CC BY
29
Проблематика транспортных систем
89
УДК 540.75 М. В. Шершнева
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГЕОЗАЩИТНЫХ СВОЙСТВ ТВЕРДЫХ ОТХОДОВ НА ТРАНСПОРТЕ
Предложен способ прогноза геозащитных свойств твердых отходов, основанный на их энергетических и кристаллохимических характеристиках. На примере ионов железа показано, что гидратсодержащие отходы обладают геозащитным резервом по отношению к ионам тяжелых металлов. На примере шунгитсодержащего щебня и продуктов разрушения бетона предложены области применения этих отходов на железнодорожном транспорте.
геозащитный резерв, параметр Пирсона, шунгитсодержащий щебень, продукты разрушения бетона, статическая емкость, динамическая активность.
Введение
В настоящее время остро поставлена проблема утилизации отходов от различных отраслей промышленности в связи с тем, что масштаб техногенного воздействия на окружающую среду таких отходов принял глобальный характер.
Нерациональное природопользование и отсутствие рециклинга в некоторых отраслях промышленности приводит к тому, что, с одной стороны, уменьшаются запасы природного сырья, с другой - накопление отходов уменьшает число полезных для деятельности человека площадей [1].
При решении таких проблем требуется разработка технологий утилизации отходов от различных отраслей промышленности, которые позволили бы максимально полезно использовать их геозащитный резерв, понимая под этим свойство отхода, снижающее негативное техногенное воздействие на окружающую среду.
Данная работа посвящена исследованию геозащитного резерва и природы твердых неорганических отходов промышленности, позволяющих указать наиболее масштабные области их применения.
1 Энергетические и кристаллохимические характеристики отходов
Среди твердых промышленных отходов можно выделить группу многотоннажных гидратсодержащих отходов, которые образуются в различных отраслях промышленности при производстве и эксплуатации полезных продуктов [2]. Количество образования некоторых из них представлено в таблице 1.
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2007/3
90
Проблематика транспортных систем ТАБЛИЦА 1. Количество образования некоторых гидратсодержащих
промышленных отходов
Название Количество образования отхода
Пенобетон 3 До 10 тыс. м в год от одного завода
Продукты разрушения бетона 10-12 млн. т по Москве ежегодно, 1 т в год на душу населения (Европа)
Шунгитсодержащий щебень Добыча около 80 тыс. тонн руды в год по одному предприятию
Хризотиласбестсодержащий отход Скопилось более 900 млн. т, ежегодно по России образуется более 10 млн.т
Фосфогипс До 15 млн. т ежегодно по России
Основная идея работы состоит в том, чтобы использовать геозащит -ный резерв, информацию о котором предоставляют энергетические и кристаллохимические характеристики гидратсодержащих отходов [3].
В таблице 2 представлены примеры прогнозирования обезвреживания загрязнений, например ионов тяжелых металлов, на основе геозащитного резерва, оцененного по величинам АН0298 и кристаллохимическому параметру Пирсона с учетом структуры [4], [5].
ТАБЛИЦА 2. Примеры прогнозирования обезвреживания загрязнений на основе геозащитного резерва
Наименование твердого гидратсодержащего отхода (гидратная фаза, формула) Геозащитный резерв, оцененный по параметрам Примеры прогнозирования геозащитного резерва (обезвреживание ИТМ)
DН0298, кДж/моль Tk/ra-Dc
Песок (SiO2 взят для сравнения) -910,9 0,510 Известно отсутствие
Продукты разрушения тяжелых бетонов (2CaO-SiO2-1,17 H2O) -2662,66 0,270 Прогнозируется
Отходы производства пенобетона (5CaO-6SiO2-5,5 H2O) -10684,08 0,270 Известно наличие
Хризотилаасбестсодержащий отход (Mg6Si4O10(OH)8) -8736,7 0,130 Прогнозируется
Хлорит в шунгитсодержащем щебне (Mg5[Al[AlSi3O10]]-(OH)8) Ниже -1000 0,130 Прогнозируется
Безводный диоксид кремния в таблице взят в качестве иллюстрации положения о том, что не содержащие химически связанной воды неорганические отходы не проявляют активности к ионам тяжелых металлов при прочих равных условиях.
Значения этих параметров свидетельствуют о том, что гидратсодержащие фазы, имеющие пониженные значения стандартной энтальпии об-
2007/3
Proceedings of Petersburg Transport University
Проблематика транспортных систем
91
разования, а также определенное положение параметра Пирсона и характеризующиеся слоистой структурой, должны обладать геозащитным резервом. При этом обезвреживание ИТМ связывается с присутствием донорной способности кислорода воды вступать во взаимодействие с акцепторными орбиталями ИТМ.
2 Исследование геозащитного резерва шунгитсодержащего щебня
Одним из многотоннажных отходов, представленных в таблице 2, является шунгитсодержащий щебень, объем которого достигает 80 тыс. тонн в год по одному предприятию.
Результаты минерального анализа шунгитсодержащего щебня (табл. 3) показывают, что содержание гидратсодержащего минерала хлорита, достигает 45% объема, т. е. щебень должен обладать экозащитной функцией, а шунгитового вещества в щебне содержится лишь 1-2% объема.
ТАБЛИЦА 3. Минеральный состав шунгитсодержащего щебня
Минерал Содержание, объемн. %
Кварц 15-20
Плагиоклаз (альбит) 35-40
Хлорит 40-45
Карбонат (кальцит) 1-3
Шунгитовое вещество 1-2
В работе была исследована сорбционная способность шунгитсодержащего щебня по отношению к ИТМ на примере ионов железа (III). При этом было проверено предположение о том, что емкость отхода может быть увеличена путем его прокаливания до удаления адсорбционносвязанной воды. Результаты показали (табл. 4), что отход имеет емкость в статических условиях до 0,05 мг/г, которая может быть увеличена до 0,20 мг/г при прокаливании до 200 град.
ТАБЛИЦА 4. Емкость шунгитсодержащего щебня в статических условиях
по ионам железа
Материал Температура нагревания, оС Исходная концентрация, мг/л Конечная концентрация, мг/л Емкость, мг/г
Шунгит- содержащий щебень - 3,25 3,25 0,05
200 3,25 2,9 0,18
500 3,25 2,8 0,20
800 3,25 2,8 0,18
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2007/3
92
Проблематика транспортных систем
Одновременно с учетом того, что в состав отхода, кроме хлорита, входит углерод в виде шунгита, который является сорбентом нефтепродуктов, была определена статическая емкость щебня по отношению к растворенным нефтепродуктам, которая составила от 0,18 до 0,25 мг/г.
3 Исследование геозащитного резерва продуктов разрушения бетона
Другим гидратсодержащим отходом являются продукты разрушения бетона.
Объем отходов бетона при разборке зданий, временных дорожных покрытий, срубов оголовков свай и т. д. в Российской Федерации и странах СНГ оценивается в миллионы тонн в год.
Были проведены исследования сорбционной активности измельченного бетона по отношения к ИТМ на примере железа. Результаты представлены в таблице 5.
ТАБЛИЦА 5. Результаты сорбции ионов железа (III) продуктами разрушения бетона
Класс бетона Исходная концентрация раствора, мг/л Конечная концентрация раствора, мг/л Емкость в статических условиях, мг/г
В20 3,10 0,30 0,45
2,10 0,35 0,43
1,20 0,25 0,42
В22,5 3,10 0,25 0,60
2,20 0,25 0,58
1,10 0,20 0,56
В30 3,30 0,15 0,75
2,10 0,10 0,72
1,10 0,08 0,70
Впервые было обнаружено, что многотоннажные отходы разрушенного бетона, представленные гидросиликатами, обладают статической емкостью по отношению к ионам тяжелых металлов, например железа - от 0,43 до 0,75 мг/г. Такие результаты свидетельствуют о сорбционной способности отходов бетона различных марок по отношению к ионам железа (III), т. е. о геозащитном резерве продуктов разрушения бетона.
Результаты определения динамической активности отхода бетона (табл. 6) показали целесообразность прокаливания отхода до 200 оС. Это подтверждает представление о том, что прокаливание до небольших температур увеличивает активность донорных центров.
Данные таблицы 6 показывают, что активность отхода зависит также от класса бетона. Это связано с тем, что в более высоких марках больше гидросиликатов.
2007/3
Proceedings of Petersburg Transport University
Проблематика транспортных систем
93
ТАБЛИЦА 6. Динамическая активность дегидратированного отхода цементного бетона
Класс бетона Температура нагревания, оС Динамическая активность, мг/г
В20 - 0,12
200 0,40
500 0,42
800 0,42
В22,5 - 0,14
200 0,55
500 0,54
800 0,55
В30 - 0,14
200 0,67
500 0,71
800 0,70
4 Использование геозащитных свойств твердых отходов на транспорте
Масштабность образования отходов шунгитсодержащего щебня и продуктов разрушения бетона позволяет предложить их в качестве балластного и подбалластного материала с геозащитными функциями для железнодорожного полотна, где образуется большое количество поверхностных стоков с растворенными нефтепродуктами и ионами тяжелых металлов [6], [7]. В настоящее время отвод поверхностных вод от железнодорожного полотна осуществляется с помощью дренирования. Стандартным решением при дренировании на железных дорогах является применение кюветов и лотков, из которых поверхностные стоки с ионами тяжелых металлов и растворенными нефтепродуктами отводятся в естественные водоемы.
На сегодняшний день такая материалоемкая отрасль, как железнодорожный транспорт, отходов с геозащитными функциями не использует.
При рекомендации шунгитсодержащего щебня необходимо было оценить его физико-механические характеристики на соответствие требованиям ГОСТа, предъявляемым к балластному щебню железнодорожного полотна [8], [9].
Физико-механические испытания шунгитсодержащего щебня (табл. 7), показали, что отход соответствует требованиям, предъявляемым к качеству балластного и подбалластного слоя железнодорожной насыпи.
Применение шунгитсодержащего щебня на железнодорожном транспорте позволяет, во-первых, снизить концентрацию растворенных нефтепродуктов и ионов железа в поверхностном стоке от железнодорожного пути, во-вторых, сэкономить природный щебеночный материал, используемый для балласта.
Известно, что по своим физико-механическим характеристикам тяжелый бетон соответствует техническим требованиям [11], предъявляемым к
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2007/3
94
Проблематика транспортных систем
материалам, используемым в качестве щебня на железнодорожном транспорте в подбалластном слое. Поэтому открытие геозащитных свойств продуктов разрушения цементных бетонов позволяет использовать его в подбалластном слое для снижения концентрации ионов тяжелых металлов в поверхностных и дренажных стоках от железнодорожного полотна.
ТАБЛИЦА 7. Физико-механические характеристики шунгитсодержащего щебня
№ п/п Определяемый показатель Нормативное значение по ГОСТ 8267-93 Результаты испытаний (среднее значение)
1 Полные остатки на контрольных ситах, % по массе d - 5 0,5 (d + D) D = 20 1,25 От 90 до 100 От 30 до 60 До 10 До 0,5 98.7 50,1 9.7
2 Содержание зерен пластинчатой (ле-щадной) и игловатой формы, % Группа щебня 3 15-25% включений 24,5
3 Марка щебня по дробимости (потеря массы, %) Марка 1200 (до 11) 5,3
4 Марка щебня по истираемости (потеря массы при испытаниях, %) Марка И-1 (до 25) И-1 (16,7)
5 Содержание зерен слабых пород, % по массе, не более 5 Не обнаружено
6 Марка щебня по морозостойкости (потеря массы после 15 циклов насыщения-высушивания в растворе сернокислого натрия, %, не более) F 200 (3) F 200 (2,8)
7 Содержание пылевидных и глинистых частиц, % по массе, не более 1 0,01
8 Содержание глины в комках, % по массе, не более 0,25 Не обнаружено
9 Устойчивость структуры щебня против всех видов распада (потеря массы при распаде, %, не более) 3 1,0
Заключение
Обоснован способ определения геозащитного резерва гидратсодержащих отходов, который связывается с донорной способностью кислорода в гидратационной или конституционной воде твердых фаз, имеющих определённые термодинамические и кристаллохимические параметры.
Установлено, что гидратсодержащие отходы (бетон и шунгитсодержащий щебень), имеющие достаточно низкие величины ДН°298 и определенные значения параметра Пирсона, обладают геозащитным резервом по отношению к ИТМ на примере железа и могут быть использованы на же-
2007/3
Proceedings of Petersburg Transport University
Проблематика транспортных систем
95
лезнодорожном транспорте в качестве балластного и подбалластного слоя с геозащитными функциями. Их применение позволит снизить концентрацию ИТМ и растворенных нефтепродуктов в поверхностном стоке от железнодорожного полотна.
Библиографический список
1. Утилизация и захоронение отходов. Экологические проблемы обращения и утилизации бытовых и промышленных отходов / И. В. Галицкая // Геоэкология. Инженерная геология. Гидрогеология. Геокриология. - 2005. - №2. - С. 144-147.
2. Комплексное использование минерального сырья и экология : учеб. пособие / П. И. Боженов - М.: Изд-во АСВ, 1994. - С. 5-12. - ISBN 5-87829-004-9.
3. Фундаментальные свойства материалов на цементной матрице / Л. Б. Сватовская - СПб.: ПГУПС, 2006. - 98 c. - ISBN 5-7641-0139-5.
4. Фундаментальные подходы к созданию новых комплексных природозащитных технологий очистки биосферы / Л. Б. Сватовская, Л. Л. Масленикова, Н. И. Якимова и др. - СПб.: ПГУПС, 2003. - 50 c. - ISBN 5-7641-0109-3.
5. Термодинамический и электронный аспекты свойств композиционных материалов для строительства и экозащиты / Л. Б. Сватовская, В. Я. Соловьева, М. Н. Латутова и др.; науч. ред. Л. Б. Сватовская. - СПб.: Стройиздат, 2004. -176 с. -ISBN 5-87897 - 126-7.
6. Экологическая безопасность дистанций пути / В. М. Бельков, Б. В. Антипов, Н. П. Зубрева, Н. А. Шарапова // Железнодорожный транспорт. Экология и железнодорожный транспорт. - 1998. - Вып. 2. - С. 17 - 27.
7. Охрана окружающей среды и экологическая безопасность на железнодорожном транспорте : учеб. пособие / ред. Н. И. Зубрев, Н. А. Шарпова - М.: УМК МПС России, 1999. - 592 с. - ISBN 5-89035-020-X.
8. ГОСТ 8269.0-97. Щебень и гравий из плотных горных пород и отходов и промышленного производства для строительных работ. Методы физико-химических испытаний.
9. ГОСТ 8269.1-97. Щебень и гравий из плотных горных пород и отходов и промышленного производства для строительных работ. Методы химического анализа.
10. ГОСТ 7392-85. Щебень из природного камня для балластного слоя железно -дорожного пути.
11. Испытание бетона / М. Ю. Лещинский - М.: Стройиздат, 1980. - 176 с.
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2007/3
