Теоретические основы геоэкозащиты на транспорте с учетом понижения свободной энергии Гиббса при детоксикации

182

Общетехнические задачи и пути их решения

7. О свойствах кода с суммированием в схемах функционального контроля / Д. В. Ефанов,

B. В. Сапожников, Вл. В. Сапожников // Автоматика и телемеханика. - 2010. - № 6. - С. 155-162.

8. Построение модифицированного кода Бергера с минимальным числом необнаруживаемых ошибок информационных разрядов / А. А. Блюдов, Д. В. Ефанов, В. В. Сапожников, Вл. В. Сапожников // Электронное моделирование. Т 34. - 2012. - № 6. - С. 17-29.

9. Synthesis of Circuits with Low-Cost Concurrent Error Detection Based on Bose-Lin Codes /

D. Das, N. A. Touba // Journal of Electronic Testing: Theory and Applications. - 1999. - Vol. 15. -Issue 1-2 (August-October). - Pp. 145-155.

10. Предельные свойства кода с суммированием / В. В. Сапожников, Вл. В. Сапожников, Д. В. Ефанов // Известия Петербургского университета путей сообщения. - 2010. - № 3. -

C. 290-299.

11. The Impact of Logic Optimization of Concurrent Error Detection / Vl. Moshanin, V. Oche-retnij, and A. Dmitriev // Proc. 4th IEEE International

On-Line Testing Workshop, Capry, Italy, 1998. -Pp.81-84.

12. Исследование комбинационных само-проверяемых устройств с независимыми и монотонно независимыми выходами / М. Гёссель, А. А. Морозов, В. В. Сапожников, Вл. В. Сапожников // Автоматика и телемеханика. - 1997. -№ 2. - С. 180-193.

13. Design of self-testing checkers for unidirectional error detecting codes / S. J. Piestrak. -Wroclaw: Oficyjna Wydawnicza Politechniki Wroc-lavskiej, 1995. - 111 pages.

14. Модифицированный код с суммированием для организации контроля комбинационных схем / А. А. Блюдов, В. В. Сапожников, Вл. В. Сапожников // Автоматика и телемеханика. - 2012. - № 1. - С. 169-177.

15. Properties of code with summation for logical circuit test organization / A. Blyudov, D. Efanov, V. Sapozhnikov and Vl. Sapozhnikov // Proc. of 10th IEEE East-West Design&Test Symposium (EWDTS'2012), Kharkov, Ukraine, September 14-17, 2012. - Pp. 114-117.

УДК 504.054 Л. Б. Сватовская

Петербургский государственный университет путей сообщения

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ГЕОЭКОЗАЩИТЫ НА ТРАНСПОРТЕ С УЧЕТОМ ПОНИЖЕНИЯ СВОБОДНОЙ ЭНЕРГИИ ГИББСА ПРИ ДЕТОКСИКАЦИИ

Предложены пути обнаружения геоэкозащитных свойств минеральных веществ, которые позволяют им участвовать в детоксикации литосферы в виде минеральных геоантидотов. Прослеживаются параметры, при соблюдении которых возможно проявление детоксикационных свойств от ионов тяжелых металлов при загрязнении литосферы, в том числе и на транспорте.

минеральный геоантидот, вяжущие, детоксикация, термодинамика, гидратационная активность.

Введение

Одной из фундаментальных основ геоэкозащиты на транспорте является геоэкохимия, которая определена нами в [1] как наука о веществах и их превращениях для сбережения литосферы в ее естественном состо-

янии, способствующем сохранению живой природы; ее «введение» в науку состоялось на кафедре «Инженерная химия и естествознание» ПГУПС, где сбережение литосферы от загрязнений, в том числе на транспорте, рассматривается как возможное по крайней мере двумя путями - используя превентив-

2013/2

Proceedings of Petersburg Transport University

Общетехнические задачи и пути их решения

183

ные методы и детоксикацию систем, если уже допущены изменения в составе, ведущие к загрязнению литосферы и грозящие живой природе. В последнем случае имеются в виду процессы детоксикации литосферы, ликвидирующие негативное воздействие на живую природу [2-5], в настоящей работе приведены некоторые возможные пути геоэкозащиты.

1 Естественно-научные основы геоэкозащиты

В соответствии с законами термодинамики одна из энергетических схем токсикации живой природы показывает осуществление следующего процесса:

Загрязнитель-токсикант

+

Самопроизвольный

процесс

обезвреживания

(детоксикации

литосферы)

Чистое, естественное для литосферы состояние системы

.

Можно предложить использовать для детоксикации систему с известным по другому назначению процессом, например, искусственного камнеобразования - твердение вяжущих систем процесса, AG0298 которого меньше нуля:

Токсикант

+

Самопроизвольный процесс детоксикации, включающий известный процесс, например, искусственное камнеобразование

+

Вещество живой природы, обеспечивающее жизнедеятельность

Новое вещество, термодинамически выгодное, но не несущее функции жизни

Этот процесс энергетически выгоден природе (AG0298 < 0), идет самопроизвольно и заканчивается образованием веществ без функций жизнедеятельности.

Но при реализации схемы 1 можно вместо живого организма предоставить токсиканту (Т) в партнеры твердое минеральное вещество - минеральный геоантидот (МГ а), природа которого позволила бы реализовать схему процесса, AG°298 которого меньше нуля:

Искусственный камень, чистое, естественное для литосферы состояние системы

При реализации схем 2, 3 величина понижения свободной энергии Гиббса процесса отражает полезную работу детоксикации литосферы, в то время как величина -ДН°298 процесса отражает изменение энтальпии детоксикации в соответствии с законом превращения энергий.

Но какова природа минеральных геоантидотов (МГ а)?

2 Обнаружение веществ и систем с геоэкозащитными свойствами -минеральных геоантидотов

Токсикант

+

+

Минеральный геоантидот

Самопроизвольный

процесс

обезвреживания

(детоксикации

литосферы)

МГ а (минеральный геоантидот) может существовать в виде гидратсодержащих (ГС) веществ в твердом состоянии, которые могут быть как в виде природных веществ, так и в виде техногенных (продукты разрушения).

В работах [1-4] показаны свойства минеральных геоантидотов в виде гидратсодер-

ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС

2013/2

184

Общетехнические задачи и пути их решения

жащих силикатов, сульфатов, алюминатов кальция и некоторых гидратов силикатов магния по обезвреживанию ИТМ (ионов тяжелых металлов). При этом термодинамическая и химическая природа этих веществ отличается повышенной сложностью, низким энергосодержанием, низким значением величины стандартной энтальпии -ДИ0298 и повышенным значением молярных масс, М, г/моль (например, ряды в табл. 1).

Термодинамической и химической основой действия МГ а является их способность в реакциях с ИТМ образовывать труднорастворимые вещества в виде, в том числе, гидратсодержащих фаз или гидроксидов, образование которых происходит с понижением энергии Гиббса.

В табл. 2 приведен состав гидроалюминат-ных дисперсий, которые также могут быть рассмотрены как способные быть Мга [6].

В соответствии с усложненным составом и дополнительным участием гелеобразных -Al(OH)3 - фаз в продуктах гидратации, новообразования, указанные в графе 4, являются минеральными геоантидотами (обозначение С-CaO; A-Al2O3; H-H2O), даже более активными МГ а. Продолжая тему, можно предположить, что лучшее качество для МГа будет иметь более усложненный продукт - гидро-сульфоалюминат кальция, который получается по реакции:

3CaOAl2O3 + 3CaSO4 + 32(33) H2O =

гидратационно-

активный МГа, продукт 1

= 3CaOAl2O33CaSO4 (32-33) H2O.

гидратсодержащий МГа, продукт 2

Продукт 2 более «сильный» МГ а, так как его энергия (стандартная теплота образования, -ДИ5 ) одна из самых низких (см. табл. 1), мольная масса - высокая, при этом содержание молекул воды и ионов кальция, способных к участию в процессах детоксикации литосферы, максимальное.

Следующий путь обнаружения МГа предполагает использование процессов гидратации гидратационноактивных минералов (ГА) или реакционноактивных (РА) веществ, которые могут быть или искусственно получены (например, клинкерные минералы) или формируются как техногенные отходы (доменный шлак или метакаолин), в таком случае эти вещества - ГА могут быть также названы МГа. Иными словами, известная гидратационная активность минералов свидетельствует о возможности этих веществ участвовать в процессах детоксикации литосферы от ИТМ. Так же как и первый, второй путь реализуется при выполнении определенных условий. Сочетание гидратации и детоксикации энергетически выгодно

ТАБЛИЦА 1. Усложнение составов и изменение характеристик веществ

Вещество кДж/моль Мольная масса, М, г/моль Возможность быть минеральным геоантидотом

C (алмаз) близкие к нулю 12 -

Si (кремний) — 11 — 28 -

SiO2, а-кварц -911,5 60 -

SiO22H2O -1480 96 +

5CaO6SiO25,5H2O -10 685,3 739 +

3CaOAl2O3-6H2O -5505,06 378 +

3CaOAl2O3-3CaSO4-31-33H2O -17 179,8 1237 +

CaSO42H2O -2023,98 172,15 +

3MgO2SiO22H2O -4305,4 240 +

2013/2

Proceedings of Petersburg Transport University

Общетехнические задачи и пути их решения

185

ТАБЛИЦА 2. Состав продуктов гидратации алюминатов кальция по Т В. Кузнецовой

Минерал Сроки твердения, сут. Степень гидратации, % Состав новообразований Содержание фазы, мас.%

кристалличе ских гидроалюминатов кальция гелевой -Al(OH)3

C3A 1 64,5 C3AH6 72 0

3 72 CAH 78,3 0

7 78 C3AH C3ACaCO3H 83,9 0

28 86,0 C3AH C3ACaCO3H 90,2 0

C12A7 1 61; 7 C2AH8, C4AH13, AH3 58 14,8

3 70 C2AH8, C4AH13, AH3 63; 4 16,1

7 77 CAH, C4AH13 62,6 20,8

28 85 C3ACaCO3H12, AH3 77,2 22,6

CA 1 50 CAH10 68,1 0

3 56 CAH10, C2AH8, AH3 64,5 9,6

7 68 CAH, AH3 56,7 23,2

28 78 CAH, CAH> AH3 53,3 31,3

ca2 1 20 CAH10, AH3 21,4 9,8

3 30,6 CAH10, AH3 31,2 14,4

7 42,5 CAH10, C2AH8, AH3 32,1 24,2

28 66 CAH10, C2AH8, AH3 44 33,2

системе, так как значения ДН° и AG° процессов, включающих продукты детоксикации, более отрицательны по сравнению с процессами гидратации, что позволяет говорить о полезной работе и об энтальпии детоксикации (табл. 3) на примере щелочных систем образования сложных гидратов и гидроксидов тяжелых металлов. Приведенные в таблице значения свидетельствуют о геоэкозащитных свойствах систем.

Третий путь - использование для детоксикации, например от ИТМ на транспорте, процессов, происходящих при искусственном камнеобразовании - твердении вяжущих минеральных систем (эти процессы взяты в качестве одного из примеров). Подтверждением этому служит следующее: во-первых, по реакциям, обеспечивающим самопроизвольное твердение, возможно по-

лучение труднорастворимых веществ в виде гидросульфоалюминатов, -силикатов, -алюминатов, -фосфатов, гидроксидов и/или их комплексов, содержащих ионы тяжелых металлов и, во-вторых, эти новообразования остаются «заточенными» в камень, который может быть использован по полезному и безопасному для окружающей среды назначению (табл. 4).

Заключение

1. Прослежены пути и условия осуществления самопроизвольных процессов детоксикации литосферы от загрязнений ИТМ, в том числе и на транспорте.

2. Показаны возможные перспективы использования неорганических вяжущих

ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС

2013/2

186

Общетехнические задачи и пути их решения

ТАБЛИЦА 3. Примерная энергетическая оценка процессов детоксикации с использованием щелочных вяжущих систем

Химические процессы АН298 реакции, кДж АН298 детоксикации, кДж AG0298 реакции, кДж AG°298 детоксикации, кДж

A1203-2Si02Cr) + NaOHCr) + 2Н20(ж) = NaAlSi206Cr) + ^(А1203-3Н20)(т) -274,6 - -275,45 -

2(Al203-2Si02)Cr) + 4Na0H(r) + 4Н20(ж) + Cd2+ = 2(NaA1Si206 H20)Cr) + Cd(0H)2Cr) + А1203 3Н20(т) + 2Na+aq -419,51 -144,9 -709,5 -434,05

2(A1203-2Si02)Cr) + 4Na0H(т) + 4Н20(ж) + Pb2+ = 2(NaA1Si206•H20)(т) + РЬ(0Н)2(т) + A1903•3H90(т) + 2Na+ 2 3 2 v ' aq -682,68 -408,05 -732,48 -457,03

ТАБЛИЦА 4. Проявление геоэкохимической активности вяжущими системами (ГЭХ) в процессе формирования и в продуктах разрушения

Природа модифицированного вяжущего и основного продукта твердения Детоксикация от загрязнителей на транспорте

неорганических органических

ИТМ (и/или в процессе твердения и в продуктах разрушения) Не фтепродукты в процессе твердения Другие органические

1. Гипсовые CaS0y2^0 + - -

2. Портландцементы, xCa0•ySi02•zH20, Ca(0H)2 + + -

3. Алюминатные xCa0•yA1203•zH20 + А А

4. Фосфатные xA1203-yP205- zH20 + + А

5. Специальные (например, сульфоалюминатные) А А А

6. Шлакощелочные xNa20•ySi02•zA1203•nH20 А + А

7. Магнезиальные хЫе0уМеС12^Н20 А А А

xMg0•ySi02•nH20 А А А

Примечания:

+ кафедрой «Инженерная химия и естествознание» ПГУПС подтверждена геоэкохимическая активность (2000-2010 гг.);

- геоэкохимическая активность не обнаружена;

А предполагается геоэкохимическая активность.

2013/2

Proceedings of Petersburg Transport University

Общетехнические задачи и пути их решения

187

систем разной природы, которые могут применяться для детоксикации литосферы от загрязнений ИТМ.

Библиографический список

1. Введение в геоэкохимию детоксикации литосферы на базе особенностей процессов твердения вяжущих и искусственного камнеобразования : монография / Л. Б. Сватовская, М. В. Шершнева, А. М. Сычева [и др.]. - СПб. : Петербургский гос. ун-т путей сообщения, 2012. - 80 с.

2. Использование гидратсодержащих твердых отходов с геозащитным резервом на транспорте / Л. Б. Сватовская, М. В. Шершнева, В. Ю. Шангин // Естественные и технические науки. - 2008. - № 4. -С.254-257.

3. Геозащитные свойства гидратсодержащих твердых фаз / Л. Б. Сватовская, М. В. Шершнева, Ю. Е. Пузанова. - СПб. : Геоэкохимия, 2010.- С. 661-663.

4. Информационное значение инженернохимических параметров для эксплуатационных и геоэкозащитных свойств композиций в строительстве / Л. Б. Сватовская, А. В. Хитров, М. М. Байдарашвили, В. Д. Мартынова // Естественные и технические науки. - 2011. - № 4. -С. 375-376.

5. Защита природотехногенных комплексов с учетом использования в строительной деятельности ресурсосохранных технологий / Л. Б. Сватовская, В. Д. Мартынова, М. М. Байдарашвили // Естественные и технические науки. - 2011. -№ 4.- С. 512-514.

6. Инженерно-химические основы прогнозирования геозащитных свойств твердых тел и новых технологий обезвреживания / Л. Б. Сватовская, М. В. Шершнева, А. М. Сычева [и др.]. -СПб. : Петербургский гос. ун-т путей сообщения, 2010. - 80 с.

7. Физическая химия вяжущих материалов / Т. В. Кузнецова, И. В. Кудряшов, В. В. Тимашев. -М. : Высшая школа, 1989. - 380 с.

УДК 699.865

А. М. Сычева, А. Е. Князев, М. Хаммади, Т. И. Бойкова

Петербургский государственный университет путей сообщения

УПРАВЛЕНИЕ КАЧЕСТВОМ И ТЕПЛОЗАЩИТНЫМИ СВОЙСТВАМИ ПЕНОБЕТОННЫХ ИЗДЕЛИЙ В ЦЕЛЯХ ГЕОЭКОЗАЩИТЫ В ТРАНСПОРТНОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Рассмотрено влияние твердых частиц веществ, содержащих наноструктурные элементы, на качество и теплозащитные свойства пенобетонных изделий разной плотности при использовании резательной автоклавной технологии получения пенобетонов. Показано, что использование техногенных продуктов производства пенобетона в качестве добавок способствует повышению качества изделий и их теплозащитных свойств.

качество, пенобетонные изделия, теплопроводность, отходы производства.

Введение

Проблема энергосбережения в транспортном строительстве, а также при эксплуатации зданий и сооружений на сегодня очевидна. Как можно управлять теплозащитными свой-

ствами изделий, или, точнее, как при равной плотности материала понизить коэффициент теплопроводности, X, Вт/м°С? Пенобетоны могут быть выбраны для геоэкозащиты как материалы, имеющие низкие ресурсозатраты (и высокий процент воздуха) - примерно

ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС

2013/2