Научная статья на тему 'Математическое моделирование эмиссии тяжелых металлов в водные объекты из строительных материалов, полученных на основе отходов производства'

Математическое моделирование эмиссии тяжелых металлов в водные объекты из строительных материалов, полученных на основе отходов производства Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

CC BY
263
56
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Журнал
Вестник МГСУ
ВАК
RSCI
Ключевые слова
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ / MATHEMATICAL MODELING / ОТХОДЫ ПРОИЗВОДСТВА / ЭМИССИЯ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ / EMISSION OF POLLUTANTS / СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ / CONSTRUCTION MATERIALS / ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ / HEAVY METALS / ВОДНЫЕ ОБЪЕКТЫ / WATER OBJECTS / PRODUCTION WASTE

Аннотация научной статьи по строительству и архитектуре, автор научной работы — Пугин Константин Георгиевич, Вайсман Яков Иосифович, Бояршинов Михаил Геннадьевич

При вовлечении отходов производства в качестве сырья для получения строительных материалов возникают риски повышения экологической техногенной нагрузки на объекты окружающей среды. Эти риски связаны с возможной эмиссией тяжелых металлов из строительных материалов при их использовании. Рассмотрен один из инструментов, позволяющий прогнозировать данную эмиссию в зависимости от кислотности среды и времени пребывания материала в среде. Основой математической модели послужили экспериментальные данные, полученные при определении миграционной активности металлов из цементобетонов в водные растворы. Предлагаемая модель позволяет делать прогноз техногенного воздействия на окружающую среду и соизмерять это воздействие с ассимиляционной возможностью природной среды района применения строительных материалов. Это позволит производить эффективную оценку создаваемых и применяемых технологий утилизации отходов производства с учетом условий эксплуатации получаемых материалов.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по строительству и архитектуре , автор научной работы — Пугин Константин Георгиевич, Вайсман Яков Иосифович, Бояршинов Михаил Геннадьевич

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Mathematical modeling of the emission of heavy metals into water bodies from building materials derived from production waste

At the present time industrial waste is considered to be an alternative to primary natural resources when producing construction materials and products. The use of industrial waste in the construction branch allows reducing ecological load on the environment and population as a result of reducing the amount of unrecyclable waste and reducing the use of primary natural resources. Though when involving waste products as raw material in the preparation of building materials there occur environmental risks of anthropogenic impact increase on the environment. These risks are related to possible emission of heavy metals from construction materials in use. The article describes a tool which allows predicting this issue, depending on the acidity of the medium, the residence time of the material in the environment. The experimental data obtained in determining the migration activity of metals from cement concretes to aqueous solutions served as the basis for the mathematical model. The proposed model allows us to make a prediction of anthropogenic impact on the environment and commensurate this impact with the possibility of assimilation of the environment area where the building materials are applied. This will allow conducting an effective assessment of the created and applied technologies of waste disposal, taking into account the operating conditions of the materials produced.

Текст научной работы на тему «Математическое моделирование эмиссии тяжелых металлов в водные объекты из строительных материалов, полученных на основе отходов производства»

УЕБТЫНС

мвви

безопасность строительных систем. экологические проблемы в строительстве.

геоэкология

УДК 691:504.054

к.г. пугин, Я.и. Байсман, м.г. Бояршинов

ПНИПУ

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭМИССИИ

ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ВОДНЫЕ ОБЪЕКТЫ ИЗ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ, ПОЛУЧЕННЫХ НА ОСНОВЕ ОТХОДОВ ПРОИЗВОДСТВА

При вовлечении отходов производства в качестве сырья для получения строительных материалов возникают риски повышения экологической техногенной нагрузки на объекты окружающей среды. Эти риски связаны с возможной эмиссией тяжелых металлов из строительных материалов при их использовании. Рассмотрен один из инструментов, позволяющий прогнозировать данную эмиссию в зависимости от кислотности среды и времени пребывания материала в среде. Основой математической модели послужили экспериментальные данные, полученные при определении миграционной активности металлов из цементобетонов в водные растворы. Предлагаемая модель позволяет делать прогноз техногенного воздействия на окружающую среду и соизмерять это воздействие с ассимиляционной возможностью природной среды района применения строительных материалов. Это позволит производить эффективную оценку создаваемых и применяемых технологий утилизации отходов производства с учетом условий эксплуатации получаемых материалов.

Ключевые слова: математическое моделирование, отходы производства, эмиссия загрязняющих веществ, строительные материалы, тяжелые металлы, водные объекты

В настоящее время отходы производства рассматриваются в качестве альтернативы первичным природным ресурсам при изготовлении строительных материалов и изделий из них [1, 2]. Использование отходов производства в строительной отрасли позволяет снизить экологическую нагрузку на объекты окружающей среды и население как следствие снижения объемов размещаемых в окружающей среде неутилизируемых отходов и уменьшения использования первичных природных ресурсов.

вместе с тем из практики известно, что при контакте с агрессивными природными средами строительных материалов, полученных на основе или с добавлением отходов производства, наблюдается миграция из них загрязняющих веществ, в частности тяжелых металлов (ТМ) [3—5]. Обычно ТМ в строительных материалах, полученных из отходов производства, находятся в неподвижной форме, однако возможны условия, при которых возрастает их миграционная способность. Выполненными нами ранее исследованиями [6—8] экспериментально установлено, что миграция ТМ увеличивается при изменении кислотности рН окружающей среды, образовании новых поверхностей контакта строительного материала с агрессивными средами, нахождении

ВЕСТНИК 1/2Q16

материала в них под воздействием механических нагрузок, циклов замораживания и прочих воздействиях, сопровождаемых нарушениями сплошности материалов. миграция тм существенным образом влияет не только на состояние окружающей среды и здоровье населения, но и на основные параметры строительных изделий, полученных из отходов, такие как прочность, коррозионная стойкость и иные физико-механические свойства, определяющие временной ресурс их использования [9—12]. в этой связи возникает объективная необходимость в научно-обоснованном прогнозе скорости и интенсивности миграционных процессов тм.

в настоящее время оценка негативного воздействия на объекты окружающей среды строительных материалов, полученных из отходов, основывается, как правило, на эмпирических данных и, соответственно, требует значительных временных и материальных затрат. полученная информация имеет ограниченный и запаздывающий характер, не позволяет оперативно произвести оценку и прогнозировать это воздействие, своевременно принимать необходимые управленческие решения. использование математического моделирования позволяет решать подобного класса задачи с минимальными материальными и временными затратами, дает значительный объем достоверной информации о концентрациях отдельных веществ и продуктов их взаимодействия, предоставляет возможность делать прогнозные оценки рассматриваемых процессов на долгосрочную перспективу [13—15]. в настоящей работе предлагается математическая модель эмиссии тм из строительных материалов на примере цементобетона полученного на основе отходов производства в водные среды, позволяющая учесть основные закономерности изменения концентрации тм в водонасыщенных средах, окружающих строительные конструкции, изготовленные с использованием отходов промышленности, разработать инструментарий для решения задачи прогнозирования последствий воздействия техногенной нагрузки на окружающую среду.

частным подходам по моделированию процессов миграции поллютантов в окружающую среду из отходов промышленности посвящен целый ряд работ отечественных ученых и зарубежных исследователей (р.А. кулматов, 1982; А.к. прокофьев, 1983; и.А. лапин, 1988; Benedetti, 1996; Lores pennock, 1998; Lofts S., 2000; в.А. мироненко, 2000, в.А. Соколова, 2008).

миграция тм из строительных конструкций и материалов возможна при непосредственном их контакте с жидкостями, в частности с водными объектами (атмосферные осадки, грунтовые воды, реки и озера). типичными примерами могут являться железобетонные сооружения, щебень в дорожных основаниях, в асфальте и цементобетоне. в первом приближении моделирования миграционных процессов используются положения теории процесса массопе-реноса «свободного гидроксида кальция» из цементобетона в жидкость, обусловленного «выщелачиванием» переносимого компонента из твердой фазы в жидкую [16—19].

основой математической модели послужили экспериментальные данные, полученные при определении миграционной активности металлов из цементобетонов в водные растворы с рн = 4,8 (аммонийно-ацетатный буфер) и рн = 7 (дистиллированная вода) [6—8]. рассматривался процесс эмиссионного

поступления ванадия из твердой фазы (под твердой фазой понимаются фрагменты цементобетона, содержащего в качестве крупного и мелкого заполнителя шлак — отходы доменного производства) в жидкость.

Принимается ряд допущений (гипотез):

1) концентрации СУ ванадия и С^а кальция в цементобетоне постоянны в пределах рассматриваемого промежутка времени.

2) скорость изменения концентрации Су ванадия в жидкости пропорциональна разности концентраций (су - Су) с коэффициентом пропорциональности £у;

3) скорость изменения концентрации ССа кальция в жидкости пропорциональна разности концентраций (ССа - ССа) с коэффициентом пропорциональности £Са;

4) скорость изменения показателя рН кислотности жидкости пропорциональна содержанию концентрации ССа кальция в жидкости с коэффициентом пропорциональности £рН;

5) химическая реакция образования ванадата кальция описывается уравнением СаО+У205 = Са (У03 )2.

Соотношение для молярных масс ванадия и кальция (без учета молярной массы кислорода) определяется выражением

40,078Са+2 • 50,94у = (40,078+2 • 50,94)^.

Таким образом, массовая доля кальция в нерастворимом соединении вана-дата кальция составляет

а = 40,078/141,958 = 0,28232, массовая доля ванадия в том же соединении равна

Р = 1 -а = 101,88/141,958 = 0,71768;

6) скорость изменения концентрации ССаУ ванадата кальция в жидкости пропорциональна концентрации ССа кальция (если концентрация кальция ниже допустимого значения) или концентрации СУ ванадия (если концентрация ванадия ниже допустимого значения) с коэффициентом пропорциональности ксу';

7) скорость поступления ванадия из бетона в жидкость увеличивается с ростом показателя рН кислотности жидкости и уменьшается из-за образования нерастворимого соединения ванадата кальция Са (У03 )2, блокирующего поровые отверстия в бетоне.

Согласно принятым гипотезам изменение концентраций ванадия, кальция и ванадата кальция, а также показателя кислотности рН в жидкости представляется в виде dC,,

dt

dCCa

k (CS _ C ) _ JkCavPCCa /a , CCa < aCv /P; m

kv(CV _CVj_kvCv, Qa >aCjP; (1)

k (c S _ C )_JkCavCCa, CCa <aCvlP; (^Ч

' Cal Ca ^ IkoavaC^P, CCa >aCv/P; ()

dt

dCCav [ kCavCCa /a, CCa <aCv IP; dt tkCavaCv IP , CCa > aCv /P;

(3)

£ &

—рН = ^рНССа.

В дифференциальных уравнениях (1) и (2) коэффициенты

= „/у(рН-7,0)-gvCc, .

К = е

кс, = е

= е /с, (рН-7,0)-gc.Cc

(4)

(5)

(6)

зависят, в свою очередь, от показателя рН кислотности среды и концентрации Сс, кальция в жидкости для более точного описания явлений, наблюдаемых в экспериментах: параметры / и /С, регулируют увеличение скорости эмиссии ванадия и кальция из бетона при повышении кислотности жидкости; параметры gv и gCa влияют на снижение скорость эмиссии ванадия и кальция из бетона при повышении концентрации Сс, кальция в жидкости.

Экспоненциальные зависимости коэффициентов (5) и (6) выбраны для усиления влияния значений кислотности рН среды и концентрации Сс, на изменение скоростей изменения концентраций Су и Сс,, поскольку линейные зависимости вида ку = (рН - 7,°) - gуСс, и кс, = /С (рн - 7^) - gc,Cc, не позволили получить результаты, адекватные данным натурных измерений.

Результативность математической модели (1)—(4) определяется удовлетворительным выбором набора коэффициентов ку, кс,, кс,у, крН, /у, /С,, gv и gCa. Для верификации математической модели (подбора подходящих значений перечисленных параметров) используются данные экспериментального определения концентрации ванадия в жидких модельных средах [6], приведенные в табл. 1.

Табл. 1. Экспериментальные значения концентрации ванадия в жидкой среде в зависимости от времени пребывания образца, кг/м3Т0-3

Номер Условия эксперимента Продолжительность эксперимента, сут

0 1 3 5 7 10 20 30

1 Шлаковый щебень в дистиллированной воде 0 0,303 0,511 0,5 0,416 0,086 0,073 0,035

2 Цементобетон на шлаковом щебне в дистиллированной воде 0 0,045 0,065 0,094 0,083 0,081 0,075 0,04

3 Шлаковый щебень в ацетатно-аммонийном буфере (рН 4,8) 0 0,903 1,181 1,457 1,588 1,54 1,183 0,935

4 цементобетон на шлаковом щебне в ацетатно-аммонийном буфере (рН 4,8) 0 0,605 0,825 0,841 0,845 1,171 1,164 0,857

Точное решение системы обыкновенных дифференциальных уравнений (1)—(4) невозможно, поэтому для получения решения целесообразно использовать численную схему интегрирования Рунге — Кутты [20], имеющей четвертый порядок погрешности аппроксимации:

К1 = / (^, ук); К2 = / ( ч + 2, ук + 2 К1 );

к3=/(*+1, у.+2к=);

к4 = / (X + ^ Ук + к );

Л+1 = Л + 7 (К + 2 К2 + 2 К3 + К4). 6

Для проведения расчетов принято содержание: ванадия в цементобетоне — СУ = 0,92 кг/м3 (учтено содержание ванадия в шлаке и содержание шлака в цементобетоне), свободного кальция в межпоровом пространстве цементобетона — ССа = 1,29 кг/м3 (начало этапа разложения высокоосновных соединений цементобетона), а = 0,28232, р = 0,71768.

Начальные значения искомых величин в жидкости: Су = 0,0 кг/м3, ССа = = 0,0 кг/м3, С „ = 0,0 кг/м3.

^ ^ СаУ 7

для приведенных в табл. 1 данных подобраны значения коэффициентов математической модели (1)—(4), в наилучшей степени аппроксимирующие данные экспериментальных измерений (табл. 2, номер эксперимента соответствует данным табл. 1).

Табл. 2. Значения коэффициентов модели

Номер kv kCa kCaV kH pH fv fCa Sv SCa

1 0,469-10-8 0,162-10-8 0,331-10-5 0,716-103 0,189-103 0,576-10-3 0,852-10-3 0,761-10-3

2 0,577-10-9 0,201-10-9 0,520-10-5 0,888-103 0,550-103 0,900-10-3 0,405-10-3 0,788-10-3

3 0,115-10-7 0,331-10-8 0,618-10-5 0,155-104 0,216-102 0,727-10-3 0,735-10-3 0,607-10-3

4 0,729-10-8 0,202-10-8 0,702-10-5 0,139-105 0,173-10' 0,839-10-2 0,136-10-2 0,232-10-2

На рис. 1—9 приведены эволюции концентрации ванадия в жидкости и показателя рН кислотности (щелочности) жидкой среды, полученные в результате численного решения системы обыкновенных дифференциальных уравнений (1)—(4), а также экспериментальные значения, определенные при проведении экспериментов.

Рис. 1. Зависимость от времени t, сут, концентрации Су, кг/м3, ванадия в жидкости и экспериментальные значения той же концентрации □ при использовании шлакового щебня в дистиллированной воде

РН 11 1"

0 -.-.-.-.-.-.- I

О 5 10 15 20 25 30 35

Рис. 2. Зависимость от времени t, сут, показателя кислотности рН жидкости при использовании шлакового щебня в дистиллированной воде

Рис. 3. Зависимость от времени t, сут, концентрации Су, кг/м3, ванадия в жидкости и экспериментальные значения той же концентрации □ при использовании бетона на шлаковом щебне в дистиллированной воде

Рис. 5. Зависимость от времени t, сут, концентрации Су, кг/м3, ванадия в жидкости и экспериментальные значения той же концентрации □ при использовании шлакового щебня в ацетатно-аммонийном буфере (рН 4,8)

Рис. 6. Зависимость от времени t, сут, концентрации Су, кг/м3, ванадия в жидкости и экспериментальные значения той же концентрации □ при использовании бетона на шлаковом щебне в ацетатно-аммонийном буфере (рн 4,8)

Для оценки погрешности 5 полученных решений целесообразно использовать чебышевское определение нормы ||5|| = max|C (т.)_ Cexp |, как правило,

применяемое при оценке адекватности результатов вычислительного моделирования (табл. 3, номер эксперимента соответствует данным табл. 1), где C(t) — найденное из решения дифференциальной задачи распределение концентрации рассматриваемого вещества (ванадия); C°xp — фактическое значение концентрации того же вещества; т. — момент времени проведения эксперимента.

Табл. 3. Погрешности модели 5, определенные на основе чебышевской нормы, полученные с использованием данных экспериментальных измерений

Номер эксперимента 1 2 3 4

Погрешность модели 0,119-10-3 0Д32-10-4 0,484-10 4 0,934-10 4

По итогам моделирования разработан и зарегистрирован программный комплекс № 2015610613 «Вычислительное моделирование концентрации ТМ, эмитируемых строительными материалами на основе отходов промышленности, в жидких средах». Начальное окно работы программного комплекса и пример работы представлены на рис. 7 и 8.

к Эволюция ванадия и кальция в жидкости _ □ И

■■ - . J".:.'. ' - — н4ф

Данные для расчетов ^ "М-

I1Wиеамищпяо^тн кнц > iKtMBta * >

i * ■ -: ^ I ыI цщ. Чу-.. РЛШН1РЖИП UTWM 4* * H

OH | Г«.:* tit

Рис. 7. Начальное окно работы программного комплекса

Выполненное в настоящей работе построение математической модели миграции металлов из элементов строительных конструкций позволяет количественно описать экспериментально зафиксированные и статистически обработанные временные зависимости концентрации ТМ (в частности, ванадия) в растворах воды и модельных средах. Всестороннее изучение фундаментальных качественных и количественных зависимостей поступления ТМ в кислые (щелочные) и нейтральные растворы, а также в модельные жидкости, учет влияния формы, размера и химического состава частей строительных элементов,

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

ВЕСТНИК 1/2Q16

построение уравнений кинетики взаимодействия подвижных форм ионов ТМ дает возможность сформулировать адекватную действительности постановку дифференциальной краевой задачи, описывающей эволюцию концентрации ТМ в кислых (щелочных) и нейтральных растворах, методика решения которой возможна на основе приближенных (численных) методов прикладной математики.

Математическое моделирование процесса миграции ТМ, базирующееся на фундаментальных законах физики, химии, механики жидкости и газа, корректных методах численного решения краевых задач, позволяет делать прогноз негативного воздействия на геосферные оболочки и соизмерять это воздействие с ассимиляционной возможностью природной среды региона применения строительных материалов, полученных на основе отходов производства. Это позволит производить эффективную оценку создаваемых и применяемых технологий утилизации отходов производства с учетом условий эксплуатации строительных материалов.

Библиографический список

1. Dijkstra J.J., Meeusse J.C.L., van der Sloot H.A., Comans R.N.J. A consistent geochemical modelling approach for the reactive transport of major and trace elements in MSWI bottom ash // Appl. Geochem. 2008. No. 32 (6). Pp. 1544—1562.

2. Eikelboom E., Ruwiel E., Goumans J.J.J.M. The building materials decree: an example of a Dutch regulation based on the potential impact of materials on the environment // Waste Manage. (Oxford) 2001. No. 21 (3). Pp. 295—302.

3. Fthenakis V., Wang W., Kim C.H. Life cycle inventory analysis of the production of metals used in photovoltaics // Renew. Sustain. Energy Rev. 2009. No. 13 (3). Pp. 493—517.

4. Quintelas C, Rocha Z., Silva B. et al. Removal of Cd(II), Cr(VI), Fe(III) and Ni(II) from aqueous solutions by an E. Coli biofilm supported on kaolin // Chem. Engineering J. July 2009. 149. 1-3. Pp. 319—324.

5. Jackobsen H., Kristoferrsen M. Case studies on waste minimization practices in Europe / Topic report — European Topic Centre on Waste // European Environment Agency. February 2002. No. 2.

6. Пугин К.Г., Волков Г.Н. Вопросы экологии использования твердых отходов черной металлургии в строительных материалах // Строительные материалы. 2012. № 8. С. 54—56.

7. Pugin K.G., Vaisman Y.I. Methodological approaches to development of ecologically safe usage technologies of ferrous industry. Solid waste resource potential // World Applied Sciences Journal (Special Issue on Techniques and Technologies). Berlin : Springer, 2013. No. 22. Рр. 28—33.

8. Пугин К.Г., Мальцев А.В. Исследование возможности переработки металлургических шлаков в Пермском крае путем производства тротуарной плитки // фундаментальные исследования. 2013. № 1—2. С. 419—421.

9. Kendall Alissa, Keoleian Gregory A., Lepech Michael D. Materials design for sustainability through life cycle modeling of engineered cementitious composites // Materials and Structures. 2008. Vol. 41. No. 6. Pp. 1117—1131.

10. Bhander G.S., Christensen T.H., Hauschild M.Z. EASEWASTE — life cycle modeling capabilities for waste management technologies // Int. J. Life Cycle Assess. 2010. 15. Pp. 403—416.

11. Gabler H.E., Gluh K., Bahr A., Utermann J. Quantification of vanadium adsorption by German soils // J. Geochem. Explor. 2009. 103 (1). Pp. 37—44.

12. Пугин К.Г. Тяжелые металлы в отходах черной металлургии // Молодой ученый. 2010. № 5—1. С. 135—139.

13. Батракова Г.М., Бояршинов М.Г., Горемыкин В.Д. Модель для расчета рассеивания эмиссии с территории захоронения твердых бытовых отходов // Геоинформатика. 2005. № 2. С. 43—49.

14. Батракова Г.М., Бояршинов М.Г., Ташкинова И.Н. Методика математического моделирования биоразложения нитробензола и анилина в почве // фундаментальные исследования. 2014. № 12—9. С. 1855—1861.

15. Балабанов Д.С., БояршиновМ.Г. Рассеяние отработанных газов автотранспорта над городской территорией. Saarbrucken : LAMBERT Academic Publishing, 2012. 120 с.

16. Федосов С.В., Румянцева В.Е., Хрунов В.А., Аксаковская Л.Н. Моделирование массопереноса в процессах коррозии бетонов первого вида (малые значения числа Фурье) // Строительные материалы. 2007. № 5. С. 70—71.

17. Федосов С.В., Румянцева В.Е., Касьяненко Н.С., Красильников И.В. Теоретические и экспериментальные исследования процессов коррозии первого вида цементных бетонов при наличии внутреннего источника массы // Строительные материалы. 2013. № 6. С. 44—47.

18. Каюмов Р.А., Федосов С.В., Румянцева В.Е., Хрунов В.А., Манохина Ю.В., Красильников И.В. Математическое моделирование коррозионного массопереноса гетерогенной системы «жидкая агрессивная среда — цементный бетон». Частные случаи решения // Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета. 2013. № 4 (26). С. 343—348.

19. Федосов С.В., Румянцева В.Е., Касьяненко Н.С. Физико-химические основы жидкостной коррозии второго вида цементных бетонов // Строительство и реконструкция. 2010. № 4 (30). С. 74—77.

20. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике. 4-е изд. М. : Наука, 1977. 832 с.

Поступила в редакцию в октябре 2015 г.

Об авторах: Пугин Константин Георгиевич — кандидат технических наук, доцент кафедры автомобилей и технологических машин, Пермский национальный исследовательский политехнический университет (ПНИПУ), 614990 г. Пермь, Комсомольский пр-т, д. 29, 8 (342) 219-80-67, 123zzz@rambler.ru;

Вайсман Яков Иосифович — доктор медицинских наук, профессор, научный руководитель кафедры охраны окружающей среды, Пермский национальный исследовательский политехнический университет (ПНИПУ), 614990 г. Пермь, Комсомольский пр-т, д. 29, 8 (342) 219-80-67, 123zzz@rambler.ru;

Бояршинов Михаил Геннадьевич — доктор технических наук, профессор кафедры автомобилей и технологических машин, Пермский национальный исследовательский политехнический университет (ПНИПУ), 614990 г. Пермь, Комсомольский пр-т, д. 29, 8 (342) 239-14-92, 9128841776@mail.ru.

Для цитирования: Пугин К.Г., Вайсман Я.И., Бояршинов М.Г. Математическое моделирование эмиссии тяжелых металлов в водные объекты из строительных материалов полученных на основе отходов производства // Вестник МГСУ 2016. № 1. С. 105—117.

K.G. Pugin, Ya.I. Vaysman, M.G. Boyarshinov

MATHEMATICAL MODELING OF THE EMISSION OF HEAVY METALS INTO WATER BODIES FROM BUILDING MATERIALS DERIVED FROM PRODUCTION WASTE

At the present time industrial waste is considered to be an alternative to primary natural resources when producing construction materials and products. The use of industrial

ВЕСТНИК 1/2Q16

waste in the construction branch allows reducing ecological load on the environment and population as a result of reducing the amount of unrecyclable waste and reducing the use of primary natural resources.

Though when involving waste products as raw material in the preparation of building materials there occur environmental risks of anthropogenic impact increase on the environment. These risks are related to possible emission of heavy metals from construction materials in use. The article describes a tool which allows predicting this issue, depending on the acidity of the medium, the residence time of the material in the environment. The experimental data obtained in determining the migration activity of metals from cement concretes to aqueous solutions served as the basis for the mathematical model. The proposed model allows us to make a prediction of anthropogenic impact on the environment and commensurate this impact with the possibility of assimilation of the environment area where the building materials are applied. This will allow conducting an effective assessment of the created and applied technologies of waste disposal, taking into account the operating conditions of the materials produced.

Key words: mathematical modeling, production waste, emission of pollutants, construction materials, heavy metals, water objects

References

1. Dijkstra J.J., Meeusse J.C.L., Van der Sloot H.A., Comans R.N.J. A Consistent Geo-chemical Modelling Approach for the Reactive Transport of Major and Trace Elements in MSWI Bottom Ash. Appl. Geochem. 2008, no. 23 (6), pp. 1544—1562. DOI: http://dx.doi. org/10.1016/j.apgeochem.2007.12.032.

2. Eikelboom E., Ruwiel E., Goumans J.J.J.M. The Building Materials Decree: An Example of a Dutch Regulation Based On the Potential Impact of Materials on the Environment. Waste Manage. (Oxford). 2001, no. 21 (3), pp. 295—302.

3. Fthenakis V., Wang W., Kim C.H. Life Cycle Inventory Analysis of the Production of Metals Used in Photovoltaics. Renew. Sustain. Energy Rev. 2009, no. 13 (3), pp. 493—517. DOI: http://dx.doi.org/10.10167j.rser.2007.11.012.

4. Quintelas C., Rocha Z., Silva B. et al. Removal of Cd(II), Cr(VI), Fe(III) and Ni(II) From Aqueous Solutions by an E. Coli Biofilm Supported on Kaolin. Chem. Engineering J. July 2009, 149, 1-3, pp. 319—324. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/jcej.2008.11.025.

5. Jackobsen H., Kristoferrsen M. Case Studies on Waste Minimization Practices in Europe / Topic Report — European Topic Centre on Waste. European Environment Agency, February 2002, no. 2.

6. Pugin K.G. Voprosy ekologii ispol'zovaniya tverdykh otkhodov chernoy metallurgii v stroitel'nykh materialakh [Ecological Problems of Iron Industry Solid Waste in Construction Materials]. Stroitel'nye materialy [Construction Materials]. 2012, no. 8, pp. 54—56. (In Russian)

7. Pugin K.G., Vaisman Y.I. Methodological Approaches to Development of Ecologically Safe Usage Technologies of Ferrous Industry Solid Waste Resource Potential. World Applied Sciences Journal (Special Issue on Techniques and Technologies). Berlin, Springer, 2013, no. 22, pp. 28—33. DOI: http://dx.doi.org/10.5829/idosi.wasj.2013.22.tt.22135.

8. Pugin K.G., Mal'tsev A.V. Issledovanie vozmozhnosti pererabotki metallurgicheskikh shlakov v Permskom krae putem proizvodstva trotuarnoy plitki [Investigation of the Possibilities of Smelter Slag Recycling in Perm Region by Producing Paving Flags]. Fundamental'nye issledovaniya [Fundamental Research]. 2013, no. 1—2, pp. 419—421. (In Russian)

9. Kendall Alissa, Keoleian Gregory A., Lepech Michael D. Materials Design for Sustain-ability through Life Cycle Modeling of Engineered Cementitious Composites. Materials and Structures. 2008, vol. 41, no. 6, pp. 1117—1131. DOI: http://dx.doi.org/10.1617/s11527-007-9310-5.

10. Bhander G.S., Christensen T.H., Hauschild M.Z. EASEWASTE — Life Cycle Modeling Capabilities for Waste Management Technologies. Int. J. Life Cycle Assess. 2010, 15, pp. 403—416.

11. Gabler H.E., Gluh K., Bahr A., Utermann J. Quantification of Vanadium Adsorption by German Soils. J. Geochem. Explor. 2009, 103 (1), pp. 37—44. DOI: http://dx.doi. org/10.1016/j.gexplo.2009.05.002.

12. Pugin K.G. Tyazhelye metally v otkhodakh chernoy metallurgii [Heavy Metals in Iron Industry Waste]. Molodoy uchenyy [Young Scientist]. 2010, no. 5—1, pp. 135—139. (In Russian)

13. Batrakova G.M., Boyarshinov M.G., Goremykin V.D. Model' dlya rascheta rasseiv-aniya emissii s territorii zakhoroneniya tverdykh bytovykh otkhodov [Calculation Model of Emission Dissipation from the Territory of Household Solid Waste Disposal]. Geoinformatika [Geoinformatics]. 2005, no. 2, pp. 43—49. (In Russian)

14. Batrakova G.M., Boyarshinov M.G., Tashkinova I.N. Metodika matematicheskogo modelirovaniya biorazlozheniya nitrobenzola i anilina v pochve [Methods of Mathematical Simulation of Biodeterioration of Nitrobenzene and Aniline in the Ground]. Fundamental'nye issledovaniya [Fundamental Research]. 2014, no. 12—9, pp. 1855—1861. (In Russian)

15. Balabanov D.S., Boyarshinov M.G. Rasseyanie otrabotannykh gazov avtotransporta nad gorodskoy territoriey [Dissipation of Exhaust Gas from Motor Transport over City Territory]. Saarbrucken, LAMBERT Academic Publishing, 2012, 120 p. (In Russian)

16. Fedosov S.V., Rumyantseva V.E., Khrunov V.A., Aksakovskaya L.N. Modelirovanie massoperenosa v protsessakh korrozii betonov pervogo vida (malye znacheniya chisla Fur'e) [Simulating Mass Transfer in the Process of Concretes Corrosion of the First Type (Small Values of Fourier Number)]. Stroitel'nye materialy [Construction Materials]. 2007, no. 5, pp. 70—71. (In Russian)

17. Fedosov S.V., Rumyantseva V.E., Kas'yanenko N.S., Krasil'nikov I.V. Teoreticheskie i eksperimental'nye issledovaniya protsessov korrozii pervogo vida tsementnykh betonov pri nalichii vnutrennego istochnika massy [Theoretical and Experimental Investigations of the Corrosion Processes of the First Type of Cement Concretes with the Availability of Internal Mass Source]. Stroitel'nye materialy [Construction Materials]. 2013, no. 6, pp. 44—47. (In Russian)

18. Kayumov R.A., Fedosov S.V., Rumyantseva V.E., Khrunov V.A., Manokhina Yu.V., Krasil'nikov I.V. Matematicheskoe modelirovanie korrozionnogo massoperenosa geterogen-noy sistemy «zhidkaya agressivnaya sreda — tsementnyy beton». Chastnye sluchai resh-eniya [Mathematical Simulation of Corrosion Mass Transfer of the Heterogeneous System "Liquid Aggressive Media — Cement Concrete". Common Solution Cases]. Izvestiya Kazan-skogo gosudarstvennogo arkhitekturno-stroitel'nogo universiteta [Kazan State University of Architecture and Engineering News]. 2013, no. 4 (26), pp. 343—348. (In Russian)

19. Fedosov S.V., Rumyantseva V.E., Kas'yanenko N.S. Fiziko-khimicheskie osnovy zhidkostnoy korrozii vtorogo vida tsementnykh betonov [Physical and Chemical Foundations of Fluid Corrosion of the Second Type of Cement Concretes]. Stroitel'stvo i rekonstruktsiya [Construction and Reconstruction]. 2010, no. 4 (30), pp. 74—77. (In Russian)

20. Korn G., Korn T. Spravochnik po matematike [Reference Book on Mathematics]. 4th edition. Moscow, Nauka Publ., 1977, 832 p. (In Russian)

About the authors: Pugin Konstantin Georgievich — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Department of Automobiles and Production Machines, Perm National Research Polytechnic University (PNRPU), 29 Komsomol'skiy prospekt, Perm, 614990, Russian Federation; +7 (342) 219-80-67; 123zzz@rambler.ru;

Vaysman Yakov Iosifovich — Doctor of Medical Sciences, Professor, Scientific Supervisor, Department of Environmental Protection, Perm National Research Polytechnic University (PNRPU), 29 Komsomol'skiy prospekt, Perm, 614990, Russian Federation; +7 (342) 219-80-67; 123zzz@rambler.ru;

Boyarshinov Mikhail Gennad'evich — Doctor of Technical Sciences, Professor, Department of Automobiles and Production Machines, Perm National Research Polytechnic University (PNRPU), 29 Komsomol'skiy prospekt, Perm, 614990, Russian Federation; +7 (342) 239-14-92, 9128841776@mail.ru.

For citation: Pugin K.G., Vaysman Ya.I., Boyarshinov M.G. Matematicheskoe modelirovanie emissii tyazhelykh metallov v vodnye ob"ekty iz stroitel'nykh materialov po-luchennykh na osnove otkhodov proizvodstva [Mathematical Modeling of the Emission of Heavy Metals into Water Bodies from Building Materials Derived from Production Waste]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2016, no. 1, pp. 105—117. (In Russian)

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.