Изучение распределения тяжёлых металлов по дисперсным фракциям цементной пыли Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 543.22+66.011.001.57

ИЗУЧЕНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТЯЖЁЛЫХ МЕТАЛЛОВ ПО ДИСПЕРСНЫМ ФРАКЦИЯМ ЦЕМЕНТНОЙ ПЫЛИ

Э.Б. Хоботова, профессор, д. х. н., М.И. Уханёва, студент, ХНАДУ, Т.А. Семенович, ведущий инженер, О.Г. Махова, ведущий инженер, Н.М. Пантелеева, ведущий инженер, Харьковская санитарно-эпидемиологическая лаборатория “Контроль качества вод”

Аннотация. Исследован дисперсный и химический состав цементной пыли. Проанализировано распределение тяжёлых металлов по фракциям пылевых частиц, установлены основные источники обогащения пыли тяжёлыми металлами. Показано присутствие радионуклидов в цементной пыли. Результаты работы могут быть использованы для разработки природоохранных мероприятий.

Ключевые слова: цементная пыль, тяжёлые металлы, дисперсность, радионуклиды, эффективная удельная радиоактивность.

Введение

Производство цемента включает множество операций, при выполнении которых образуется цементная пыль. Основными источниками пыли являются вращающиеся печи обжига, мельницы помола клинкера, аппараты дробления исходных материалов, процессы упаковки и погрузки цемента. С газами, выходящими из печи обжига, поступает 70-80 % всей пыли цементного производства. Главной патологией при длительном вдыхании запыленного воздуха в случае цементной пыли являются цементозы. Токсичность цементной пыли может повышаться при наличии в ней тяжелых металлов.

Анализ публикаций

Цементное производство является одним из важных источников выбросов в атмосферу пыли, содержащей тяжёлые металлы (ТМ). На цементное производство приходится до 15 % загрязнений атмосферного воздуха ртутью [1]. Помимо ртути в атмосферу поступают С4 РЬ, 2и, N1, Си, Сг [24]. Присутствие в атмосферных выбросах ТМ обусловлено использованием в технологическом процессе неорганических добавок: пиритных

огарков, доменных, металлургических шлаков, зол и нефелинового шлама. Параметры воздушного переноса ТМ обусловлены дисперсным составом выбросов и распределением металлов по размерам частиц.

Цель и постановка задачи

Целью работы являлось исследование корреляции между дисперсностью пыли и содержанием ТМ в

пылевых частицах, а также анализ химического состава пылевых выбросов цементного производства.

Работа выполнена в рамках государственной программы охраны окружающей среды - 4-ое направление научно-исследовательских работ Министерства образования и науки Украины.

Определение содержания ТМ во фракциях цементной пыли различной степени дисперсности

Дисперсный состав цементной пыли определялся методом электронной микроскопии, а химический состав - методами атомно-абсорбционной спектрофотометрии, капельного электрофореза, у-спектрометрии и рентгенофазового анализа.

Экспериментальные результаты по определению дисперсного состава цементной пыли, улавливаемой в различных точках отбора: бункер электрофильтра, газоход после электрофильтра, дымосос и бункер циклона, представлены на рис. 1. Показано, что пыль технологической стадии обжига сырьевой смеси на 55 % массы состоит из частиц, имеющих размер менее 2,6 мкм (рис. 1, а). На стадии помола клинкера частицы с диаметром 7,1 мкм составляют 50 % (рис. 1, б). Это свидетельствует о недостаточно эффективной работе газоочистного оборудования, так как пробы пыли отбирались в газоходе после фильтра. Фракция пыли, уловленная электрофильтром, отличается большой однородностью: на 90 % она представлена частицами с диаметром менее 10 мкм (рис. 2). После электрофильтра повышается доля мелких частиц. Пыль из дымососа, практически являю-

щаяся пылью, выбрасываемой в атмосферу, на 80-86 % представлена частицами размером менее 2,5 мкм. На стадии помола образуется полидис-персная пыль, на долю частиц размером около 10 мкм приходится более 50 % массы.

Методом электронной микроскопии показано, что цементная пыль представлена частицами разной формы с преобладанием продолговатых частиц. В грубодисперсных фракциях имеются как отдельные частицы, так и агрегаты различной формы и плотности. Размер крупных частиц может достигать 50-100 мкм и более.

Определено достаточно высокое содержание ТМ при значительной вариации их концентраций, мг-кг-1: для Са 0,75-420; РЬ 20-4280; ги 1802460; Сг 10-190. Можно предположить, что коле-

бания концентраций ТМ связаны с изменением состава добавок шлаков или пиритных огарков, либо с изменением режима работы печей обжига, условий осаждения в системе очистки и другими факторами. Показано, что пробы пыли после очистки обогащены ТМ, в первую очередь ги, РЬ, и Са. Содержание И§ на низком уровне. Данные таблицы 1 дают представление о содержании ТМ в пыли, уловленной на разных технологических стадиях. Пыль электрофильтра дополнительно содержит, мг-кг-1: Ми - 96; 8г - 13800.

Коэффициент обогащения высокодисперсной фракции по отношению к низкодисперсной равен для Са 6,2; РЬ 10,6; Си 3,8. Таким образом, выявлено наибольшее обогащение мелких частиц пыли свинцом и кадмием. Экспериментальные данные приведены в табл. 2.

а 20 £

¡3 15

о

«

й

я

о

о

10

0

0,5 0,8 1,7 2,6 3,4 4,9 7,1 >7,1 Размер частиц, мкм

30

25

§ 20

ч

15

«

8 10 5

Размер частиц, мкм

Рис. 1. Средний дисперсный состав пыли: А - пыль обжига сырьевой смеси; Б - пыль помола клинкера

Размер частиц, мкм

Рис. 2. Сравнение дисперсного состава пыли стадии обжига сырьевой смеси: 1 - перед циклоном; 2 - из циклона; 3 - из электрофильтра; 4 - после электрофильтра; 5 - из дымососа

Таблица 1 Содержание Аб и ТМ в цементной пыли, мг-кг-1

б

5

Стадия очистки Элемент

Аб Са Сг Си N1 РЬ ги

Обжиг сырьевой смеси

Без очистки 29 51 10 58 4,5 500 209

Электрофильтр 20 94 34 62 5,9 1690 190-390

Помол клинкера

Рукавный фильтр - 0,72 - 70 15 7,8 254

Таблица 2 Распределение ТМ по размерам пылевых частиц

Размер частиц, мкм Содержание ТМ, мг-кг-1

Са РЬ Си

<2,5 290 8700 540

2,5-5,0 62 870 180

>5,0 53 760 110

Таблица 3 Результаты гамма - спектрометрического анализа цементной пыли из электрофильтра

Удельные радиоактивности нуклидов, Бк-кг-1 (вклад, %) Сумма удельных активностей, Бк-кг-1 С эф., Бк-кг-1

РЬ-214 В1-214 Ас-228 ТЪ-232 В1-212 К-40 3570,0 313,0

8,86 (0,2) 60,0 (1,7) 24,0 (0,7) 24,0 (0,7) 142,0 (4,0) 3310,0 (92,8)

Гамма-спектрометрическим методом в составе цементной пыли обнаружены радионуклиды уранового и ториевого радиоактивных семейств, а также К-40. Экспериментальные и расчетные данные приведены в таблице 3. Присутствие в образце нуклидов РЬ-214 и В1-214 является косвенным свидетельством наличия материнского радионуклида Яа-226. Основной вклад в суммарную активность цемента составляет К-40 (92,8%). По величинам удельных радиоактивностей рассчитана эффективная удельная активность ЕР (Сэф), используемая для сравнительных оценок радиоактивности стройматериалов. Сэф. рассчитывали по уравнению

Сэф. = СКа +1,31- Стк + 0,085 • Ск . (1)

Согласно ей все исследуемые материалы относятся к I классу радиационной опасности стройматериалов, используемых в строительстве без ограничений. Для них выполняется условие

Сэф. < 370 Бк-кг-1. (2)

Величина Сэф. превышает среднюю Сэф. по СНГ (93 Бк-кг-1) и по Украине (106 Бк-кг-1). Использование такой цементной пыли в качестве вяжущего и заполнителя может привести к повышению С эф. готового многокомпонентного бетона и к увеличению дозы гамма-облучения людей.

Выводы

- установлены изменения дисперсного состава пыли при прохождении газовоздушного тракта;

- выявлено высокое содержание ряда ТМ в пыли цементного производства;

- показано концентрирование тяжёлых металлов Са, РЬ и ги в выбрасываемой в атмосферу пыли и выявлено обогащение высокодисперсных фракций пыли Са и РЬ;

- в составе цементной пыли выявлены определенные радионуклиды, которые могут представлять опасность при использовании цементной пыли в качестве вяжущего и наполнителя в многокомпонентных бетонах.

В целом результаты работы могут быть использованы для обеспечения экологического моделирования переноса и выпадения соединений тяжелых металлов и для разработки природоохранных мероприятий.

Литература

1. Паус К.Ф., Дуров В.В., Ломаченко В.А. и др.

Определение ртути в цементе // Цемент. -1990. - № 12. - С. 17-18.

2. Коугия М.В. Цементное производство и тяжё-

лые металлы // Цемент. - 1997. - № 3. - С. 30-33.

3. Коугия М.В., Беляева В.И. Редкие элементы в

материалах цементного производства // Цемент. - 1996. - № 1. - С. 23-24.

4. Колбасов В.М., Леонов И.И., Сулименко Л.М.

Технология вяжущих материалов. - М.: Стройиздат, 1987. - 432 с.

Рецензент: В.И. Ларин, профессор, д. х. н., НИИ химии при ХНУ им. В.Н. Каразина.

Статья поступила в редакцию 10 января 2005 г.