Токсикологическая оценка стекольной промышленности

 

Для снижения температуры стеклообразования предложены синтетический силикат и искусственный продукт, заменяющий соду. Последний представляет собой силикат натрия, модифицированный небольшим количеством оксидов титана и железа. По сравнению со стеклом на основе кальцинированной соды в стекле, сваренном с заменителем, процессы силикатообразования заканчиваются при температурах на 80°С, а стеклообразования - на 40°С меньше, чем в случае использования соды. Дополнительно на 10...12% сокращается расход топлива, укорачивается время провара и осветления, на 5...7% увеличивается выход годной продукции, уменьшается пылеобразование и выброс в атмосферу углекислого газа, оксидов азота и серы. Технология приготовления шихты в две стадии: изготовление традиционной шихты и последующее супертонкое ее измельчение, обеспечивает частичное протекание силикатообразования уже на стадии изготовления и быстрое завершение процесса в начальной зоне варочного устройства.

Использование предлагаемого способа позволит радикально снизить энергозатраты на стекловарение и значительно сократить вредные выбросы в атмосферу.

Одно из перспективных направлений, позволяющих в корне изменить существующий способ приготовления шихты и минимизировать пылевые выбросы, - переход от сухого смешивания твердых компонентов к перемешиванию их растворов или суспензий. Например, для производства технического, строительного, тарного стекла предложен «каназит», изготавливаемый из аморфных горных пород (перлитов, диатомитов, трепелов, опок и др.).

Материал, общую формулу которого можно выразить в виде:

 

хR₂O * уRО * zR₂O₃ * nSiO₂ * mН₂O

 

где х, у, г,п,т - числовые коэффициенты, представляет собой сцементированные агрегаты силикатных соединений, обладает высокой дисперсностью и однородностью. Благодаря аморфному фазовому составу и тонкодисперсному состоянию компонентов каназиту присуща высокая реакционная способность, что позволяет интенсифицировать процессы стекловарения, снизить температуру варки на несколько сотен градусов, уменьшить расход топлива и токсичные выбросы газообразных продуктов горения.

Одним из перспективных методов получения стекла оптического и специального назначения, позволяющим полностью исключить высокотоксичное сырье, снизить пылевыделение, температуру варки, расход топлива и повысить экологическую безопасность стекольного производства, является золь-гель технология, существующая в двух вариантах.

Первый вариант предполагает изготовление порошков (золь-гель шихт-ЗГШ) высокой степени чистоты и однородности, в которых компоненты распределены на молекулярном уровне, для последующей традиционной варки. В кремнийсодержащих продуктах, полученных описанной технологией, реакции силикатообразования полностью или частично протекают на стадии их приготовления. Исследования, проделанные автором данной работы, показали, что реакции стеклования в ЗГШ, термообработанном при 400° в течение одного часа, близки к завершению. Стеклование в смеси из обычной шихты завершается только после обработки при 800° в течение одного часа.

Летучесть компонентов из расплава также значительно уменьшается по двум причинам: вследствие связывания тугоплавких и легколетучих компонентов в химические соединения на стадии приготовления продукта и за счет снижения температуры его варки. Так, летучесть борного ангидрида из расплава стекла марки К8 по сравнению с использованием традиционной шихты снизилась в 1,7 раза - с 22 до 12 мг/(см²*ч). Из расплава свин- цовосодержащего флинта испаряется в 2,5 раза меньше РЬО: 14 мг/(см² * ч) вместо 35 мг/(см² - ч) в случае применения традиционной шихты.

В работах отечественных ученых предложены способы изготовления порошка для формования гомогенных силикатных и фосфатных стекол широкого диапазона составов, в которых легирующие вещества равномерно распределяются в структуре стекла. Последующую варку полученной сухой фосфатной шихты ведут при 800...1250°С, что на 150...200°С ниже, чем традиционной.

Второй вариант золь-гель технологии предполагает исключение стадии варки стекла вообще. Детали заданных размеров и конфигурации получают, заливая золь в форму требуемых размеров. Золь превращают в гель и осторожно сушат во избежание растрескивания. Заготовку ксерогеля спекают при невысокой температуре 1100°С до монолитного стекла. Это позволяет исключить или минимизировать традиционные «пылеемкие» процессы шихтоприготовления и выбросы загрязняющих продуктов сжигания газообразного топлива.

Традиционно жидкое стекло получают растворением в автоклавах предварительно сваренной силикат-глыбы (двухкомпонентного натрий-силикатного стекла). Варка растворимого стекла весьма энергоемкий и экологически неблагополучный процесс, поскольку в состав шихты входят два компонента с различной температурой плавления и летучестью. Сода разлагается и плавится при низкой температуре, а температура начала размягчения песка - около 1700°С.

Процесс силикатообразования в этой системе весьма длителен, лимитируется скоростью диффузного растворения кремнезема в расплаве соды и сопровождается интенсивным испарением оксида натрия из расплава. Патентуемый способ позволяет получить жидкое стекло без стадии плавления. Дополнительно решается проблема утилизации техногенных отходов других производств. Смесь кремнеземсодержащего сырья (искусственные диоксиды кремния, отходы металлургических производств, природные кремнеземсодержащие минералы, геотермальный кремнезем) и едкого натра подвергают механохимической активации и обрабатывают водой при атмосферном давлении и температуре 80...90°С.

Актуальным с точки зрения экологической безопасности является применение для синтеза стекла новых видов топлива, окислителя или нетрадиционных видов энергии. Поскольку стандарты западных стран жестко ограничивают выбросы NO_x зарубежные стекловаренные фирмы активно заменяют в составе топливной смеси воздух на кислород. В зависимости от системы снабжения содержание кислорода может изменяться до 100%. Экономический эффект от использования горелок, применяющих кислородно-топливное горение в большой печи, по сравнению с традиционными регенеративными воздушно-топливными печами с поперечным направлением пламени составляет 4 млн. долл. в год. Дополнительно минимизируются или полностью исключаются выбросы оксидов азота.

Альтернативой применяемому газовому топливу является экологически безопасное микроволновое излучение (СВЧ), которое можно применять для сушки, формования, термообработки сырья, стекломатериалов и изделий. При воздействии СВЧ-поля на высушиваемый материал происходит его разогрев до температуры кипения и испарение влаги во всем объеме раствора. В результате получается однородный хрупкий материал, который легко измельчается в порошок. Преимуществом такой сушки является возможность использовать компактное экономичное, экологически безопасное СВЧ оборудование, не требующее теплоносителей, способных наносить ущерб окружающей среде. Проводятся работы, целью которых является за мена газового на микроволновой нагрев листового стекла, который можно использовать при формовании, гнутье, закалке, отжиге и нанесении покрытий. Для снижения энергозатрат до 30%, исключения выбросов NО_х, СО и СO₂ предложена технология варки стекла с применением микроволнового нагрева и представлена техническая спецификация небольшой микроволновой стекловаренной печи.

Из изложенного очевидно, что улучшение экологической обстановки в стекольной промышленности возможно при использовании новых видов сырья, топлива, изменении технологии шихтоприготовления или исключении стадии варки. На первом этапе можно рекомендовать российским производителям активно внедрять кислородное сжигание топлива. Использование СВЧ нагрева в стеклоделии позволит, на наш взгляд, перейти на новую качественную ступень и не только уменьшить вредные выбросы, но также существенно снизить энергоемкость процесса и улучшить качество продукции.

 

 

 

 

Заключение

 

Стекольная промышленность - отрасль промышленности по производству стекла и изделий из него. Для стекольной промышленности в качестве сырья используются кварцевый песок, мел, доломит, сода, поташ и др. В состав шихты (смеси) в качестве добавок входят соединения свинца, мышьяка, кобальта, марганца. Выпускается стекло оконное, зеркальное, посудное, тарное, лабораторное, стекловолокно и др.

Стекло - один из самых древних  и, благодаря разнообразию своих  свойств - универсальный в практике человека материал. Физико-химически - неорганическое вещество, твёрдое тело, структурно - аморфно, изотропно; агрегатно все виды стёкол - чрезвычайно вязкая переохлаждённая жидкость, достигающая стеклообразного состояния в процессе остывания со скоростью, достаточной для предотвращения кристаллизации расплавов, получаемых в заданных температурных пределах (от 300 до 2500 С), которые обусловлены оксидным, фторидным или фосфатным происхождением их составов.

Все известные стекла характеризуются  двумя основными свойствами. Во-первых, стекла не обладают упорядоченным расположением атомов. Во-вторых, что более важно, любое стекло характеризуется температурным интервалом перехода в стеклообразное состояние. Таким образом, стекло можно определить как «аморфное твердое тело, не обладающее упорядоченной периодической атомной структурой и характеризующееся температурным интервалом перехода в стеклообразное состояние». Любое вещество (неорганическое, органическое или металлическое, полученное любым способом), характеризующееся температурным интервалом перехода в стеклообразное состояние, является стеклом.

Основными загрязнителями атмосферного воздуха в стекольной промышленности являются линии обработки сырьевых материалов и приготовления шихты, а также  стекловаренные печи. Существует комплекс мероприятий, позволяющих  снизить выбросы загрязняющих веществ. Для составных цехов такими мерами является двух-  и трехступенчатая очистка пылевых выбросов с использованием циклонов на первой ступени и тканевых фильтров – на второй; для стекловаренных печей – уплотнение шихты, увеличение доли вводимого в печь стеклобоя и замена сырья, образующего при разложении вещества 1 и 2 классов опасности. 

Приготовление стекольной шихты  является важной технологической операцией  стекольного производства, от качества которой напрямую зависит качество получаемой стекломассы. На предприятиях стекольной промышленности в основном используют шихту в порошкообразном  виде, которая, как известно, имеет  ряд недостатков. В тоже время  разработаны и внедрены на некоторых  предприятиях технологии  уплотнения стекольной шихты, преимущества которой  проявляются в процессе транспортировки, хранения, загрузки и стекловарения  в печи.

Не менее важным источником загрязнения окружающей среды на стекольном производстве является стекловаренная печь, от параметров работы которой  напрямую зависит объем загрязняющих выбросов в  атмосферу.

 

 

 

 

 

 

 

Список используемой литературы

 

1. Алябышева Е.А. Промышленная экология / Е.А. Алябышева, Е.В. Сарбаева. – Йошкар-Ола: МарГУ, 2010. – 110 с.
2. Аткарская А.Б. Направления повышения экологической безопасности в стекольной промышленности / А.Б. Аткарская // Безопасность в техносфере. - 2007. - № 1. - С. 51-54.
3. Медведев Е.Ф. Фактор связанности структуры как критерий, определяющий водородную проницаемость стекол / Е.Ф. Медведев // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология». – 2007. - №11. – С. 145-149.
4. Медяник Н.Л. Производство стекла и стеклянной тары / Н.Л. Медяник, Л.В. Чупрова, Т.М. Куликова, З.З. Одуд, Н.И. Родионова. - Магнитогорск: МГТУ, 2007. - 205 с.
5. Трифонова Т.А.Оценка  экологичности стеклотарного производства / Т.А. Трифонова, Н.А. Ишунькина // Стекло и керамика. – 2007. – № 6. – С. 32–35.
6. Шелби Дж. Структура, свойства и технология стекла / Дж. Шелби. - М.: Мир, 2006. - 288 с.

 

 

ПРИЛОЖЕНИЕ

Таблица 1. Основные токсиканты стекольной промышленности

Вещество	Химическая  формула	Значение  ПДК мг/м3	Класс опасности	Влияние на организм человека
Борная  кислота	H3BO3	10	III	Обладает антисептической (обеззараживающей) активностью
Оксид германия	GeO2	2	III	В организме  человека германий распределён равномерно, 95% его всасывается в желудочно-кишечном тракте. Поступает – с пищей  и жидкостями, выводится – с  мочой и калом.
Оксид цинка	ZnO	0,5	II	Проблемы с поджелудочной железой
Оксид бария	BaO	0,5	II	Боли  в желудке, колики, тошнота, рвота, понос, повышенное кровяное давление, твердый  неправильный пульс, судороги
Свинец	Pb	0,003	I	Влияет на почки, печень, нервную  систему и органы кровообразования
Оксид бора	B2O3	6	III	Непродолжительное вдыхание воздуха, умеренно загрязненного соединениями бора вызывает у людей раздражение  носоглотки и глаз. Исследования на животных показывают, что при вдыхании воздуха с высоким загрязнением соединениями бора развивается поражение  легких.
Оксид алюминия (глинозем)	Al2O3	2	III	Глиноземная пыль относится к аэрозолям преимущественно  фиброгенного действия
Оксид фосфора	P2O5	1	II	При попадании на кожу вызывает ожоги
Карбонат  кальция (мел)	CaCO3	6	III	Может вызвать гипотонию, может вызвать  связанный дозой запор
Сульфат натрия	NaSO4	10	III	При попадании в дыхательные пути человека может вызвать отравление
Оксид кремния (кварц)	SiO2	1	II	При попадании в организм человека вызывает обширные тромбозы и, как следствие, ведёт к слепоте, некрозу, гангрене, ампутации конечностей и смерти
Фторид  кальция	СаF2	2,5/0,5	III	Воздействует на эмаль зуба и бактерии зубного налета
Соляная кислота	HCl	5	III	вызывает  сильные ожоги, раздражает слизистые  оболочки и дыхательные пути
Цирконий	Zr	4	III	Важным  свойством циркония являются его  лечебные и антисептические (обеззараживающие) свойства. Цирконий и его сплавы не оказывают  раздражающего воздействия на кожный покров и мышечную ткань организма  человека
Селен	Se	0,01	II	В больших дозах он отравляет, а его нехватка приводит к болезням и преждевременной старости. Селен  защищает нашу иммунную систему, повышая  сопротивляемость организма к различным  негативным воздействиям, вирусам и  бактериям; предупреждает образование  свободных радикалов, разрушающих  наши клетки, и уменьшает их количество в организме; контролирует жизнь  и деятельность каждой клетки, предупреждает  воспаления, эндокринные и сердечно-сосудистые заболевания
Теллур	Te	0,01	I	Чрезвычайно опасное вещество по степени  воздействия на организм. Вызывает острые и хронические отравления. Обладает раздражающим действием. Горючее вещество. Может загрязнять водные объекты.
Фторид  бериллия	ВеF2	0,001	I	Заболевание начинается при попадании бериллия в организм через органы дыхания, а затем, из легких, бериллий проникает  в другие ткани и органы; может  вызывать раздражение кожи
Марганец	Mn	0,3	II	При действии на организм через органы дыхания соединения марганца приводят к тяжелым поражениям центральной  нервной системы, а также действуют  на почки, органы кровообращения и легкие
Карбонат  бария	ВаСОз	0,5 г/см3	I	жжение во рту, боли в области  желудка, слюнотечение, тошнота, головокружение, мышечная слабость, одышка, замедление пульса и падение артериального  давления, рвота
Карбонат  натрия (сода)	Na2CO3	2	III	Затрудненное  дыхание; боли в животе; обморочное состояние при приеме внутрь; токсичен для печени; может вызывать сыпь на голове, лбу и руках