Утилизация отработанных фильтров в качестве добавки при производстве керамических изделий

УДК 504.4

Т.В. Никитина, Н.А. Собгайда

УТИЛИЗАЦИЯ ОТРАБОТАННЫХ ФИЛЬТРОВ В КАЧЕСТВЕ ДОБАВКИ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ КЕРАМИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ

Предложены направления по использованию отработанных сорбционных фильтров, изготовленных из отходов различных производств. Изучена возможность утилизации отработанных фильтров в качестве выгорающей добавки при производстве керамических изделий. Представлены технологические схемы изготовления фильтров и подготовки их в качестве выгорающей добавки.

Утилизация отходов, фильтры, керамические изделия.

T.V. Nikitina, N.A. Sobgaida RECYCLING OF THE ADDITIVE EXHAUSTED FILTERS IN CERAMIC PRODUCTS MANUFACTURING

In the article recycling ways of waste manufacturing for sorbent filters are offered. The recycling possibility of exhausted filters as burning out additive is studied by the manufacture of pottery. Technological schemes of filters manufacturing and preparatory branch of ceramics manufacturing are presented at the use of burning out additive.

Waste recycling, filters, ceramic products.

Отходы, наряду с выбросами и сбросами загрязняющих веществ, являются одним из главных источников загрязнения окружающей среды. Негативное воздействие отходов выражается в поступлении в природную среду вредных химических и токсичных веществ, ведущих к загрязнению почв, поверхностных и подземных вод, атмосферного воздуха. Отрицательным фактором является выведение из пользования значительных территорий, занятых санкционированными и несанкционированными свалками. Размещение отходов оказывает негативное воздействие на окружающую среду, предотвращение которого является одной из главных целей природоохранной деятельности. До 1990 года в СССР в системе Госснаба существовала система учета и использования вторичного сырья. Считалось, что использование вторичных материалов является мощным фактором ресурсосбережения. Для оказания эффективной научно-инженерной помощи в вопросах ресурсосбережения и использования вторичного сырья при Госснабе СССР функционировал специализированный институт вторичных ресурсов (ВИВР). При переходе к рыночной системе хозяйствования старые методы перестали работать, вместе с тем не были созданы условия, которые стимулировали бы сбор и использование вторичного сырья в новых условиях. Специализированные предприятия, занимавшиеся переработкой вторичных материалов, акционизировались и частично перешли на другие виды деятельности, что привело к резкому уменьшению сбора и использования

103

вторичного сырья. В Москве ежегодно утилизируется более миллиона тонн отходов, 45% из них подвергаются захоронению на полигоне и лишь 55% являются вторсырьем и перерабатываются. Не обошли эти проблемы и Саратовскую область, где ежегодно образуется около 3000 тыс. тонн различных отходов. В Саратове только для организации санкционированных полигонов отчуждается в среднем 3-5 гектаров почвы в год [1]. Поэтому решения проблемы утилизации и вторичной переработки отходов весьма актуальны, а работы в этом направлении являются своевременными.

На кафедре «Экология и охрана окружающей среды» ЭТИ СГТУ на протяжении нескольких лет занимаются проблемой вторичного использования промышленных отходов для изготовления фильтров - сорбентов для очистки сточных вод (СВ) [2-3]. Для их изготовления использовали следующие отходы предприятий Саратовской области:

• хлопкосодержащие волокно (ХСВ) - это пухообразный отход ткацкого производства, который образуется при процессе ткачества из хлопчатобумажных нитей;

• обрезки полиакрилонитрильных волокон (ПАНВ) - образуются при перемотке и упаковке готового ПАНВ и представляют собой синтетический полимерный материал;

• терморасширенный графит (ТРГ) - представляет собой углеродные пеноструктуры, получаемые при быстром нагреве низкотемпературных соединений графита (НСВГ) или продуктов их гидролиза (ГСВГ).

Технологическая схема изготовления фильтров представлена на рис. 1. Она состоит из следующих этапов: при помощи дозаторов 1 ХСВ или ПАНВ и НСВГ в соотношении 3:1 (по массе) поступают в перемешивающее устройство 2. После перемешивания компонентов до гомогенного состояния смесь поступает в печь 3 для спекания ^ = 450°С и х = 8 мин). После спекания полученный продукт выдерживается в сушильной камере 4, где происходит охлаждение и стабилизация его состава. Далее полученный материал для придания жесткости зашивается в сетку из полимерного материала 5 и укладывается в корпус фильтра 6 для очистки стоков. Отработанные фильтры поступают в шламонакопитель 7, а затем на утилизацию. Фильтры, полученные по данной технологии, обладают высокими сорбционными свойствами по отношению к ионам тяжелых металлов (ИТМ) до 70% и нефтепродуктам (НП) до 85%.

Топливо

1 ХСВ

1 НСВГ

СМ

Сточные

воды

04

-ХМ

Очищенные воды

V

На утилизацию

8

Рис. 1. Принципиальная технологическая схема изготовления СКФ:

1 - дозаторы ХСВ и НСВГ; 2 - смеситель; 3 - печь; 4 - сушильная камера;

5 - зашивка в корпус; 6 - фильтр; 7 - шламонакопитель; 8 - усреднитель сточных вод

После очистки сточных вод данные фильтры представляют собой вновь образованный отход, который необходимо регенерировать или утилизировать. Отработанные фильтры после очистки СВ от ИТМ могут быть регенерированы кислотой с последующей промывкой чистой водой. Данная процедура не экологична, водоемка и требует дополнительных затрат. Регенерацию фильтров после очистки от НП можно проводить путем термической обработки при температурах испарения НП, что энергозатратно. Более целесообразно, на наш взгляд, использовать отработанные сорбенты в качестве дополнительного топлива для изготовления самих же фильтров (рис. 1) или в качестве наполнителей для строительных материалов. С экономической точки зрения, выгоднее проводить утилизацию сорбентов по схеме, представленной на рис. 2.

Рис. 2. Схема утилизации отработанных фильтров

При производстве строительных материалов нередко применяются различные добавки, которые положительно сказываются на их физико-механических характеристиках [4-5]. Например, в производстве керамики применяются добавки для регулирования свойств сырьевой массы и продукции. К ним относятся:

• поверхностно-активные вещества и высокопластичная глина, которые улучшают формовочные свойства массы;

• золы ТЭС, топливные и металлургические шлаки, уголь, улучшающие условия обжига;

• шамот, песок, дегидратированная глина, опилки, способствующие улучшению процесса сушки;

• уголь, опилки, являющиеся выгорающими добавками и уменьшающие плотность изделия;

• бой стекла, пиритные огарки, железная руда, повышающие прочность и морозостойкость изделий;

• мазут, обеспечивающий дополнительное внутреннее топливо;

• красители, жидкое стекло, поваренная соль, улучшающие цвет изделий, предотвращающие высолы, нейтрализующие известковые включения.

Нами изучена возможность использования отработанных фильтров в качестве выгорающей добавки при производстве керамических изделий. Выгорающие добавки применяются при производстве керамических кирпичей, блоков, камней и керамзита. В процессе обжига они выгорают, оставляя пустоты, размер которых зависит от размера частиц выгорающей добавки [5].

При производстве керамических кирпичей, камней и блоков в качестве выгорающих добавок применяются опилки - в количестве 10% от массы кирпича, мазут -

105

дополнительное внутреннее топливо в количестве 9% от массы кирпича для обеспечения лучшей формуемости сырца (расход мазута на 1 т глины 90 л), вода в количестве 6% от массы кирпича (расход на 1 т глины 60 л воды) [4-5].

Сущность технологического процесса производства керамзита состоит в обжиге глиняных гранул, состоящих из смеси глины и выгорающей добавки. В качестве выгорающей добавки при производстве керамических изделий нами предложено использовать отработанные фильтры, состоящие из хлопчатобумажных или полиакрилонитрильных волокон и терморасширенного графита. Это возможно из-за схожести состава фильтров и традиционно применяемых выгорающих добавок, хлопчатобумажное волокно заменит опилки, ТРГ заменит уголь, сорбированные НП заменят мазут.

Данные дифференциального термогравиметрического анализа

показывают, что до 120°С происходит удаление воды, потеря по массе от 0 до 7%. Начало разложения компонентов фильтра (ХСВ и ТРГ) начинается при 300°С, при этом происходит разложение органических углеводородов (НП), сорбированных из сточных вод. Анализ кривой ДТА показывает, что разложение отработанного фильтра под действием температуры сопровождается экзотермическими эффектами в интервале 360-500°С. Это создает возможность применения данных отходов (отработанных фильтров) в качестве выгорающей добавки и благоприятно отразится не только на физико-механических свойствах керамики, но и на температурном режиме обжига и сушки керамических изделий. Выделение тепла при температурной обработке отработанных фильтров позволит не только снизить температуру обработки керамических изделий на 50-100°С, но и сократить время термической обработки на 1-2 часа при производстве керамических кирпичей и на 10-20 мин при производстве керамзитового гравия.

т

700

600 дТГ ~

500

400

300

200

100

Рис. 3. Термогравиметрический анализ отработанного фильтра из ХСВ и ТРГ

Для утилизации отработанных фильтров в качестве выгорающей добавки по технологии (рис. 4) они должны пройти стадию измельчения. При больших размерах кускового материала (отработанные фильтры) и высокой прочности, измельчение проводят в

2 стадии: 1-я стадия - дробление до размера кусков 2-0,5 мм и 2-я стадия -помол до размера менее 0,5 мм.

Для измельчения фильтров и усреднения полученной массы предлагается использовать ножевую дробилку с подвижной плитой 5, которая является разновидностью молотковой дробилки. В качестве молотков используются остро заточенные ножи, подвижную плиту применяют вследствие повышенной, выше 15%, влажности фильтров. Дробилка измельчает фильтры до размера частиц от 0,5 до 2 мм. Измельченный материал поступает в бункер 4, а затем на вальцы тонкого помола 3. По ленточному конвейеру 1 в

бункер 4 одновременно поступает и глина, предварительно очищенная от камней, проходя через камневыделительные вальцы 2. На вальцах тонкого помола 3 происходит дополнительное совместное измельчение компонентов глины и отработанных фильтров, полученная смесь далее поступает в двухзальный смеситель 6, где происходит перемешивание массы до гомогенного состояния. В дальнейшем гомогенизированная масса используется для производства керамических изделий (кирпич, блоки, камни и керамзит).

Глина

И—п—п

Л.

Рис. 4. Схема подготовительного отделения производства керамзита:

1 - ленточный конвейер; 2 - камневыделительные вальцы; 3 - вальцы тонкого помола;

4 - бункер с измельченными фильтрами; 5 - ножевая дробилка; 6 - двухвальный смеситель

Измельченные фильтры вводятся в качестве добавки в количестве 3-10% от массы глины, в зависимости от их влажности, состава и физико-механических характеристик производимой продукции с данной добавкой.

Технология с применением выгорающих добавок из отработанных фильтров позволяет получать изделия, удовлетворяющие физико-химическим, теплотехническим и эксплуатационным свойствам:

• керамический кирпич марки по прочности при сжатии 75, 100, 125, 150 и 200, плотностью 1300-1900 кг/м3, при коэффициенте теплопроводности не более 0,48-0,65 ккал/м;

• керамзитовый гравий с насыпной плотностью 350-б00 кг/м3, и марок по прочности П. 75-П. 150.

В результате проделанной работы было показано, что использование отработанных фильтров из ТРГ, ХСВ и ПЛИВ в качестве выгорающей добавки позволит:

1) изготовить керамические изделия (блоки, кирпичи, камни), с удовлетворяющими физико-химическими, теплотехническими и эксплуатационными свойствами;

2) сократить время сушки и обжига, тем самым снизить энергозатраты на 10-15%;

3) снизить коэффициент теплопроводности;

4) уменьшить температуру обработки керамических изделий на 50-100°С и сократить время термической обработки на 1-2 часа при производстве керамических кирпичей и на 10-20 мин при производстве керамзитового гравия.

ЛИТЕРЛТУРЛ

1. Государственный доклад о состоянии и об охране окружающей среды Саратовской области в 2008 г. / под ред. И.М. Кечиной. Саратов, 2009. 320 с.

2. Влияние состава композиционного фильтра на эффективность очистки сточных вод промышленных предприятий / И.Л. Собгайда, Л.Н. Ольшанская, Т.В. Никитина,

И. А. Захарова // Вестник Харьковского национального автомобильно-дорожного университета (ХНАДУ). 2009. № 2. С. 33-36.

3. Собгайда Н.А. Очистка сточных вод от ионов тяжелых металлов и нефтепродуктов композиционными фильтрами / Н.А. Собгайда, Т.В. Никитина, Л.Н. Ольшанская // Перспективные полимерные композиционные материалы. Альтернативные технологии. Переработка применение. Экология. «Композит-2010»: материалы V Междунар. конф. Саратов: СГТУ, 2010. С. 428-431.

4. Горчаков Г.И. Строительные материалы: учеб. пособие для высших учебных заведений / Г.И. Горчаков, Ю.М. Баженов; под общ. ред. Г.И. Горчакова. Владимир: Союзполиграфпром, 1986. 686 с.

5. Комар А.Г. Строительные материалы и изделия: учебник для высших учебных заведений / А.Г. Комар. Ярославль: МИР, 1988. 528 с.

Никитина Татьяна Валерьевна -

аспирант кафедры

«Экология и охрана окружающей среды» Энгельсского технологического института (филиала) Саратовского государственного технического университета

Nikitina Tatiyana Valeriyevna -

Post-graduate Student of the Department

of «Ecology and Environment Protection» of Engels Institute of Technology (branch) of Saratov State Technical University

Собгайда Наталья Анатольевна -

кандидат химических наук, докторант кафедры

«Экология и охрана окружающей среды»

Энгельсского технологического института (филиала) Саратовского государственного технического университета

Статья поступила в редакцию 08.07.10, принята к опубликованию 30.09.10

Sobgaida Natalyia Anatoliyevna -

Candidate of Chemical Sciences,

Doctoral Student of the Department of «Ecology and Environment Protection» of Engels Institute of Technology