефіцієнтом тепловіддачі нової (б_ХПКМ) і традиційної (б_ПЛ) хромованої поверхні та радіусом мікровиступів (R) нової поверхні: б_ХПКМ = 0,0068R²-2,1502R+б_ПЛ. Результати теоретичних і експериментальних досліджень реалізовано при створені нового нагрівача (А. с 1542974). Розроблено номограму та інженерну методику розрахунку параметрів нагрівача, що забезпечує підтримку прийняття рішення щодо конструкції і технології її виготовлення, мінімізацію відходів, дозволяє встановити зв'язок впливу режимів виготовлення з теплофізичними властивостями деталі.

6. Відповідно до авторської концепції ЕНСЕ і вимог, які пред'являються до чистоти технологічного середовища, розроблено методологія та критерій (В_доп) вибору сталей для устаткування В_доп= _Fe · m_ТС із урахуванням обмежень щодо наявності заліза (г_Fe) у технологічному середовищі (ТС). Ця методологія полягає у порівнянні запропонованого критерію В_доп із тією кількістю заліза (В_х), накопичення якої в технологічному середовищі може забезпечити передбачуваний матеріал із урахуванням його корозійної стійкості (В_х=_кор · ф · s). За умови В_х ? В_доп стає можливим використання сталі. Розроблено і впроваджено рекомендації, що сприяють на стадії проектування використанню сталей з меншою кількістю дефіцитних компонентів.

7. На основі теоретичних і експериментальних розробок запропоновано доповнити методологію екологічного моніторингу і об'єктивно оцінювати екологічність нової техніки не тільки за фактом забруднення довкілля, а ще й на стадії проектування. Запропонована методологія та критерій (К) екологічного оцінювання новацій з повернення відходів у виробничий процес: К=[1-(1-б)ⁿ · fⁿ · k_Rⁿ]/[1-(1-б) · f · k_R], де К -- коефіцієнт зростання кількості сировини, для отримання одиниці готової продукції, а б, f, n, k_R -- показники процесу і наявності відходів. Розроблено програму розрахунку цього критерію і впроваджено в Державному управлінні екології та природних ресурсів в Чернігівській області.

8. На основі дослідження кінетики розхромування без та в присутності інгібітору встановлено, що використання 1--3 г/дм³ відходу виробництва ПА забезпечує зменшення корозії (_m=2,13 -- 3,22, z_m=53-68,9, де _m -- коефіцієнт гальмування корозії, z_m -- захисний ефект) і не уповільнює суттєво швидкість розхромування (Деклараційний патент України № 2834)

9. Встановлено шляхом дослідження адсорбції (Г) промислових замаслювачів ПА ниткою можливість зменшення токсичних відходів. Визначено, що при концентрації (С) досліджених замаслювачів С = 1·10^-5 - 1·10^-3 моль/дм³ залежність адсорбції від концентрації носить лінійний характер, найбільшу стійкість при Т=298-328 К виявляє НПАР марки ДС-4, що можна використовувати з метою розробки нових більш екологічних замаслювачів.

10. За результатами експериментальних досліджень встановлено властивості безнікелевих експериментальних сталей залежно від вмісту легуючих компонентів, а також вплив температури й часу відпалу, гартування та відпуску, забезпечено необхідна для виготовлення та експлуатації на різних етапах виробництва твердість деталей із сталі 70Х15М2К2: 27-29 HRC після відпалу, 55 HRC після гартування, 60 HRC після відпуску. Використання литого безнікелевого матеріалу 70Х15М2К2, розробка технології виготовлення з нього гільз екструдерів значно (у 6 разів) підвищила їх ресурс, зменшено у шість разів токсичні ремонтні відходи та відходи сировини.

11. Створені в дисертації концептуально-методичні засади підвищення екологічної безпеки виробництв СНВП впроваджено в науково-дослідних, проектних, навчальних організаціях України та Російської Федерації, на підприємствах країн СНД. Запропоновані технології отримання спеціальних хромових покриттів дозволили позбутися залежності від імпорту хромованих ниткопровідників, забезпечити відновлення робочих місць, зменшення токсичних відходів в Україні і Білорусі. Вдосконалена гільза екструдера з використанням безнікелевої сталі 70Х15М2К2 впроваджена у виробництві СНВП м. Даугавпілс, Кемерово, Київ, Руставі, Чернігів, Щокіно та інших. Реальний економічний ефект від їх впровадження становить 1,5 млн. грн., а розрахований щодо фактично зменшених токсичних відходів екологічний ефект становить 50,15 млн. грн/рік.

Список основних опублікованих праць за темою дисертації

1. Іванова І.М. Відходи як критерій техногенної безпеки виробництва хімічних волокон // Екологія і ресурси. -- 2003. -- № 7. -- с. 87--91.

2. Іванова І.М. Утворення відходів у парі нитка -- ниткопровідник і можливості їх мінімізації // Екологія довкілля та безпека життєдіяльності. -- 2003. -- № 5. -- С. 78--84.

3. Іванова І.М. Реновація деталей імпортного обладнання // Экотехнологии и ресурсосбережение. -- 2004. -- № 2. -- С. 64--67.

4. Иванова И.Н. О некоторых проблемах техногенной безопасности производства химических волокон и нитей // Химические волокна. -- 2003. -- № 5. -- С. 49--53.

5. Иванова И.Н. Формирование экологически негативного синергического эффекта в производстве химволокон // Перспективные задачи инженерной науки. -- Днепропетровск. -- 2003. -- № 5. -- С. 288--293.

6. Іванова І.М. Виробництво хімічних волокон. Особливості руйнації обладнання. // Хімічна промисловість України. -- 2004. -- № 2. -- С. 58--61.

7. Іванова І.М. Проблема зменшення рідинних відходів у виробництві полікапроамідних ниток // Вісник Сумського державного університету. -- 2004. -- № 2 (61). -- С. 181--184.

8. Іванова І.М. Екологічна вартість поліпропіленової плівки // Вісник Чернігівського державного технологічного університету. -- 2004. -- №21. -- С. 232--235.

9. Иванова И.Н. Уменьшение техногенной нагрузки в производстве химических нитей // Вісник Харківського державного технічного університету сільського господарства. -- Харків. -- 2004. -- № 24. -- С. 332--335.

10. Іванова І.М. Технологічний досвід використання хромованих ниткопровідників // Легка промисловість. -- 2003. -- № 4. -- С. 51.

11. Иванова И.Н. Экологические аспекты создания оборудования для химволокон // Вісник Київського національного університету технологій та дизайну. -- 2003.-- № 1.-- С. 101--104.

В роботі [12] автору належить постановка завдання дослідження, участь у дослідженні впливу відходів на інтоксикацію ґрунтових бактерій Agrobacterium radiobacter і Enterobacter aerogenes, математичному моделюванні процесу виготовлення ниток:

12. Іванова І.М., Клінцов Л.М. Хромовані ниткопровідники. Екологічні і технічні проблеми // Хімічна промисловість України. -- 2005. -- №3. -- С. 45--47.

В роботах [13--19] автору належить постановка завдання дослідження , участь у проведенні експериментів і обробці результатів:

13. Іванова І.М., Котельніков Д.І. Еколого-економічні оцінки виробництва хімічних ниток і волокон // Хімічна промисловість України. -- 2003. -- № 6. -- С. 3--7.

14. Іванова І.М., Платонов Є.К. Вибір матеріалу для апаратів одержання полікапроаміду // Экотехнологии и ресурсосбережение. -- 2003. -- № 6. -- С. 18--22.

15. Іванова І.М., Цибуля С.Д. Можливості поліпшення використання природних ресурсів у виробництві хімічних ниток і волокон // Екологія і ресурси. -- 2003. -- № 8. -- С. 75--79.

16. Іванова І.М., Ступа В.І., Дрогун В.М. Ресурсозбереження при виготовленні обладнання для хімволокон // Наукові вісті Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут". -- 2004. -- № 3. -- С. 56--60.

17. Іванова І.М., Курмакова І.М., Приходько С.В. Використання інгібіторів під час реновації ниткопровідників виробництва хімічних ниток. // Вісник Інженерної академії України. -- 2003. -- № 2. -- С. 46--48.

18. Іванова І.М., Курмакова І.М. Обладнання для хімволокон. Техногенно-екологічні аспекти корозії // Вісник Інженерної академії України. -- 2004. -- № 1. -- С. 75--80.

В роботах [19, 20] автору належить вибір замаслювачів, постановка завдання дослідження та участь в обробці результатів:

19. Маковей Г.Л., Зельцер Я.В., Иванова И.Н., Ушаков В.Г., Багин В.К. Адсорбция неионогенных поверхностно-активных веществ полиамидными волокнами // Химические волокна. -- 1986. -- № 4. -- С. 19--20.

20. Маковей Г.Л., Зельцер Я.В., Иванова И.Н., Ушаков В.Г., Багин В.К. Влияние температуры на адсорбцию неионогенных поверхностно-активных веществ полиамидной нитью // Химические волокна. -- 1987. -- № 3. -- С. 21--22.

В роботах [21, 22] автору належить участь у постановці завдань дослідження та обробці результатів експериментальних досліджень:

21. Підтілок Л.М., Іванова І.М., Лоза В.М., Гутарєва Л.І. Хімічні нитки. Підвищення техногенної безпеки обладнання для миття автомобільного та залізничного транспорту // Хімічна промисловість України. -- 2004. -- № 1. -- С. 48--50.

22. Івасенко М.В., Іванова І.М., Масіч В.О., Сочевець В.М., Лаврененко Л.М. Деякі властивості швацьких та взуттєвих хімічних ниток // Вісник Інженерної академії України. -- 2004. -- № 2 -- С. 19--20.

У роботах [23, 24] автору належить постановка завдання дослідження, відпрацювання технології хромування деталей, контроль за їх виготовленням на виробництві, участь у виробничих випробуваннях й обробці результатів:

23. Иванова И.Н., Румянцев Р.А., Шмотина Т.Г. Использование хромированных нитепроводящих деталей на машине КО-228-ИМ2 // Химические волокна. -- 1986. -- № 5 -- С. 49--50.

24. Перевалова Н.М., Гусаков М.Я., Румянцев Р.А., Иванова И.Н., Бакун М.П. Эксплуатационные свойства хромированных поверхностей нитепроводящей гарнитуры машины КВ-III-250КА // Химические волокна. --1984. -- № 2. -- С. 57--59.

У роботах [25, 26] автору належить аналіз еколого-економічних аспектів процесу видобування вуглеводневої сировини для виробництва синтетичних ниток, волокон, плівок:

25. Кукуруза В.Д., Кривошеев В.Т., Иванова Е.З., Пекельная Е.В., Иванова И.Н. Нетрадиционные прогрессивные отечественные инженерные технологии -- основа значительного увеличения добычи нефти в Украине // Вісник Інженерної академії України. -- 1999. -- № 2-3. -- С. 66--67.

26. Кривошеев В.Т., Кукуруза В.Д., Иванова Е.З, Иванова И.Н. Новые направления геологоразведочных работ и методы их проведения -- главный резерв наращивания ресурсов нефти и газа в Украине // Вісник Інженерної академії України. -- 1999. -- № 2-3. -- С. 94--98.

В роботах [27, 28] автору належить участь у постановці завдань досліджень, проведенні експериментів, обговоренні результатів, аналізі патентної літератури та підготовці заявки на винахід:

27. А.с. № 1313013 СССР, МКИ С 25 Д 3/06. Способ получения хромовых покрытий / И.Н. Иванова, А.В. Городыский, Н.Д. Фетисенко, Р.А. Румянцев (СССР). -- № 3773461/22-02; Заявл. 18.07.84; опубл. 23.05.87, Бюл. № 19. -- 3 с.

28. А. с. 1542974, СССР, МКИ Д 01 Н 13/28, Д 02 J 13/00. Способ вытягивания синтетических нитей / М.В. Богдан, А.В. Корнеев, И.Н. Иванова, П.Н. Самосюк (СССР). -- № 4374131/30-12; Заявл. 02.02.88; Опубл. 15.02.90, Бюл. № 6. -- 3 с.

29. Деклараційний патент на корисну модель № 2834 Спосіб відновлення хромового покриття деталі / Іванова І.М. Заявл. 27.02.2004; Опубл. 16.08.2004. Бюл. №8, МПК 7 С25F5/00. -- 3 с.

Размещено на Allbest.ru