Экологические аспекты инициирующих взрывчатых веществ и перспективы их совершенствования

В.В. Жуликов¹ , В.А. Тихонов¹, Г.А. Дудник¹, Д.И. Михеев² , Н.И. Акинин^2
1 ООО «АЗОТТЕХ», г. Москва, Российская Федерация
² Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, г. Москва, Российская Федерация
Горная Промышленность №5 / 2023 стр. 66-70

Резюме: Основными средствами инициирования в добывающей промышленности выступают капсюли-детонаторы с использованием высокотоксичных инициирующих энергоемких материалов на основе соединений свинца. К сожалению, за детализированной комплексностью современных подходов к расчетам экологического ущерба довольно сложно оценить удельные показатели выбросов свинца от капсюлей-детонаторов при взрывных работах, ввиду чего представлен альтернативный вариант, позволяющий продемонстрировать некоторый более понятный эквивалент негативных последствий. Проведенный анализ статистических сведений о производстве и потреблении свинецсодержащих средств инициирования указывает на их значительный вклад в суммарное и с каждым годом возрастающее загрязнение свинцом окружающей среды, подчеркивая необходимость поиска альтернативных инициирующих энергоемких материалов. На текущем этапе развития техники и технологии в мире уже существуют внедренные в производство и потребление, но все же несколько спорные по ряду эксплуатационных характеристик и технологий изготовления альтернативные варианты средств инициирования на основе новых, не содержащих тяжелых металлов, соединений, а также использующие принципиально новые методы возбуждения детонации в энергоемких материалах, в частности, на основе воздействия излучения оптических квантовых генераторов (лазеров). Совокупность представленных экологических факторов и научно-технологических достижений указывает на необходимость активизации отечественных разработок в области замены высокотоксичных средств инициирования.

Ключевые слова: свинец, загрязнение, экотоксичность, инициирующие взрывчатые вещества, азид свинца, безопасные средства инициирования, детонатор, экологичность

Для цитирования: Жуликов В.В., Тихонов В.А., Дудник Г.А., Михеев Д.И., Акинин Н.И. Экологические аспекты инициирующих взрывчатых веществ и перспективы их совершенствования. Горная промышленность. 2023;(5):66–70. https://doi.org/10.30686/1609-9192-2023-5-66-70

Информация о статье

Поступила в редакцию: 12.09.2023

Поступила после рецензирования: 02.10.2023

Принята к публикации: 04.10.2023

Информация об авторах

Жуликов Виктор Валерьевич – руководитель проектного офиса, ООО «АЗОТТЕХ», г. Москва, Российская Федерация, e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Тихонов Виталий Александрович – генеральный директор, ООО «АЗОТТЕХ», г. Москва, Российская Федерация, e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Дудник Геннадий Анатольевич – технический директор, ООО «АЗОТТЕХ», г. Москва, Российская Федерация, e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Михеев Денис Иголевич – кандидат технических наук, доцент кафедры техносферной безопасности, Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, г. Москва, Российская Федерация, e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Акинин Николай Иванович – доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой техносферной безопасности, Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, г. Москва, Российская Федерация, e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Введение

Проведение взрывных работ в горнодобывающей промышленности, строительстве и других отраслях народного хозяйства непременно подразумевает использование средств инициирования. Современные штатные средства инициирования изготавливаются на основе инициирующих (первичных) взрывчатых веществ (ИВВ), способных под действием относительно слабого начального импульса претерпевать взрывное превращение и вызывать воспламенение, взрыв или детонацию других, менее чувствительных взрывчатых веществ. Ввиду своего практического назначения ИВВ имеют высокую чувствительность к простым видам начального импульса (удар, трение, сжатие, искра, пламя, нагрев) и способность детонировать в весьма малых количествах.

В табл. 1 приведены характеристики основных ИВВ, применимых в средствах инициирования промышленного назначения [1].

Таблица 1 Характеристики основных инициирующих (первичных) взрывчатых веществ для средств инициирования промышленного назначения

Table 1 Characteristics of the main initiating explosives for industrial primers

Соединения ртути, ввиду крайне высокой токсичности и более низкой химической стойкости по отношению к конструкционным материалам, выведены из использования в качестве ИВВ, поэтому в настоящее время основными используемыми в средствах инициирования ИВВ являются азид свинца, тринитрорезорцинат свинца (стифнат свинца, ТНРС) и моногидрат 5-(4-амидино-1-тетразено) тетразола (Тетразен). Тетразен, в сравнении со свинецсодержащими ИВВ, выделяется низкой экотоксичностью, однако данное ИВВ широкого применения в капсюлях-детонаторах не нашло, вероятно, из-за нечувствительности к термическому импульсу мостика накаливания в спрессованном виде [2]. Поэтому для большинства используемых в промышленных целях средств инициирования основным первичным компонентом является комбинация азида и стифната свинца.

Экологические аспекты свинецсодержащих инициирующих взрывчатых веществ

Исходя из типовой компоновки самых распространенных капсюлей-детонаторов типа КД-8 на основе азида свинца в каждом детонаторе находится около 0,2 г азида и 0,1 г стифната свинца, что в пересчете на свинец составляет порядка 0,19 г в каждом капсюле [3].

Рассматривая потенциальный экологический ущерб антропогенного загрязнения свинцом от одного детонатора, для наглядности провели расчёт параметров негативного воздействия на окружающую среду (табл. 2).

Таблица 2 Гигиенические нормы выбросов и сбросов свинца и его соединений и оценка удельного ущерба от одного капсюля- детонатора

Table 2 Hygienic standards for emissions and discharges of lead and its compounds, and estimation of specific damage per one blasting cap

В данном расчете экологические последствия представлены в виде эквивалентных количеств среды, необходимых для рассеивания вещества до безопасных концентраций в соответствии с гигиеническими нормативами, приведенными в СанПиН 1.2.3685-21 «Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов среды обитания». Данный показатель, на наш взгляд, является относительно универсальным для целей демонстрации удельного загрязнения. Коммерчески понятный для оценки выбросов расчет финансовых характеристик платы за ущерб окружающей среде связан с конкретикой стационарного источника как объекта негативного воздействия на окружающую среду (НВОС), и получаемое таким образом удельное значение всегда будет являться частным случаем, что недостаточно информативно для оценки глобального ущерба окружающей среде.

Как видно из табл. 2, наибольший ущерб достигается при выбросах в атмосферный воздух, что, увы, в случае взрывных работ и является основным направлением распространения свинца и его соединений вместе с остальными продуктами взрыва.

Сводные значения по выбросам свинца из открытых данных статистической отчетности Росприроднадзора представлены на рис. 1¹.

Рис. 1 Суммарные выбросы свинца и его соединений в РФ, т

Fig. 1 Total emissions of lead and its compounds in the Russian Federation in tons

К сожалению, недостаток конкретики в этих данных не позволяет должным образом оценить вклад добывающей отрасли в общие выбросы свинца, как и в принципе подтвердить факт учета выбросов от применения средств инициирования на основе свинецсодержащих ИВВ. Подобные выбросы на первый взгляд не выглядят значительными в сравнении с основными стационарными источниками загрязнения свинцом из числа предприятий обрабатывающей промышленности. Однако с учетом объемов производства исходных веществ и выпускаемых отечественными предприятиями свинецсодержащих средств инициирования2, а также количества импортируемых в РФ капсюлей-детонаторов оценочный потенциал выбросов свинца и его соединений в результате применения средств инициирования может составлять порядка двух десятков тонн. Соотнесение этих прогностических значений со статистикой суммарных выбросов по данным Росприроднадзора не оставляет сомнений в значительности вклада применения средств инициирования на основе свинецсодержащих ИВВ в загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами.

Перспективы снижения экотоксичности инициирующих взрывчатых веществ

В США после принятия в 1990-х годах специальных законов, снижающих и даже исключающих закупки опасных веществ и материалов для нужд федерального правительства, организованы систематические исследования по синтезу малотоксичных инициирующих веществ, предназначенных для замены свинецсодержащих ИВВ в средствах инициирования. В конце XX в. в ряде стран также были приняты государственные программы по ограничению или исключению применения солей свинца в гражданских средствах инициирования. К 2006 г. специалистами Лос-Аламосской Национальной Лаборатории США были сформулированы достаточно жесткие требования к энергонасыщенным веществам, не наносящим вреда окружающей среде, с целью замены азида и стифната свинца в гражданских средствах инициирования.

Проблематика разработки таких экологических составов для средств инициирования и стрелкового оружия отмечается и в ответственных научных кругах, а также прорабатываются варианты инновационных методов возбуждения детонации самих ИВВ [4–7]. Компании и научные организации уже длительное время занимаются разработкой потенциально экологически безопасных инициирующих составов, а также менее экотоксичных способов их изготовления [8–11].

2-диазо-4,6-динитрофенол нашел применение в Китае и Южной Корее как первичное инициирующее вещество для промышленных КД и ЭД [8]. Однако соединения динитрофенолов относятся к веществам I класса опасности по ГОСТ 12.1.007–76 «Вредные вещества. Классификация и общие требования», что значительно осложняет производство инициаторов на их основе, хотя в настоящее время успешно ведутся работы по повышению экологичности и упрощения способов получения данного соединения [12; 13]. Разработан способ получения сыпучего диазодинитрофенола с высокой гравиметрической плотностью для экологически чистых составов капсюлей-воспламенителей стрелкового оружия и рассматривается как один из вариантов перехода на данный тип состава. Однако на данном этапе не имеется достаточных сведений о санитарно-гигиенической безопасности такого производства диазодинитрофенола.

Существуют и другие органические соединения с достаточно коротким участком перехода горения в детонацию и при этом относительно стабильными свойствами, но в большинстве случаев они также не обладают необходимыми взрывными характеристиками или не удовлетворяют требованиям экологической безопасности, хотя и оставляют простор для поисковых работ.

В качестве малотоксичного эффективного инициирующего вещества для промышленных КД и ЭД в России предлагался перхлорат 2,4-динитро- фенилдиазония [14]. Однако данное соединение гигроскопично и теряет инициирующую способность при высокой влажности, что повышает требования к СИ и ограничивает условия их эксплуатации.

Также, учитывая не только сами способы применения и токсичность во время использования, на наш взгляд, кажется важным отметить и необходимость выбора экологических составов с точки зрения их изготовления: например, уничтожение отходов изготовления азида свинца сводится к захоронению в отстойниках.

Для исключения воздействия на окружающую среду и человека отходами производства и применения азида свинца зарубежные компании, в частности, мировой лидер горнодобывающей отрасли ORICA, представил бессвинцовые капсюли-детонаторы, вероятнее всего, являющиеся результатом их разработок средств инициирования без первичных инициирующих веществ с применением только ТЭНа.

В настоящее время вопросы экологической безопасности применения ИВВ сохраняют свою актуальность и продвигаются на федеральном уровне в рамках национального проекта «Экология». Согласно паспорту проекта одной из целей является снижение выбросов опасных загрязняющих веществ, оказывающих наибольшее негативное воздействие на окружающую среду и здоровье человека, в том числе посредством внедрения наилучших доступных технологий³.

Заключение

Учитывая вышеизложенное, современный уровень развития техники и технологии позволяет совершенствовать средства инициирования внедрением в использование в качестве первичных инициаторов в таких изделиях различных ИВВ на основе соединений, не содержащих тяжелые металлы и другие токсичные вещества. Совместно должна проводиться разработка экологически и гигиенически безопасных методов синтеза таких энергоемких материалов и изготовления СИ на их основе для решения вопроса негативного воздействия процессов производства и применения капсюлей-детонаторов.

¹ Федеральная служба по надзору в сфере природопользования. Статистическая отчетность. Режим доступа: https://rpn.gov.ru/open-service/analytic-data/statistic-reports/production-consumption-waste/

² Шестаков М. Новосибирский завод Ростеха инвестирует более 500 млн руб. в производство. Режим доступа: https://nsk.rbc.ru/nsk/26/04/2021/6086262e9a794757d715c529

³ Паспорт национального проекта «Экология». Режим доступа: http://www.mnr.gov.ru/

Список литературы

1. Добрынин А.А. Взрывчатые вещества. Химия. Составы. Безопасность. М.: ИД Жуковского; 2014. 527 с.

2. Хмельницкий Л.И. Справочник по взрывчатым веществам. М.; 1962. Ч. 2. 829 с.

3. Карпов П.П. Средства инициирования. М.: Оборонгиз; 1945. 272 с.

4. Илюшин М.А., Котомин А.А., Душенок С.А. «Зеленые» энергетические материалы и их лазерное инициирование. В кн.: Петров Ю.В. (ред.). Физико-химические аспекты предельных состояний и структурных превращений в сплошных средах, материалах и технических системах. СПб.: Политехника; 2018. Вып. 2. С. 42–50. https://doi.org/10.25960/7325-1134-5.42

5. Судариков А.М., Илюшин М.А., Шугалей И.В., Смирнов А.В. Малотоксичные энергетические соединения для промышленных средств инициирования. В кн.: XXI Вишняковские чтения: материалы междунар. науч. конф., Бокситогорск, 20 апр. 2018 г. Бокситогорск: Ленинградский государственный университет им. А.С. Пушкина; 2018. С. 182–187.

6. Илюшин М.А., Котомин А.А., Душенок С.А. Энергонасыщенные металлокомплексы. Химическая физика. 2019;38(2):24–44. https://doi.org/10.1134/S0207401X19020079

7. Гильманов Р.З., Фаляхов И.Ф., Гильманова Т.Б., Хайрутдинов Ф.Г. Разработка экологически безопасных инициирующих веществ. Вестник Казанского технологического университета. 2012;15(13):55–56.

8. Deng M., Feng Y., Zhang W., Qi X., Zhang Q. A green metal-free fused-ring initiating substance. Nature Communications. 2019;10(1):1339. https://doi.org/10.1038/s41467-019-09347-y

9. Herweyer D., Brusso J.L., Murugesu M. Modern trends in “Green” primary energetic materials. New Journal of Chemistry. 2021;45(21):10150–10159. https://doi.org/10.1039/d1nj01227d

10. Tariq Q.-u.-N., Manzoor S., Tariq M.-u.-N., Cao W.-L., Dong W.-S., Arshad F., Zhang J.-G. Synthesis and energetic properties of trending metal-free potential green primary explosives: A review. ChemistrySelect. 2022;7(17):e202200017. https://doi.org/10.1002/slct.202200017

11. Lei C.-J., Yang H.-W., Xiong H.-I., Cheng G.-B. The unique synthesis of a green metal‐free primary explosive: 3,3'-azo-5,5'-diazido-1,2,4triazole. Propellants, Explosives, Pyrotechnics. 2020;45(3):416–421. https://doi.org/10.1002/prep.201900283

12. Гильманов Р.З., Хусаинов Р.М., Килина А.М., Трухан О.В., Аташев Ю.М., Поздняков С.А., Якушев Н.В., Кондратьев С.А. Способ получения диазодинитрофенола. Патент РФ №2728133/28.07.2020. Бюлл. №22. Режим доступа: https://yandex.ru/patents/doc/RU2728133C1_20200728

13. Баскаков Ю.М. Королев В.П. Фогельзанг А.Е. Бибнев Н.М. Колесов В.И. Егоршев В.Ю. Агеев В.Н. Ховансков В.Н. Способ получения диазодинитрофенола. Патент РФ №2151134/20.06.2000. Режим доступа: https://patenton.ru/patent/RU2151134C1

14. Илюшин М.А., Шугалей И.В., Целинский И.В., Гарабаджиу А.В. Некоторые экологические проблемы использования энергонасыщенных соединений для средств инициирования и пути их решения. Экологическая химия. 2012;21(3):154–163. Режим доступа: https://thesa.ru/chemjournals/eco/a/ecol_154.pdf