НАЦІОНАЛЬНИЙ АВІАЦІЙНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

іванова інна миколаївна

удк 574+677.46.02

концептуально-методичні засади

підвищення екологічної безпеки виробництва

синтетичних ниток, волокон, плівок

21.06.01 – екологічна безпека

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Київ – 2006

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у ВАТ "Хімтекстильмаш" Міністерства промислової політики України.

Науковий консультант | доктор технічних наук, професор

Котельніков Дмитро Іванович

Чернігівський державний технологічний університет,

професор кафедри менеджменту

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, професор

Пляцук Леонід Дмитрович,

Сумський державний університет,

завідувач кафедри прикладної екології

доктор технічних наук, Почесний розвідник надр України, Яковлєв Євгеній Олександрович,

Інститут проблем національної безпеки при РНБО України, головний науковий співробітник

доктор технічних наук, професор

Сиза Ольга Іллівна,

Чернігівський державний технологічний університет,

завідувач кафедри хімії і конструкційних матеріалів

Провідна установа | Український науково-дослідний інститут екологічних проблем Міністерства охорони навколишнього природного середовища України, м. Харків

Захист відбудеться 02.03.2006 р. о 15 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.062.09 у Національному авіаційному університеті МОН України, просп. Космонавта Комарова, 1, м. Київ, 03680, Україна.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного авіаційного університету,
просп. Космонавта Комарова, 1, м. Київ, 03680, Україна.

Автореферат розісланий 01.02.2006 р.

Учений секретар спеціалізованої вченої ради

канд. хім. наук, доцент Г.В. Сокольський

загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Національна доктрина інноваційного розвитку та модернізації економіки України, а також зобов’язання щодо реалізації рішень Всесвітнього самміту в Йоганнесбурзі (2002 р.), політика Європейської інтеграції України та рішення 5-ї Загальноєвропейської конференції міністрів навколишнього середовища спонукають виробників і науковців до збільшення обсягів продукції при зменшенні її питомої енерго- і ресурсоємкості, а також покращення екологічної безпеки виробництв у кожній галузі. Виробництво синтетичних ниток, волокон, плівок (СНВП) у всіх розвинених країнах визначає технічні можливості розв’язання багатьох сучасних проблем — від космічних до побутових, а також створює численні робочі місця на своїх виробництвах і виробництвах легкої промисловості. Це виробництво зростає в усьому світі, проте воно має велику кількість екологічно небезпечних відходів, які забруднюють довкілля й потребують подальшої переробки з додатковим використанням енергії та інших ресурсів, створюють небезпеку не тільки для робітників виробництва СНВП, а й пересічних громадян. Уявлення щодо екологічної безпеки виробництва виникли у СРСР у 60—70 роки (у період серійного впровадження СНВП) і базуються на визначених у той час ГДК окремих компонентів. Сьогодні вже загально визнано, що необхідно передбачити не тільки ризик окремого відходу, а й усієї сукупності відходів, до того ж із урахуванням регіональної екотоксикологічної ситуації. Таким чином, стає актуальнім комплексне дослідження взаємодії виробництва та довкілля, розробка концептуально-методичних засад підвищення екологічної безпеки виробництва синтетичних ниток, волокон, плівок.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Результати роботи входять у госпдоговірні (г/д) і держбюджетні (д/б) НДР за тематичними планами ВАТ "Хімтекстильмаш" (раніше — Всесоюзний науково-дослідний інститут машин для виробництва синтетичних волокон ВНДІМСВ), Чернігівського відділення Інженерної академії України, АТ "Інститут" ВНДІХІМПРОЕКТ", в яких автор був виконавцем, відповідальним виконавцем або керівником: 2002—2003 рр. д/б НДР № 222в-01 "Розробка технології та напрямків використання змішаних відходів багатошарових полімерних і комбінованих плівок" (РК № 0102U001087) згідно з Програмою використання відходів виробництва та споживання на період до 2005р., затвердженою постановою Кабінету Міністрів України від 10 жовтня 2001 р. № 1314; 1997-2002 рр. д/б НДР № 03-42-97 "Прийняти участь у розробці обладнання, асортименту та технології одержання надзвичайно тонких ниток із полімерних систем для товарів народного призначення" (РК № 0199U000763, ОК № 0299U000548), згідно з Державною програмою розвитку легкої промисловості на період до 2000 р., затвердженою Постановою Кабінету Міністрів України від 29.01.1996р. № 147; 2003 р. г/д № 1686ДУ "Дослідження й впровадження інновацій у виробництво ниткопровідників з метою підвищення його техногенної безпеки" (РК № 0103U007412, ОК №0204U003107); 2003 р. г/д НДР № 70-100-03 "Опанування науково-технічною продукцією — фарбованими та нефарбованими нитками та гранулами" (РК № 0103U006515, ОК № 0303U007559); 1995-1997 рр. д/б НДР № 14/95-97 "Перспективні напрями геологорозвідувальних робіт на нафту та газ в південних регіонах України" (РК № 0195U024057, ОК № 0399U002530); 1995-1998 рр. г/д НДР № 222-а "Дослідження нафтогазогенеруючих властивостей порід, нетрадиційних скупчень газу та складення бази даних по Дніпровсько-донецькій западині" (РК № 0199U002309, ОК № 0299U000641); 1987 р. г/д НДР № 12-87 "Створити направляючий диск із хромовим покриттям для оснащення крутильних механізмів текстуруючих машин FK6-UF-900" (РК № 01.87.0082672, ОК № .80017830); 1985 р. д/б № 44-85 "Провести науково-дослідні роботи по створенню високошвидкісного крутильного механізму фрикційного типу для текстурування синтетичних текстильних ниток" (РК № .85.000 87 38, ОК № 0287.0 020485); 1976-1977 рр. д\б НДР № 22-76 "Науково-дослідні роботи щодо підвищення довговічності гільз, шнеків та деталей шестеренних насосів машин формування синтетичних волокон та розробка технології виготовлення цих вузлів", етап 1 (РК № 76015055, ОК № Б510201), етап 2 (РК № 76015055, ОК № Б626156).

Мета та завдання дослідження. Мета роботи — розробити концептуально-методичні засади підвищення екологічної безпеки виробництва синтетичних ниток, волокон, плівок.

Відповідно до мети були поставлені та розв’язані такі завдання:

Ш визначити шляхи підвищення екологічної безпеки виробництва на основі системного аналізу його як природно-техногенного комплексу вуглеводнева сировина — синтетичні нитки, волокна, плівки і відходи — довкілля;

Ш розробити ієрархію за впливом на довкілля складових виробництва, виявити послідовності виникнення відходів та їх вплив на довкілля, сформулювати концепцію екологічно негативного ефекту виробництва;

Ш на основі започаткованого автором нового наукового напрямку створення необхідних для зменшення токсичних відходів хромових покриттів (які на відміну від традиційних покриттів не повторюють мікрорельєф основи) розкрити закономірності впливу технології отримання нового хромового покриття на його фізико-механічні параметри. Для цього необхідно:

· установити закономірності впливу технології абразивної обробки деталі на її мікрорельєф на стадії підготовки деталі до хромування;

· визначити роль основних параметрів у формуванні хромованої поверхні з кулькоподібними мікровиступами, розробити нову технологію хромування;

· дослідити вплив мікрорельєфу хромованої поверхні на нагрівання нитки під час її витягування;

· запропонувати методологію вибору технології отримання спеціального хромового покриття на деталях машин, що працюють в різних експлуатаційних умовах. Це дозволить конструктору та технологу ще на етапі проектування цілеспрямовано визначити розміри деталі та технологію отримання захисного покриття щодо зменшення токсичних відходів;

Ш розробити концептуально-методичні засади забезпечення підвищення екологічної безпеки виробництва щодо екологічного контролю за впровадженням нової техніки та зменшення кількості екологічно небезпечних відходів:

· розвинути теоретичні уявлення щодо екологічної небезпеки використання сталей з урахуванням впливу продуктів корозії на термодеструкцію полімеру та запропонувати нову методологію використання сталей в устаткуванні;

· вдосконалити з використанням відходів процес реновації ниткопровідників;

· створити нагрівач, що зменшує токсичні відходи;

· вдосконалити екструдер із використанням литої безнікелевої сталі;

· дослідити адсорбцію ПА ниткою промислових замаслювачів;

· розробити методологію екологічної оцінки новацій на стадії проектування.

Об’єкт дослідження — процес виробництва синтетичних ниток, волокон, плівок у природно-техногенному комплексі вуглеводнева сировина — синтетичні нитки, волокна, плівки і відходи — довкілля.

Предмет дослідження — виникнення та шляхи зменшення екологічно негативного ефекту в природно-техногенному комплексі вуглеводнева сировина — синтетичні нитки, волокна, плівки і відходи — довкілля; інтоксикація біоценозів — азотфіксуючих бактерій Agrobacterium radiobacter і Enterobacter aerogenes; закономірності вибору та удосконалення технологій і устаткування, які впливають на використання природних ресурсів і забруднення довкілля.

Методи дослідження. Методологічною основою роботи є системний підхід дослідження об’єкту. Для вирішення поставлених завдань використовували теоретичні положення та методи екології, ґрунтової мікробіології, електрохімії, хімії високомолекулярних сполук, машинобудування, трибології, теплофізики, математичного аналізу. Експерименти проводили на технологічному обладнанні та в лабораторних умовах із використанням стандартних методик та сучасних приладів. результати обробляли методом кореляційного аналізу, застосовуючи сучасне програмне забезпечення. Методом кількісного розрахунку ґрунтових мікроорганізмів та культивації азотфіксуючих бактерій вивчали вплив відходів на бактерії. місцевий коефіцієнт тепловіддачі б обчислювали за допомогою програми Microsoft Excel методом Ньютона—Котеса. хромування здійснювали електрохімічним методом із стандартного хромового електроліту. полярографічним методом на полярографі ППТ-1 визначали адсорбцію поліамідною ниткою компонентів замаслювачів — неіоногенних поверхнево-активних речовин (НПАР). Металографічним та гравіметричним методами із проведенням кореляційного та регресивного аналізу досліджували корозію сталей. вплив інгібітору на процес розхромування деталей в HCl вивчали гравіметричним та фотоелектрокалориметричним методом на приборі КФК-2. малоциклову втому сталі (МЦВ) визначали на машині ІП-2 віднульовим чистим згином при частоті 50 циклів/хв. мікрорельєф металевої поверхні досліджували за допомогою атомно-силового мікроскопу NT-206V, профілометра-профілографа ПП мод. 202 (згідно ГОСТ 2789—73), металографічного мікроскопу "Neophot-21", фотоелектричного блискоміру ФБ-2. Методом безпосереднього підрахунку колоній бактерій визначали кількість бактерій в нейтральному або забрудненому відходами середовищі, вибіркові дисперсії порівнювали за критерієм Кохрена.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що:

1. Розроблено концептуально-методичні засади підвищення екологічної безпеки виробництва. Вперше розроблено ієрархію за впливом на довкілля складових виробництва СНВП та запропоновано нову авторську концепцію виникнення і поширення у природно-техногенному комплексі вуглеводнева сировина — синтетичні нитки, волокна, плівки і відходи — довкілля екологічно негативного синергічного ефекту (ЕНСЕ) з амплітудою Ак = А0·(1ч100), виявлено можливість поширення ЕНСЕ у просторі й часі.

2. Уперше виявлено руйнацію ґрунтових азотфіксуючих бактерій Agrobacterium radiobacter і Enterobacter aerogenes відходами виробництва поліаміду та ремонтними відходами (е-капролактам, гліцерин, хромовий ангідрид), що знижує продуктивність рослин, спричиняє деградацію ґрунтів.

3. Започатковано для зменшення токсичних відходів і розвинуто науковий напрямок створення нових хромових покриттів. Розкрито механізм отримання відкладень хрому у вигляді кульки і закономірності впливу технології отримання нового хромового покриття на його фізико-механічні параметри, зокрема встановлено:

· при дослідженні субмікронних (від 5 до 900 нм) елементів топографії хромованої при Ік = (0,1 — 9) · 104 А/м2 поверхні механізм її вигладжування — зростання окремих виступів внаслідок різниці між миттєвими щільностями струму на мікровиступах і мікрозападинах;

· умови відкладення хрому у вигляді кульки, а саме співвідношення висоти мікровиступів (Ra), діаметру основи (Д) та щільності струму (Ік): Ra/Д=1ч10 та Ік/Ra = —1000 А/дм2·мкм;

· залежність мікрорельєфу поверхні (Ra) від розміру абразивних часток (АЧ) та їх тиску (Р) під час підготовки до хромування:

Ra = (0,0094АЧ – 0,0611) · ег, де г = (0,296АЧ + 3,814) · Р

· залежність між коефіцієнтом тепловіддачі нової (бХПКМ) і традиційної (бПЛ) хромованої поверхні та радіусом мікровиступів (R) нової поверхні: бХПКМ = 0,0068R2 – 2,1502R + бПЛ.

4. Встановлено, що 1—3 г/дм3 відходу виробництва полікапроаміду зменшує корозію (m=2,13 – 3,22, zm = 53—68,9, де m — коефіцієнт гальмування корозії, zm — захисний ефект) і не уповільнює суттєво швидкість розхромування.

5. На основі отриманих теоретичних і експериментальних даних уперше запропоновано:

· розрахунковий критерій Вдоп. = Fe · mтс щодо використання сталей з меншою кількістю дефіцитних компонентів, в якому уперше реалізовано обмеження з наявності заліза (Fe) у технологічному середовищі (ТС); розроблено нову методологію вибору матеріалу для устаткування, що полягає у порівнянні Вдоп. із тією кількістю заліза Вх, яку забезпечує матеріал, Вх ? Вдоп;

· методологію та критерій (К) екологічного оцінювання новацій з повернення відходів у виробничий процес: К = [1 – (1 – б)n ? fn ? kRn] / [1 – (1 – б) ? f ? kR], де К — коефіцієнт зростання кількості сировини, необхідної для отримання одиниці готової продукції, б, f, n, kR — показники процесу та наявності відходів.

Практичне значення отриманих результатів. Виявлено, що інтоксикація азотфіксуючих бактерій Agrobacterium radiobacter та Enterobacter aerogenes відходами виробництва СНВП може впливати на ефективність використання сучасних мікробних препаратів у сільському господарстві залежно від забруднення ґрунтів. Результати досліджень передано для використання в Інститут сільськогосподарської мікробіології Української академії аграрних наук. Впроваджено на підприємствах країн СНД технології хромування (А. с. 1313013), вдосконалені екструдера, методики технологічної підтримки цілеспрямованого вибору параметрів деталі і матеріалу, програма екологічного оцінювання варіантів устаткування. Створено новий нагрівач (А. с. 1542974), що забезпечує зменшення відходів. Реальний економічний ефект, отриманий від впровадження представлених в дисертації розробок, — понад 1,5 млн грн., а екологічна ефективність (визначена з урахуванням зменшення токсичних і мутагенних відходів) — 50,15 млн грн/рік.

У навчальному процесі результати дисертаційної роботи щодо авторської концепції ЕНСЕ та концептуально-методичних засад підвищення екологічної безпеки виробництва використовуються у Чернігівському державному технологічному університеті, Івано-Франківському національному технічному університеті нафти й газу, Ніжинському державному педагогічному університеті, Північно-донецькому технологічному інституті Східноукраїнського національного університету ім. В. Даля, а також у Російському державному університеті нафти й газу ім. І. М. Губкіна та Сіверському державному технологічному університеті (Росія).

Особистий внесок здобувача Основні результати теоретичних і експериментальних досліджень, що виносяться на захист, отримані здобувачем особисто. Дисертаційні розробки опубліковано у вигляді 11 одноосібних статей та 1 патенту України на корисну модель, а також 15 спільних статей і 2 А. с. на винахід. Особистий внесок у роботах, виконаних у співавторстві, полягає в обґрунтуванні наукових напрямків, формуванні мети роботи і завдань досліджень щодо зменшення на різних етапах виробництва токсичних відходів, забруднюючих довкілля, обґрунтуванні і проведенні експериментальних і виробничих випробувань створених матеріалів, технологій, конструкцій, формуванні новизни та основних висновків за результатами роботи, аналізі й узагальненні отриманих результатів, розробці методик, рекомендацій, апаратурно-технологічних засобів підвищення екологічної безпеки виробництва.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційного дослідження доповідалися та обговорювалися на Міжнародних конференціях і семінарах як в Україні, так і за її межами, а саме на: Міжнародних науково-практичних конференціях "Техніка для хімволокон" (Чернігів, 2001, 2003, 2004, 2005); Міжнародних конференціях "Новые идеи в геологии и геохимии нефти и газа" (Москва, МГУ, 2001, 2005); IV International Scientific Conference "AIMS for future of engineering science" (Igalo, Republic of Montenegro, July 2-8, 2003); II Міжнародній науково-технічній конференції "Сучасні технології та обладнання для одержання та переробки полімерів, полімерних композиційних матеріалів і хімічних волокон (Київ, КНУТД, 2003); конференції "Нові технології та обладнання по переробці промислових та побутових відходів і їх медико-екологічне забезпечення" (Східниця, 2003; Свалява, 2004); конференції "Вітчизняний та міжнародний досвід поводження з відходами виробництва та споживання" (Ялта, 2003); 5 Міжнародній конференції "Крим-2003. Проблеми геодинаміки і нафтогазоносності Черноморсько-Каспійського регіону" (Гурзуф, 2003); науково-практичній конференції "Актуальні токсикологічні та санітарно-епідеміологічні аспекти поводження з відходами" (Київ, 2003); Міжнародному семінарі за проектом програми TACIS Європейського союзу (Чернігів, 2003); V науково-практичній конференції "Переработка энергоресурсных отходов" (Свалява, 2004); Міжнародній науково-практичній конференції "Сучасні проблеми охорони довкілля, раціонального використання водних ресурсів та очистки природних і стічних вод" (Миргород, 2004); Міжнародних науково-практичних конференціях "Экология и здоровье человека. Охрана водного и воздушного бассейнов. Утилизация отходов" (Харків, 2004, 2005); Міжнародній науково-технічній конференції "Екологія промислових підприємств. Проблема утилізації відходів" (Ялта, 2004), The fifth International Scientific Forum AFES 2004 (Paris, France, 2004) та інших.

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 58 праць, у тому числі 26 статей у наукових фахових виданнях, 2 авторських свідоцтва та 1 патент на корисну модель, 29 тез міжнародних та інших науково-технічних конференцій в Україні, Росії, Чорногорії, Франції.

Структура дисертації. Дисертація складається із вступу, восьми розділів, висновків, додатків, викладена на 269 сторінках основного тексту, містить 33 таблиці і 76 рисунків, список літератури (289 найменувань) займає 30 сторінок, додатки — 77 сторінок.

основний зміст роботи

у вступі оцінено стан проблеми екологічної безпеки виробництва СНВП. Обґрунтовано актуальність теми, зв’язок із державними програмами, д/б і г/д темами, сформульовано мету та завдання дослідження, висвітлено наукову новизну та практичну цінність роботи, особистий внесок здобувача.

У першому розділі проаналізовано доробки щодо пошуку шляхів збереження довкілля, до яких можна віднести роботи відомих вчених України та країн СНД — Бент О.Й., Бойчук Ю.Д., Бутко М.П., Геллер Б.Е., Гомеля М.Д., Гурський Д.С., Іванюта М.М., Ільїн В.Г., Ірклей В.М., Кислий В.Н., Кукуруза В.Д., Лозанський В.В., Мельник Л.Г., Митропольський О.Ю., Надкернична О.В., Носов М.П., Огняник М.С., Пахаренко В.О., Платонов Є.К., Пляцук Л.Д., Рабкін Л.Р., Романкевич О.В., Сиза О.І., Старчак В.Г., Ступа В.І., Трофімов В.Т., Трофімчук О.М., Чередніченко П.І., Цебренко М.В., Яковлєв Є.О. Досліджено відповідності виробництва СНВП завданням збереження довкілля та забезпечення сталого соціально-економічного розвитку України. Виявлено, що синтетичні нитки, волокна, плівки мають суттєве значення щодо забезпечення сталого соціально-економічного розвитку України і збереження довкілля з урахуванням їх внеску до державного бюджету, інших галузей, випуску товарів, націлених на збереження здоров’я людини, та ролі вітчизняного виробництва у стриманні іноземної технічної і технологічної експансії, протидії накопиченню в Україні відходів невідомого складу, але екологічній безпеці цього виробництва приділялось недостатньо уваги. Досліджень ієрархії компонентів, що впливають на екологічну безпеку, екологічному аналізу життєвого циклу СНВП, концепції виникнення екологічно негативного ефекту виробництва в літературі не виявлено.

Аналіз життєвого циклу синтетичних ниток, волокон, плівок виявив, що їх отримують за участю промислових підприємств різних галузей (рис. 1) із різноманітними відходами. Наприклад, у Чернігівщині (одній з найбільших в Україні областей за територією) значну кількість токсичних відходів, типових для виробництва поліаміду, формують "Чернігівнафтогаз" ВАТ "Укрнафта", Гнідинцівський газонафтопереробний завод, ВАТ "Чернігівське хімволокно", концерни "ЧеЗаРа", "Чексіл" та інші підприємства, що належать до нафтогазовидобувної, нафтопереробної, машинобудівельної, легкої, хімічної, енергетичної промисловості. Враховуючи, що на Чернігівщині видобувається ~25 % української нафти (перший етап життєвого циклу продукції) і тут розташований найбільший в Європі виробник кордних ниток і тканин (останній етап) стає зрозумілим, що Чернігівщина має важливе значення для дослідження впливу виробництва СНВП на довкілля.

Рис. 1. Розподіл за галузями народного господарства основних еколого-економічних витрат виробництва синтетичних ниток, волокон, плівок.

У дисертації проаналізовано зв’язок між розвитком промисловості на Чернігівщині починаючи з 1960 року та погіршенням екологічної ситуації за наступні 40 років. Виявлено при аналізі статистичних даних накопичення токсичних відходів на Чернігівщині, що близько 80 % рідинних токсичних типових для виробництва СНВП відходів надходять у ставки-накопичувачі. Поступове накопичення відходів за 40 років призвело до значного забруднення довкілля. Так, вміст нафтопродуктів у ґрунтових водах перевищує ГДК до 25 разів, а -капролактаму — до 50 разів, значне перевищення хрому визначено у чернігівських річках Десна і Сейм.

Встановлено залежність між накопиченням в області токсичних відходів та захворюваннями людей, тварин, рослин, деградацією ґрунтів (рис. 2). Це свідчить про доцільність використання відходів виробництв у якості критерію їх екологічної безпеки.

Згідно з даними аналізу виникнення відходів, у виробництві поліаміду особливої уваги потребує останній етап перетворення -капролактаму в полікапроамідні нитки і волокна (18 % сировини перетворюється на відходи, з них 11% — відходи мономеру на стадії полімеризації і екстракції, 6% — відходи полімеру при взаємодії пари нитка-ниткопровідник на стадіях намотування, крутки, текстурування, 1% — відходи полімеру на стадії формування внаслідок недосконалого устаткування), а також утворюються гальванічні відходи хромування (Сr+6) з умовним скидом ?20 104 ум.т/рік, відходи замаслювача — 18 кг замаслювача на кожну тонну ниток та різноманітні ремонтні відходи. Цей останній етап є важливим не тільки тому, що створює дуже багато токсичних відходів, а й тому, що недоліки останнього етапу перекреслюють ефективність усіх попередніх екологічно важливих етапів.

Рис. 2. Деякі показники екологічного стану Чернігівщини.

Визначено, що в зв’язку з тим, що СНВП отримують за участю найважливіших галузей народного господарства, то доцільно виробництво СНВП розглядати комплексно: вуглеводнева сировина — СНВП і відходи — довкілля. Сформульовано гіпотезу щодо особливості виробництва СНВП — зв’язок між компонентами виробництва СНВП призводить до виникнення екологічно негативного синергічного ефекту (ЕНСЕ). Таким чином, з огляду на вищесказане, було визначено коло нерозв’язаних теоретичних і практичних питань, пов’язаних із підвищенням екологічної безпеки виробництва СНВП.

У другому розділі описано об’єкт, предмет та методи дослідження (теоретичні та експериментальні). Теоретичні дослідження пов’язані з природно-техногенним комплексом, проведенням його декомпозиції на компоненти нижчого рівня (вуглеводнева сировина, водні та інші природні ресурси, енергія, устаткування, технології), синтезом та виявленням в якості емерджентної властивості (від лат. emergens — те, що з’являється небажано й несподівано) можливості виникнення екологічно негативного синергічного ефекту (ЕНСЕ). Обґрунтовано гіпотезу щодо емерджентної властивості системи. Згідно з гіпотезою, усі компоненти природно-техногенного комплексу пов’язані між собою, при наявності відходів зв’язок між окремими компонентами носить синергічний характер (від грец. ухнесгьт — діючий разом), а не адитивний, як це можна було б передбачити. Це приводить до лавиноподібного зростання негативної дії виробництва на довкілля.

Відповідно до завдань дисертації проведено комплекс експериментальних досліджень щодо виникнення відходів і їх впливу на довкілля. Інтоксикацію біоценозів відходами вивчали за допомогою двох видів поширених у ґрунтах азотфіксуючих бактерій: Agrobacterium radiobacter та Enterobacter aerogenes. Використовували загальноприйняті методи ґрунтової мікробіології: метод культивації азотфіксуючих бактерій; метод кількісного врахування ґрунтових мікроорганізмів. Бактерії вирощували 72 год у водному поживному середовищі та з додаванням замість води у поживне середовище водних розчинів забруднюючих відходів. У якості забруднюючих відходів використовували відходи основного виробництва ПА, допоміжного виробництва та ремонтні відходи — 35 г/дм3 водного розчину е-капролактаму HN(CH2)5CO; 0,03—3 мг/дм3 хромового ангідриду CrO3; 100—250 г/дм3 водного розчину гліцерину С3Н8О3.

За результатами вивчення походження відходів розробляли нові технології та устаткування, що забезпечують зменшення забруднюючих відходів, захист від них довкілля, а також сприяють раціональному використанню природних ресурсів. При цьому проведено гравіметричним методом корозійні випробування промислових сталей (ПС) та експериментальних сталей (ЕС): сталь 20 й 45 (ГОСТ 1050-88), азотована сталь 38ХМЮА (ГОСТ 4543-71), сталь 9Х18 (ГОСТ 5632-72), ванадієва сталь Р12Ф3 (ГОСТ 19265-73), комплексно леговані хромом, молібденом, кобальтом, ітрієм литі безнікелеві експериментальні сталі (спільна розробка з Інститутом проблем лиття АН УРСР) у розплаві полікапроаміду (ПА), кислотах H2SO4, HCl, CH3COOH, розчинниках — гліцерин, триетиленгліколь (тег). Досліджено полярографічним методом на ППТ-1 адсорбцію (Г) компонентів замаслювачів (НПАР) ниткою залежно від температури. Вивчено процес розхромування деталей з використанням інгібітору. Швидкість розхромування у середовищі 20%-ної HCl без та в присутності інгібітору визначали гравіметричним та фотоелектрокалориметричним методом, з КФК-2, із використанням стандартних методик та за допомогою оптичної щільності розчинів (D) та залежності Сcr3+—D. Як інгібітор використовували промислові відходи ВАТ "Чернігівське хімволокно" — відхід першої дистиляції цеху регенерації е-капролактаму.

Мікрорельєф поверхні деталей вивчали за допомогою комплексу NT-206 — атомно-силового мікроскопа з апаратними і програмними засобами аналізу топографії з поверхонь твердих тіл, з нанометровим розділенням, металографічного мікроскопу "Neophot-21", профілометра-профілографа згідно ГОСТ 2789-73, за допомогою фотоелектричного блискоміру ФБ-2 визначено блиск поверхні (БП). За зміною маси зразків Дm розраховували швидкість корозії хкор = Дm/ф?s [г/м2?год.], коефіцієнт гальмування корозії гm = кор/кор, де кор та кор - швидкість корозії без та в присутності інгібітору, і захисний ефект Zm = (1-1/гm)·100%. Статистичну обробку результатів проводили для ймовірності 95%, число вимірювань 3—5, відносна похибка не перевищує 10%. малоциклову втому (МЦВ) оцінювали на машині ІП-2 віднульовим чистим згином при частоті 50 циклів/хв.

Досліджено роль окремих параметрів процесу формування спеціального мікрорельєфу хромованої поверхні деталі абразивною обробкою з частинками АЧ=10—14 мкм під тиском Р ,2ч0,6 МПа і наступним хромуванням із густиною струму ік=1·103-1·105 А/м2. Адекватність отриманої залежності перевірено за допомогою критерію Фішера: F= /, де Sзал — залишкова дисперсія Ra, Sвідт — дисперсія відтворюваності. Методами теплофізики та чисельного аналізу теоретично досліджено нагрівання та витягування нитки на хромованому термопластифікаторі (ТЕП). Утворення відходів, обривів нитки, її фізико-механічні властивості після взаємодії з ниткопровідниками визначено згідно з ГОСТ 6611.0-73. Для кожного варіанта поверхні отримано при текстуруванні — по десять, а при витягуванні — не менше 100 результатів вимірів (по п’ять з кожної паковки). Експериментальні дані оброблено за допомогою комп’ютерних програм.

У третьому розділі наведено результати дослідження щодо життєвого циклу СНВП на прикладі четвірки лідерів світового виробництва і використання — поліефірних (ПЕТФ), поліпропіленових (ПП), поліамідних (ПА) і поліакрилонітрільних (ПАН). Проведено декомпозицію природно-техногенної системи на компоненти нижчого рівня, визначено ієрархію за впливом на довкілля складових виробництва, розглянуто їх якісний зв’язок (рис. 3). Виділено п’ять груп основних компонентів, використовуваних у виробництві — сировина, природні (у тому числі водні) ресурси, енергія, технологія, устаткування. Проаналізовано виникнення забруднюючих довкілля відходів, а також вплив розглянутих компонентів на формування екологічно негативного ефекту. Особлива увага в виробництві ПА приділяється забрудненню водних ресурсів промисловими стоками та токсичними викидами у атмосферу, у тому числі замаслювачами, недостатньо стійкими при нагріванні (рис. , 5).

Рис. 4. Залежність адсорбції НПАР замаслювачів поверхнею поліамідної нитки від температури:

1 — ОП-10; 2 — ДС-4; 3 — ДС-10; 4 — ДС-20; 5 — СТ-6; 6 — ОП-4. | Рис. 5. Деякі складові екологічно негативного

ефекту виробництва поліаміду.

Із метою мінімізації забруднення водних ресурсів та безпосереднього захисту працівників виробництва від розвитку професійних патологій, обумовлених підвищеною загазованістю в цеху, проведено дослідження щодо розробки технологічного засобу зменшення газоподібних відходів шляхом створення термостійкого замаслювача нитки. Досліджено адсорбцію ПА волокнами НПАР марок ОС-20, ОП-4, ОП-10, СТ-6, ДС-4, ДС-10, ДС-20 у інтервалі Т=298-328 К. Виявлена залежність Г=f(С). За умов С = 1·10–5—1·10–3 моль/дм3, Т=293 К залежність має вигляд Г = А + ВС. Експериментально встановлено значення А і В для досліджених НПАР (наприклад, для ДС-4 Г=4,07·10-7+6,20·10-3·С). Нагрівання волокна викликає десорбцію НПАР. Найбільшу стійкість до підвищення температури виявляє НПАР марки ДС-4. Установлено, що при створенні нових композицій замаслювачів ПА ниток можна використовувати ДС-4 як найбільш термостійкий компонент серед досліджених НПАР.

Досліджено інтоксикацію біоценозів (зокрема, ґрунтових азотфіксуючих бактерій) відходами основних та допоміжних ділянок виробництва СНВП. Використання мікробних азотфіксуючих препаратів замість азотних добрив у сільському господарстві є сучасним безпечним засобом підвищення продуктивності рослин і забезпечення населення достатньою кількістю екологічної продукції. Встановлено, що додавання до поживного середовища замість чистої води водного розчину 0,3 мг/дм3 CrO3 (CrO3 використовується у допоміжному виробництві ниткопровідників) зменшує кількість азотфіксуючих бактерій Agrobacterium radiobacter та Enterobacter aerogenes на 50-80% (рис. 6, б, 7, б). Відходи основного виробництва полікапроамідних ниток теж негативно впливають на бактерії: розчин -капролактаму 35 г/дм3 призводить до загибелі 63% Agrobacterium radiobacter (рис. , в) і 100% Enterobacter aerogenes.

Отримані результати свідчать про небезпеку накопичення відходів виробництва СНВП і виявляють можливий механізм впливу відходів на деградацію земель і зменшення сільськогоспо-

а | б | в

Рис. 6. Колоній бактерій Agrobacterium radiobacter у нейтральному середовищі (а) та при наявності промислових відходів — 0,3 мг/дм3 CrO3 (б) та 35 мг/дм3 е-капролактаму (в) за 72 год.

а | б

Рис. 7. Колоній бактерій Enterobacter aerogenes у нейтральному середовищі (а) та при наявності 0,3 мг/дм3 CrO3 (б) за 72 год.

дарської продукції, а також відповідне погіршення харчування людей та їх захворюваність, посилення ризику господарювання та життєдіяльності, що особливо важливе в умовах існуючої в Україні з 1995 року епідемії туберкульозу (на Чернігівщині при зростанні кількості токсичних відходів і зменшенні сільськогосподарської продукції захворюваність туберкульозом за останнє десятиріччя збільшилось на 72%).

У четвертому розділі проаналізовано кількісний зв’язок між компонентами природно-техногенної системи, що дає підставу визначити формування екологічно негативного синергічного ефекту (ЕНСЕ) як емерджентної її властивості. Для цього згідно з ISO 14040 розглянуто утворення відходів на основних етапах життєвого циклу поліамідних ниток (рис. 8), та взаємозв’язок між сировиною, енергією та необхідними для її отримання ПР, цей зв’язок розглянуто на прикладі кінцевого етапу перетворення мономера в ПА-нитки та волокна (рис. 9).

Рис. 8. Основні етапи життєвого циклу поліамідних ниток.

Рис. 9. Схема матеріальних потоків у виробництві ПА ниток з урахуванням регенерації відходів.

Кількість відходів Мвідх(R), що надходить на регенерацію, можна визначити за формулою Мвідх (R)=Мс·(1–)·f, де Мс — початкова сировина, б — вихід продукції у основному процесі, f — частка відходів, котра підлягає регенерації. Щоб компенсувати втрати сировини та отримати одиницю готової продукції необхідно збільшити кількість циклів (n) переробки відходів. Тоді загальна кількість сировини ДМс, що поступає у виробничий процес із урахуванням регенерованих відходів (вихід продукції у процесі регенерації kR) за n циклів визначається як сума геометричної прогресії, що зменшується (знаменник прогресії q=[1–]·f ·kR):

?Мс=Мс·[1-(1–)n·f n ·kRn ] : [1-(1–)·f ·kR], | (1)

або ?Мс= К · Мс , | (2)

де К=[1-(1–б)n ? fn ? kRn] / [1–(1–б) ? f ? kR]. | (3)

Підвищення кількості сировини, яку необхідно переробити для отримання одиниці продукції, означає підвищення витрат енергії, завантаження та зношування устаткування, додаткові екологічні збитки. Енергетичні витрати при цьому можна записати як ЕK=ЕO+ЕR, де ЕK — сумарні енергетичні витрати; ЕO — енергетичні витрати виробництва ниток (ПА); ЕR — енергетичні витрати регенерації відходів. Тоді ЕK=e·K·Мс+eR·МR, де e — питома енергоємність виробництва ПА; eR — питома енергоємність зворотнього процесу (переробки відходів).

За умов, що e?eR та початкова кількість відходів Мс · (1-) · f й q = kR · , кількість відходів МR, яка пройшла регенерацію за n циклів дорівнює

MR = Mc ? (1–б) ? f ? kR · [1–(1–б)n · fn · ] : [1 –(1–б) · f · kR], | (4)

EК = e ? K ? Mc + eR ? Mc ? (1-б) ? f ? (1- ? бn) / (1 – kR ?б) =

= e ? Mc ? [K + (1–б) ? f ? (1- ? бn) / (1 – kR ?б) = e ? Mc ? L | (5)

або EК=Eo·L , | (6)

де L = K + (1–б) ? f ? (1- ? бn) / (1– kR ?б). | (7)

Для того, щоб визначити кількість ПР, котра не відновлюється, але потрібна на виробництво електроенергії, необхідно враховувати, що ЕО=с·ПРО, де с — питома теплоємність палива. Тоді з урахуванням втрат ПР під час розвідки, видобутку, транспортування, витрат згідно з інфраструктурою (котрі, як відомо, у 7—9 разів більше), отримуємо:

, | (8)

(9)

Таким чином, щоб переробити сировину з урахуванням відходів і отримати одиницю готової продукції, необхідно фактично переробити у K разів більше екологічно важливої сировини, при цьому витрачається у L разів більше енергії, що сприяє підвищенню парникового ефекту, відповідно при цьому витрачається в N разів більше природних ресурсів, що не відновлюються й видобування яких негативно впливає на довкілля. Отже

K < L < N, | (10)

тобто зв’язок між основними компонентами виробництва СНВП носить не адитивний, а синергічний характер. Це значно посилює негативний вплив виробництва на довкілля, формує екологічно негативний синергічний ефект (рис. 10). Цей синергічний ефект посилюється також під впливом устаткування на використання сировини, ПР, Е. На рис. 11, а показано можливості зменшення ремонтних відходів від недосконалого устаткування.

У дисертації визначено такі коефіцієнти синергічного ефекту: коефіцієнт зростання кількості сировини, необхідної для отримання одиниці готової продукції з урахуванням регенерації відходів, розрахований аналітично — К= 1-2; коефіцієнт зростання використання енергії при руйнації екструдера Ех(1) =1-6, зростання ремонтних токсичних відходів, та інші визначено експериментально.

Для побудови концепції у дисертації використано також наявні літературні дані відносно окремих компонентів системи. Так, в роботі Матвєєва В.С., Гвоздєва В.В. руйнація насосів у 30 разів підвищує їх енергоємність, а в роботі Мельника Л.Г., Лєксіна В.М. визначено, що на виготовлення устаткування потрібно у 9 разів більше природних ресурсів з урахуванням відходів, а за Намаконовим Б.В. для отримання енергії потрібно з урахуванням відходів у 7—9 разів більше природних ресурсів. Формування ЕНСЕ представлено за допомогою аналогії з резонансом системи на рис. 11, б. Як було нами встановлено за допомогою біоіндикаторів, такий негативний ефект розповсюджується і на біоценози, руйнацію бактерій, захворювання людей. Відомо, що кожен туберкульозний хворий за рік інфікує близько 100 людей, з яких 10 обов’язково захворіють. А захворювання, викликані шестивалентним хромом, передаються ще і нащадкам.

Рис. 10. Фрагмент утворення ЕНСЕ з урахуванням відходів сировини та корозійно-механічної руйнації обладнання (K, L, N, Q, Eх, Y — коефіцієнти синергічного ефекту).

Виникнення негативного синергічного ефекту ми розглядаємо в якості емерджентної властивості системи (від латинського “emergens” — те, що з’являється, з’являється несподівано і в даному випадку, небажано). Результати досліджень мікровзаємодії компонентів системи (корозійна та механічна руйнація матеріалів, термодеструкція полімеру при забрудненні технологічного середовища, адсорбція ниткою компонентів замаслювача), макровзаємодії (використання природних ресурсів, енергії, виникнення технологічних твердих відходів полімеру, металобрухту, токсичних рідинних відходів, газоподібних викидів), а також мегавзаємодії (котра з’являється внаслідок розглянутих обставин і визначається інтоксикацією біоценозів, негативною зміною навколишнього середовища та здоров'я людини) об’єднано і представлено у вигляді авторської концепції ЕНСЕ. Основні положення концепції такі:

· усі компоненти природно-техногенного комплексу виробництва СНВП пов’язані між собою, при наявності відходів зв’язок між компонентами носить не адитивний, а синергічний характер;

· синергічний характер зв’язку між компонентами природно-техногенного комплексу призводить до значного багатопланового погіршення стану довкілля, яке назване нами — екологічно негативний синергічний ефект;

· враховуючи токсикогенний та мутагенний вплив деяких речовин виробництва СНВП як факторів малої інтенсивності необхідно передбачати не тільки можливість виникнення ЕНСЕ із значною амплітудою Ак = А0(1100), а й поширення його у просторі й часі, посилення ризику життєдіяльності та господарювання.

а | б

Рис. 11. Витрати енергії агрегату МФ-600-КШ24 (а) при використанні екструдера з різних матеріалів, та зростання амплітуди ЕНСЕ (б) при виникненні відходів виробництва та руйнації устаткування на ділянці q1q2:

1 — планове використання сировини ДМс, енергії Е, природних ресурсів ПРЕ; 2 — додаткове використання сировини ДМс при появі відходів; 3 — додаткове використання енергії ДЕ на переробку ДМс; 4.1 — експериментальні данні ДЕ при руйнації екструдера; 4.2 — літературні данні ДЕ щодо насосів; 5 — використання ПРЕ.

Отже, згідно з представленою концепцією ЕНСЕ, для безпечного функціонування системи є необхідним режим мінімізації газоподібних, рідинних та твердих відходів на усіх її етапах. Одним з напрямків зменшення забруднюючих довкілля відходів є повернення відходів у виробничий процес. Значна кількість відходів (?11%) утворюється на стадії полімерізації. Іноземні фірми, зокрема, "Aguafil S.p.A." (Італія), "Inventa Fischer GmbH" (Німеччина), та українські виробники пропонують різні варіанти устаткування для повернення відходів у виробничий процес. Представлені розрахунки (рис. 12, а, б) свідчать про ефективність циркуляції відходів до n=1-3. У зв’язку з тим, що більшість компаній подає інформацію про свої розробки без розкриття технічних "ноу-хау" і багатьох показників, виникає питання, які критерії обирати для оцінки устаткування та технологій, яку екологічну вартість мають повернені у виробництво відходи. Нами запропоновано проводити екологічну оцінку новацій з урахуванням збільшення кількості сировини, необхідної для отримання одиниці продукції, згідно з рівнянням (3). Аналітичне дослідження впливу параметрів б, f, kR, n, які входять в цю формулу, досить складне, тому нами розроблена програма розрахунку (рис. 12 в). Таким чином, нами запропоновано на основі отриманих даних узгодити й уточнити методологію і здійснювати екологічний контроль не тільки за забрудненням довкілля, а й за впровадженням нової техніки.

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