Геоэкологический резерв технологий, материалов и конструкций в строительстве при использовании промышленных минеральных отходов

Общетехнические задачи и пути их решения

113

УДК 504.06

Н. А. Бабак

ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИЙ РЕЗЕРВ ТЕХНОЛОГИЙ, МАТЕРИАЛОВ И КОНСТРУКЦИЙ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МИНЕРАЛЬНЫХ ОТХОДОВ

В статье представлены фундаментальные научные основы геоэкологического резерва технологий, материалов и конструкций для строительства при использовании промышленных минеральных отходов.

качество окружающей среды, геоэкологический резерв.

Введение

Строительство как отрасль народного хозяйства нуждается в большом количестве различного рода сырья, строительных материалов, энергетических, водных и других ресурсов, получение которых оказывает сильное воздействие на окружающую природную среду. С воздействием на нее связана и работа принадлежащих отрасли предприятий по переработке сырья и изготовлению деталей, изделий и конструкций, а также эксплуатация строительных зданий и сооружений.

Строительное производство потребляет большое количество камня, щебня, песка, глины, извести и других ископаемых сырьевых ресурсов, извлекаемых из недр открытым способом (из 7,2 тыс. карьеров в нашей стране 90% приходится на строительные карьеры). Предприятия промышленности строительных материалов добывают свыше 20 видов полезных ископаемых, занимая ежегодно 15 тыс. га земли. В нашей стране предприятия строительной промышленности дают 8,1 % загрязнений воздушного бассейна (в то время как автомобильный транспорт - 13,3 %, предприятия цветной и черной металлургии - 10,5 и 24 % соответственно, тепловые электростанции - 29 %)1.

Так как строительная отрасль является материалоёмким производством, вовлечение промышленных минеральных отходов (ПМО) позволит исключить затраты на геологоразведку, строительство карьеров и решить важные экологические проблемы, такие как освобождение земель, отведенных под складирование минеральных отходов, экономия природных ресурсов, снижение выбросов в атмосферу.

В биогеохимических циклах часть вещества постоянно исключается из круговорота, но в отличие от производства вовлекается в него на сле-

1 Строительные материалы из отходов промышленности / Л. И. Дворкин, О. Л. Дворкин. - Ростов н/Д. : Феникс, 2007. - 368 с. - ISBN 978-5-222-10629-7.

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2011/1

114

Общетехнические задачи и пути их решения

дующих этапах. Такой же подход к оценке промышленных минеральных отходов с позиций фундаментальных научных основ позволит управлять качеством окружающей среды и значительно снизить нагрузку на нее.

1 Г еоэкологический резерв управления качеством окружающей среды в строительстве

Цель исследования данной работы заключается в оценке геоэкологического резерва управления качеством окружающей среды в строительстве на этапах производства и эксплуатации материалов и конструкций, что позволит обеспечить качество окружающей среды в соответствии с требованиями стандарта ИСО 14001.

Под геоэкологическим резервом подразумеваются все показатели, связанные с предотвращением загрязнения окружающей среды (т. е. процессы, методы, материалы или продукция, которые позволяют избегать загрязнения, уменьшать его или бороться с ним и могут включать рециклинг, очистку, изменения процесса, эффективное использование ресурсов и замену материалов).

Для уменьшения нагрузки на окружающую среду необходимо снизить использование электро- и тепловой энергии, что позволит уменьшить выбросы парниковых газов в атмосферу, так как ежегодное потребление энергии в мире сейчас приближается к 20-25 млрд. т условного топлива.

На производство неметаллических строительных материалов ежегодно расходуется около 50 млн. т условного топлива. В ряде случаев промышленные отходы можно рассматривать как полуфабрикаты, при получении которых уже затрачен определенный объем топлива. Так, при получении 1 кг металлургических шлаков расходуется более 1260 кДж теплоты, топливных зол и шлаков - 600-740 кДж. Часть промышленных отходов может содержать значительное количество топливных остатков (например, в золе их содержится иногда до 20-30 %). Использование таких отходов может рассматриваться как одно из направлений энергосбережения и как путь уменьшения выбросов парниковых газов в атмосферу.

Известно, что в процессе обжига глины при производстве строительной керамики в атмосферу попадают оксиды серы, приводящие к образованию кислотных осадков. Следовательно, даже частичная замена глины минеральными отходами, уже прошедшими термическую обработку, позволит снизить количество выбросов в атмосферу. Кроме того, в минеральных отходах иногда содержатся горючие компоненты. Применение таких отходов снизит расход топлива при обжиге строительной керамики за счет уменьшения температуры обжига.

Следовательно, в каждой из перечисленных позиций содержится скрытый геоэкологический резерв, который может быть спрогнозирован на основе фундаментальных научных представлений (см. схему).

2011/1

Proceedings of Petersburg Transport University

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС 2011/1

Геоэкологический резерв обжиговых технологий и материалов для строительства при использовании промышленных

минеральных отходов

Общетехнические задачи и пути их решения

116

Общетехнические задачи и пути их решения

2 Фундаментальные основы геоэкологического резерва

При производстве строительной керамики используются твердые вещества, представленные глиной и отощителем или заполнителем, в качестве которых могут выступать промышленные минеральные отходы (ПМО). Целесообразно рассматривать керамику как композиционный материал. Тогда можно сказать, что процесс формирования керамического материала происходит на уровне образования контакта по границе фаз глиносодержащая матрица-отощителъ в процессе обжига до температуры 1000°С, характерной для получения строительной керамики. Образование контакта предлагается рассматривать с позиций донорно-акцепторного взаимодействия основной фазы минерального отхода и глиносодержащей матрицы, причем особенность такого взаимодействия будет зависеть от электронного строения элемента основной фазы отхода и его положения в таблице Д. И. Менделеева с учетом радиального распределения электронной плотности орбиталей, на которых находятся валентные электроны.

Глиняная матрица представлена кислородом с неподеленной парой электронов (обозначим Ц), который может выступать донором при образовании донорно-акцепторной связи. Акцепторами могут быть s-, p-, d-элементы отхода, имеющие свободные орбитали (обозначим П).

Прочность возникающих контактов на границе фаз отход-глиносодержащая матрица в рамках донорно-акцепторного взаимодействия с учетом электронного строения элементов прогнозирует экологическую безопасность технологии утилизации отхода, ее энергоэффективность, ресурсосбережение и физико-механические свойства строительных керамических материалов. При этом экологическая безопасность технологии утилизации данного отхода наряду с общепринятыми экологическими показателями, такими как сокращение выбросов в атмосферу, освобождение земель, отведенных под складирование отходов, экономия топлива и природных минеральных ресурсов, повышается благодаря повышенной прочности строительной керамики, обусловливающей долговечность материала и уменьшение образования вторичных отходов строительства.

Положение элемента в периодической системе соответствует валентной электронной структуре его атома, и именно по этой причине между свойствами химического элемента и его соединений и положением элемента в периодической системе существует прямая и строгая связь.

Возможные энергетические состояния электрона в атоме определяются величиной главного квантового числа п. С увеличением порядкового номера энергия орбиталей увеличивается. Главное квантовое число п определяет некоторую энергетическую зону, в пределах которой точное значение энергии электрона определяется величиной l - орбитальным квантовым числом. Энергетическая последовательность атомных орбиталей: 1s<2s<2p<3s<3p<4s<3d<4p<5s<4d<5p<6s<4f ~ 5d<

2011/1

Proceedings of Petersburg Transport University

Общетехнические задачи и пути их решения

117

<6p<7s<5f ~ 6d< 7p<8s - говорит о том, что использование элементов с более высокой энергией может дать экономию топлива в обжиговых технологиях, так как на образование связей потребуется меньше энергии извне, а это снизит количество выбросов в атмосферу.

Как известно, радиальное распределение электронной плотности для каждой атомной орбитали состоит из нескольких максимумов и описывается разностью главного и орбитального квантовых чисел (n - l). Исключение составляют атомные орбитали 1s, 2p, 3d и 4f для каждой из них радиальное распределение электронной плотности состоит только из единственного максимума. Это обстоятельство может оказывать большое влияние на способность образовывать донорно-акцепторные связи, в атомах которых валентными являются именно 2p- или Bd-электроны.

Следовательно, можно предположить, что прочность донорноакцепторного взаимодействия между глиняной матрицей, представленной неподеленной парой электронов кислорода и вакантной орбиталью катиона отхода, будет расти в ряду s-, p-, d-валентных электронов катиона основной фазы. В этом же ряду будут снижаться затраты энергии на образование связи и как следствие - количество энергии, необходимой для реализации процесса.

ТАБЛИЦА. Оценка отхода по фундаментальным энергетическим параметрам электронного строения катиона основной фазы ПМО

Энергетические параметры катиона

Валентная атомная орбиталь Главное квантовое число n Орбитальное квантовое число l Число максимумов на радиальной кривой распределения электронной плотности n - l Энергия орбиталей

1s 1 0 1

2s 2 0 2

2p 2 1 1

3s 3 0 3

3P 3 1 2

3d 3 2 1 r

4s 4 0 4

Энергетический резерв

n —l = 1 n — l = 2 n — l = 3 n — l = 4

1s

2p

3d (Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn) 4d (Mo) r

Упрочнение связи, обезвреживание ионов тяжелых металлов

Экономия энергии при обжиге, уменьшение выбросов в атмосферу

Рост теплозащитности материала и конструкций

Экономия топлива, уменьшение выбросов в атмосферу

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2011/1

118

Общетехнические задачи и пути их решения

Учитывая энергетические параметры катиона основной фазы ПМО, можно предложить разделение промышленных отходов на s-, p-, d-отходы по принадлежности катиона основной фазы к s-, p-, d-электронным семействам. Это позволит выявить геоэкологический резерв технологий утилизации таких отходов и материалов, полученных на их основе, с целью оценки их влияния на биотоп (см. таблицу).

3 Практическая оценка геоэкологического резерва технологий, материалов и конструкций при использовании промышленных минеральных отходов

Геоэкологический резерв полученных материалов и строительных конструкций на их основе, рассматриваемый с точки зрения представлений об особенностях электронного строения катиона основных фаз промышленного минерального отхода (ПМО), используемого в обжиговых технологиях, позволяет управлять качеством окружающей среды. Это проявляется в освобождении земель, занятых под складирование отходов, в ресурсосбережении, в снижении выбросов вредных газов в атмосферу, в снижении температуры обжига в технологиях производства керамики с использованием ПМО, снижении теплопроводности полученного материала и повышении теплозащитности конструкций из этих материалов, что позволяет снизить количество парниковых газов, поступающих в окружающую среду. Геоэкологический резерв проявляется в снижении и предотвращении загрязнений биосферы ионами тяжелых металлов, содержащимися в отходах, а также уменьшении платы за размещение отходов.

Геоэкологический резерв при использовании d-отходов в обжиговых технологиях проявляется в одновременном связывании Jd-металлов, энерго- и ресурсосбережении, уменьшении выбросов в атмосферу. Так при выпуске рядового кирпича с купершлаком в качестве отощителя выброс углекислого газа уменьшается на 412,5 т, при выпуске кирпича объемного окрашивания с осадком от мойки железнодорожных составов в качестве добавки выброс серного ангидрида уменьшается на 4,68 т при выпуске 10 млн. шт. усл. кирпича; при использовании кислых гальванических стоков при производстве жаростойких бетонов и глазури количество СО2, поступающего в атмосферу, уменьшается на 618,75 т при таких же объемах выпуска.

Использование d-отходов позволит освободить около 1 га земель, занятых под складирование отходов, позволит сэкономить до 9000 т природных ресурсов на сумму 16 млн. руб., добиться долговечности материалов и конструкций благодаря улучшению эксплуатационных свойств. Предот-

2011/1

Proceedings of Petersburg Transport University

Общетехнические задачи и пути их решения

119

вращенный экологический ущерб окружающей природной среде составит 570 тыс. руб.

Утилизация отходов, содержащих 3^-металлы, позволила получить лицевой кирпич различной цветовой гаммы, с разной фактурной поверхностью. Исследована экологическая безопасность новой продукции, вымыва-емость ионов тяжелых металлов из образцов не обнаружена.

Геоэкологический резерв при использовании р-отходов в обжиговых технологиях заключается в уменьшении выбросов СО2 на 303,5 т и экономии около 6000 т природных ресурсов на сумму 1,9 млн. руб. Предотвращенный экологический ущерб окружающей природной среде составит 10 тыс. руб.

Использование ^-отходов позволяет создать кирпич и жаростойкий композиционный материал, характеризующийся пониженной теплопроводностью. Использование x-отходов позволяет снизить выброс СО2 на 373,7 т при производстве кирпича, а при его эксплуатации энергозатраты уменьшаются в 2 раза, что почти в 3 раза уменьшит выбросы парниковых газов. Использование боя пенобетона в качестве отощителя при производстве керамического кирпича уменьшает выброс серного ангидрида на 7,8 т. Использование ^-отходов позволит освободить около 3,5 га земель, занятых под складирование отходов, сэкономить до 20 000 т природных ресурсов на 7 млн. руб. Предотвращенный экологический ущерб окружающей природной среде составит 1,4 млн. руб. (при трех нитках производственного процесса).

Заключение

Оценка геоэкологического резерва на основе фундаментальных научных представлений позволяет управлять качеством окружающей среды в строительстве на этапах производства и эксплуатации материалов и конструкций, что позволяет обеспечить качество окружающей среды, в частности биотопа, в соответствии с требованиями стандарта ИСО 14001.

Статья поступила в редакцию 16.02.2011;

представлена к публикации членом редколлегии Т. С. Титовой.

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2011/1