Осадок водоочистки как порообразующая добавка к керамическим смесям

С. В. Свергузова, Ж. А. Сапронова, И. Г. Шайхиев,

Р. О. Фетисов, А. В. Шамшуров

ОСАДОК ВОДООЧИСТКИ КАК ПОРООБРАЗУЮЩАЯ ДОБАВКА

К КЕРАМИЧЕСКИМ СМЕСЯМ

Ключевые слова: отход сахарного производства, строительные материалы, порообразующая добавка.

Исследована возможность применения дефеката - отхода переработки сахарной свеклы, после его использования для очистки сточных вод в качестве порообразующей добавки в производстве строительных материалов (кирпич). Найдено, что использование дефеката не приводит к ухудшению эксплуатационных характеристик кирпича, произведенного из глин различных месторождений.

Key words: waste from sugar production, construction materials, pore-forming additive.

The possibility of using defekat - waste of sugar beet, after its use for wastewater treatment as a pore-forming additives in the manufacture of building materials (bricks). We found that the use of defekat does not lead to deterioration in the performance of brick, made of clays from different deposits.

При очистке сточных вод, содержащих жиры, масла, СПАВ и нефтепродукты, термически модифицированным отходом сахарного производства - дефекатом [1,2], образуется осадок водоочистки, представляющий собой вторичный отход, подлежащий утилизации. В состав осадка водоочистки входят следующие соединения:

- карбонат кальция, представляющий собой основную часть исходного дефеката и образующийся в процессе очистки свекловичного сока известковым молоком;

- гидроксид кальция, до конца не прореагировавший с СО2 в процессе очистки свекловичного сока;

- оксид кремния, изначально входящий в качестве примеси в гидроксид кальция;

- углерод, составляющий верхний сорбционно-активный слой термически модифицированного дефеката;

- жиры, масла, СПАВ и нефтепродукты, входящие в состав сточных вод и адсорбированные термически модифицированным дефекатом.

При влажности 86 % только при очистке 1000 м3 загрязненных сточных вод образуется 40 т влажного шлама (осадка водоочистки).

Отходы очистки сточных вод термически модифицированным дефекатом при хранении их в отвалах и накопителях не только занимают площади полезных плодородных земель, но и представляют потенциальную угрозу для почв, поверхностных и подземных вод вследствие вымывания адсорбированных веществ под воздействием атмосферных осадков, ливневых и талых вод.

Учитывая экологическую опасность воздействия осадков водоочистки на окружающую среду, их необходимо утилизировать таким образом, чтобы нейтрализовать негативное воздействие сорбированных веществ. Для этого нами предлагается простой, доступный, экологически оправданный способ. Проблема утилизации осадков водоочистки является актуальной, так как в связи с развитием сети водоочистных сооружений разнообразных профилей и назначе-

ний, проблема образования и накопления осадков будет только возрастать.

В продолжение работ по использованию шлама водоочистки в качестве компонента строительных композиций [3,4], осадок водоочистки предлагается использовать в производстве керамических строительных материалов (например, кирпича) и изделий в качестве порообразующей добавки.

Для проведения исследований осадок водоочистки получали в лабораторных условиях при очистке модельных сточных вод, состав которых до и после очистки указан в табл. 1.

Таблица 1 - Состав модельных сточных вод

Ингредиен- ты Содержание, мг/дм3 Эффективность очистки, %

до очистки после очистки

рН 6,2 8,4 -

Сухой остаток 470,0 65,0 86,2

Жиры, масла 50,0 0,3 99,4

Нефтепродук- 20,0 0,04 99,8

ты

Сульфаты 120,0 7,0 94,2

Фосфаты 10,0 0,3 97,0

Хлориды 40,0 40,0 -

СПАВ 15,0 0,5 96,7

Поскольку в ходе очистки из 8042- образуется двуводный гипс Са804-2Н2О, а из РО43- - Са3(РО4)2, то в осадок будут входить эти вещества.

В состав высушенного при 105 оС осадка входит, % масс.: СаСО3 - 89,3; Са804-2Н2О - 6,3; жиры, масла - 1,54; Са(ОН2) - 0,73; СПАВ - 0,45; нефтепродукты - 0,62; 8Ю2 - 0,09; углерод - 0,003; водородный показатель среды осадка водоочистки составляет 8,4.

Для определения оптимальных условий утилизации осадка водоочистки при получении керамического кирпича были выполнены опыты по подго-

товке глиняных смесей с добавкой осадка водоочистки, формовке образцов цилиндрической формы диаметром 20 мм и высотой 20 мм, сушка и прокалка этих образцов с последующим исследованием свойств полученных керамических материалов. В состав глиняной смеси добавляли сырой шлам водоочистки в количестве от 0 до 50 % от объема затворяющей жидкости.

В опытах использовали глину Веселовского (Украина) и Масловопристанского (Россия) месторождений, химические составы которых указаны в табл.

2.

Таблица 2 - Химический состав Веселовской и Масловопристанской монтмориллонит-

гидрослюдистых глин, %

Вещество см О <55 « О сч < « О « LL TiO2 CaO MgO О CM * O см re z п.п.п.

Веселовская глина 53,8 33,3 0,9 1,3 0,58 0,4 0,4 0,3 9,3

Маслово пристанская глина 66,75 15,8 3,2 0,55 2,4 1,8 1,45 1 6,35

Минералогический состав глин несколько отличается друг от друга, в них входят монтмориллонит, каолинит и многие другие глинистые минералы, причем в разных соотношениях.

По данным рентгенофазового анализа (РФА) глина Веселовского месторождения содержит следующие фазы: монтмориллонит (Са) (n/d = 10,341; 4,506); каолинит (n/d = 7,284; 1,989); накрит (n/d = 2,571; 2,395); кремнезем (SiO2) (n/d = 3,370; 4,301); железосодержащие минералы: вюстит (n/d = 2,139); гематит (n/d = 2,295; 1,826); гетит (n/d = 1,677). Другие примеси представлены в незначительном количестве.

Образец глины месторождения «Маслова Пристань» представлен кальцевой и натриевой формами монтмориллонита (17,327; 12,998; 6,559; 1,991; 1,773; 1,671; 1500); кварцем (4,281; 3,351; 2,296; 1,821; 1,545); иллитом (11,121; 4,928; 4,171; 2,134); каолинитом (7,971; 4,171; 2,254; 1,623); мусковитом (1,864; 1,473); кальцитом (1,623; 1,473); полевым (3,611; 2,254; 1,717).

Результаты исследований фракционного состава, определяемого мокрым рассевом на колонке сит, показывают, что все образцы глин можно отнести к тонкодисперсным. Доля фракции менее 100 мкм равна: в Веселовкой глине - 96,5 %; месторождения «Маслова Пристань» - 95,8 %.

Сушку сформованных керамических образцов осуществляли в воздушно-сухих условиях, обжиг проводили при температуре 900 оС в течение 90 мин. В процессе обжига содержащиеся в осадке водоочистки органические вещества, гидроксиды и карбонат кальция разлагаются с выделением СО2 и Н2О, что способствует образованию пор в теле керамических образцов. В результате порообразования снижается

плотность образцов, повышается их тепло- и звукоизоляция. Однако излишнее порообразование влечет за собой повышение водопоглощения и снижение прочности изделий.

С целью установления рационального количества добавляемого осадка водоочистки к глиняным смесям, не вызывающего значительного ухудшения прочностных и водостойких свойств керамических изделий обожженные образцы испытывали на прочность, Ясж. При исследовании зависимости прочности образцов от массовой доли осадка в сырьевой смеси (рис. 1) было установлено, что при увеличении массовой доли добавляемого осадка водоочистки к глиняной сырьевой смеси наблюдается снижение прочности образцов как для глины Масловопристанского месторождения, так и для Веселовского.

% шлама

Ф Масловопристанская глина Ш Веселовская глина

Рис. 1 - Влияние добавки осадка водоочистки на прочность образцов

Однако прочность образцов, изготовленных из Веселовской глины, несколько выше. Если принять во внимание, что при сооружении внутренних перегородок в помещениях, не несущих большую нагрузку, допускается прочность строительного материала на сжатие в пределах 1,5-2,5 МПа, то становится очевидным, что даже при добавке к сырьевой смеси 45 % масс. осадка водоочистки по отношению к затворяющей жидкости прочность на сжатие полученных образцов позволяет рекомендовать данные изделия для сооружения внутренних перегородок. Образцы, имеющие 15-20 % масс. добавки осадка водоочистки в составе затворяющей жидкости имеют прочность, соответствующую прочности материалов, используемых для сооружения наружных стен [5].

Одной из важных характеристик керамических изделий является их водопоглощение. Для определения этого показателя высушенные до постоянного веса образцы взвешивали и помещали в воду для впитывания влаги и выдерживали в таком положении в течение 24 ч. Затем образцы вынимали, осушали с помощью фильтровальной бумаги и снова взвешивали. Величину водопоглощения рассчитывали по формуле:

G — G

W = ^ • 100 %,

Gc

где W - водопоглощение, % масс.; GE и вс - масса влажного и сухого образцов, г, соответственно.

Как видно из результатов исследований (рис. 2) с увеличением массы добавки осадка водоочи-

стки к затворяющей жидкости от 0 до 45 % величина водопоглощения для образцов из Масловопристанской глины возрастает от 18 до 27 % масс; а для образцов из Веселовской глины - от 14 % до 23 %.

Масловопристанская глина

% шлама

Веселовская глина

Рис. 2 - Влияние добавки шлама водоочистки на водопо-глощение образцов

Таким образом, абсолютный прирост влаго-емкости в данном диапазоне добавок осадка водоочистки для образцов из Маловопристанской глины составляет 9% масс., для образцов из Веселовской глины - также 9 %.

Повышение влагоемкости образцов можно объяснить увеличением количества пор, в свою очередь, зависящих от массовой доли порообразующей добавки, т.е. осадка водоочистки.

Следует отметить, что увеличение влагоемко-сти для всех образцов в целом незначительно, а с учетом использования керамических изделий с добавкой осадка водоочистки для сооружения внутренних перегородок, не соприкасающихся с особо влажной средой, все полученные образцы с рекомендуемой рецептурой, могут быть использованы в строительстве.

Увеличением пористости образцов с повышение массовой доли добавки осадка водоочистки можно объяснить также повышение открытой пористости изделий (рис. 3) и снижение кажущейся плотности образцов (рис. 4).

Так, как видно из рис. 4, кажущаяся плотность образцов, изготовленных из Веселовской глины с добавкой осадка водоочистки, снижается от 2,05 до 1,5 кг/дм3, а для образцов из масловопристанской глины - от 1,7 до 1,3 кг/дм3. Снижение кажущейся плотности изделий при незначительном уменьшении их прочности, допустимом для использования их в строительстве, немаловажно в плане снижения общей массы строительных сооружений, а также имеет значение для уменьшения общей крупнотоннажности в дальних перевозках.

Таким образом, в ходе исследований было установлено, что осадки сточных вод при очистке стоков термически модифицированным дефекатом, могут быть утилизированы в производстве керамическо-

го кирпича без ухудшения его эксплуатационных свойств.

В

о

% шлама

Масловопристанская глина

Веселовская глина

Рис. 3 - Влияние добавки осадка водоочистки на открытую пористость образцов

-5

и

В

£

¡2

Масловопристанская глина

% шлама Веселовская глина

Рис. 4 - Влияние добавки осадка на кажущуюся плотность образцов

Литература

1. Свергузова, С.В. Эффективная очистка сточных вод как фактор экологической безопасности и жизнедеятельности / С.В. Свергузова, Ж.А. Свергузова, Г.И. Тарасова // Безопасность жизнедеятельности. - 2010. - № 8. - С. 36-38.

2. Свергузова, Ж.А. О возможности использования отхо-

да сахарной промышленности для очистки сточных вод / Ж.А. Свергузова, .А. Ельников, С.В. Свергузова // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. - 2011. - № 3. - С.

128-133.

3. Валеев Р.Ш. Рекуперативная технология утилизации шламовых отходов водоподготовки в строительные материалы с использованием пластификатора С-3 / Р.Ш. Валеев, И.Г. Шайхиев // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2011. -Т. 14, № 1 3. - С. 41-45.

4. Валеев Р.Ш. Утилизация шламовых отходов теплоэнергетических централей при производстве строительных материалов // Экология и промышленность России. - 2010. -№ 2 . - С. 28-28.

5. ГОСТ 530-2007. Кирпич и камень керамические. Общие технические условия. - Введ. 2008-03-01. - М.: Стандар-тинформ, 2007. - 39 с.

© С. В. Свергузова - д-р техн. наук, проф., зав. каф. промышленной экологии Белгородского госуд.о технол. ун-та им. В.Г. Шухова, pe@intbel.ru; Ж. А. Сапронова - канд. техн. наук, доц. той же кафедры; И. Г. Шайхиев - д-р техн. наук, проф., зав. каф. инженерной экологии КНИТУ, ildars@inbox.ru; Р. О. Фетисов - асп. каф. промышленной экологии Белгородского госуд. технол. ун-та им. В.Г. Шухова; А. В. Шамшуров - канд. техн. наук, доц. каф. строительных материалов и конструкций Белгородского госуд. технол. ун-та им. В. Г. Шухова.