|
Проблема утилизации техногенных отходов для России имеет особое значение, так как отечественная промышленность функционирует в экстремальных, не имеющих аналогов условиях, в связи с чем «выход» отходов примерно в 4-5 раз превышает средние показатели зарубежных предприятий с подобной финишной продукцией. Темп накопления минеральных отходов в последнее время столь высок, что создает реальную угрозу глобальной экологической катастрофы. В существующей практике очистки Москвы способ захоронения бытовых отходов доминирующий. Но с экономической точки зрения неэффективен, требует колоссальных бюджетных затрат. И эти издержки неоправданны с экологической точки зрения: происходит потеря невосполнимых природных ресурсов в виде таких компонентов твердых бытовых отходов (ТБО), как пластиковая и металлическая тара, стекло и макулатура. Между тем 2,5 млн т ТБО, ежегодно образующихся в Москве, - источник ценных вторичных сырьевых материалов. Актуальной научно-технической задачей, успешное решение которой может принести существенный экономический и экологический эффект, является утилизация боя искусственного стекла. Анализ мирового опыта свидетельствует о большом внимании, уделяемом данной проблеме, особенно в развитых странах, где признано, что захоронение и сжигание отходов - тупиковые технологии. Это, безусловно не означает, что данные технологии не развиваются и не используются в настоящее время. Другой вопрос, насколько осознанны и продвигаются в той или иной стране идеи необходимости возвращения в производственный и биологический циклы тех материалов, к которым мы относимся, как к отходам. Основными причинами низкого уровня использования стеклобоя в Российской Федерации является несовершенная система его заготовки, крайне ограниченные направления использования, отсутствие тщательного изучения передового зарубежного опыта и технико-экономического анализа всего комплекса вопросов, связанных с организацией заготовки, обработки и определением рациональных путей его использования. Уже сформировался целый ряд направлений утилизации стеклобоя в Германии, Англии, Франции, США, Японии, России, которые позволяют сделать вывод о том, что основная масса образующегося стеклобоя при получении полезного продукта подвергается повторному плавлению, что требует значительных дополнительных затрат энергии (см. рисунок). Лишь в редких случаях стеклобой используется в ином виде (например, в качестве заполнителя бетонов для дорожных покрытий). Применяемые отходы стекла подразделяются на возвратные (собственные) и вторичные (покупные), что обусловлено двумя источниками их образования (сфера производства и сфера потребления). Возвратный стеклобой по химическому составу полностью соответствует стеклу, вырабатываемому на данной печи, в связи с этим практически весь собственный стеклобой используется заводами стекольной промышленности, за исключением боя армированного стекла, триплекса, зеркал и некоторых излишков сортовой посуды из бесцветного стекла. Вторичный стеклобой образуется в сфере потребления (на предприятиях пищевой промышленности, торговли, домостроительных комбинатах, в строительстве). Однако стекольные заводы используют его неохотно, так как он всегда потенциально опасен в отношении ухудшения однородности стекломассы и качества продукции. В настоящее время отходы стекла применяются в производстве стекломозаичной плитки, штапельного стекловолокна, стеклотары, облицовочной плитки, кровельных материалов, плиток для полов, искусственного шифера, мрамора и т.д. Производство строительных изделий из минеральных отходов с использованием в качестве связующего цемента является в настоящее время основной технологией получения бетонных масс и главным направлением решения проблемы утилизации. Позитивные качества бетонных конструкций общеизвестны, однако последние имеют ряд существенных недостатков, так как бетон нуждается в надежной защите от влияния внешней среды, в декоративном оформлении, а удовлетворить специальным повышенным требованиям к материалам в таких отраслях, как атомная и химическая промышленность, без проведения дополнительных мероприятий и вовсе не могут. Производство цемента, как правило, сопровождается загрязнением биосферы, затратой до 0,2 т условного топлива дефицитных энергоносителей, эскалацией горных работ и необходимостью рекультивации карьеров. Кроме того, оборудование цементных предприятий отличается уникальными габаритами, большим расходом металла, длительными сроками ввода и окупаемости капвложений. По этим причинам целесообразно рассмотреть возможность альтернативного изготовления строительных материалов и изделий на базе боя искусственных стекол по экологически чистым, безотходным, энергосберегающим технологиям. В МИСИ (ныне МГСУ) с середины 80-х годов проводятся систематические исследования, направленные на выявление перспективности применения диспергированного боя искусственных щелочных стекол для получения вяжущих автоклавного и безавтоклавного твердения. Под руководством проф., докт. техн. наук Ю.П. Горлова и проф., докт. техн. наук В.Ю. Бурова на основе этого вяжущего был получен целый ряд новых строительных материалов, которые характеризуются высокими физико-механическими и эксплуатационными свойствами. Так, элементы мощения, изготовленные по вибропрессовой технологии, имели прочность при сжатии от 35 до 60 МПа, МРЗ - более 250 циклов и характеризовались высокой коррозионной стойкостью по отношению к солям, кислотам, щелочам (от 0,92 до 0,97). Мелкозернистый бетон на барханных песках имел прочность при сжатии 20-30 МПа и при изгибе 4,3-5,2 МПа при средней плотности 1900-1960 кг/м3. Пенобетон на основе стеклобоя характеризовался следующими основными показателями свойств: Rсж = 5,2-6,7 МПа при rср = 600-800 кг/м3. Стеклобой был также применен при создании шлакостекольного вяжущего вещества безавтоклавного твердения. Разработано щелоче-щелочно-земельное вяжущее с применением щелочных затворителей (в частности, NaOH и соапстока - щелочного отхода, образующегося при рафинации рыбьего жира). Доля стеклобоя в составе материала составляла от 6,5 до 45%, а в технологии преобладала автоклавная обработка. В настоящее время в МГСУ проводятся исследования в области создания энергосберегающих - безавтоклавных, экологически чистых технологий производства новых видов строительных материалов на основе боя искусственных стекол. При этом очевидна возможность получения широкой гаммы материалов различного назначения, композиции которых состоят на 90-98% из стеклобоя, что позволяет максимально его утилизировать. Работы ведутся в области создания строительных растворов, мелкозернистых бетонов и поризованных теплоизоляционных материалов на основе стеклобоя, подбора их составов и технологий изготовления. Проводимые исследования позволяют сделать заключение о возможности и перспективности использования стеклобоя для производства материалов, обладающих повышенными защитными, прочностными, антикоррозионными и другими свойствами, которые достигаются при максимальном использовании внутренней энергии стекла - продукта, не прошедшего стадию кристаллизации. Разработанные технологии позволяют создавать материалы с заданными регулируемыми свойствами в следующих областях:
Искусственные щелочные стекла в зависимости от вида содержат в своем составе: 64-74% аморфного SiO2; 1,5-5% Al2O3; 0,2-4% Fe2O3; 4-7% СаО; 0,1-3,8% MgO; 12-18% Na2O+K2O; 0,2-4% ВаО. Кроме того, в составе стекол могут присутствовать фосфор, свинец, кобальт и ряд других элементов. Если рассматривать искусственные стекла с позиции их применения в качестве сырья для получения вяжущего вещества, то наибольшее значение имеет содержание в их составе кремнезема и щелочных оксидов, а также содержание Al2O3 и CaO. Особый интерес представляют барийсиликатные стекла. Материалы, содержащие такие стекла могут широко применяться при обработке рентгеновских кабинетов и других помещений, требующих специальных покрытий. Свинцовые стекла можно использовать при создании защитных материалов для атомной промышленности. В основу работ, раскрывающих потенциальные возможности утилизации техногенных стекол, положена теоретическая предпосылка о том, что стекла в тонкодисперсном состоянии при повышенных температурах в щелочной среде обладают вяжущими свойствами и способны в результате омоноличивания твердой фазы образовывать прочный строительный материал. При этом важно раскрыть механизм и кинетику взаимодействия воды и кремнезема в системе в присутствии щелочных оксидов. Основой для придания вяжущих свойств высокодисперсному порошку кремнезема является изменение предельной концентрации продукта растворения - кремниевой кислоты в виде Si(OH)4 и создание условий для гелеобразования. Основными факторами, изменяющими предельную растворимость SiO2 в воде, следует считать фазовое (кристаллическое, аморфное) состояние исходного кремнезема, рН среды, температуру и давление среды, степень дисперсности растворяемых частиц кремнезема, а также наличие или отсутствие примесей в кремнеземе, их вид и количество, искусственное введение в систему веществ, катализирующих процессы или принимающих в них участие. Применение определенных технологических приемов и добавок весьма заметно ускоряет осаждение SiO2, уплотнение геля и его кристаллизацию, т.е. переход кремнезема из полимера в плотный и прочный водонерастворимый камень. После сортировки, дробления, помола и рассеивания на
фракции стекло можно считать полностью подготовленным для получения строительных
материалов. Наиболее простым и доступным вариантом утилизации стеклобоя
является традиционная технология изготовления мелкозернистого бетона,
где стеклобой выступает в качестве заполнителя. При получении мелкозернистого
бетона использовались следующие сырьевые материалы: В данной системе доля использования стеклобоя составляет 70%. В технологии используются пластичные и жесткие смеси. Отформованные изделия не требуют какой-либо специальной тепловой обработки. Следующая технология мелкозернистого бетона и раствора
позволяет максимально утилизировать стеклобой - доля его в композиции
95-98%. Использовались следующие сырьевые материалы: Тонкомолотый стеклобой в данной технологии используется как вяжущее вещество; затворителем, входящим в состав бетонной смеси в количестве 3 - 5 % по массе, являются растворы гидросиликатов щелочных металлов с плотностью 1,28 - 1,35 г/см3. Технология получения основана на перемешивании компонентов, формовании и выдержке при температуре среды 40 - 500С. Для получения поризованного теплоизоляционного материала
на основе стеклобоя используются следующие сырьевые материалы: Технология получения основана на способе сухой минерализации пены, разработанном в МГСУ. Она включает приготовление пены, минерализацию ее порошком стеклобоя при активном перемешивании с последующей заливкой пеномассы в формы. Условия твердения - сушка при температуре 40 - 500С. Доля использования стеклобоя в композиции - 92-95%. Испытания полученных материалов, выполненные в соответствии с действующими ГОСТ общепринятыми и разработанными методиками, показали, что материалы на основе боя искусственных стекол не уступают, а в ряде случаев превосходят по своим общестроительным и функциональным свойствам аналогичные материалы, изготовляемые на традиционных вяжущих. Так, поризованный теплоизоляционный материал на основе стеклобоя имеет при средней плотности 300 кг/м3 следующие физико-технические характеристики: прочность при сжатии - 0,8 МПа, прочность при изгибе - 0,3 МПа, водопоглощение - 38% по массе, коэффициент размягчения - 0,94, теплопроводность - 0,054 Вт/(м•0С), коэффициент паропроницаемости - 0,085 мг/(ч•м•Па). Кроме того, материал не горюч, при температуре более 600-7000С происходит его вспучивание, что позволяет рекомендовать его для устройства тепловой изоляции зданий промышленного и гражданского назначения, крупных энергетических объектов, машинных залов атомных станций, а также промышленного и технологического оборудования с температурой изолируемой поверхности 6000С и более. Организация производства материалов на основе боя искусственных стекол может осуществляться на действующих предприятиях стройиндустрии и не требует существенных капиталовложений. Утилизация стеклобоя, большое количество которого имеется по всей территории России, позволит решить ряд производственных проблем и улучшить экологию промышленных регионов, а безотходные экологически чистые энергосберегающие технологии помогут получить существенный экономический эффект. Е. Зайцева, |