Геозащитные технологии утилизации некоторых отходов на железнодорожном транспорте

УДК 628.169.7

Н. А. Бабак

ГЕОЗАЩИТНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ УТИЛИЗАЦИИ НЕКОТОРЫХ ОТХОДОВ НА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОМ ТРАНСПОРТЕ

В статье рассмотрены некоторые современные технологии утилизации отходов. Предложены методы утилизации гальванических осадков, содержащих тяжелые металлы, а также технология утилизации нефтезагрязненного балластного щебня.

утилизация, гальванические осадки, керамические изделия, жаростойкий бетон, глазурный шликер, загрязненный балластный щебень, вторичные материальные ресурсы.

Введение

Особенностью научно-технического прогресса является увеличение объема общественного производства. В результате развития производства в хозяйственный оборот вовлекается все большее количество природных ресурсов. Однако степень их рационального применения в целом весьма низкая. Около 70 % затрат в промышленности стран СНГ приходится на сырье и материалы, топливо и энергию. И в то же время от 10 до 99 % исходного сырья превращается в отходы, выбрасываемые в атмосферу и водоемы, загрязняющие землю.

Для складирования отходов отчуждаются огромные площади земельных угодий. Под отвалы промышленных предприятий заняты сотни тысяч гектаров земель, пригодных для сельскохозяйственного производства. Транспортирование и складирование отходов отвлекают значительные средства от основного производства.

Эффективное решение проблемы промышленных отходов - это внедрение безотходных или малоотходных технологий. При комплексном использовании сырьевых материалов промышленные отходы или побочные продукты одних производств являются исходными материалами других. Подобное использование сырья обусловлено потребностями развития народного хозяйства на современном этапе.

Значение комплексного использования сырьевых материалов можно рассматривать в нескольких аспектах. Во-первых, утилизация отходов позволяет решать задачи по охране окружающей среды, освобождать ценные земельные угодья, отчуждаемые под отвалы и шламохранилища, избегать вредных выбросов в окружающую среду. Во-вторых, отходы промышленности в значительной степени покрывают потребность ряда перерабатывающих отраслей в сырье, причем во многих случаях высококачественном, прошедшем в процессе производства технологическую обработку (измельчение, обжиг и т. д.). В-третьих, при комплексном использовании сырья снижаются удельные капитальные затраты на единицу продукции и уменьшается срок их окупаемости;

снижаются также непроизводительные расходы основного производства, связанные со складированием отходов, строительством и эксплуатацией хранилищ для них; уменьшаются затраты, расход теплоты и электроэнергии на производство новой продукции за счет технологической подготовленности отходов.

Из отраслей - потребителей промышленных отходов, являющихся побочными продуктами различных производств, наиболее емким является производство строительных материалов. При том, что затраты на материальные ресурсы в сметной стоимости производства большинства строительных материалов составляют более 55 %, применение отходов -побочных промышленных продуктов - один из путей повышения эффективности производства строительных материалов.

Основная экологическая опасность твердых отходов - еще недостаточная изученность их отдаленных последствий и недооценка концентрирования опасных веществ в биологических средах с последующей передачей по пищевым цепям.

В этом отношении особую опасность представляют собой катионы тяжелых металлов. Большинство из них относятся к ^-элементам. Наличие вакансий в электронных оболочках ^-элементов обусловливает легкость их включения в комплексные соединения. Наиболее опасными являются ртуть, свинец, кадмий, хром, марганец, никель, кобальт, ванадий, медь, железо, цинк, сурьма, а также мышьяк и селен. Индивидуальная потребность организмов в тяжелых металлах незначительна, а поступления из внешней среды избыточных количеств этих элементов приводит к токсическим эффектам.

Основными антропогенными источниками атомов тяжелых металлов служат предприятия тепло- и электроэнергетики, черной и цветной металлургии, горнодобывающие предприятия, цементные заводы, химические комбинаты, транспорт. Особенно насыщены тяжелыми металлами осадки гальванических производств, которые являются неотъемлемой составляющей большинства предприятий железнодорожного транспорта. Поэтому для железнодорожного транспорта, как и для других отраслей народного хозяйства, актуально экологическое обезвреживание гальванических стоков.

Степень экологической опасности тяжелых металлов зависит от форм нахождения их соединений в той или иной среде. Наиболее опасны с этой точки зрения легкоподвижные формы - ионы и водорастворимые комплексы. В связи с этим представляется необходимой разработка методов захоронения гальванических осадков, при которых происходит связывание тяжелых металлов в прочные водонерастворимые и водонеразлагающиеся образования, с целью снижения подвижности тяжелых металлов.

1 Методы утилизации гальванических отходов

1.1 Утилизация нейтрализованных гальванических осадков

Утилизация гальванических осадков (ГО) путем их связывания в цементные материалы может быть одним из вариантов ликвидации данных

видов отходов, причем экологически более безопасным, чем вывоз на неспециализированные полигоны или в несанкционированные места складирования. Но и в этом случае нет полной уверенности в безопасности таких технологий, так как со временем возможно попадание тяжелых металлов в окружающую среду в связи с коррозией бетона.

Перспективным в этом направлении можно считать введение гальванических осадков в обжиговые технологии. При обжиге образуется достаточное количество расплава и гальванические осадки переходят в мало- или нерастворимые формы с полной консервацией (капсулированием) тяжелых металлов. Значительное повышение прочности керамического материала обеспечивается за счет выполнения примесями тяжелых металлов роли гетерогенных катализаторов, способствующих кристаллизации расплава. Благодаря этой технологии захоронение тяжелых металлов менее опасно.

Научные исследования [1-5] и опыт работы некоторых предприятий по производству керамических материалов свидетельствуют о том, что введение ГО в шихту позволяет существенно улучшить технологические свойства глинистых масс и качество готовой продукции. Но отсутствие теоретического обоснования и технологического регламента по введению гальванических осадков сдерживает масштабное использование данных побочных продуктов. Кроме того, не проводился в необходимом объеме анализ санитарно-химической безопасности технологии производства и готовых изделий с добавками гальванических осадков, что немаловажно для промышленного внедрения.

Известно, что одним из способов направленной кристаллизации стеклофазы является введение в состав стекломассы катализаторов кристаллизации с целью получения кристаллического материала более высокой прочности, твердости и термостойкости, чем исходное стекло, за счет образования кристаллических фаз. Химический состав нейтрализованного гальванического осадка, содержащего коллоидные гидроксиды тяжелых металлов, позволяет использовать эти отходы для таких целей.

Нами были проведены исследования по добавке небольших количеств (0,5-5 %) ГО в жаростойкие бетоны. При вводе даже небольшого количества (1 %) ГО прочность на удар жаростойких блоков с температурой применения до 1000 °С возросла в 2,5-3 раза, а термостойкость увеличилась в 1,5-2 раза. Опытная партия таких блоков прошла успешные испытания в ЗАО НПО «Керамика». На основе этих экспериментов разработаны технические условия на добавку в жаростойкий бетон, состав которой запатентован [6].

1.2 Санитарно-гигиеническая оценка стройматериалов с добавлением гальванических осадков

Помимо прочего, нами были проведены исследования и анализ санитарно-химический безопасности технологии производства и готовых изделий с добавкой ГО, а также выщелачивание из жаростойкого бетона вредных веществ (ВВ) по методике МУ 2.1.674-97 «Методические указания

санитарно-гигиеническая оценка стройматериалов с добавлением промотходов».

Целью санитарно-химических исследований строительных материалов с отходами (СМСО) является обнаружение и количественное определение химических веществ, попадающих в окружающую среду. Санитарно-гигиеническая экспертиза СМСО основывается на следующих требованиях:

• Все вещества, входящие в состав отходов (или добавки), должны иметь токсикологическую характеристику.

• Строительные материалы не должны создавать в помещении постороннего и неприятного запаха.

• Миграция веществ в окружающую среду (вода, воздух) в результате эксплуатационно-климатических воздействий не должна превышать допустимых гигиенических параметров. В качестве критериев миграции токсических веществ из СМСО в воздушную среду следует руководствоваться среднесуточным ПДК, установленным для атмосферного воздуха населенных мест, а в водную среду - ПДК веществ в водных объектах хозяйственно-питьевого и культурнобытового назначения.

При проведении санитарно-химических исследований предпочтение отдается методам, обеспечивающим наиболее высокое извлечение химических веществ, и принятым при их обосновании ПДК в объектах окружающей среды. Так, количество тяжелых металлов целесообразно определять методом атомно-абсорбционной спектрометрии, так как этот метод наиболее точен.

Наличие тяжелых металлов в водной вытяжке характеризует их максимальную миграционную и биологическую активность и, следовательно, максимальную возможность неблагоприятного воздействия на окружающую среду.

Наиболее адекватно прогнозировать потенциальную опасность отходов для окружающей среды позволяет буферная вытяжка, поскольку она наиболее приближенно к реальным условиям моделирует кислотность почвенного раствора и кислотных дождей.

Учитывая высокую плотность большинства строительных материалов (бетон, кирпич, керамзит, цементные блоки и др.), можно говорить о незначительной миграции химических веществ в воздушную среду. При проведении эколого-гигиенической экспертизы следует изучить степень миграции химических веществ из строительных материалов под воздействием неблагоприятных факторов среды, например кислотных дождей.

Исследования водных вытяжек проводились через 1, 3, 7, 10, 20 и 30 суток выдержки материала в воде при температуре 20 °С. Параллельно исследовались вытяжки аммонийно-ацетатного буфера

аналогично водным.

Анализы показали, что добавка ГО не приносит дополнительных вредных ингредиентов, ухудшающих качество воды. Установлено, что результаты выщелачивания тяжелых металлов из экспериментальных образцов не отличаются от результатов, полученных для контрольных образцов.

1.3 Утилизация кислых гальванических стоков

Наряду с исследованиями, касающимися нейтрализованных ГО, нами исследована возможность применения в строительном материаловедении кислых гальванических стоков, которые характеризуются особой токсичностью. Кислые стоки из ванн травления стали и после снятия хромового покрытия являются отходом производства гальванических работ и представляют собой водный раствор НС1 с ионами Сг+3, Fe+3, Си+2 с рН = = 0,1...0,2, содержащий ионы Сг+3 в концентрации приблизительно 250 г/л, ионы Fe+3 приблизительно 10 г/л, ионы Си+2 приблизительно 5 г/л. Введение кислых стоков из ванн травления стали и после снятия хромового покрытия в глазурный шликер, вместо дорогостоящего пигмента, позволяет окрасить глазурь в коричневый и зеленый цвет.

На ООО «Петербургская керамика» по нашей рекомендации была выпущена опытная партия керамических изделий. При получении глазурного шликера зеленой и коричневой гаммы на основе кислых гальванических стоков использование соответствующего весьма дорогого пигмента снизилось на 50 %. На основе этих экспериментов разработаны технические условия на получение глазурного шликера, выдан патент [7].

Кроме того, был разработан состав жаростойкого бетона на жидком стекле, где в качестве тонкомолотой добавки использовалась периклазо-хромитовая пыль, образующаяся при дроблении периклазохромитового кирпича. Использование 2,5...3 % гальванических стоков вместо части жидкого стекла привело к значительному увеличению термостойкости жаростойкого бетона с температурой применения до 1400 °С. Разработанный состав запатентован [8]. Санитарно-гигиеническая экспертиза вымывания тяжелых металлов не показала.

2 Утилизация нефтезагрязненных отходов балластного гранитного щебня

Утилизация нефтезагрязненных отходов балластного гранитного щебня на объектах железнодорожного транспорта часто создает проблему соответствия требованиям экологии. В настоящее время на железнодорожном транспорте накапливается огромное количество нефтезагрязненных отходов, которые наносят непоправимый вред окружающей среде, проникая в верхние слои почвы, приводя к деградации плодородных земель, занятых твердыми отходами. Утилизация таких отходов путем устройства песчаной подушки между балластом и земляным полотном при строительстве железных дорог приводит к вторичному загрязнению нефтепродуктами окружающей среды, а складирование вдоль железнодорожного полотна - к его зыбкости и

засорению ливневых колодцев. Трудности с вывозкой таких отходов на специально оборудованные полигоны связаны с большими материальными затратами и нехваткой пустых платформ. Предпринимаются попытки по очистке и вторичному использованию балластного щебня. Щебнеочистительные установки на железной дороге после рассева возвращают фракции щебня 25-60 мм для повторной укладки в путь, а щебень с размером зерен 12-25 мм используется для укладки на подъездных станционных путях. Тем не менее фракция менее 12 мм вывозится на промежуточный склад с целью дальнейшей дезактивации и захоронения.

Разработка методов утилизация нефтезагрязненной фракции щебня менее 12 мм является весьма актуальной.

В ходе исследований на кафедре «Инженерная химия и естествознание» ПГУПС [9-10] было доказано, что нефтепродукты адсорбируются на твердых частицах песка и грунта с размером менее 1,25 мм, тогда фракция гранитного щебня 5-12 мм может использоваться в качестве инертного заполнителя при производстве железобетонных изделий. Отсев фракции менее 5 мм, содержащей до 8 % нефтепродуктов, может использоваться при производстве керамического кирпича в качестве отощителя. В настоящее время наблюдается дефицит кондиционного отощителя - песка (модуль крупности (Мкр) равен 1,8...2,2). Был определен модуль крупности нефтезагрязненного балластного щебня, который составил 2,16, что подтверждает его пригодность.

Химический анализ отсева нефтезагрязненного балластного щебня показал, кроме Si02, наличие до 10 % Fe2O3 и MnO, что может свидетельствовать о более активной поверхности отхода по сравнению с песком. Кроме того, наличие лещадной формы частиц отсева балластного щебня будет способствовать армированию глиняной матрицы кирпича, что может улучшить эксплуатационные характеристики кирпича, такие как прочность, морозостойкость и водопоглощение.

Таким образом, по своему минералогическому и гранулометрическому составу мелкая фракция данного отхода подходит в качестве отощителя для производства керамического кирпича. Содержащиеся в отходе нефтепродукты при температуре 1000 °С выгорают, а тяжелые металлы, присутствующие в мазуте (Fe, V, Ni, Мп и др.) останутся в глиняной матрице и надежно «замуруются» образующейся жидкой фазой при обжиге. Все это позволит уменьшить количество нефтепродуктов, попадающих в окружающую среду, при этом увеличивая прочностные свойства керамического кирпича.

Были изготовлены лабораторные образцы на основе глины месторождения ООО «Ломоносовский кирпичный завод» в Ленинградской области. Контрольные образцы выполнялись по рецептуре, принятой на заводе, в качестве отощителя использовался строительный песок с модулем крупности 2,1. Для выбора рационального содержания балластного щебня была исследована зависимость прочности лабораторных образцов при сжатии и изгибе от процентного содержания балластного щебня в керамической шихте. Максимальные значения прочности на сжатие и

изгиб были получены при содержании балластного щебня в керамической шихте от 20 до 25 %. Исследовались и такие параметры, как водопоглощение и трещиностойкость. Введение менее 20 % отсева в керамическую шихту приводит к появлению сушильных трещин и уменьшению водопоглощения (менее 6 %), что не допускается по ГОСТ 530-95. Введение более 25 % отсева ухудшает качество лицевой поверхности кирпича.

С учетом результатов исследований определено наиболее рациональное содержание отсева, которое составило 20 %.

На ООО «Ломоносовский кирпичный завод» была выпущена опытнопромышленная партия рядового кирпича с отощителем из

нефтезагрязненного отсева балластного щебня железнодорожного полотна. Балластный щебень, доставленный со станции Мга от

щебнеочистительной машины СЧУ-800, имел фракции с размером частиц до 60 мм и был отсеян вручную на сите № 5. Формование, сушка и обжиг кирпича-сырца осуществлялись по технологическим параметрам, принятым на заводе, с максимальной температурой обжига 1000 °С. Сравнительные характеристики заводского и опытного кирпича показали, что кирпич с отсевом балластного щебня имеет лучшие физико-механические характеристики. Прочность при сжатии увеличилась на 25 %, прочность на изгиб возросла почти в два раза, а водопоглощение уменьшилось до 7 %. По данным разбраковок на заводской площадке уменьшилось количество «половняка» и улучшился внешний вид изделий. Все это говорит о том, что опытные и промышленные образцы соответствуют требованиям ГОСТа по всем показателям. Увеличение прочности кирпича при сжатии и изгибе вызвано, вероятно, присутствием нефтезагрязненного отсева в керамической шихте. Загрязняющие отсев балластного щебня нефтепродукты, адсорбированные преимущественно на тонких фракциях щебня, сгорая при обжиге, увеличивают температуру обжига, переходя в газообразные фазы и создавая более равномерную и мелкую пористость в изделии (см. рис.). Присутствие нефтепродуктов в отсеве приводит к интенсификации спекания глиняной матрицы и более прочному сцеплению по границе раздела фаз, что, в свою очередь, отражается на повышении прочности при изгибе и снижении водопоглощения.

25К0 Х3000 3107 10 0

Микроструктура образцов с отсевом

балластного щебня

При использовании отсева фракции менее 5 мм в качестве отощителя в производстве керамического кирпича дополнительных капиталовложений не требуется, так как вместо строительного песка в приемный бункер можно засыпать отсев с фракцией менее 5 мм. Далее технологический режим производства кирпича не отличается от традиционного.

Заключение

Таким образом, мы считаем, что утилизация некоторых отходов железнодорожной отрасли позволит не только уменьшить нагрузку на окружающую среду, но и получить положительный экономический эффект.

Экологически опасные гальванические отходы при умелом использовании могут стать востребованными вторичными материальными ресурсами, а методы их утилизации - источниками экономии сырья и даже получения прибыли.

Использование нефтезагрязненного отсева балластного щебня позволит сократить количество отходов, освободить земли, отведенные под свалки, уменьшить использование невозобновляемых природных ресурсов (газ, песок), затрачиваемых при производстве керамического кирпича, и производить строительные материалы лучшего качества.

Библиографический список

1. Шламовые отходы - сырье для вяжущих / Т. Б. Арбузова // Труды ВНИИ цементной промышленности. - 1990. - Вып. 99. - С. 95-101.

2. Утилизация токсичных промышленных отходов при производстве строительной керамики / Е. Б. Вербавичус // Стекло и керамика. - 1989. - № 5. -С. 4-5.

3. Влияние гальванических осадков на свойства бетонных смесей и бетонов / И. В. Генцлер // Изв. вузов. Строительство. - 1999. - № 7. - С. 67-70.

4. Обеспечение экологической безопасности утилизации гальванических осадков при производстве бетонов путем стабилизации отходов / И. В. Генцлер // Изв. вузов. Строительство. - 1999. - № 6. - С. 43-46.

5. Введение осадков сточных вод гальванических производств в массы стеновой керамики / Э. А. Кучерова, А. Ю. Паничев // Изв. вузов. Строительство. - 1992. - № 5, 6. - С. 98-101.

6. Пат. 2187482 Российская Федерация. Жаростойкий бетон / Жеско Ю. Е., Масленникова Л. Л., Сватовская Л. Б., Бабак Н. А., Зубер Д. Л., Семеникова И. В.; опубл. 20.08.02; Бюл. № 23, II ч. - С. 372.

7. Пат. 2119763 Российская Федерация. Глазурный шликер / Зубер Д. Л., Масленникова Л. Л., Сватовская Л. Б., Бабак Н. А., Чибисов Н. П., Жеско Ю. Е., Семеникова И. В.; опубл. 27.10.02; Бюл. № 30, ч. II. - С. 258. 8

8. Пат. 2243182 Российская Федерация. Жаростойкий бетон /

Сватовская Л. Б., Масленникова Л. Л., Бабак Н. А., Махмуд Абу-Хасан, Кияшко А. Г.; опубл. 27.12.04; Бюл. № 36, ч. II. - С. 364.

9. Экологические аспекты накопления нефтезагрязнений в песчаных грунтах предприятий железнодорожного транспорта / А. В. Смирнов, Е. А. Попова, А. Н. Беляева // Научно-техническая конференция «Неделя науки-2002»: тезисы докладов. - СПб. : ПГУПС, 2002. - С. 161.

10. Проблема утилизации отходов при очистке нефтезагрязненных грунтов физико-химическим способом / А. В. Смирнов, Е. А. Попова, А. Н. Беляева // Новые исследования в материаловедении и экологии. - Вып. 3. - СПб. : ПГУПС, 2003. - С. 50-52.

Статья поступила в редакцию 25.05.2009;

представлена к публикации членом редколлегии П. Г. Комоховым.

УДК 629.42:621.316.5

С. В. Бобринский

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ РАЗНИЦЫ ДИАМЕТРОВ БАНДАЖЕЙ КОЛЕСНЫХ ПАР НА РАЗБРОС ТОКОВ В ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ ЦЕПЯХ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ЛОКОМОТИВА

Рассматривается проблема разброса токов в параллельных цепях тяговых двигателей локомотива. Дана оценка влияния разницы диаметров бандажей колесных пар на токораспределение тяговых двигателей и надежность локомотива в целом.

электрическая система, допуски на элементы, тяговый привод, параметрическая надежность.