Геоэкологические решения обезвреживания ионов тяжелых металлов с помощью отходов строительной промышленности

Общетехнические и социальные проблемы

251

черепка, что приводит к снижению коэффициента теплопроводности в два раза по сравнению с составом традиционного кирпича.

3. Установлено, что в керамической шихте при совместном введении гранулированного доменного шлака и тонкомолотого боя пенобетона с размером частиц менее 0,14 мм формируется канальная поровая структура с увеличением объема пор размером от 1 до 10 мкм до 72,5 % от суммарного объема пор.

4. Установлено, что коэффициент теплопроводности керамического материала с использованием выбранного техногенного сырья снижается тем значительнее, чем больший вклад в суммарный объем вносят поры размером от 1 до 10 мкм.

5. Разработан состав глиносодержащей сухой жаростойкой смеси полифункционального назначения с использованием гранулированного доменного шлака и керамического пресс-порошка на силикатном связующем. На основе СЖС получены жаростойкие композиционные

материалы с коэффициентом теплопроводности X = 0,115... 0,223 Вт/(м-К). Библиографический список

1. Физико-химические методы исследования строительных материалов / И. А. Макарова, Н. А. Лохова. - Братск : ГОУ ВПО «Братский гос. ун-т», 2008. - 139 с. -ISBN 978-5-8166-0238-9.

2. Керамические материалы на основе доменных шлаков / М. Ю. Малькова // Строительные материалы. - 2005. - № 6. - С. 12-13.

Статья поступила в редакцию 13.04.2010;

представлена к публикации членом редколлегии Л. Б. Сватовской.

УДК 504.052, 504.054

А. В. Панин, Ю. Е. Пузанова

ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ ИОНОВ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ С ПОМОЩЬЮ ОТХОДОВ СТРОИТЕЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

В настоящее время остро стоят проблемы загрязнения сточных вод ионами тяжелых металлов и накопления в биосфере промышленных отходов. В работе представлены результаты исследований геозащитных свойств некоторых промышленных и строительных отходов, подтверждающие возможность их утилизации в качестве поглотителей ионов тяжелых металлов из водных сред.

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/2

Общетехнические и социальные проблемы

ионы тяжелых металлов (ИТМ), отходы промышленности, сорбенты, геозащитные свойства.

Введение

Проблема утилизации твердых минеральных промышленных отходов широко известна и актуальна. Однако в последние десятилетия наряду с традиционными появились дополнительные источники образования таких отходов, которые приводят к обострению уже существующей проблемы. Так, железные дороги, протяженность которых только в России более 90 тыс. км, сопровождаются железобетонными опорами контактной сети сроком эксплуатации 40-50 лет, и этот срок подходит к концу. По сети дорог их сотни тысяч, и опоры интенсивно заменяют, но возникла проблема утилизации старых опор. Другие примеры: в результате разрушения города Грозного и при техногенной катастрофе на СаяноШушенской ГЭС образовались тысячи тонн разрушенных железобетонных конструкций; в Челябинской области в отвалах накоплено свыше 2,5 млрд кубометров горных пород, 250 млн тонн отходов обогатительных и металлургических производств; под отвалами занято около 15 млн га полезных площадей.

Объем накопления некоторых твердых промышленных отходов представлен в таблице 1.

ТАБЛИЦА 1. Объемы накопления отходов

Активная составляющая Процесс образования Количество образования, млн т /год Географический регион

SiO2 Сжигание углей Более 1,5 (на одном предприятии) Повсеместно

CaO • SiO2 Доменный шлак 0,5-4,7 (на одном комбинате) Cеверо-запад России, Восточная Сибирь

CaO • ySiO2 • nH2O Разрушение строительных конструкций 10-12 (Москва) Повсеместно

CaO • ySiO2 • nH2O Производство пенобетона 0,06 (на одном заводе) Северо-западная и центральная части России

MgO • ySiO2 • nH2O Добыча сланцев 0,08 (на одном предприятии) Карелия

Mg6Si4°i0 x (OH)8 Добыча асбеста 10 (по России) Урал, Западная Сибирь

СаSО4 • 2Н20 Производство фосфорной кислоты 11 (по России) Северо-западная и югозападная части России, Урал

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/2

Общетехнические и социальные проблемы

253

В таблице наряду с такими известными процессами образования отходов, как при сжигании углей, добыче полезных ископаемых, выплавке стали, производстве строительных материалов, представлены дополнительные: разрушение строительных конструкций. По данным Европейской ассоциации по сносу зданий, ежегодно на планете образуется около 2,5 млрд т строительных минеральных отходов. Более половины из них - это разрушенный бетон и железобетон, который в отличие от другого строительного мусора не гниет и не распадается.

При решении проблемы утилизации минеральных промышленных отходов возникает вопрос: могут ли быть у таких отходов полезные свойства, например, по обезвреживанию ИТМ? Обращение к таким загрязнениям, как ИТМ, связано с тем, что они являются наиболее опасными загрязнениями, поскольку не трансформируются самопроизвольно во времени, как некоторые органические загрязнения, в безопасный продукт, именно поэтому их называют супертоксикантами XXI века.

Загрязнять окружающую среду (ОС) могут разнообразные отрасли промышленности, в том числе железнодорожный транспорт. Так, по литературным данным [1], почвы вокруг крупных промышленных объектов на расстоянии в несколько десятков километров загрязнены тяжёлыми металлами, а от железнодорожного транспорта в результате износа тормозных колодок в окружающую среду поступает до 200 тысяч тонн тяжелых металлов в год. Если полезные свойства по обезвреживанию ИТМ у силикатсодержащих отходов существуют, то можно было бы предложить такую технологию их утилизации, которая приводила бы не только к высвобождению полезных площадей, природо- и ресурсосбережению, но и к защите ОС от ИТМ с помощью этих отходов.

Цель работы состояла в обнаружении и изучении свойств минеральных промышленных отходов для обезвреживания ИТМ и разработки научных основ новых технологий утилизации с учетом этих свойств.

1 Исследование обезвреживающей способности отходов

1.1 Исследование поверхности отходов

Для прогнозирования сорбционной способности материалов был использован новый метод исследования природы поверхности твердого вещества - индикаторный метод распределения центров адсорбции на поверхности твердого тела (метод РЦА).

Согласно современным воззрениям, поверхность твердого вещества бифункциональна, так как представляет собой совокупность центров Льюиса и Бренстеда как кислотного, так и основного типов.

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/2

ОбЩетехнические и социальные проблемы

Большинство процессов, протекающих с участием поверхности твердых веществ, носят локальный характер и во многом определяются энергетическими параметрами конкретных активных центров. В связи с этим особую важность приобретает исследование спектра распределения центров адсорбции (РЦА) по кислотно-основному типу и характера его изменения в зависимости от тех или иных условий.

Индикаторный метод позволяет количественно оценить способность твердого вещества адсорбировать соединение определенной кислотно -основной природы из растворов.

Были изучены спектры распределения центров адсорбции на поверхности отходов, представленью на рис. 1, 2, 3.

•фосфогипс исходный

фосфогипс, содержащий ионы кадмия

Рис. 1. Распределение центров адсорбции на поверхности фосфогипса

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/2

Общетехнические и социальные проблемы

255

1

-5 -3 -1 1 3 5 7 9 11 13 15

рКа

— бой бетона —— содержащий ионы железа Fe

— содержащий ионы марганца Mn

Рис. 2. Распределение центров адсорбции на поверхности боя бетона

рКа

пенобетон исходный пенобетон, содержащий ионы Fe

Рис. 3. Распределение центров адсорбции на поверхности пенобетона

Наличие активных центров в области бренстедовских основных центров 7-12 рКа свидетельствует о способности поверхности этих отходов к взаимодействию с ИТМ [2], что подтверждается их уменьшением после взаимодействия с растворами ИТМ.

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/2

ОбЩетехнические и социальные проблемы

В целом результаты, полученные нами при исследовании поверхности отходов, позволили перейти к определению обезвреживающей ёмкости отходов.

1.2 Определение обезвреживающей ёмкости отходов

Предварительно на примере отходов пеногипса и пенобетона были проведены исследования по выбору фракции, дозы отхода, определению эффекта очистки и статической ёмкости.

Результаты определения оптимальной фракции для пеногипса с разной долей раствора пенообразователя представлены в таблицах 2, 3.

ТАБЛИЦА 2. Эффект очистки (в процентах) пеногипсом раствора

Cd(NO3)2, 10-4 моль/л

Фракция, мм < 0,140 0,140- 0,315 0,315- 0,630 0,630- 1,000 1,000- 1,250

Раствор пенообразующей добавки 5% 66 61 58 55 50

20% 66 62 61 60 57

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/2

Общетехнические и социальные проблемы

257

ТАБЛИЦА 3. Эффект очистки (в процентах) пеногипсом раствора

Cu(NO3)2, 10-4 моль/л

Фракция, мм <0,140 0,140- 0,315 0,315- 0,630 0,630- 1,000 1,000- 1,250

Раствор пенообразующей добавки 5% 96 90 86 85 84

20% 98 97 96 90 87

Несмотря на то, что более мелкие фракции обеспечивают более высокий эффект очистки, за оптимальную фракцию выбрана 0,315-0,63 мм, так как она более удобна в промышленной эксплуатации.

Оптимальная доза отхода была определена на примере пенобетона для раствора Cd(NO3)2 в концентрации 10-4 моль/л. Результаты представлены в таблице 4.

По результатам исследований была принята доза отхода, равная 1 г на 100 мл растворов, содержащих ионы тяжелых металлов.

В таблице 4 представлены также результаты по определению статической емкости исследуемых отходов, которая рассчитывалась по формуле:

а =

С -С -V

ИСХ КОН

т

где Сисх - исходная концентрация ионов тяжелых металлов в растворе,

мг/л;

Скон - конечная концентрация ионов тяжелых металлов в растворе,

мг/л;

V - объем раствора, содержащего ионы тяжелых металлов, л; m - доза поглотителя, г.

ТАБЛИЦА 4. Определение оптимальной дозы и статической ёмкости пенобетона

Доза, г Исходная концентрация, мг/л Конечная концентрация, мг/л Процент очистки Ёмкость, мг/г

0,25 31,897 15,490 51,43 6,56

0,5 31,897 10,808 66,12 4,22

1,0 31,897 4,940 84,51 2,70

3,0 31,897 1,190 96,26 1,02

5,0 31,897 0,745 97,66 0,62

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/2

О5бщетехнические и социальные проблемы

Общие результаты исследования геозащитных свойств некоторых твердых минеральных отходов представлены в таблице 5.

ТАБЛИЦА 5. Результаты исследования статической ёмкости отходов

Исследуемые отходы Статическая ёмкость по ионам тяжелых металлов, мг/г

Cd2+ Cu2+ Pb2+

Фосфогипс 1,71 1,34 1,51

Пеногипс 0,93 0,73 0,85

Доменный гранулированный шлак 1,00 1,00 1,52

Тяжелый бетон 1,20 1,10 1,52

Пенобетон 1,28 1,22 1,52

Асбестсодержащий щебень 1,12 1,13 1,46

Нами проведено сравнение статической ёмкости, обнаруженной у отходов, и ёмкости некоторых сорбентов, применяемых для очистки сточных вод от ИТМ (табл. 6).

ТАБЛИЦА 6. Статическая ёмкость некоторых промышленных фильтрующих

материалов

Название материала Происхождение Ёмкость по ИТМ

Карбоксильные катионообменники Искусственный сорбент 0,5...5,7 ммоль/г

Сорбенты на основе цеолитов Искусственный сорбент на основе природных минералов 1,24.4,2 мг/г

Сорбент на основе торфа Природный сорбент 0,04.1,10 мг/г

Алюмосиликатный адсорбент Искусственный сорбент на основе природных минералов 0,4 мг/г

Туф Природный сорбент 1,0 мг/г

Вермикулит Природный сорбент 1,13.1,43 мг/г

Сорбент на основе осадка природных вод Искусственный сорбент на основе промышленных отходов 1,5.2,0 мг/г

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/2

Общетехнические и социальные проблемы

259

Оказалось, что ёмкость отходов не уступает таким искусственно полученным и природным сорбентам, как алюмосиликатный адсорбент, карбоксильным катионообменникам, сорбентам на основе цеолитов и торфа.

Таким образом было обнаружено обезвреживающее свойство отходов по отношению к ИТМ, которое мы назвали геозащитным резервом. Количественной характеристикой геозащитного резерва отходов является их поглотительная емкость по отношению к ИТМ.

2 Разработка технологий утилизации твердых минеральных отходов с учетом обнаруженных свойств

2.1 Утилизация отходов бетона в геозащитные насыпи

Как уже отмечалось, протяженность железных дорог РФ достигает 90 тысяч километров, а их интенсивная эксплуатация, также коррозия металла, способствуют загрязнению поверхностного стока железнодорожных путей ионами железа. Предлагается при текущем или капитальном ремонте, когда проводят полную или частичную замену щебня или песка, использовать не природные материалы, а бой тяжелого бетона. В этом случае содержащиеся в поверхностных стоках железнодорожного полотна ионы тяжелых металлов будут нейтрализованы отходами бетона [3].

2.2 Утилизация отходов фосфогипса, пенобетона и тяжелого бетона при очистке почв от тяжелых металлов

2.2.1 Известные способы защиты почв от ИТМ

Повышенное содержание тяжелых металлов в почвах наблюдается, как правило, вблизи промышленных предприятий, автомагистралей и железных дорог.

Тяжелые металлы накапливаются в верхних гумусовых горизонтах почвы и медленно удаляются при выщелачивании, потреблении растениями, эрозии. Гумус и щелочная среда почвы способствуют поглощению тяжелых металлов. Токсичность таких тяжелых металлов, как медь, свинец, цинк, кадмий, в природных условиях выражается в понижении урожая коммерческих сельскохозяйственных культур на полях

[4].

Существует несколько методов рекультивации почв, загрязненных тяжелыми металлами:

удаление загрязненного слоя и его захоронение;

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/2

ЕШцетехнические и социальные проблемы

инактивация или снижение токсического действия поллютантов с помощью ионообменных смол, органических веществ, образующих хелатные соединения;

известкование, внесение органических удобрений, сорбирующих поллютанты и снижающих их поступление в растения;

внесение минеральных удобрений, например фосфатных, для снижения токсического действия свинца, меди, цинка, кадмия [5], [6].

В настоящее время все большее применение находит сорбционная очистка плодородных почв от тяжелых металлов. В качестве сорбентов используются минеральные алюмосиликатные адсорбенты: различные глины, цеолиты, цеолитсодержащие породы и т. д., которые характеризуются высокой поглотительной способностью и устойчивостью к воздействиям окружающей среды.

2.2.2 Результаты очистки почв с помощью отходов

С целью определения возможности очистки почв от тяжелых металлов были взяты такие отходы, как фосфогипс, пенобетон и тяжелый бетон.

В качестве объектов очистки были использованы образцы почв, отобранные вблизи автодорог на территории садоводств «Парус», «Корвет» и «Лиижтовец» Ленинградской области.

Из исходных образцов почвы и образцов почвы, перемешанных с отходами в соотношении 16 : 1, были взяты водные вытяжки, которые анализировались на предмет наличия ионов свинца.

Результаты эксперимента представлены в таблице 7.

ТАБЛИЦА 7. Эффект очистки почв от ионов свинца при добавлении в почву отходов, %

Почвы Отход

Фосфогипс Пенобетон Тяжелый бетон

Суглинки 18,1 18,4 18,4

Супеси 65,8 65,8 66,0

Торф 60,3 60,0 64,4

Заключение

На сегодняшний день существует проблема поиска недорогих и в то же время эффективных материалов, которые могли бы использоваться в качестве поглотителей при очистке сточных вод от ионов тяжелых металлов. Кроме того, существует проблема накопления в биосфере промышленных отходов.

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/2

Общетехнические и социальные проблемы

261

В результате проведенных исследований выяснилось, что некоторые многотоннажные отходы промышленного производства, например фосфогипс, отходы пенобетона и отходы тяжелого бетона, можно использовать в качестве поглотителей при очистке сточных вод от ионов тяжелых металлов. Эти материалы достаточно эффективны и при этом дешевы, так как являются отходами производства. Использование отходов промышленности для очистки сточных вод - это путь к решению сразу двух экологических проблем сегодняшнего дня.

Библиографический список

1. Токсичные отходы / П. Б. Таукин, А. И. Потапов. - СПб. : ОАО «Техническая книга», 2006. - 536 с. - IBSN 5-86050-262-1.

2. Применение индикаторного метода для выбора компонентов экозащитных систем при очистке водных сред от ионов тяжелых металлов : автореф. дис. ... канд. техн. наук : 03.00.16, 05.23.04 / Байдарашвили Марина Михайловна. - СПб., 2001. -22 с. - Библиогр.: с. 19-22.

3. Научные основы технологий утилизации силикатсодержащих отходов : автореф. дис. ... докт. техн. наук : 25.00.36 / Шершнева Мария Владимировна. - СПб., 2009. - 36 с. - Библиогр.: с. 32-36.

4. Некоторые вопросы токсичности ионов металлов / Ф. Т. Бингам, М. Коста,

Э. Эйхенбергер. - М. : Мир, 1993. - 368 с. - ISBN 5-03-001977-4.

5. Фитоэкстракция тяжелых металлов из загрязненных почв / Р. В. Галиулин, Р. А. Галиулина // Агрохимия. - 2003. - № 3. - С. 77-85.

6. Кадмий и цинк в растениях луговых фитоценозов / Ю. В. Алексеев, И. П. Лепкович // Агрохимия. - 2003. - № 9. - С. 66-69.

Статья поступила в редакцию 07.04.2010;

представлена к публикации членом редколлегии В. В. Сапожниковым.

УДК504:656.2

Л. Б. Сватовская, Е. И. Макарова

О ПРИРОДЕ ПРОЦЕССА ЛИКВИДАЦИИ НЕФТЕРАЗЛИВОВ САМОТВЕРДЕЮЩИМИ ВЯЖУЩИМИ СМЕСЯМИ

Рассматривается новое свойство самотвердеющих вяжущих смесей - способность поднимать с поверхности песка и адсорбировать тяжелые фракции нефти. Новое свойство самотвердеющих вяжущих систем зависит от двух положений: во-первых, в процессе твердения должны образовываться гелеобразные продукты, во-вторых, необходимо формирование пор определенных размеров. В работе приводятся

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/2