chemicallytechFine Chemical TechnologiesТонкие химические технологии2410-65932686-7575MIREA – Russian Technological University (RTU MIREA).10.32362/2410-6593-2021-16-3-199-212chemicallytech-1708Research ArticleTHEORETICAL BASIS OF CHEMICAL TECHNOLOGYТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИDevelopment of an encapsulation process for toxic waste and hazardous chemicals in a fluidized bedРазработка процесса инкапсуляции токсичных отходов и опасных химических веществ в псевдоожиженном слоеhttps://orcid.org/0000-0001-8796-124XЕлеевЮ. А.EleevYu. A.

Елеев Юрий Александрович, к.т.н., доцент, начальник отдела

111024, Москва, шоссе Энтузиастов, 23

Yuri A. Eleev, Cand. Sci. (Eng.), Assistant Professor, Head of Department

23, Shosse Entuziastov, Moscow, 111024 

2553215@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-2500-5137БогоявленскаяЮ. С.BogoyavlenskayaYu. S.

Богоявленская Юлия Сергеевна, научный сотрудник

111024, Москва, шоссе Энтузиастов, 23

Yulia S. Bogoyavlenskaya, Researcher

23, Shosse Entuziastov, Moscow, 111024 

dir@gosniiokht.ruhttps://orcid.org/0000-0002-2369-5648ГлуханЕ. Н.GlukhanE. N.

Глухан Елена Николаевна, д.т.н., доцент, советник генерального директора

111024, Москва, шоссе Энтузиастов, 23

Scopus Author ID 8706397600

Elena N. Glukhan, Dr. Sci. (Eng.), Assistant Professor, Adviser of Director General

23, Shosse Entuziastov, Moscow, 111024

Scopus Author ID 8706397600 

dir@gosniiokht.ruhttps://orcid.org/0000-0001-9387-4003ГоловковВ. Ф.GolovkovV. F.

Головков Владимир Федорович, д.х.н., главный научный сотрудник

111024, Москва, шоссе Энтузиастов, 23

Scopus Author ID 7005127502

Vladimir F. Golovkov, Dr. Sci. (Chem.), Chief Researcher

23, Shosse Entuziastov, Moscow, 111024

Scopus Author ID 7005127502 

dir@gosniiokht.ruhttps://orcid.org/0000-0003-0906-1072АфанасьевВ. В.AfanasievV. V.

Афанасьев Владимир Васильевич, к.т.н., заместитель начальника отдела

111024, Москва, шоссе Энтузиастов, 23

Vladimir V. Afanasiev, Cand. Sci. (Eng.), Deputy Head of Department

23, Shosse Entuziastov, Moscow, 111024 

dir@gosniiokht.ruГосударственный научно-исследовательский институт органической химии и технологииРоссияState Research Institute of Organic Chemistry and TechnologyRussian Federation202122072021163199212Copyright © Eleev Y.A., Bogoyavlenskaya Y.S., Glukhan E.N., Golovkov V.F., Afanasiev V.V., 20212021Елеев Ю.А., Богоявленская Ю.С., Глухан Е.Н., Головков В.Ф., Афанасьев В.В.Eleev Y.A., Bogoyavlenskaya Y.S., Glukhan E.N., Golovkov V.F., Afanasiev V.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.finechem-mirea.ru/jour/article/view/1708

Objectives. This paper presents research results on the encapsulation of a fluidized bed of liquid and solid toxic waste containing chemicals with a hazard class of 1–3.Methods. Soils contaminated with hexachlorobenzene and hexachlorocyclohexane were used as the seed material. Ceresin was selected as the encapsulant, which was sprayed onto the fluidized bed through a pneumatic nozzle at a temperature of 135°C. Before the spraying of the ceresin, binders were introduced into the fluidized bed of the seed material through pneumatic nozzles in the form of a melt of high-temperature coal-tar pitch and wastewater containing sodium and arsenic salts as well as heavy metal oxides. The experiments were carried out using a modified GLATT AGT-150 laboratory unit.Results. The results demonstrate that the mechanism for granule formation is a mixed mechanism. The binding of the seed material is carried out by both the pitch and salting out. In this case, the cavities in the agglomerates are partially filled with salt deposits, which increases the strength and integrity of the final product’s structure. Ranges for the process parameter values were established at the point at which there was no unwanted agglomeration in the fluidized bed, and dust formation did not exceed 5%. When the ratio of the bed mass to the mass of ceresin is equal to unity, a moisture-resistant free-flowing product of hazard class 5 is obtained, which is suitable for transportation and long-term storage. The average diameters of the initial particles and encapsulated granules were 0.5 and 1.5 mm, respectively.Conclusions. The present study demonstrates a potential process for the granulation– encapsulation of toxic waste and hazardous substances with a hazard class of 1–3 in a single fluid-bed apparatus, resulting in the formation of a moisture-resistant hazard class-5 granular product suitable for transportation and long-term storage. The results obtained can be used in the development of an industrial large-scale process for encapsulating waste of hazard classes 1–3.

Цели. Исследование процесса инкапсуляции в условиях псевдоожиженного слоя жидких и твердых токсичных отходов, содержащих химические вещества 1–3 классов опасности.Методы. Для исследований в качестве затравочного материала использовался грунт, загрязненный гексахлорбензолом и гексахлорциклогексаном. Инкапсулянтом выступал церезин, который при температуре 135 °С распылялся в псевдоожиженный слой через пневматическую форсунку. Эксперименты осуществлялись на модифицированной лабораторной установке GLATT AGT-150. Перед распылением церезина в грунт через пневматические форсунки вводились связующие – плав высокотемпературного каменноугольного пека и сточные воды, содержащие соли натрия, мышьяка, а также оксиды тяжелых металлов.Результаты. Показано, что механизм гранулообразования носит смешанный характер. Связывание исходных частиц загрязненного грунта осуществляется как пеком, так и за счет высаливания. При этом полости в агломерате частично заполняются отложениями солей, что увеличивает прочность и целостность структуры конечного продукта. Установлены диапазоны значений управляющих параметров процесса, при которых в слое отсутствовала нежелательная агломерация, а пылеобразование не превышало 5%. При отношении массы слоя частиц (гранул) к массе поданного церезина, равном единице, получен влагоустойчивый сыпучий пригодный для транспортировки и длительного хранения продукт 5 класса опасности. Средние диаметры исходных частиц и капсулированных гранул соответственно составляют 0.5 мм и 1.5 мм.Выводы. Выполненные исследования показали принципиальную возможность проведения в одном аппарате процесса сушки-грануляции-капсулирования токсичных отходов и опасных химических веществ 1–3 классов опасности с образованием сыпучего продукта 5 класса опасности, обладающего влагоустойчивостью, а также пригодного для транспортировки и длительного хранения. Полученные результаты могут быть использованы при разработке промышленного крупнотоннажного процесса инкапсуляции отходов 1–3 классов опасности.

стойкие органические загрязнителитяжелые металлытоксичные отходысточные водыинкапсуляциякаменноугольный пекцерезинpersistent organic pollutantsheavy metalstoxic wasteswastewaterencapsulationcoal-tar pitchceresinРабота проводилась в рамках инициативных исследований за счет собственных средств ФГУП «ГосНИИОХТ».The work was performed through initiative research at the expense of GosNIIOKhT own funds.ReferencesJiang X., Li Y., Yan J. Hazardous waste incineration in a rotary kiln: a review. Waste Dispos. Sustain. Energy. 2019;1(1):3–37. https://doi.org/10.1007/s42768-019-00001-3Jiang X., Li Y., Yan J. Hazardous waste incineration in a rotary kiln: a review. Waste Dispos. Sustain. Energy. 2019;1(1):3–37. https://doi.org/10.1007/s42768-019-00001-3Block C., Van Caneghem J., Van Brecht A., et al. Incineration of Hazardous Waste: A Sustainable Process? Waste Biomass Valor. 2015;6(2):137–145. https://doi.org/10.1007/s12649-014-9334-3Block C., Van Caneghem J., Van Brecht A., et al. Incineration of Hazardous Waste: A Sustainable Process? Waste Biomass Valor. 2015;6(2):137–145. https://doi.org/10.1007/s12649-014-9334-3Sheu E.Y., Mullins O.C. (Eds.). Asphaltenes: fundamentals and applications. New York: Springer; 1995. 258 p. https://doi.org/10.1007/978-1-4757-9293-5Sheu E.Y., Mullins O.C. (Eds.). Asphaltenes: fundamentals and applications. New York: Springer; 1995. 258 p. https://doi.org/10.1007/978-1-4757-9293-5Spence R.D., Shi C. (Eds.). Stabilization and Solidification of Hazardous, Radioactive, and Mixed Wastes. Boca Raton: CRC Press; 2005. 391 p.Spence R.D., Shi C. (Eds.). Stabilization and Solidification of Hazardous, Radioactive, and Mixed Wastes. Boca Raton: CRC Press; 2005. 391 p.Leist M., Casey R.J., Caridi D. The fixation and leaching of cement stabilized arsenic. Waste Manag. 2003;23(4):353–359. https://doi.org/10.1016/S0956-053X(02)00116-2Leist M., Casey R.J., Caridi D. The fixation and leaching of cement stabilized arsenic. Waste Manag. 2003;23(4):353–359. https://doi.org/10.1016/S0956-053X(02)00116-2Clancy T.M., Snyder K.V., Reddy R., Lanzirotti A., Amrose S.E., Raskin L., et al. Evaluating the cement stabilization of arsenic-bearing iron wastes from drinking water treatment. J. Hazard. Mater. 2015;300:522–529. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2015.07.051Clancy T.M., Snyder K.V., Reddy R., Lanzirotti A., Amrose S.E., Raskin L., et al. Evaluating the cement stabilization of arsenic-bearing iron wastes from drinking water treatment. J. Hazard. Mater. 2015;300:522–529. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2015.07.051Shon J.S., Lee S.H., Kim G.N., Kim I.T., Shin H.S. Effect of Polyethylene as Additive on the Bituminized Waste Form with Hazardous Ash Waste. Environ. Technol. 2000;21(4):407–415. https://doi.org/10.1080/09593332108618100Shon J.S., Lee S.H., Kim G.N., Kim I.T., Shin H.S. Effect of Polyethylene as Additive on the Bituminized Waste Form with Hazardous Ash Waste. Environ. Technol. 2000;21(4):407–415. https://doi.org/10.1080/09593332108618100Brandt H.C.A., De Groot P.C. Aqueous leaching of polycyclic aromatic hydrocarbons from bitumen and asphalt. Wat. Res. 2001;35(17):4200–4207. https://doi.org/10.1016/S0043-1354(01)00216-0Brandt H.C.A., De Groot P.C. Aqueous leaching of polycyclic aromatic hydrocarbons from bitumen and asphalt. Wat. Res. 2001;35(17):4200–4207. https://doi.org/10.1016/S0043-1354(01)00216-0Шахова Н.А. Конструирование и расчет аппаратов с псевдоожиженным слоем: учеб. пособие. М.: МИХМ; 1978. 83 с. [Shahova N.A. Konstruirovanie i raschet apparatov s psevdoozhizhennym sloem: Uchebnoe posobie (Design and calculation of fluidized bed apparatuses: Tutorial). Moscow: MIHM; 1978. 83 p. (in Russ.).]Шахова Н.А. Конструирование и расчет аппаратов с псевдоожиженным слоем: учеб. пособие. М.: МИХМ; 1978. 83 с. [Shahova N.A. Konstruirovanie i raschet apparatov s psevdoozhizhennym sloem: Uchebnoe posobie (Design and calculation of fluidized bed apparatuses: Tutorial). Moscow: MIHM; 1978. 83 p. (in Russ.).]Parikh D.M. Handbook of Pharmaceutical Granulation Technology: 2nd ed. Boca Raton: Taylor & Francis Group; 2005. 654 p.Parikh D.M. Handbook of Pharmaceutical Granulation Technology: 2nd ed. Boca Raton: Taylor & Francis Group; 2005. 654 p.Елеев Ю.А., Глухан Е.Н., Казаков П.В., Беликов В.А. Особенности масштабирования процесса сушки-грануляции в псевдоожиженном слое в условиях принципиальных конструкционных различий натурной и модельной установок. Хим. Пром. Cегодня. 2016;6:34–44. [Eleev Yu.A., Glukhan E.N., Kazakov P.V., Belikov V.A. Features of the fluidized bed granulation scale-up process under the fundamental structural differences between model and industrial units. Khim. Prom. Segodnya (Chem. Ind. Today). 2016;6:34–44 (in Russ.).]Елеев Ю.А., Глухан Е.Н., Казаков П.В., Беликов В.А. Особенности масштабирования процесса сушки-грануляции в псевдоожиженном слое в условиях принципиальных конструкционных различий натурной и модельной установок. Хим. Пром. Cегодня. 2016;6:34–44. [Eleev Yu.A., Glukhan E.N., Kazakov P.V., Belikov V.A. Features of the fluidized bed granulation scale-up process under the fundamental structural differences between model and industrial units. Khim. Prom. Segodnya (Chem. Ind. Today). 2016;6:34–44 (in Russ.).]Schæfer T., Wørts O. Control of fluidized bed granulation. III. Effects of inlet air temperature and liquid flow rate on granule size and size distribution. Control of moisture content of granules in the drying phase. Arch. Pharm. Chem. Sci. 1978;6:1–13.Schæfer T., Wørts O. Control of fluidized bed granulation. III. Effects of inlet air temperature and liquid flow rate on granule size and size distribution. Control of moisture content of granules in the drying phase. Arch. Pharm. Chem. Sci. 1978;6:1–13.Smith P.G. Applications of fluidization to food processing. Oxford: Blackwell; 2007. 258 p.Smith P.G. Applications of fluidization to food processing. Oxford: Blackwell; 2007. 258 p.Masters K. Spray Drying: An Introduction to Principles Operational Practice and Applications. London: Leonard Hill Books; 1972. 668 p.Masters K. Spray Drying: An Introduction to Principles Operational Practice and Applications. London: Leonard Hill Books; 1972. 668 p.Knight P.C. An investigation of the kinetics of granulation using a high shear mixer. Powder Technol. 1993;77(2):159–169. https://doi.org/10.1016/0032-5910(93)80053-DKnight P.C. An investigation of the kinetics of granulation using a high shear mixer. Powder Technol. 1993;77(2):159–169. https://doi.org/10.1016/0032-5910(93)80053-DDencs B., Ormós Z. Particle formation from solution in a gas fluidized bed. I. Powder Technol. 1982;31(1):85–91. https://doi.org/10.1016/0032-5910(82)80007-7Dencs B., Ormós Z. Particle formation from solution in a gas fluidized bed. I. Powder Technol. 1982;31(1):85–91. https://doi.org/10.1016/0032-5910(82)80007-7Crooks M.J., Schade H.W. Fluidized bed granulation of a microdose pharmaceutical powder. Powder Technol. 1978;19(1):103–108. https://doi.org/10.1016/0032-5910(78)80077-1Crooks M.J., Schade H.W. Fluidized bed granulation of a microdose pharmaceutical powder. Powder Technol. 1978;19(1):103–108. https://doi.org/10.1016/0032-5910(78)80077-1Waldie B. Growth mechanism and the dependence of granule size on drop size in fluidized-bed granulation. Chem. Eng. Sci. 1991;46(11):2781–2785. https://doi.org/10.1016/0009-2509(91)85147-PWaldie B. Growth mechanism and the dependence of granule size on drop size in fluidized-bed granulation. Chem. Eng. Sci. 1991;46(11):2781–2785. https://doi.org/10.1016/0009-2509(91)85147-PBayvel L., Orzechowski Z. Liquid Atomization. Washington: Taylor & Francis; 1993. 477 p.Bayvel L., Orzechowski Z. Liquid Atomization. Washington: Taylor & Francis; 1993. 477 p.Hemati M., Cherif R., Saleh K., Pont V. Fluidized bed coating and granulation: influence of process-related variables and physicochemical properties on the growth kinetics. Powder Technol. 2003;130(1–3):18–34. https://doi.org/10.1016/S0032-5910(02)00221-8Hemati M., Cherif R., Saleh K., Pont V. Fluidized bed coating and granulation: influence of process-related variables and physicochemical properties on the growth kinetics. Powder Technol. 2003;130(1–3):18–34. https://doi.org/10.1016/S0032-5910(02)00221-8Shornikova O.N., Malakho A.P., Govorov A.V., Galiguzov A.A., Nashchokin A.V., Avdeev V.V. Wetting of Carbon Fibers by Coal-Tar Pitch Melts. Fibre Chem. 2016;47(5):367–371. https://doi.org/10.1007/s10692-016-9694-5Shornikova O.N., Malakho A.P., Govorov A.V., Galiguzov A.A., Nashchokin A.V., Avdeev V.V. Wetting of Carbon Fibers by Coal-Tar Pitch Melts. Fibre Chem. 2016;47(5):367–371. https://doi.org/10.1007/s10692-016-9694-5

The authors declare that there are no conflicts of interest present.