ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы исследования. Улучшение условий труда работающего персонала на участке гальванической обработки поверхностей закладных изделий строииндустрии и снижение содержания вредных ядовитых веществ в воздухе рабочей зоны чрезвычайно актуально. Современное гальваническое производство занимает одно из лидирующих мест среди загрязнителей воздуха рабочей зоны. Профессиональные заболевания (астма, аллергия, язва внутренних органов, слепота и утрата обоняния), получаемые обслуживающим персоналом в этих цехах, в значительной мере связаны с воздействием на человека вредных производственных факторов на производстве. Основное воздействие на здоровье человека оказывают жидкостные, газообразные и пылевые аэрозоли в воздухе рабочей зоны. При этом значительно снижается производительность труда работников и ухудшается качество выпускаемой продукции.
В технологическом оборудовании гальванических цехов предприятий строииндустрии образуется высокодисперсный жидкостный аэрозоль, который попадает в воздух рабочей зоны и оказывает вредное влияние на здоровье человека.
Другой проблемой, связанной с охраной труда, является высокая запыленность воздуха рабочих зон. В строительстве и промышленности строительных материалов для борьбы с пылевыми выбросами используются процессы гидрообеспыливания с различными способами введения диспергированной жидкости в пылевой поток. Эффективность процесса гидрообеспыливания определяется физико-химическими свойствами жидкости и особенно смачиванием пылевых частиц.
В этой связи особый интерес представляло изучение влияния капель аэрозоля на процесс смачивания и улавливания пылевых частиц.
В силу важности этих проблем для защиты воздуха рабочей зоны, а также для других теоретических проблем представлялось целесообразным изучение физико-химических свойств жидкостного аэрозоля.
Область исследования. Изучение физико-химических процессов, определяющих условия труда в гальванических цехах и на участке изготовления бетонных плит предприятий стройиндустрии.
Цель работы. Улучшение условий труда работников участков обработки металлических элементов строительных конструкций предприятий стройиндустрии, путем оптимизации технологических решений и новых свойств жидкостного аэрозоля для интенсификации процесса гидроообеспыливания.
Основная идея работы. Заключается в использовании новых данных о физико-химических свойствах жидкостного аэрозоля для разработки технических решений, обеспечивающих улучшения условий труда при обработке поверхностей закладных изделий стройиндустрии и повышения эффективности процессов гидрообеспыливния.
Методы исследования включали: аналитическое обобщение известных научных и технических результатов; разработанные автором методы: контроля выброса жидкостного аэрозоля с поверхности гальванической ванны, краевого угла смачивания, измерения поверхностного натяжения, рН, кинетики испарения и концентрации солей малых капель жидкостного аэрозоля; использование статистической обработки экспериментальных данных. Научная новизна работы:
• Впервые установлены закономерности изменения физико-химических свойств жидкой фазы аэрозоля в условиях его распространения в воздухе рабочей зоны (поверхностного натяжения, краевого угла смачивания, концентрации электролита, кинетических параметров процесса испарения);
• установлена новая зависимость для определения краевого угла смачивания, основанная на рассмотрении гидростатического равновесия на периметре смачивания в условиях действия силы тяжести, учитывающая влияние объема капли на краевой угол смачивания, используемая в оценке эффективности процессов гидрообеспыливания.
• Впервые установлено явление взрывного характера испарения аэрозоля с гидрофильной поверхности (потеря массы), связанное с разба-
. лансом ионов в капле, приводящие к изменению дисперсного состава жидкостного аэрозоля, что необходимо учитывать при оценке эффективности процессов удаления вредных веществ из воздуха рабочей зоны;
• выявлены закономерности снижения концентрации жидкостного аэрозоля в воздухе рабочей зоны с увеличением глубины всплывания пузыря, позволяющее повысить эффективность снижения вредных выделений в воздух рабочей зоны для технологического процесса обработки поверхностей закладных изделий на предприятиях стройиндустрии;
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечена применением в опытах реактивов марки «ХЧ», «ЧДА» и «Ч», не содержащих следов поверхностно-активных веществ; приготовлением растворов на бидистиллированной воде; использованием разработанных методов исследования физико-химических свойств растворов электролитов; статистического анализа для большого массива экспериментальных данных (пакет Statistica); относительная погрешность экспериментов находилась в пределах 5% при доверительной вероятности 0,95 и получении прогнозируемого эффекта в практическом использовании.
Практическая ценность работы:
• предложены и реализованы технологические мероприятия по снижению выделений жидкостного аэрозоля из гальванических ванн участка гальванической обработки поверхностей закладных изделий стройиндустрии, заключающиеся в оптимизации глубины погружения подвесок;
8
• по данным макроскопических измерений разработана методика определения равновесного краевого угла смачивания 0е как важнейшего параметра эффективности процесса гидрообеспыливания;
• разработано математическое обеспечение для вычисления краевого угла смачивания 6е;
• предложен способ измерения поверхностного натяжения для капель жидкостного аэрозоля, параметра, влияющего на процесс гидрообеспыливания;
• разработаны рекомендаций по повышению эффективности гидрообеспыливания на основе учета свойств жидкостного аэрозоля.
Реализация результатов работы:
• разработанный технологический способ уменьшения выделения жидкостного аэрозоля из гальванических ванн, улучшающий условия труда, внедрен на заводе «Электросигнал» (г. Дербент);
• методика измерения равновесных краевых углов смачивания жидкостью поверхности твердого тела используется при выполнении научных исследований и лабораторных работ на кафедре общей и неорганической химии ЮРГТУ (НПИ); методика опубликована: «Химические основы технологических процессов. Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу химии». Новочеркасск, 1989; «Лабораторный практикум по общей и неорганической химии. Ч. 1.» Новочеркасск, 1999;
• разработанный способ измерения поверхностного натяжения для капель аэрозоля использован при проведении научных исследований на кафедре общей и неорганической химии ЮРГТУ (НПИ) (рационализаторское предложение внедрено в 1986 г. в Новочеркасском политехническом институте);
• разработаны и внедрены рекомендации по гидрообеспыливанию жидкостного аэрозоля, снизившие содержание пылевых частиц в воздухе рабочей зоны на участке изготовления бетонных плит предприятии ПСМО ДАГСТРОЙ.
Основные положения диссертационной работы, выносимые на защиту:
• предложенная методика определения равновесного краевого угла смачивания 9е, по данным макроскопических измерений позволяет по форме реальной капли определить равновесный краевой угол Дюпре-Юнга;
• методика определения концентрации солей в каплях жидкостного аэрозоля обеспечивает возможность оптимизации процесса гидрообеспыливания;
• методика определения влияния капель жидкостного аэрозоля, объемом 10"6 л, позволяющая повысить эффективность пылеулавливания;
• методика определения поверхностного натяжения капель жидкостного аэрозоля объемом КГ6 л, обеспечивающая возможность оптимизации процесса гидрообеспыливания;
• разработанный автором способ снижения выделения жидкостного аэрозоля с поверхности электролита позволяет снизить концентрацию вредных веществ в рабочей зоне до уровня ниже ПДК.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на Всесоюзной конференции по коллоидной химии и физико-химической механике (г. Ташкент, 1984 г.), Всесоюзной конференции по пенам (г. Пенза, 1985 г.), Всесоюзной конференции по аэродисперсным системам (г. Одесса, 1988 г.), на Ребиндеровских чтениях в МГУ им. М.В. Ломоносова (г. Москва, 1989, 1990 г.г.), Европейской аэрозольной конференции
10
(Цюрих, Швейцария, 1990 г.), Европейской аэрозольной конференции (Кар-лсруе, Германия, 1991 г), на семинарах в ЮРГТУ (НПИ).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 печатных работ.
Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на
126 страницах машинописного текста и содержит 14 таблиц, 26 рисунков и 112 библиографических описании
и ГЛАВА 1
СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ИССЛЕДОВАНИЯ
1.1. Состояние воздушно-газовой среды участка по обработке закладных деталей стройиндустрии
Многочисленные технологические процессы, протекающие в природе и технике, сопровождаются барботажем. В процессе разрыва газового пузыря на поверхности жидкости образуются пленочные и кумулятивные капли. Кумулятивные капли размером в десять раз меньше самого пузыря, поднимаются вертикально вверх на высоту до 50 см. Пленочные капли имеют размер на 1-2 порядка меньше размера кумулятивных капель и при разрыве газового пузыря разлетаются над поверхностью жидкости. Жидкость таких капель очень быстро испаряется из-за малости размеров, в результате чего образуются ядра конденсации, которые легко переносятся потоком воздуха на большие расстояния. В работах [1-6] подробно изучен механизм формирования капельного уноса при процессе барботажа, разделения ионов при капельном уносе, заряжения капель и влияния различных факторов на разделение ионов (глубины всплывания пузыря, размера пузыря, частоты генерации пузыря и др.)
Барботажный аэрозоль, образующийся при разрыве газовых пузырей на поверхности воды и водных растворов электролитов, обладает электрическим зарядом, его состав отличается от состава исходного раствора, наблюдается изменение
12
ионных соотношений в каплях барботажного аэрозоля по сравнению с исходной жидкостью.
Гальваническое производство среди загрязнителей окружающей среды занимает одно из лидирующих мест. Так, при электрохимическом процессе хромирования значительная часть пропускаемого электрического тока расходуется на разложение воды. При этом выделяются водород и кислород, увлекающие за собой пузырьки электролита. Мельчайшие частицы электролита в виде тонкодис- персного тумана поднимаются над ванной и поступают в воздушно-газовое пространство окружающей среды. Унос хромового ангидрида составляет примерно 50% от общего его расхода [7]. Содержание хромового ангидрида в виде тонкодисперсного тумана в атмосфере цеха вредно отражается на здоровье обслуживающего персонала.
Барботажный аэрозоль может сыграть немаловажную роль в пылеподавле-нии в строительстве и промышленности строительных материалов (орошаемые гравийные пылеуловители). Очищаемый воздух проходит через ряд завес распыленной воды и в результате достигается эффект очистки воздуха. В ходе улавливания пылевых частиц каплями барботажного аэрозоля происходит соприкосновение двух фаз, то есть происходит смачивание твердого тела жидкостью. Эффективность захвата пыли каплями барботажного аэрозоля и природа этого явления до сих пор остаются неизученными.
#¦
13
Изучение процессов перехода химических эдементов через границу оке-
-Ш
ан-атмосфера и их фракционирование необходимо в связи выяснением полного
цикла веществ в природе.
Огромную роль в этих процессах играют мельчайшие пузырьки воздуха, повсеместно поднимающиеся к поверхности морской воды и лопающиеся на границе океан - атмосфера с образованием аэрозолей. Барботажный аэрозоль принимает участие в формировании состава атмосферных вод [8-13], а также является от-ф ветственным за электрические процессы в атмосфере над океаном [14-15]. В работах [16-17], посвященных изучению взаимодействия океан - атмосфера, было выявлено изменение ионных отношений в барботажном аэрозоле по отношению к объемной фазе. Их физико-химические свойства до настоящего времени не изучены, хотя установлено, что они играют существенную роль при формировании климата на Земле, а также принимают участие в геологическом круговороте веществ (взаимодействие «океан - суша»).
Практически не исследованы свойства барбатажного аэрозоля, образующегося при электрохимических процессах в гальванических ваннах цехов промышленных предприятий, участков формовки аккумуляторов, упаривания различных растворов, в том числе радиоизотопов, а также при Других технологических процессах. Экологические проблемы барботажного аэрозоля неизвестны в связи с малой изученностью. Неизвестно его влияние на человека и животных, окружающую среду. Установлено, что одновременно в барботажный аэрозоль попадают частицы дисперсной фазы, в том числе и микроорганизмы природной среды [18-19]. В
14
процессе большого круговорота в природе барботажный аэрозоль может переносить бактерии и микроорганизмы на большие расстояния (до нескольких сотен километров), создавая тем самым угрозу эпидемий.
Таким образом, с воздушным потоком барботажный аэрозоль может переносить бактерии и микроорганизмы из экологически неблагоприятных районов в чистые районы и заражать инфекцией людей и окружающую природную среду.
С другой стороны, при образовании барботажного аэрозоля как в природных (морской аэрозоль и ядра конденсации), так и в производственных условиях (электрохимические производства, упаривание растворов, работа различных барботаж-ных агрегатов) необходимо учитывать морфологические изменения капельножидкой фазы. Даже незначительное изменение ее свойств может существенно отразиться на параметрах технологического процесса, связанного с образованием барботажного аэрозоля. Эти изменения важно учитывать как для природных условий, так и для различных технологических процессов. В силу важности этой проблемы для окружающей природной среды, а также для фундаментальной науки целесообразно было изучить физико-химические свойства барботажного аэрозоля.
В процессе предварительной подготовки деталей в гальванических цехах (механическая очистка, обезжиривание, травление) и при гальванических процессах нанесения антикоррозионных покрытий на поверхность изделий происходит выделение в воздушную среду цеха вредных химических веществ, ухудшающих экологическую обстановку
15
Характеристика вредных выделений при обработке изделий
в гальванических цехах
Таблица 1
Название операции Температура раствора, *С Выделяемые вредные вещества
1 2 3
Оксидирование алюминия: В серной кислоте В хромовой кислоте Пескоструйная обработка 15-25 40 Водород Брызги кислоты Брызги хромовой кислоты Песчаная пыль
Шлифование и полирование — Пыль металла, абразива
Оксидирование стали 135-145 Водород, пары щелочи и воды
Никелирование, меднение, кад-мирование, лужение в кислых электролитах. 18-25 Брызги электролита
Цинкование, кадмирование меднение, латунирование, серебрение и золочение в цианистых электролитах. 18-60 Цианистый водород, водород, пары воды
Травление черных металлов 20-60 Водород, брызги и пары кислоты и воды
Хромирование 45-60 Водород, брызги и туман хромовой кислоты, пары воды
Пассивирование в растворе хромового ангидрида. 50 Пары воды, окислы хрома
Обезжиривание химическое и электрохимическое 60-90 Водород, кислород, брызги и пары щелочи и воды
Лужение в щелочных электролитах. 65-75 Водород, пары щелочи и воды
Горячая промывка 70-90 Пары воды
Железнение 90-100 Водород, брызги электролита, пары воды
Обработка в растворах хромпика 95 Брызги раствора, пары воды
Фосфатирование 95-98 Брызги раствора, пары воды
16
Канцерогенные вредные химические вещества, выделяющиеся в воздушно-газовую среду гальванических цехов при электрохимических процессах в виде тонкодисперсного тумана, отрицательно воздействуют на организм человека и поражают в первую очередь органы дыхательных путей, полость рта, слизистую оболочку глаз.
Известно, что большинство профессиональных отравлений связано с ингаляционным проникновением в организм вредных химических веществ. Большая всасывающая поверхность легочных альвеол обуславливает очень быстрое и почти беспрепятственное проникновение ядов к жизненным важнейшим центрам организма [20]. Унос капель в газовую среду цеха в процессе электрохимического покрытия влечет за собой изменение микроклимата цеха. Происходит увеличение влажности и концентрации вредных веществ в воздухе рабочей зоны.
Как видно из табл.2, как при выключенной, так и при включенной вентиляции состояние воздушно-газовой среды гальванических цехов оставляет желать лучшего. Содержание концентрации вредных веществ в воздушной среде гальванических цехов превышает ТТДК. Это связано с тем, что в гальванических цехах газовая среда насыщена агрессивным аэрозолем, влияющим вредно на окружающую среду. Его происхождение связано с разрушением газовых пузырей, образующихся на поверхности электролита гальванических ванн при электрохимическом процессе нанесения металлических покрытий.
Аэрозоль и высокая влажность приводят к быстро протекающей коррозии вентиляционных установок и их выходу из строя. Поэтому во многих гальванических цехах вентиляционные установки работают практически на половину мощности или вообще не работают.
17
В результате при этом страдают внутренние органы работающих на этих участках. У обслуживающего персонала проявляются такие заболевания, как астма, аллергия, язва внутренних органов, слепота, утрата обоняния и, кроме того, обостряются другие заболевания. Анализ дисперсного состава туманов показал, что размеры частиц при электрохимическом хромировании находятся в пределах 8-Ш мкм [21]. Эти частицы, образующиеся при капельном уносе, проникают глубоко в дыхательные пути, в альвеолы, частично или полностью растворяются в лимфе.
В табл. 2 представлены концентрации выбросов вредных химических веществ в воздушно-газовую среду гальванических цехов некоторых предприятий.
Как видно из табл.2, как при выключенной, так и при включенной вентиляции состояние воздушно-газовой среды гальванических цехов оставляет желать лучшего. Содержание концентрации вредных веществ в воздушной среде гальванических цехов превышает ПДК. Это связано с тем, что в гальванических цехах газовая среда насыщена агрессивным аэрозолем, влияющим вредно на окружающую среду. Его происхождение связано с разрушением газовых пузырей, образующихся на поверхности электролита гальванических ванн при электрохимическом процессе нанесения металлических покрытий. . В гальванических цехах основную опасность для обслуживающего персонала представляют ванны обезжиривания, травления, хромирования, а также, содержащие цианистые электролиты, сернокислотные электролиты, электролиты, применяемые в процессе анодирования и др. В табл. 1 приведены выделяемые вредные вещества в гальванических цехах [7] при электрохимической обработке покрываемых изделий.

Получить работу