Теоретические основы создания технологий утилизации отходов

Проблематика транспортных систем

59

Решение пространственной задачи для полупространства с цилиндрическим включением удается свести к совокупности из шести уравнений.

В случае с жестким включением решение сводится к рассмотрению только трех уравнений.

Проведенное исследование на регулярность в случае с жестким включение при v = 0...0,5 показывает, что возможна численная разработка системы методом последовательных приближений.

Библиографический список

1. Васильев В. З. Простанственные задачи прикладной теории упругости. - М.: Транс-тпорт, 1993.

2. Teresawa K. On the elastic equilibrium of a semiinfinite solid under qiven boundary conditions with same applications. // Jorn. of Colleqe of Sei. Tokyo. Imp. Univ. - 1916. - V 37. - №7.

3. Фихтенгольц Г. М. Курс дифференциального и интегрального исчисления. Т. 2. -СПб.: Лань, 1997.

УДК 540.75

Л. Б. Сватовская, Н. И. Якимова

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СОЗДАНИЯ ТЕХНОЛОГИЙ УТИЛИЗАЦИИ ОТХОДОВ

Многие вещества, воспринимаемые обществом как отходы, на самом деле обладают скрытыми природоохранными резервами, которые затрагивают, например, энергетические их свойства и особенности электронного строения поверхности твердых продуктов.

Выявление этих резервов представляется актуальной задачей, так как позволяет прогнозировать и создавать технологии, включающие отход в качестве исходного сырья и приводящие к сохранению невозобновимых природных ресурсов.

энергетические свойства веществ; утилизация твердых и жидких отходов; экологическая безопасность на транспорте.

Введение

Известно, что на сегодня важной проблемой современности является утилизация отходов, загрязняющих водоемы, атмосферный воздух, занимающих большие пространства плодородных земель. Однако существующие в рамках различных научных направлений технологии утилизации практически не позволяют решить проблему комплексно, они не учитывают, с одной стороны, региональный уровень решения проблемы, с другой стороны, не предлагают единых универсальных подходов к прогнозированию способности отхода быть сырьем для получения востребованных обществом изделий.

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС

2006/2

60

Проблематика транспортных систем

Поэтому кажется оправданным положение о том, что фундаментальные подходы позволяют вскрыть резервы отходов и быть основанием создания комплексных технологий их утилизации.

1 Обоснование использования скрытых резервов отходов и техногенного сырья

1.1 Энергетические свойства веществ

В качестве энергетического резерва предлагается рассматривать отрицательное изменение энергосодержания системы в самопроизвольных реакциях в стандартных условиях - ДН°298 при AG°298 < 0.

Идея использования энергорезерва в экологии для защиты окружающей среды связана с тем, что энергию из отходов можно извлечь в самопроизвольном процессе, т. е. процессе, при котором ДО°298 < 0, и использовать вместо топлива [1], [2].

С другой стороны, нефтезагрязнения также могут быть рассмотрены как дополнительный источник энергии в технологиях, обеспечивающих их полное сгорание. Таким образом, энергетический резерв формируют энергосодержание отходов и нефтезагрязнения, и он может быть использован вместо топлива или его части.

Впервые проведенный нами анализ более двадцати отходов и некондиционного сырья Северо-Запада и Тюменской области дает представление об уровне энергосодержания отхода и энергетического резерва по величине стандартной энтальпии на 1 моль вещества и на 1 т [3]. Так, например, энергетический (термодинамический) резерв при получении материалов из отходов и природных продуктов на основе самопроизвольных реакций составляет от 1200 до 16 000 МДж/т продукта.

Мы предлагаем использовать эту энергию вместо энергии топлива при создании безобжиговых технологий получения материалов строительного и экозащитного назначения на базе отходов, моющих растворов, не содержащих поверхностно-активных веществ (ПАВ) для очистки нефтезагрязненных металлических поверхностей и их утилизации, а также для снижения расхода топлива при получении строительной керамики.

В нашей работе этот резерв используется одновременно для утилизации отходов, сохранения природных ресурсов (сырья и топлива, вместо которых используется отход), высвобождения земель.

Представленный в [3] пример перечня химических реакций подтверждает теоретическое предположение о самопроизвольном выделении энергии при взаимодействии отходов с компонентами химической системы.

Представленный расчет показывает изменение энергосодержания системы и позволяет прогнозировать технологии совместной утилизации отходов -моющих, строительного материаловедения, транспорта.

Так, самопроизвольная реакция на основе отхода кремнефторида натрия, идущая с высвобождением энергии, одновременно выделяет кремнегель, по-

2006/2

Proceedings of Petersburg Transport University

Проблематика транспортных систем

61

этому мы ее прогнозируем как основу моющего средства с высокими сорбирующими свойствами.

Самопроизвольные реакции, включающие и ионы тяжелых металлов (ИТМ), одновременно, во-первых связывают ИТМ в нерастворимые фосфаты, во-вторых, формируют искусственный камень, который обладает конструкционными и функциональными свойствами, в-третьих, также выделяют кремнегель, поэтому мы их рассматриваем как экозащитные.

Реакции, относящиеся к получению цементных материалов и идущие с выделением энергии, могут, как мы предполагаем, связывать глиносодержащие продукты, формируя безобжиговый строительный материал, а нефтезагрязненные вещества при определенных условиях можно использовать вместо части топлива.

1.2 Резерв свойств поверхности твердых отходов

Однако энергетический резерв отходов не затрагивает другую особенность твердого отхода - его поверхность, которая в соответствии с современными представлениями имеет самостоятельное значение, в том числе и для экозащитной способности твердого отхода [1], [2].

Под экозащитной мы понимаем способность поверхности отходов определенной природы быть использованными как адсорбенты для ИТМ и нефтезагрязнений с последующей утилизацией в материал с улучшенными эксплуатационными свойствами.

В качестве резерва природы поверхности предлагается рассматривать ее донорно-акцепторные свойства, информацию о которых предоставляет индикаторный метод распределения центров адсорбции (РЦА).

При рассмотрении резервов поверхности твердых отходов с целью создания экозащитных материалов было учтено следующее. В 1995 г. доктор химических наук А. П. Нечипоренко предложила использовать индикаторный метод для количественной оценки способности твердого тела адсорбировать вещества определенной кислотно-основной природы [4].

В соответствии с идеей метода, изучая адсорбцию широкого набора индикаторов (рКа которых лежит в интервале от минус 4 до плюс 17), можно получить наглядную картину распределения на поверхности твердого вещества активных центров по их кислотно-основным свойствам, характеризуемым величиной рКа, и интенсивности свойств - по величине ^(рКа), мкмоль/г.

Метод РЦА по граничным значениям рКа в понятиях бренстедовских и льюисовских кислот и оснований классифицирует поверхность и показывает способность твердого отхода быть основой природозащитной технологии в зависимости от природы загрязнения.

Нами было сделано предположение о взаимосвязи кислотно-основных свойств поверхности и адсорбции загрязняющих веществ разной природы на ней. На основе предложенного прогноза РЦА можно обнаружить свойства поверхности твердых отходов обезвреживать токсичные составляющие загрязнений, т. е. экозащитные свойства.

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС

2006/2

62

Проблематика транспортных систем

В работе были использованы области рКа 0...7 и 7...14, как области, сорбирующие нефтезагрязнения и ИТМ.

По результатам исследования спектров РЦА некоторых отходов видно [3], что, например, песок не имеет полос поглощения в областях 0.7 и 7.14, значит в этой системе оценок он не может быть сорбентом для ИТМ и нефтезагрязнений, что известно из практики. Действительно, пропускание марганецсодержащего раствора через пески разных месторождений не показало адсорбции и изменения спектра РЦА.

С другой стороны, спектр РЦА гранулированного шлака Череповецкого комбината дает информацию о том, что шлак должен сорбировать ИТМ, и опыты показали, что граншлак адсорбирует ИТМ, при этом интенсивность спектра в области 7.14 понижается в 3 раза по марганцу и в 12 раз - по железу.

Одновременно спектр РЦА информирует о том, что гранитный отсев способен к сорбции нефтезагрязнений, так как имеет полосу высокой интенсивности в области 0.7, то есть гранитный отсев в этой системе знаний прогнозируется как активный сорбент нефтепродуктов, кроме того, гранитный отсев, судя по спектру, способен связывать ИТМ, но в меньшей степени, чем граншлак.

С помощью метода РЦА, впервые предложенного для защиты окружаю -щей среды, определены новые экозащитные материалы из отходов и природного сырья для защиты гидросферы.

Также созданы основы утилизации отработанных минеральных масел (ОММ) на твердых подложках, утилизации нефтезагрязненных отсевов балластного щебня железнодорожного полотна, промасленной ветоши и некоторых других отходов транспорта.

Показано, что основой совместной утилизации является полифункциональность поверхности и ее способность адсорбировать загрязнения органической и неорганической природы на соответствующих активных центрах по типу бренстедовских кислот и оснований.

2006/2

Proceedings of Petersburg Transport University

63

Проблематика транспортных систем

2 Исследование возможностей изменения свойств поверхности твердых тел

2.1 Электронно-лучевая обработка поверхности твердых тел

При постановке исследования экозащитных свойств поверхности твердых отходов нас интересовало, можно ли усилить эти свойства твердого отхода.

Известно, что электронно-лучевая обработка поверхности твердых тел при облучении приводит к получению ее новых свойств. Нами была использована электронно-лучевая обработка поверхности твердого отхода, чтобы увеличить его экозащитные свойства.

Исследования проведены нами на экспериментально-методической базе предприятия ООО «Технологический центр Радиант» (Санкт-Петербург) на установке РТЭ-1В, которая является электронным ускорителем, выполненным на основе резонансного трансформатора, работающего в изолированной газовой среде.

Обработку исследуемых материалов проводили при значениях параметра поглощенной дозы 50, 100, 200, 500 кГр.

Установлено, что центры адсорбции на поверхности различных отходов благодаря электронно-лучевой обработке могут быть усилены или искусственно созданы. Например, воздействие ускоренных электронов приводит к появлению сорбционных свойств у песка за счет появления новых активных центров в соответствующих областях, увеличению экозащитных свойств у граншлака и отходов пенобетона, что подтверждается повышением концентрации активных центров по сравнению с исходным образцом и, как следствие, увеличением поглотительной емкости.

В ходе исследования выявлена прямая зависимость между сорбционной емкостью твердого вещества и величиной поглощенной дозы.

3 Некоторые показатели эффективности утилизации отходов на железнодорожном транспорте

В таблице представлены некоторые показатели эффективности утилизации отходов транспорта с учетом сохранения природных ресурсов при производстве 1 т кирпича на примере отхода нефтезагрязненного балластного щебня (НБЩ).

ТАБЛИЦА

Количество утилизируемого отхода Полученный материал Сохраненные природные ресурсы на 1 т кирпича Снижение выбросов SO2 Предотвращенная плата за размещение отхода

Отсев НБЩ, 18 000 т Кирпич лицевой повышенной прочности Глина - 100 кг, песок - 100 кг, 3 природный газ - 20 м 12% 16,2 млн. руб.

Заключение

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС

2006/2

64

Проблематика транспортных систем

Использование термодинамического резерва и резерва строения поверхности твердого отхода позволило разработать новые сертифицированные технологии защиты окружающей среды в разных регионах России и тем самым снизить антропогенную нагрузку на окружающую среду. Так, например, снижение вредного воздействия на окружающую среду токсичных промышленных отходов происходит за счет образования труднорастворимых веществ, включающих ИТМ, при этом учитывается повторное использование отходов в производственных циклах при организации малоотходных производств, исключении хранения отходов на дорогостоящих полигонах, предотвращении экологических ущербов от размещения отходов в окружающей среде и на полигонах.

Библиографический список

1. Фундаментальные подходы к созданию новых комплексных природозащитных технологий очистки биосферы / Л. Б. Сватовская, Л. Л. Масленникова, Н. И. Якимова и др. -СПб.: ПГУПС, 2003.

2. Термодинамические и электронные аспекты свойств композиционных материалов для строительства и экозащиты / Л. Б. Сватовская, В. Я. Соловьева, М. Н. Латутова и др.; Под ред. Л.Б. Сватовской. - СПб.: Стройиздат, 2004.

3. Якимова Н. И. Теория и практика утилизации отходов с учетом их энергосодержания и природы поверхности твердых фаз: Дис ... д-ра техн. наук. - СПб.: ПГУПС, 2005.

4. Нечипоренко А. П. Донорно-акцепторные свойства поверхности твердых оксидов и халькогенидов: Дис. ... д-ра хим. наук. - СПб., 1995.

УДК 656.25:656.21 Т. А. Тележенко

ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ В СИСТЕМАХ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Рассматриваются вопросы повышения эффективности процессов автоматизированного создания схем железнодорожной автоматики и телемеханики и проверки проектной документации посредством применения методов имитационного моделирования систем.

моделирование; качество выполнения проектов; проектные ошибки; проверка документации; программа проверки схем.

2006/2

Proceedings of Petersburg Transport University