14.625.21.0019

Эксплуатирующееся в настоящее время в России производство несимметричного диметилгидразина (НДМГ), жидкого ракетного топлива, созданное более 50 лет назад физически и морально устарело. На 1 тонну НДМГ образуется до 1,1 тонны минеральных отходов в виде низкосортного товарного сульфата натрия и 3,5 тонны высокотоксичных жидких отходов. В течение последних 35 лет высокотоксичные жидкие отходы подвергаются захоронению в подземные горизонты, создавая угрозу выхода токсичных веществ в водоносные горизонты и поверхностные воды. Твердый отход производства - сульфат натрия перерабатывается по энергетически затратной технологии (выпаривание водных растворов, кристаллизация, фильтрация, высокотемпературная сушка) в товарный продукт, спрос на который на рынке постоянно падает из-за присутствия в нем примеси нитрата натрия.
Целью настоящего исследования является разработка новой технологии переработки высокотоксичных отходов производства НДМГ, исключающей образование вторичных токсичных отходов, и позволяющей получать товарные продукты.

Решение проблемы экологически опасного производства может быть только в полной замене тех технологических процессов, на которых образуется основная масса жидких отходов. Эти отходы в действующем производстве образуются на стадии выделения целевого полупродукта (N-нитрозодиметиламина, НДМА) и представляют собой водные растворы, содержащие сульфат натрия, нитрит натрия, нитрат натрия и примесь НДМА. Для исключения образования жидких трудно перерабатываемых высокотоксичных отходов в ходе настоящего исследования разработан процесс обезвреживания солевых растворов с получением товарных сухих минеральных солей - сульфата натрия и нитрата калия. Сульфат натрия широко используется в качестве сырья для стекольной, целлюлозно-бумажной, текстильной, кожевенной промышленности. Нитрат калия также находит широкое применение как компонент удобрений, а также при производстве пиротехнических составов.
Новизна настоящего исследования заключается в разработке оригинальной технологии выделения индивидуальных товарных минеральных солей из водных растворов, содержащих сульфат, нитрит и нитрат натрия с помощью введения в раствор серной кислоты.

Для проведения экспериментального исследования специально разработана лабораторная установка, на которой проводились экспериментальные исследования. В ходе экспериментальных исследований изучен предложенный метод переработки жидких высокотоксичных отходов, образующихся при производстве НДМГ. Типовой состав отходов представлен ниже:

- массовая доля сульфата натрия – 24 %

- массовая доля нитрита натрия – 1,8 %

- массовая доля нитрата натрия  – 6 %

- массовая доля НДМА – 0,0004 %

- массовая доля железа – 0,0005 %

- массовая доля хлорида – 0,2 %

- массовая доля щелочи – 1,2 %.

Типовой эксперимент на лабораторной установке проводили следующим образом. К исходному раствору добавляли концентрированную серную кислоту, раствор нагревали до температуры кипения. Полученный раствор сушили, в результате чего избыточная серная кислота вступала в реакцию с сульфатом натрия с образованием бисульфата натрия. Далее полученную сухую смесь солей выдерживали в течение определенного времени при температуре в интервале от 150 до 250 ^оС. Образовавшиеся газообразные продукты реакции, содержащие азот в связанном состоянии направляли на улавливание раствором щелочи с целью получения нитрата калия. Исходные растворы и конечные сухие смеси солей на всех стадиях анализировали на содержание основных компонентов по известным методикам. Для определения концентрации нитрат-иона использовали метод 2 по ГОСТ 10671.2-74,  для определения концентрации нитрит-иона использовали п. 3.3 ГОСТ 19906-74, а для определения общей кислотности п. 3.3 ГОСТ 4204-77.

Во-первых, в ходе экспериментального исследования получены результаты, подтверждающие практическую возможность очистки жидких высокотоксичных отходов от нитрата и нитрита натрия с получением сухих сульфата натрия и нитрата калия, по содержанию основного вещества соответствующих нормативным документам.

Во-вторых, в ходе исследования кинетических закономерностей реакций разложения нитрата натрия в водном растворе в температурном диапазоне от 40 до 90 ^оС, установлено, что нитрит натрия полностью разлагается за время не превышающее 15 минут в зависимости от температуры.

В-третьих, исследование кинетических закономерностей реакции взаимодействия нитрата натрия с бисульфтом натрия в присутствии среднего сульфата натрия при температурах от 150 до 300 ^оС с помощью, как лабораторной установки, так и комплекса термического анализа Setaram, позволило установить стадии взаимодействия, состав образующихся газообразных продуктов реакции. Выявлено, что лимитирующим скорость реакции фактором является скорость отвода образующейся азотной кислоты.

В-четвертых, экспериментально изучен состав образующихся растворов при улавливании отходящих газов растворами гидроксида калия, а также карбоната калия. Предложен способ снижения содержания нитрита калия в нитрате калия до допустимых значений.

В-пятых, экспериментально определены оптимальные условия (температура и время пребывания) проведения процесса высокотемпературной обработки смеси бисульфата, сульфата и нитрата натрия. Оптимальная температура составляет величину порядка 200  ^оС, оптимальное время пребывания в реакторе при условии активного перемешивания сухих солей составляет величину 4–8 мин. Исследован на лабораторной установке процесс улавливания газовых сдувок с целью получения нитрата калия. Установлено, что конечное содержание нитрата калия в нитрате калия составляет величину порядка 5 %. Экспериментально показана возможность снижения содержания нитрита калия в нитрате до величины менее 0,1 мас.% с использованием азотной кислоты в качестве реагента.

Разрабатываемая в рамках настоящего исследования технология может быть применена на производствах жидкого ракетного топлива. На текущий момент наиболее вероятным потребителем разрабатываемой технологии является Акционерное общество "Салаватский химический завод" (АО "СХЗ"), выполняющий роль Индустриального партнера в настоящем проекте. АО "СХЗ" в текущий момент производит модернизацию своих производств, целью которой является повышение рентабельности, в том числе повышение безопасности труда, снижение энергопотребеления, снижения экологического воздействия на окружающую среду. АО "СХЗ" планирует использовать разработанную технологию при проектировании и создании отдельных узлов производства с целью снижения количества образующихся отходов.