Содержание к диссертации
Введение
1. Комплексная оценка воздействия стеклобоя на окружающую среду 10
1.1. Накопление стеклобоя в окружающей среде 10
1.1.1. Стеклобой как компонент твердых бытовых отходов 10
1.1.2. Объемы накопления стеклобоя в окружающей среде 22
1.2. Воздействие стеклобоя на окружающую среду 25
1.2.1. Экспериментальное определение дисперсного состава стеклобоя 27
1.2.2. Экспериментальное определение вымывания Na+ из различных сортов стекла 28
1.2.3. Экспериментальное определение вымывания Na+ из несортового стеклобоя 31
1.2.4. Расчет экологического ущерба 32
1.3. Потенциальный ущерб от производства нового стекла 35
1.3.1. Образование топочных газов при производстве стекла 35
1.3.2. Сбросы и твердые отходы 40
1.4. Выводы по главе 43
2. Эколого-технологический анализ методов вторичного использования стеклобоя 45
2.1. Оценка технологий переработки стеклобоя 54
2.1.1. Разработка критериев оценки технологий переработки стеклобоя 54
2.1.2. Оценка технологий переработки стеклобоя по методу ABC 58
3. Вторичное использование стеклобоя как заполнителя бетонов 60
3.1. Классификация заполнителей 60
3.2. Причины разрушения бетонов со стеклообразными заполнителями 64
3.2.1. Влияние вида породы 66
3.2.2. Влияние количества реакционноспособного заполнителя 68
3.2.3. Влияние гранулометрического состава реакционноспособного заполнителя 71
3.2.4. Влияние термовлажностных условий твердения 73
3.2.5. Влияние величины водоцементного отношения 76
3.2.6. Влияние количества щелочей цемента 78
3.2.7. Влияние стеклобоя как заполнителя на свойства бетона 85
3.2.8. Способы предупреждения коррозии 86
3.2.9. Замедлители процессов расширения 86
3.2.10. Уменьшение расширения при введении активных минеральных (гидравлических) добавок 94
3.3. Исследования крупнофракционного стеклянного заполнителя в бетоне 106
3.3.1. Приготовление образцов и методика экспериментов 106
3.3.2. Стекло различных фракций 109
3.3.3. Стекло с физически защищенной поверхностью 113
3.3.4. Ионообменно модифицированное стекло 115
3.3.5. Пеностеклянный гравий 119
3.3.6. Выводы об особенностях протекания ASR процесса при стеклянных наполнителях и направления подавления ASR 125
3.4. Бетоны с высокодисперсными аморфными наполнителями 126
3.4.1. Приготовление образцов : 126
3.4.2. Дисперсное стекло 130
3.4.3. Н-стекло 132
3.4.4. Аэросил 133
3.4.5. Силикагель 135
3.4.6. Песок 137
3.4.7. Цемент 139
3.5. Выводы по главе 140
4. Вторичное использование мелких фракций стеклобоя 142
4.1. Вяжущие свойства высокодисперсного стекла 142
4.2. Предложенная технологическая схема 146
4.3. Выводы по главе 165
5. Технологическая схема переработки несортированного стеклобоя 166
Заключение 168
Выводы ., 169
Список публикаций автора 170
Список литературы 172
- Накопление стеклобоя в окружающей среде
- Оценка технологий переработки стеклобоя
- Уменьшение расширения при введении активных минеральных (гидравлических) добавок
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Стеклобой, как один из основных компонентов твердых бытовых отходов (ТБО), при захоронении негативно воздействует на окружающую среду в связи с выщелачиванием из него ряда веществ. Кроме того, стеклобой оказывает высокое травматологическое воздействие на живые организмы в отличии от других компонентов ТБО, практически не разлагается в естественных условиях.
Общее количество неиспользуемого стеклобоя, только обычного натрий-кальций силикатного стекла, накапливающегося в развитых странах, составляет от 10 до 75 % от всего ежегодно производимого стекла. В России этот показатель значительно выше, а в отдельных регионах близок к 100 %.
С точки зрения химического и физического строения стеклобой можно рассматривать как минеральный ресурс – аморфный силикатный материал антропогенного происхождения. Получение композиционных строительных материалов – пеностекла, легких бетонов из несортированного стеклобоя позволит решить следующие задачи: экономия природных ресурсов, снижение вредных выбросов при производстве стекла, снижение объемов накопления стеклобоя.
Представленная работа является обобщением результатов исследований, выполненных в рамках госбюджетных НИР (№ 2004/396 от 01.12.2004).
Целью работы являлась оценка воздействия стеклобоя на окружающую среду, разработка технологии утилизации стеклобоя как вторичного ресурса с получением экологически безопасных материалов для жилищного строительства.
Поставленная цель достигалась решением следующих основных задач:
выявлялись пути и масштабы воздействия стеклобоя на окружающую среду, и проводилась комплексная оценка такого воздействия на примере экологического ущерба от складирования на полигонах ТБО одной тонны стекла в год;
исследовались процессы щелочно-силикатного взаимодействия и выявлялись пути создания вяжущих материалов на основе дисперсного стекла;
разрабатывалась технология переработки стеклобоя с получением экологически безопасных строительных материалов.
Научная новизна.
Впервые показано комплексное воздействие стеклобоя на окружающую среду как совокупность эмиссии компонентов стекла в подземные и поверхностные водные объекты и выведение из хозяйственного оборота земель под складирование неутилизируемого стеклобоя. Показано, что совокупный экологический ущерб от одной тонны неутилизируемого стеклобоя составляет 15,5 тысяч рублей в год.
Разработана методика направленной модификации поверхностных свойств дисперсного стекла, позволяющая переработать крупные фракции стекла, обеспечивающая уменьшение объемов стеклобоя, поступающего на полигоны захоронения ТБО.
Выявлено, что возможность применения стеклобоя в качестве заполнителя бетонов ограничивается дисперсным составом, поэтому, впервые предложены и обоснованы способы вторичного использования стеклобоя для производства различных строительных материалов в зависимости от фракционного состава стеклобоя.
Практическая ценность и реализация результатов работы.
На основании проведенных исследований предложена комплексная технология переработки стеклобоя с получением в виде товарных продуктов востребованных высокоэффективных теплоизоляционных и конструкционных материалов.
На основании результатов исследований в ЗАО “Пеноситал” разработаны технические условия получения пеностекла «Изделия из пеностекла» ТУ 5914-001-73893595-2005.
На основании проведенных исследований получены данные, принятые как техническое задание для проектирования технологической линии по утилизации 20-25 тысяч тонн стеклобоя в год.
По результатам исследований получены патенты на изобретения РФ № 2291126, 2296927 и 2316521.
Накопление стеклобоя в окружающей среде
Проблема твердых бытовых отходов является остроактуальной, поскольку ее решение связано с необходимостью обеспечения нормальной жизнедеятельности населения, санитарной очистки городов, охраны окружающей среды и ресурсосбережения.
Твердые бытовые отходы, образующиеся в результате жизнедеятельности людей, представляют собой гетерогенную смесь сложного морфологического состава (черные и цветные металлы, макулатуросодержащие и текстильные компоненты, стеклобой, пластмасса, пищевые отходы, камни, кости, кожа, резина, дерево, уличный смет и пр.).[1]
Объемы бытовых отходов для некоторых стран приведены в таблице 1.1.
Бумага и картон составляют наиболее значительную часть твердых бытовых отходов (до 40%). Вторая по величине категория — это так называемые органические, в т.ч. пищевые, отходы. За ним идут крупногабаритные материалы. К сожалению, в некоторых странах эта категория не используется. Далее идет пластик — 6-11%, металл — 4-9%, и стекло — 3-5% от общего количества отходов. Примерно по 4% приходится на дерево, текстиль, резину и т.д. Количество муниципальных отходов в России увеличивается, а их состав, особенно в крупных городах приближается к составу ТБО в западных странах с относительно большой долей бумажных отходов и пластика.
Норма накопления твердых бытовых отходов изменяется, отражая состояние снабжения населения товарами и в тоже время она в значительной мере зависит от местных условий.
Состав и объем бытовых отходов чрезвычайно разнообразны и зависят не только от страны и местности, но и от времени года и от многих других факторов.
Ежегодно каждый городской житель производит 200-800 кг твердых бытовых отходов, образующих городской мусор. Промедление с его удалением и ликвидацией недопустимо, так как может привести к глобальным эпидемиям (чума, холера и др.), к серьезному загрязнению городов. В то же самое тремя твердые бытовые отходы содержат ценные компоненты (металлы, органические вещества), а также являются потенциальным энергетическим источником [3].
Сведения о количестве твердых бытовых отходов в некоторых странах приведены в таблице 1.2.
На общее накопление твердых бытовых отходов влияют следующие факторы: [4]
степень благоустройства зданий (наличие мусоропроводов, системы отопления, тепловой энергии для приготовления пищи, водопровода и канализации);
развитие сети общественного питания и бытовых услуг;
уровень производства товаров массового спроса и культура торговли; уровень охвата коммунальной очисткой культурно-бытовых и общественных организаций;
климатические условия.
В мировой практике до настоящего времени подавляющее количество твердых бытовых отходов все еще продолжают вывозить на свалки (полигоны). Однако, этот простой способ сопровождают следующие проблемы:[7,8]
- Чрезмерно быстрое переполнение существующих полигонов из-за большого объема и малой плотности размещаемых отходов. Без предварительного уплотнения средняя плотность твердых бытовых отходов составляет 200-220 кг/м3, которая достигает всего лишь 450-500 кг/м3 после уплотнения с использованием мусоровозов;
Оценка технологий переработки стеклобоя
Метод ABC — метод оценки, при котором несколько объектов на основе одного или нескольких критериев ранжируются по шкале ABC.
Шкала ABC — это шкала важности или приоритетности, которая включает в себя три показателя: А, В и С. Эти показатели имеют следующее значение:
А - объект оценки является особо важным, имеет высокий уровень приоритетности, является очень опасным, требует немедленного реагирования, проведения мероприятий;
В — объект оценки является важным, имеет средний уровень приоритетности, является опасным, требует принятия мер в среднесрочной перспективе; С - объект оценки при существующем уровне развития науки, техники и общественного сознания не является важным или опасным и не требует проведения мероприятий.
Если объект оценки по данному критерию отнесён к показателю А, он является особо важным и требует принятия неотложных мер. Если объекту по данному критерию присвоен показатель В, это означает, что объект является важным и требует проведения мероприятий если не сразу, то в ближайшей/среднесрочной перспективе. Если объект отнесён к показателю С, относительно данного критерия этот объект на сегодня не является значимым и не требует принятия мер.
Метод ABC в большой мере предназначен для проведения качественной оценки. Он используется в тех случаях, когда количественная оценка прямых или косвенных воздействий невозможна.
Ранжирование методом ABC включает в себя два основных этапа: установление критериев оценки и, собственно, сравнение объектов оценки относительно установленных критериев по шкале ABC.
При установлении критериев оценки определяются следующие параметры: - основа для установления данного критерия;
- цель;
— информационные источники, с помощью которых можно проверить степень соответствия данному критерию;
— критерии отнесения объекта оценки к характеристикам А, В или С.
Далее, все объекты ранжируются по шкале ABC в общей таблице
(таблица 2.2). После этого объекты исследования сравниваются по показателю ABC. Те объекты, у которых показатель ABC выше являются более проблемными, а у которых этот показатель ниже — более перспективными [68].
Рассмотрим основные критерии оценки технологий переработки стеклобоя, а также критерии отнесения объектов к характеристикам А, В и С. Так как практически все пути утилизации стеклобоя основаны на замене какого-либо вещества при производстве продукта на бой стекла, то и будем рассматривать показатели А, В и С применительно к такой замене.
1) Использование любого несортированного стеклобоя:
А - в технологии используется только сортированный стеклобой;
В - в технологии возможно частичное использование несортированного стеклобоя;
С - технология допускает использовать любой несортированный стеклобой.
2) Соотношение между количеством утилизируемого стеклобоя и
объёмом его образования:
А - объёмы производства очень малы и не в состоянии решить экологическую проблему;
В - объёмы производства позволяют утилизировать значительную часть отходов стекла;
С — объёмы производства позволяют утилизировать весь накапливаемый стеклобой.
3) Затраты на замену используемого вещества в технологии на стеклобой: A — Стоимость замены очень высока и стеклобой используется только для решения экологической проблемы;
В — Затраты при использовании стеклобоя не очень высокие;
С — Использование стеклобоя более выгодно; или производится новый продукт.
4) Спрос на производимый продукт:
А — Данный продукт практически не пользуется спросом и его производить невыгодно;
В — Продукт пользуется умеренным спросом;
С — Производимый продукт является конкурентоспособным, на него существует устойчивый спрос.
5) Свойства производимого продукта:
А — После замены на стеклобой некоторые физические и химические свойства ухудшаются;
В - Некоторые свойства улучшаются, некоторые - ухудшаются; С - Свойства продукта улучшаются; или получается новый продукт.
6) Нанесение вреда окружающей среде (кроме утилизации стекла):
А - Данное производство само по себе опасно, наносится вред рабочим, есть опасные стоки, загрязняется воздух;
В - Производство нельзя назвать опасным, но и к абсолютно безвредным оно не относится;
С - Производство не наносит ощутимого вреда окружающей среде.
Все перечисленные критерии оценки подходят к способам утилизации стеклобоя с точки зрения существования ресурсов, воздействия на окружающую среду и экономического эффекта от варианта утилизации стеклобоя. Суммарный критерий, включающий все перечисленные выше, будет являться ресурсно-эколого-экономическим критерием.
Уменьшение расширения при введении активных минеральных (гидравлических) добавок
Результаты ряда исследований показывают, что введение тонкомолотого, приближающегося к степени дисперсности цемента, водного кремнезема в растворы и бетоны, изготовленные на цементе с высоким содержанием щелочей и реакционноспособном заполнителе, приводит к уменьшению коррозионных явлений и, прежде всего, уменьшению деформаций расширения. Аналогичные действия оказывают обожженная глина, сланцы и другие вещества, содержащие в своем составе реакционноспособный кремнезем, известные как активные минеральные добавки или пуццолановые материалы. Введение такого типа добавок может не только уменьшить деформацию расширения, но и улучшить сопротивляемость материала появлению трещин. В то же время вопрос о сохранении длительной прочности бетона в условиях стабилизации коррозионных процессов остается открытым. Можно заранее утверждать, что стабилизация коррозионных явлений не будет одинакова при добавлении пуццолановых веществ, отличающихся своей активностью, оцениваемой по поглощению гидрата окиси кальция из его насыщенных растворов.
Беннет и Вивиан [108] исследовали влияние тонкомолотых осадочных опаловидных материалов на расширение цементных растворов, содержащих реакционноспособный заполнитель. Для приготовления образцов применялся цемент с содержанием Na2O-0,45%, К2О-0,81%. В качестве реакционноспособного заполнителя вместо части кварцевого песка вводился опал с размером зерен 2,5-0,3 мм. Состав раствора был 1:2, В/Ц = 0,5. Приготовленные образцы-балочки размером 2,54x2,54x25,4 см выдерживались над водой при комнатной температуре. В качестве добавок применялись тонкомолотые кремнеземистый сланец и опал. Эти вещества вводились вместо части цемента. Одновременно изготовлялись образцы для определения прочности на растяжение. Полученные результаты представлены в таблице 3.10.
Рассмотрение данных показывает, что введение тонкомолотого опала в количестве 40% вместо соответствующей части цемента привело к резкому уменьшению расширения при почти полном сохранении предела прочности при растяжении.
Тонкомолотая добавка в количестве 20% не во всех случаях вызвала уменьшение расширения. Введение тонкомолотого кварца в основном приводило к таким результатам по расширению и по прочности, которые можно объяснить «разбавлением» исходного цемента. Сушка тонкомолотого опала при температурах до 900С вызвала некоторое уменьшение его эффективности как стабилизатора коррозии [109, 110].
В опытах было исследовано влияние на расширение однофракционной опоки, имевшей средний размер зерен 0,2 мм и содержавшейся в количестве 3, 6, 9, 12 и 15% от веса заполнителя (таблица 3.11). Кроме того, было исследовано влияние тонкомолотых трепела и шлака. Содержание Na20 в цементе - 0,84%. Опал фракции 2,5-0,3 мм вводился в количестве 8%, состав раствора 1:2, В/Ц = 0,4.
Введение опоки со степенью дисперсности, соответствующей верхнему пределу дисперсности цемента, т.е. тем фракциям, которые остаются обычно на сите 900 отв/см , не приводит к уменьшению расширения (таблица 3.11).
Применение в исследованиях тонкомолотых пуццолановых добавок в виде порошка трепела с дисперсностью, соответствующей степени дисперсности цемента, привело к значительному уменьшению расширения.. На рисунке 3.9 показана зависимость расширения.бетона от содержания щелочей в цементах, близких по минералогическому составу (цементы 2, 4, 8 и 9), и количества щелочей в цементах, содержащих в своем составе 10, 20, 30% трепела (цемент 5, 6 и 7) и 30% шлака (цемент 3). В качестве реакционно способного кремнезема образцы состава 1:2 с В/Ц = 0,4 содержали в количестве 10% от веса заполнителя халцедон фракции 2,5-0,3 мм. В состав образцов с водой затворения при изготовлении их на цементах 3, 5, 6 и 7 дополнительно вводился гидрат окиси натрия в количестве 0,22, 0,31 и 0,4% от веса цемента. При изготовлении образцов на цементах 6 и 7 В/Ц составляло соответственно 0,5 и 0,67. Дополнительное введение гидрата окиси натрия в цементы, содержащие трепел и шлак, осуществлялось для повышения входного содержания щелочей в них, так как смешанные цементы готовились из клинкера с исходным количеством Na20 = 0,6%, которые вследствие разбавления цементов тонкомолотыми добавками уменьшалось. На рисунке 3.9 величина расширения, полученного на цементах 3, 5, 6 и 7, указана при содержании щелочей до введения NaOH. Расширение через 6 месяцев взаимодействия уменьшалось с увеличением количества введенного трепела. Расширение образцов на цементе 3, содержавшем в своем составе шлак, было несколько больше. Измерения, проведенные через 4 года, ,не показали увеличения расширения у образцов-балочек, изготовленных на цементах, содержавших 20 и 30% трепела. Введение добавки ГКЖ-94 также привело к уменьшению расширения.
