Белорусский институт системного анализа и информационного обеспечения научной сферы

Переработка техногенных отходов и их использование в строительной индустрии
Адрес документа: http://belisa.org.by/ru/izd/stnewsmag/3_2012/art1_22_2012.html

 
 

23 января 2013 г.

 

[Информационно-аналитический журнал «Новости науки и технологий» / учредитель ГУ «БелИСА». — Минск: ГУ «БелИСА», 2012, № 3(22)]


УДК 502.174.1(045)(046)


А. В. Бусел,
декан факультета транспортных коммуникаций БНТУ, д-р техн. наук, профессор 


В статье определены основные принципы экологобезопасного подхода к утилизации отходов.

In the article main principles of ecological-safety approach to the recycling of waste are defined.


В высокоразвитых странах на одного человека приходится в год 3–5 т промышленных и 0,3–0,4 т бытовых отходов. На транспортирование отходов, их переработку, содержание свалок в среднем расходуется 10 % стоимости основной продукции. На территории Республики Беларусь ежегодно образуется более 20 млн т отходов. Среди них наибольшим объемом выделяются отходы калийных производств ОАО «Беларуськалий» в виде глинно-солевых шламов и твердых отходов обогащения калийной руды, фосфогипс Гомельского химического завода, отработанные формовочные смеси литейного производства, шлак Белорусского металлургического завода, шламы гальванических производств.

Для утилизации коупнообъемных техногенных отходов наиболее приемлемыми являются материалоемкие отрасли производства, где первенство занимает строительная индустрия. Проблема использования отходов в строительстве заключается в том, что материалы и изделия, получаемые на основе отходов, должны быть экологически безопасными, индифферентными по отношению к биологическим объектам и устойчивыми к воздействию агрессивных факторов окружающей среды. Если рассматривать с экологической точки зрения процесс образования и утилизации отходов, то данные технологические переделы должны соответствовать циклам природных систем. Это определяется законами экологии, разработанными Б. Коммонером [1] и определяющими условия существования экосистемы как единого целого, в которой все, что было вовлечено в оборот человеческим трудом, должно быть возмещено.

Рассматривая моменты добычи и переработки полезных ископаемых, в первую очередь минеральных, представляющих интерес для строительной индустрии, можно заметить, что большую часть их представляют соли и оксиды металлов, в том числе и тяжелых. В процессе обогащения, переработки и использования образуются отходы, являющиеся основными поставщиками загрязнителей в окружающую среду. Чтобы замкнуть экологический цикл, эти металлы должны быть снова связаны и зафиксированы в структуре материалов, близких к природным объектам — минералам. В этом отношении наиболее перспективны искусственные строительные конгломераты (цементобетоны, строительные растворы, асфальтобетоны, полимербетоны), которые наиболее близки к природным образованиям.

Развитие физико-химической науки позволило разработать способы блокирования экологически опасных компонентов в структуре композиционных материалов. Для этого активно используются активационные технологии, заключающиеся в обработке отходов как с помощью физических факторов воздействия, так и химических реагентов.

Основными загрязнителями в техногенных отходах являются ионы тяжелых металлов, синтетические поверхностно-активные вещества, радионуклиды, в том числе выброса после аварии на Чернобыльской АЭС, канцерогенные органические соединения. Они опасны в случае миграции по пищевым цепям и попадания в организм человека. Для их надежной фиксации в структуре строительных материалов предложено применять активационную технологию, основанную на использовании высокой реакционной способности свежеобразованной минеральной поверхности, возникающей при измельчении компонент строительной смеси. Если измельчение минеральных материалов производить в присутствии загрязнителей, то последние адсорбируются на поверхности и за счет физико-химического взаимодействия образуют с ней связи, предотвращающие их перенос в окружающую среду. Наиболее приемлемым способом определения сил межатомного сцепления является квантово-механический метод, который позволяет рассматривать адгезию на уровне электронного строения атома [2].

В результате выполненных расчетов [3] получены определенные значения энергии взаимодействия ионов тяжелых металлов и радионуклидов с элементами кварцевой подложки наиболее распространенной среди минеральных материалов (см. таблицу). Для сравнения выполнены расчеты для оценки степени взаимодействия воды с указанными загрязнителями. 

Энергия взаимодействия, эВ*

Ионы Элементы свежеобразованной поверхности кварца Влага
  Si-O-Si SiO- Si+ SiOH H2O
Ni2+ 0,149 0,187 0,56 0,131 0, 115
Cu2+ 0,135 0,176 0,402 0,124 0,113
Cr 3+ 0,142 0,181 0,392 0,126 0,108
Zn2+ 0,128 0,153 0,312 0,113 0,096
Pb2+ 0,121 0,150 0,301 0,107 0,092
Cd2+ 0,118 0,142 0,295 0,102 0,084
Cs+ 0,317 0,422 0,714 0,200 0,068
Sr2+ 0,540 0,580 0,834 0,389 0,070

*  Расчеты произведены для температуры 293 К.


Из приведенных данных следует, что фиксация ионов металлов и радионуклидов на кварцевой подложке обеспечивает их устойчивость против агрессивного действия влаги (энергия связи с подложкой выше энергии взаимодействия с водой).

Основываясь на вышеуказанных расчетных данных, были проведены эксперименты по получению активированных минеральных порошков из отработанных формовочных смесей и гальваношламов и изучены их условия применения в составе дорожных асфальтобетонов. Было установлено, что миграция ионов тяжелых металлов из структуры асфальтобетона в модельные растворы воды — речной, дистиллированной и подкисленной (pH=4,5–5,0), имитирующей кислотные дожди, — при продолжительности экспозиции 240 ч ниже уровня допустимых санитарных нормативов [3]. Линия по получению активированных минеральных порошков из гальваношламов представлена на рис. 1.

 

 Рис. 1. Технологическая линия по получению активированных минеральных порошков из гальваношламов


Аналогичные эффекты получены при введении в процессе дробления гранитного щебня солей поливалентных металлов [4], при этом на поверхности щебня образуется слой положительно заряженных ионов, которые обеспечивают улучшение его сцепления с цементным камнем в бетонах и с битумом в асфальтобетонах. Прочность бетона возрастает при этом в среднем на 40 %, длительная водостойкость асфальтобетона — в 2 раза. Таким образом можно утилизировать жидкие отходы в виде растворов солей тяжелых металлов.

Отдельно следует остановиться на органических отходах, таких как отработанные автомобильные покрышки и использованная пластиковая тара. Эти отходы сохраняют структуру и свойства, близкие к первоначальным, поэтому их деструкция в пластичные продукты путем высокотемпературной обработки или превращение в порошок путем криогенного измельчения требует больших энергозатрат. В этом случае более перспективно получение готовых строительных изделий в процессе прессования или прокатки при минимальном дроблении отходов и введении вяжущих материалов и наполнителей, обеспечивающих однородность структуры. Таким образом производятся стеновые блоки, бордюрные камни, тротуарная плитка и черепица. Перспективно также введение дробленых полимеров в асфальтобетон, в этом случае на их поверхности за счет температурного воздействия горячим битумом образуются прочные связи, обеспечивающие эффект армирования структуры асфальтобетона. Аналогично действует резиновая крошка из отработанных автомобильных покрышек, которая армирует асфальтовяжущее вещество. Для получения резиновой крошки разработана технология дробления покрышек в прокатном стане, которая менее затратная, чем криогенное измельчение [3]. При этом совместно с резиновой крошкой в состав асфальтобетона предложено вводить шлам шлифовального производства — отход машиностроительных предприятий [5]. Частицы шлама имеют остроугольную форму и на поверхности содержат масляную пленку. При перемешивании они проникают в резиновую крошку, способствуя ее размельчению и деструкции в горячем битуме, что улучшает свойства асфальтовяжущего. В органической пленке из смеси битума и масла надежно блокируются загрязнители, имеющиеся в указанных отходах.

Обводненные отходы в виде глинно-солевых шламов предпочтительно использовать в составе растворов и бетонов, поскольку в этом случае отпадает необходимость затрат энергии на их сушку. Введение глинно-солевых отходов изменяет условия формирования структуры бетона, поскольку входящие в них водорастворимые соли повышают ионную силу раствора, что увеличивает растворимость минералов цементного клинкера. В частности, выделяемый из клинкера гидроксид кальция образует в процессе обменной реакции хлорид кальция, который, в свою очередь, вступает во взаимодействие с алюминатной и алюмоферритной составляющими портландцемента. При этом в первые часы твердения образуются гидрохлоралюминат, гидрохлоралюмоферрит и гидрохлорферрит кальция. Этот процесс, с одной стороны, ускоряет набор прочности бетона, а с другой — обеспечивает фиксирование ионов хлора в структуре затвердевшего цементного камня. Введение глинно-солевых отходов в бетон должно быть строго оптимизировано, поскольку избыточное количество солей может привести к образованию их кристаллов в порах бетона, что вызывает расклинивающие давление и разрушение этого материала. Количество глинно-солевого отхода по сухому веществу должно быть в пределах 10–12 % от массы цемента.

Сама строительная отрасль является поставщиком крупнообъемных отходов, в частности образуется дробленый бетон и кирпич при разборке зданий и сооружений; железобетонные конструкции, пришедшие в негодность; асфальтобетон старых дорожных покрытий; отработанные кровельные материалы и др. Обычно эти материалы в ходе их эксплуатации теряют однородность и прочностные характеристики, поэтому их непосредственное применение в качестве наполнителей для новых материалов встречает массу трудностей. Было предложено усреднять состав новых материалов за счет введения других отходов, более стабильных по свойствам. Так были созданы самоотверждающиеся смеси на основе дробленого отработанного бетона и шлака Белорусского металлургического завода. Эти смеси при определенных условиях при введении активирующей добавки набирают прочность и могут эффективно использоваться в качестве конструктивных слоев дорожных одежд. Они показали практическую приемлемость при устройстве подъездов к нефтезаборным скважинам в Мозырском районе (рис. 2).

 

Рис. 2. Укладка самоотверждающейся смеси на подъезде к нефтезаборным скважинам

Усреднять свойства новых материалов можно и за счет добавления к отходам кондиционных составляющих. Так, дробление старого асфальтобетона в гранулы менее 22 мм обеспечивает их беспрепятственное введение в кондиционные асфальтобетонные смеси в количестве до 30 % без снижения их свойств. Такие гранулы хорошо прогреваются и равномерно распределятся в объеме асфальтобетона.

Одним из эффективных направлений использования асфальтогранулята из старого асфальтобетона является его распределение по щебеночному основанию дороги с последующей прикаткой дорожными катками. Асфальтогранулят выполняет роль расклинивающего материала. При укладке поверх такого основания слоя горячего асфальтобетона происходит нагрев асфальтогранулята и его омоноличивание совместно со щебнем в единое целое, что повышает модуль упругости конструкции дорожной одежды, а следовательно, и ее несущую способность.

Наиболее сложными являются аспекты утилизации многокомпонентных отходов, например осадков городских сточных вод (ОГСВ), в которых имеется целый комплекс органических и неорганических загрязнителей: солей тяжелых металлов, радионуклидов, синтетических поверхностно-активных веществ, микроорганизмов. В этом случае необходимо применять комплексную переработку отходов, включающую нереагентное воздействие и химическую нейтрализацию. Для этого разработана технология, включающая совместную сушку ОГСВ с отработанными формовочными смесями (ОФС) в сушильных барабанах с открытым пламенем. ОГСВ распределяется тонким слоем по минеральной поверхности ОФС, подвергается мощному температурному воздействию, обеззараживающему органическую составляющую. При этом часть органики выгорает, давая дополнительную тепловую энергию для сушки осадка. Анализ отходящих газов в этом случае показал их экологическую безопасность. Из сушильного барабана смесь подается в шаровую или валковую мельницу, где происходит измельчение ОФС и блокирование на свежеобразованной поверхности ионов тяжелых металлов, синтетических поверхностно-активных веществ, радионуклидов и органических загрязнений. Введение такого порошка в асфальтобетон не встречает технологических препятствий, поскольку он хорошо распределяется в его структуре и за счет гидрофобной поверхности легко покрывается пленкой битума, дополнительно предотвращающей выход загрязнителей в окружающую среду. Как показала практика, по такой технологии можно утилизировать стоки кожевенных заводов и гидролизный лигнин.

Обзор апробированных способов переработки отходов и их применения в строительстве далеко не полный. Однако в нем определены основные принципы экологобезопасного подхода к утилизации отходов. Методы нереагентной и химической обработки отходов могут совершенствоваться и меняться, но критерии их приемлемости остаются неизменными: минимум энергетических и материальных затрат в техпроцессах близких к природным явлениям, которые формировали устойчивую структуру природных материалов — аналогов получаемых композитов для строительного производства.


Литература:

1. Коммонер, Б. Замыкающийся круг. — Л.: Гидрометеоиздат, 1974. — 273 с.
2. Зайдман, Дж. Принципы теории твердого тела. — М.: Мир, 1973. — 159 с.
3. Бусел, А. В. Инженерная экология. — Минск: Университетское, 2000. — 203 с.
4. Busel, A., Stawstina, O., Chistova, T. Chemical Activation of Granite Mineral Materials // IXMKT Trwale Ibezpiecznena wierzchnic drogow, Warszawa, 2003. — р. 43–49.
5. Бусел, А. В. Способ получения вяжущего для дорожного строительства / Л. С. Измайлова, А. В. Бусел, Т. А. Новицкая. — Б. И., 1990. — № 36.

 

Ссылки по теме:

 
 
Copyright © БелИСА, Минск, Республика Беларусь. http://belisa.org.by/
Полное или частичное воспроизведение данного материала разрешается с указанием ссылки (в интернете - гиперссылки) на источник.