Исследование прочностных характеристик керамзита, полученного с использованием отходов очистных сооружений и древесноугольного производства

УДК 661.179: 504.052

Ю. Н. Картушина, И. Г. Шайхиев, Д. С. Ананьев ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК КЕРАМЗИТА, ПОЛУЧЕННОГО С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОТХОДОВ ОЧИСТНЫХ СООРУЖЕНИЙ И ДРЕВЕСНОУГОЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА

Ключевые слова: керамзит, угольные отходы, легкоплавкие глины, очистные сооружения, вспучивание.

Проведено исследование в области технологии получения керамзита со вспомогательными добавками в виде отходов после биологической очистки сточных вод и древесноугольного производства. Проанализировано влияние предлагаемой добавки на прочностные характеристики готового продукта. В статье приведены сравнительные физико-механические характеристики опытных образцов. Корректирующая добавка из органических примесей избыточного активного ила и угольных отходов создает условия для нормального вспучивания керамзитового сырья. Используя рассмотренный в статье метод получения керамзита, можно решить ряд производственных и экологических проблем.

Key words: expanded clay, coal waste, low-melting clays, treatment facilities, blowing.

The present research was realized in the field of expanded clay production technology with support ingredient as a waste of biological sewage treatment and charcoal production. Influence of the offered additive on strength characteristics of a ready-made product is analysed. The comparative physical and mechanical characteristics of samples were provided in article. The correcting ingredient contains organic impurity of excess active silt and coal waste created the conditions for normal blowing of clay raw materials. Using the considered method of expanded clay production it is possible to solve a number of production and environmental problems.

Введение

Объем ежегодного образования отходов в Российской Федерации составляет 3,5 млрд. тонн: 90 % из них вывозится на полигоны и свалки, утилизируется 10 %, около 7 % сжигается и только 3 % подвергается вторичной переработке [1]. Одним из опасных объектов являются полигоны складирования осадков сточных вод и активного ила, характеризующиеся высокой степенью негативного воздействия на окружающую среду и здоровье человека. При этом переработка и вторичное использование уже образовавшихся и размещенных отходов (относящихся к 4 классу опасности) практически не ведется [2, 3].

Изучаемый вид отхода представляет собой смесь осадка из первичных отстойников и активного ила из илоуплотнителя, с влажностью примерно 80 % и содержанием органических и минеральных примесей [4].

Избыточный активный ил - это сложный органо-минеральный комплекс, органическая часть которого представляет собой биомассу и частично разложившиеся окисленные органические вещества бытовых сточных вод, а также азот- и фосфорсодержащие соединения.

Органическая часть активного ила, в основном, состоит из вещества белкового происхождения (до 50 %) при содержании жиров и углеводов соответственно до 30 и 10 %. Во влажном осадке из первичных отстойников белков примерно в 2 раза меньше, а углеводов в 2,5-3 раза больше, чем в активном иле [4, 5].

Еще один из невостребованных отходов -древесно-угольная мелочь - материал, состоящий почти на 100 % из углерода. В основном, известен как экологически чистый и эффективный вид топлива: он не загрязняет атмосферу едким дымом, а пи-

ща на нём готовится очень быстро. Но древесный уголь используют не только в быту, широкое применение он нашёл и в металлургической, химической промышленности [6].

Основная масса добываемых углей все еще сжигается в топках котлов без всякой предварительной переработки. Существующие формы использования топлива не соответствуют современному уровню техники, что приводит к огромным потерям. Особенно велики эти потери, если уголь содержит много мелочи и угольной пыли.

Ежегодное увеличение производства и автоматизации работ неизбежно приводит к быстрому возрастанию содержания пыли и мелочи в добытом топливе. Содержание мелочи в угле уже сейчас составляет около 30 %.

Многие из потребителей топлива не могут производительно работать не мелком угле. За счет окисления, самовозгорания и распыла при хранении мелкого угля на складах гибнет 5-7 % сохраняемого топлива. Прямые потери топлива за счет мелочи и пыли составляет около четверти всего добываемого угля [6].

Так, как состав древесного угля включает в себя: 80-92 % С, 4,0-4,8 % Н, 5-15 % О; он отлично подходит для вспомогательной добавки в производстве керамзита. Высокое содержание углерода создает условия для газообразования при обжигании гранул в печи [7].

Рассматриваемая технология относится к отрасли получения строительных материалов и может быть использовано при утилизации отходов углеобогащения и осадков сточных вод после биологической очистки.

Применение этих добавок обеспечивает некоторое снижение насыпной плотности керамзита, однако не всегда обеспечивается плотность готового продукта [8]. Цель эксперимента - определить оп-

тимальное соотношение всех ингредиентов сырьевой смеси. Основная задача данного исследования -повышение прочностных характеристик керамзита в сравнение между полученными образцами с добавлением к отходам сточных вод угля и в отсутствии его.

Решение указанной технической задачи заключалось в том, что сырьевая смесь для изготовления керамзита включала в себя: глинистое сырье и органоминеральную добавку, содержащую осадок бытовых сточных вод после биологической очистки, отходы древесноугольного производства в соотношениях, приведенных в таблице 1.

Таблица 1 - Состав сырьевой смеси I и II

Глинистое сырье,% Осадок после биол. очистки бытовых сточных вод,% Отходы дре-весноуг. произв., % % общей органики в образце

I II I II I II I II

100 100 0 0 - 0 0 0

90 92 10 5 - 2 3 4

85 87 15 10 - 2 4 5

80 82 20 15 - 2 5 6

75 77 25 20 - 2 6 7

70 72 30 25 - 2 7 8

65 - 35 - - - 8 -

60 - 40 - - - 9 -

55 - 45 - - - 10 -

45 - 55 - - - 15 -

Из ГОСТа 25264-82 следует, что содержания органического вещества в керамзитовом сырье должно быть от 1 до 2 %. При увеличении содержания органической добавки в шихте более 5 % керамзит становится крупнопористым, что ухудшает его качество, а снижение температуры понижает эффект вспучивания глинистого сырья [5]. При введении в глину менее 2 % массы органической добавки, ослабевает эффект вспучивания глинистого сырья, что приводит к увеличению насыпной плотности получаемого керамзита.

Осадок бытовых сточных вод содержит, % (масс.): органические соединения - 28, минеральные компоненты - 52, вода - 20.

Отходы древесноугольного производства содержат, % (масс.): углерод остаточный - 80; минеральные примеси, главным образом карбонаты и оксиды К, N8, Са, 81, А1, Бе —1-15; остальное - вода. Влажность отходов углеобогащения составляет 4,5 %, потери при прокаливании - 80 %.

Глинистое сырье с влажностью 20 % имеет следующий химический состав, в пересчете на сухую массу, % (масс.): 8102 - 53,90; АЬОз - 17,60; Ре203 - 6,33; Mg0 - 2,67; СаО - 5,41; №20+К20 -3,93; потери при прокаливании - 8,9; органические примеси - 0.

По содержанию тонкодисперсных фракций размером менее 1 мм глинистое сырье относится к среднедисперсному (47,6 %), по числу пластичности (25,5 %) - к высокопластичному сырью, по содержанию оксида алюминия (17,60%) - к группе полукислого, по показателю огнеупорности (1060 °С) - к легкоплавкому [9].

Химический состав пробы сырья без осадка удовлетворяет требованиям ОСТ 21-79-88.

Первые образцы керамзита были получены по рецептам из таблицы 1. Физико-механические показатели гравия определены по ГОСТ 9757-90.

Подсушенные гранулы обжигают в электрической камерной муфельной печи в течение 10 мин при температуре 1050-1075 °С. По завершению процесса обжига вспученные гранулы помещают в термошкаф на 20 мин при температуре 300 °С, а затем охлаждают при комнатной температуре. Полученный керамзитовый гравий имеет поверхностную корку коричневого цвета, тонкую слегка шероховатую (рис. 1). Для установления физико-механических характеристик образцы были исследованы в гидравлическом прессе, полученные результаты отражены в рисунках 2 и 3.

ййшшя

Рис. 1 - Полученные образцы керамзита с органической добавкой и без нее

Как видно из рисунка 1 практически все образцы показали хорошую вспучиваемость. Но т.к. в каждой грануле керамзита содержание органики варьируется, физические характеристики могут значительно отличаться и не соответствовать требованиям ГОСТ. Слишком высокое содержание органики приводит к избыточному порообразованию, данное условие не может благоприятно влиять на конечные прочностные характеристики материала.

Как видно из рисунка 2, с повышением количества органики прочность керамзита при сдавливании снижается. Причина стремительного понижения физических характеристик сырья без угля исходит из состава отходов очистных сооружений, т.к. содержание минеральных компонентов (72 %) в значительной степени превосходит органических примеси (28 %). Для того чтобы в образце было достигнуто необходимое количество органических при-

месей требуется внесения до 35 % от массы глины отходов. Данное условие не может благоприятно влиять на химизм процесса и конечные прочностные характеристики материала, а также на создание оптимальной пористости материала.

лой пористости керамзита. Однако в образцах с угольной присадкой II была достигнута необходимая прочность 3-4 МПа при к > 2.

В результате проведенных исследований была выбрана сырьевая смесь с составом, указанным в таблице 2, которая позволяет получить продукт с наилучшими свойствами: значительное снижение насыпной плотности керамзитового гравия с сохранением прочностных характеристик по требованиям ГОСТ 25264-82 (плотности в куске продукта), увеличение коэффициента вспучивания в сравнении с образцом содержащий переизбыток минеральных примесей.

Таблица 2 - Оптимальный состав сырьевой смеси для получения керамзита

Глинистое сырье,% 87-78

Осадок после биологической очистки бытовых сточных вод,% 10-20

Отходы древесноугольного производства, % 2

Рис. 2 - График зависимости прочности от количества органики

Присадка отхода древесноугольного производства к осадку бытовых сточных вод увеличивает количество твердого углерода в смеси и снижает р ур

содержание минеральных компонентов отходов 1. О.Д. Лукашевич, И.В. Барская, Экология промышлен-

очистных сооружений. ного производства, 3, 68-75, (2007).

2. А.З. Евилевич, Утилизация осадков сточных вод. Стройиздат, Ленинград 1988. 240 с.

3. С.В. Свергузова, В.С. Севостьянов, И.Г. Шайхиев, Ж.А. Сапронова, М.Н. Спирин, Вестник Казанского технологического университета, 4, 199-203 (2013).

4. Ю.Н. Картушина, И.Г. Шайхиев, Д.С. Ананьев, Вестник Казанского технологического университета, 17, 190-195, (2014).

5. Е.В. Покровская, Т.Н. Сергеева, Экология и промышленность России, 6, 23-25, (2005).

6. П. Шубенко, Техника - молодёжи, 2, 37 (1998).

7. Д.С. Ананьев, Ю.Н. Картушина, Бюллетень медицинских Интернет-конференций, 6, 981-982 (2013).

8. С. П. Онацкий, Производство керамзита. Стройиздат, „ „ г , , Москва, 1987. 337 с.

Рис. 3 - График зависимости прочности от коэф- ^ , , л - ^ ^ <-,

, 9. P. Gorman, international J. of hightweitght Conogete, 2,

фициента вспучивания 4 211-219

Из рисунка 3 видно, что при увеличении количества органики в образцах I максимальная прочность достигается в гранулах с коэффициент вспучивания к=1,83, что крайне неэффективно из-за ма-

© Ю. Н. Картушина - канд. .геол.-мин.н., доц. каф. «Промышленная экология и безопасность жизнедеятельности» Волгоградского госуд. технич. ун-та, kartysina@rambler.ru; И. Г. Шайхиев - д-р техн. наук, зав. каф. инженерной экологии КНИТУ, ildars@inbox.ru.; Д. С. Ананьев, магистр химической технологии и биотехнологии Волгоградского госуд. технич. унта, D19921@yandex.ru.

© Yu. N. Kartushina - сandidate of geological-mineralogical sciences, associate professor of Industrial Ecology and Safety Dept. of Volgograd State Technical University, kartysina@rambler.ru; I. G. Shaykhiev - Dr of Technical Sciences, Head of Engineering Ecology Dept. of KNRTU, ildars@inbox.ru.; D. S. Ananiev - Master student of Volgograd State Technical University, D19921@yandex.ru.

Все статьи номера поступили в редакцию журнала в период с 15.01.15. по 10.03.15.