CC BY
112
УДК 628.8.02
СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ИЗ ОТХОДОВ ГОРНОГО ПРОИЗВОДСТВА
Г.Г. Рябов, А.А. Маликов, И.Б. Никулин
Рассмотрены строительные материалы из отходов горного производства. Распределение основных рангов физико-химических свойств отходов и технологических характеристик при их складировании на земной поверхности изменяется до некоторой постоянной величины в течение времени хранения, и потом материал может терять полезные свойства, что математически выражается как величина плотности, равная нулю. Срок существования строительных материалов и изделий, а также период формирования новых свойств на фазе предварительной подготовки могут оцениваться критическими параметрами вектора плотности распределения полезных свойств. Практическое значение научных положений состоит в том, что детально разработаны новые способы производства строительных материалов и изделий.
Ключевые слова: отходы, технология, строительные материалы, диффузия, атмосфера, концентрация, загрязнитель, кислород, поглощение, математическая модель, оптимизация.
Наиболее важной проблемой управления окружающей средой является организация эффективной системы экологически рационального использования природных ресурсов. И, прежде всего, это относится к предприятиям горно-металлургического и химико-технологического комплексов. В России ежегодно образуется более 20 миллионов тонн неутилизированных высокотоксичных промышленных отходов. На территории России зафиксированы 99 городов с плохой экологической обстановкой. Более половины из них расположены в европейской части страны. В этих условиях проблема использования вещества отходов как вторичного сырья приобретает особую актуальность. Очевидно, что производство строительных материалов и изделий из твердых отходов горно-металлургического комплекса и химико-технологических предприятий является наиболее предпочтительным концептуальным положением в утилизации многих видов отходов. Однако потребительские свойства строительных произведенных материалов и изделий не оцениваются по экологическому критерию. Опыт проектирования и управления технологическими процессами по повторному использованию отходов показывает, что до настоящего времени не методов для прогнозирования возможных изменений газового состава в помещениях отделанных материалами из отходов. Эта проблема приобретает особую остроту в условиях возрождения промышленности с практически полностью изношенным и устаревшим оборудованием [1]. Следовательно, тема статьи является актуальной. Эта статья подготовлена в соответствии с тематическими планами межрегиональных научно-технических программ «Прогноз» и «Экологически чистое производство».
Целью статьи являлось установление новых и уточнение существующих закономерностей динамики образования и утилизации отходов горно-
металлургических, теплоэнергетических и химико-технологических предприятий с учетом токсичности и физико-химических свойств для разработки методических положений, обеспечивающих экологическую безопасность применения строительных материалов и создание новых экологически рациональных способов их производства из промышленных отходов.
Идея работы заключается в том, что методические положения, обеспечивающие экологическую безопасность применения строительных материалов, и создание новых экологически рациональных способов их производства из промышленных отходов основываются на физико-химических закономерностях взаимодействий компонентов, определяющих динамику свойств отходов и интенсивность выбросов газов в воздушную среду из строительных конструкций, имеющих пористую структуру.
Основные научные положения, сформулированные в работе, состоят следующем:
. распределение средних значений физико-химических и технологических свойств отходов при их складировании на поверхности Земли изменяется за время хранения до некоторого фиксированного значения, а далее материал может терять свои потребительские свойства, что формально выражается значением плотности равной нулю;
. срок службы строительных материалов и изделий можно оценить, задав вектор критических значений плотности распределения эксплуатационных свойств, и тогда оценивается и период образования новых отходов, но уже на этапе эксплуатации изделий;
. нестационарные одномерные поля концентрации кислорода, проникающего в пористую структуру строительного материала, и концентраций газов, образующихся в данной пористой среде, описываются уравнениями параболического типа в частных производных;
. физически обоснованным и практически целесообразным является использование методов интегральной газовой динамики для расчета воздухообмена по факторам поглощения кислорода и выделения газообразных продуктов химических реакций в помещения, отделанные материалами, имеющими пористую структуру.
Фундаментальные теоретические положения и практические рекомендации экологически рационального обращения с отходами производства сформулированы в трудах М.И. Агошкова, А.А. Барским, В.И. Данилова-Данильяна, Е.И. Захарова, Ю.А. Израэля, П.А. Игнатова, В.И. Игнатова, Н.М. Качурина, А.П. Курковского, Б.Н. Ласкорина, Н.В. Мельникова, Н.Н. Моисеева, И.В. Петрянова-Соколова, О.Н. Русака, Г.Г. Рябова, Э.М. Соколова, Н.Н. Семенова, А.Ф. Симанкина, М.Б. Суллы, К.И. Трубецкого и др. Анализ основных научных и практических результатов научных школ Российской Федерации, стран дальнего и ближнего зарубежья послужил основой для определения цели, идеи и основных направлений исследований.
Современное состояние знаний по рассматриваемой проблеме, цель и идея работы обусловили необходимость постановки и решения следующих задач.
1. Исследовать формирование отходов производства, пригодных для использования в индустрии строительных материалов, на примере Тульской области и изучить физико-химические свойства отходов горнометаллургических, теплоэнергетических и химико-технологических предприятий.
2. Разработать виртуальные схемы химических реакций в строительных материалах из отходов на основе химических анализов составов отходов производства, провести лабораторные исследования радиологических свойств исходного сырья и надмолекулярной структуры образцов конечной продукции.
3. Разработать новые экологически рациональные способы получения строительных материалов и изделий из промышленных отходов, обеспечивающие повторное вовлечения в технологические циклы неутилизируемых отходов производства.
4. Обосновать физическую модель и математическое описание динамики плотности распределения средних значений физико-химических и технологических свойств отходов производства, применяемых строительных материалов и изделий, используя методы математической физики.
5. Разработать физическую модель и математическое описание динамики возможного выделения газов из строительных материалов в помещения, с учетом процессов диффузионного газопереноса в пористой сорбирующей среде.
6. Разработать методику расчета воздухообмена для вероятных условий газовыделения в помещения из строительных конструкций пористой структуры, провести цикл вычислительных экспериментов, опытно-промышленные испытания и оценить предлагаемые технические решения по фактору рациональности использования природных ресурсов техногенного происхождения.
Анализ существующей базы данных государственной статистической отчетности Тульской области и результатов исследований кафедры аэрологии, охраны труда и окружающей среды Тульского государственного университета показали, что, во-первых, проблема утилизации отходов - это экологическая задача регионального масштаба и, во-вторых, производство строительных материалов из промышленных отходов - это один из наиболее перспективных методов решения данной задачи. Для комплекса существующих и вновь разрабатываемых технологий по переработке и использованию отходов в разных сферах экономики, не имеющих внутренних технологических связей между собой необходима базовая информация по элементному, минералогическому составам в дополнение к имеющимся токсикологическим данным [2].
Промышленные отходы характеризуются разнообразием состава и свойств и широким спектром направлений использования, поэтому рекомендовано создать информационную базу данных по имеющимся и вновь образующимся отходам, что позволит установить стоимость вторичного сырья, требования к хранению и вторичной переработке для оптимального решения рационального природопользования. С ростом использования отходов в производстве строительных материалов необходимо совершенствовать вопросы исследования экологической безопасности помещений, где будут использоваться те или иные материалы и строительные изделия. На современном этапе развития знаний по данному вопросу целесообразно рассмотреть виртуальные (не запрещенные законами термодинамики реагирующих сред) схемы химических реакций в строительных материалах и изделиях из отходов производства. Вероятность реализации той или иной схемы химических реакций определяется внешними условиями, но при этом разработка мероприятий по защите среды обитания людей от вредных воздействий является обязательной. В целом результаты исследований показывают, что в определенных условиях возможно образование газовых вредностей в строительных материалах и изделиях. При этом такие ситуации возможны как для материалов, полученных из отходов, так и для строительных изделий из традиционных (природных) материалов, которые принято считать безопасными по газовому фактору. Это, в первую очередь, жилые помещения и рабочие помещения гражданских зданий.
Исследования надмолекулярной структуры методами электронной микроскопии показали, что поровые каналы в строительных материалах и изделиях могут являться транспортными объемами при диффузионном переносе газов, так как их размеры приблизительно имеют тот же порядок, что и средние значения длин свободного пробега молекул, следовательно, возможны как кнудсеновская, так и фольмероваская виды диффузии.
Результаты измерения удельной активности отходов, которые могут использоваться для производства строительных материалов, свидетельствуют о том, что удельная активность изменяется от 101 до 713 Бк/кг, а ее среднее значение составляет 305,1 Бк/кг. Анализ результатов статистической обработки данных лабораторных экспериментов показал, что наиболее приемлемой является гипотеза о нормальном законе распределения. В целом исследования показали, что исследованные отходы могут использоваться в качестве сырья строительных материалов.
Использование поверхности Земли - наиболее общая стратегия обращения с твердыми отходами производства. Одни из наиболее важных факторов в отношении полигонов твердых отходов и отвалов горнометаллургических предприятий и тепловых электростанций, определяющих их санитарно-гигиеническую, экологическую и технологическую перспективность - это структура и состав отходов, а также физико-химические свойства веществ, слагающих складируемую твердую смесь.
Отходы в процессе хранения изменяют свои свойства, поэтому знание динамики этого процесса является основой системы комплексного мониторинга обращения с любым видами отходов. В качестве эмерджентной характеристики состояния складируемой твердой смеси целесообразно использовать функцию распределения p¿ i-го физико-химического свойства как слагающих компонентов, так и массы отходов в целом. Такая функция может быть легко идентифицирована. Например, i=1 - плотность отходов, представляющая собой объемное распределение массы; i=2 - удельная активность, характеризующая объемное распределение интенсивности радиоактивного распада радионуклидов в отходах; i=3 - концентрация j-го компонента в отходах, которая является распределением массы компонента в массе твердой смеси (это распределение легко представить в виде распределения массы по объему смеси).
Тогда математическую модель динамики функции распределения i-го физико-химического свойства отходов можно представить в следующем виде:
oP+0P=-áp (i)
ot от
Pi(0, т) = PiG = const> p (t> 0) = Pic = const, (2)
где pi0, PiC - плотность распределения во времени i-го свойства отходов в начальный момент времени (то есть в момент их образования) и в момент времени, соответствующий началу хранения.
Решение краевой задачи (1) - (2) получено в виде
Pi0exp(-Át) при 0 < t <т, Pi (t,T) = \ Po exP(-Át) + exp(-Át) {pw - (3)
-pi0 exp [-Л(t -т при t >т.
Получены типичные результаты вычислительного эксперимента, анализ которых показал, что распределение средних значений физико-химических и технологических свойств отходов при их складировании на поверхности Земли изменяется за время хранения до некоторого фиксированного значения. Решение (3) справедливо, пока время хранения отходов т не превосходит некоторого предельного значения T(t). Далее материал может терять свои потребительские свойства, что формально выражается значением плотности равной нулю (весь запас техногенного сырья отгружается потребителю или (и) выбывает из категории балансовых запасов из-за истечения срока годности). Аналогичный подход вполне приемлем к оценке плотности распределения свойств уже изготовленных материалов и изделий. В этом случае можно оценить срок службы материала, задав вектор критических значений плотности распределения эксплуатационных свойств. Тогда оценивается и период образования новых отходов, но уже на этапе эксплуатации изделий.
В целом комплексные исследования качества управления охраной окружающей среды на примере Тульской области показали, что важнейшую роль в решении экологических и природно-ресурсных проблем должны сыграть методы системного анализа и математического моделирования процессов экологически безопасного производства и эксплуатации строительных материалов и изделий из отходов производства. Планы социально-экономического развития, включающие крупномасштабные проекты использования отходов, обязательно должны оцениваться по их долговременным экологическим последствиям. Эти принципы были использованы при разработке новых способов производства строительных материалов и изделий из отходов. Положительные решения государственной патентной экспертизы подтвердили, во-первых, новизну технических решений, во-вторых, их экологическую рациональность (так как задачами изобретений являлись природоохранительные задачи).
Сущность предлагаемых экологически рациональных технологий производства строительных материалов и строительных изделий заключается в следующем. Разработан новый способ изготовления бетонных изделий, который обеспечивает снижение выбросов в атмосферу СО2 или SiF4; расхода цемента, извести, кокса, качественного кварцевого песка и фтористого водорода. Получен новый состав керамической массы, который обеспечивает утилизацию битого стекла, брака керамического черепка и буроугольной золы Подмосковного угольного бассейна. Разработан новый состав мастично-песчаного шпаклевочного раствора, который позволяет повторно использовать отходы производства парфюмерно-косметической промышленности (ОПЛ - паста ланолина) и отходы производства капролактама. Обоснована новая технологическая схема производства строительных изделий, которая позволяет повторно использовать доменные шлаки, гидроотвальную низко кальциевую буроугольную золу от сжигания углей Подмосковного бассейна и отходы производства мела. Разработанные новые технологии производства строительных материалов и изделий, а также составы смесей растворов обеспечивают соблюдение нормативных требований по прочности изделий и их внешнему виду. В качестве наглядного примера, подтверждающего этот вывод, представлена сводная таблица составов и свойств формовочных смесей, изготовленных различными способами.
Объем кислорода поступающего в слой строительного материала через единичную площадь поверхности его контакта с воздухом, предложено определять по формуле
где а - константа скорости процесса газообмена; 1уд.о- установившееся значение скорости поглощения кислорода поверхностью слоя строительного материала.
J = С
1 уд.с СВ
Зависимость (4) имеет асимптоту, соответствующую состоянию динамического равновесия процесса взаимодействия вещества строительного материала с кислородом воздуха помещения. Для численной реализации математических моделей разработан комплекс программных средств, который реализуется в прикладном пакете Mathematica 2.2 системы Windows 97 фирмы Microsoft Office. Анализ результатов вычислительного эксперимента свидетельствует о том, что теоретическая динамика поля концентраций кислорода в слое пористого сорбирующего материала может быть представлена в виде монотонно убывающих кривых, стремящихся с течением времени к стационарному распределению. Расчетные значения средней теоретической скорости поглощения кислорода поверхностью строительного изделия имеют вид кривых газового «истощения», но в то же время отличаются от них тем, что скорость поглощения кислорода убывает не до нуля, а до значения, заданного соотношением.
Для тонкослойного отделочного материала скорость поглощения кислорода рассчитывается по формуле:
VzZW, (5)
1+у)
где СВ - концентрация кислорода в воздухе; у = i//(S,K,D) = exp (K / D ); K, D - константа скорости поглощения
кислорода и эффективный коэффициент диффузии.
Математическую модель выделения /-го газа в помещение можно записать следующим образом:
дС д2С _
-Z7 = Хг^Т + > (6)
dt дх
С (x, 0) = С/ (0, t) = 0, limC * х, (7)
где Ci - концентрация i-го газа в пористом материале; Pi - кинетические коэффициенты диффузионного массообмена в строительном материале; qi -источник образования газов в результате возможных химических реакций.
Объем i-го газа 1удл, поступающего в помещение из строительного материала через единичную площадь поверхности его контакта с воздухом, в соответствии с законом Фика определяется по формуле
1удл (t) = 2,257 yql^, (8)
V m
где Di - эффективный коэффициент диффузии i-го газа в строительном материале.
Анализ результатов вычислительного эксперимента свидетельствует о том, что теоретическая динамика поля концентраций i-го газа в слое пористого сорбирующего материала может быть представлена в виде монотонно убывающих кривых, стремящихся с течением времени к стационарному распределению. Расчетные значения средней теоретической скорости газовыде-
ления с поверхности строительного изделия пропорциональны корню квадратному от времени процесса газообмена. Для численной реализации математических моделей разработан комплекс программных средств. Результаты вычислительных экспериментов свидетельствуют о том, что полученная закономерность динамики газовыделения (8) является базовым соотношением для решения задачи воздухообмена в помещении по газовому фактору.
Взаимодействие кислорода с веществом строительных материалов представляет собой многостадийную, гетерогенную реакцию, которую условно можно разделить на несколько стадий. Перенос кислорода к реагирующим поверхностям вещества строительных материалов посредством фольмеровской и кнудсеновской диффузии провоцирует их взаимодействие, сущность которого во многом зависит от структуры строительного материала. Анализ надмолекулярных структур различных строительных материалов, полученных с использованием промышленных отходов показал, что данная модель является физически обоснованной. Математические модели воздухообмена имеют вид:
по фактору поглощения кислорода:
С, (/ )= С
КР +
+ )
Ьр + ^ ехр ; , (9)
по фактору возможных выделений газообразных продуктов реакций в веществе строительных материалов и изделий:
: 1 х (10)
(С1 С,0) \ / 7 \ -31-= ехр (-кх)
р^л { { '
] ехр (С2) ^
где Уп - объем помещения; Ьпр, ЬпрЛ - количество приточного воздуха по фактору поглощения кислорода и разбавления /-го газа соответственно; р -плотность /-го газообразного продукта химических реакций; 8С - суммарная площадь поверхностей поглощающих кислород или выделяющих газы; А, В/ - кинетические параметры; к/ - кратность воздухообмена по /-му газу.
Таким образом, были обоснованы расчетные зависимости определения воздухообмена по фактору поглощения кислорода пористым строительным материалом, контактирующим с воздухом, и по фактору выделения газообразных продуктов возможных химических реакций в строительных материалах конструкций. Установлено, что расчетные значения кратностей воздухообмена по фактору поглощения кислорода и газовыделениям в ряде случаев является превалирующим.
Для практических расчетов воздухообмена разработаны программные средства на основе пакета прикладных программ МаШетайса 2.2. и получены формулы для пригодные для инженерных расчетов. В целом практическая апробация разработанных технологий на предприятиях стройиндустрии Тульской области свидетельствует об их экологической эффективности и больших перспективах с точки зрения рационального использования природных ресурсов.
На основе экспериментальных и теоретических исследований установлены новые и уточнены существующие закономерности динамики образования и утилизации отходов горно-металлургических, теплоэнергетических и химико-технологических предприятий с учетом токсичности и физико-химических свойств и разработаны методические положения, обеспечивающие экологическую безопасность применения строительных материалов по аэрологическому фактору и создание новых экологически рациональных способов их производства из промышленных отходов, что имеет важное социальное значение для промышленно развитых регионов России.
Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем.
1. Распределение средних значений физико-химических и технологических свойств отходов при их складировании на поверхности Земли изменяется за время хранения до некоторого фиксированного значения, а далее материал может терять свои потребительские свойства, что формально выражается значением плотности равной нулю.
2. Срок службы строительных материалов и изделий можно оценить, задав вектор критических значений плотности распределения эксплуатационных свойств, и тогда оценивается и период образования новых отходов, но уже на этапе эксплуатации изделий
3. Нестационарные одномерные поля концентрации кислорода, проникающего в пористую структуру строительного материала, и концентраций газов, образующихся в данной пористой среде, описываются уравнениями параболического типа в частных производных со стоком пропорциональным концентрации кислорода в твердой фазе.
4. Нестационарные одномерные поля концентрации газов возможных химических реакций в строительных конструкциях из пористого материала описываются уравнениями параболического типа в частных производных с постоянным источником.
5. Физически обоснованным и практически целесообразным является использование методов интегральной газовой динамики для расчета воздухообмена по факторам поглощения кислорода и выделения газообразных продуктов химических реакций в помещения, отделанные материалами, имеющими пористую структуру. При этом прогнозные значения кратности воздухообмена изменяются от 1,48 до 5,14.
6. Результаты анализа существующей базы данных государственной статистической отчетности Тульской области показали, что, во-первых, проблема утилизации отходов - это экологическая задача регионального масштаба и, во-вторых, производство строительных материалов из промышленных отходов - это один из наиболее перспективных методов решения данной задачи.
7. Промышленные отходы характеризуются разнообразием состава и свойств, а также широким спектром направлений использования и с ростом использования отходов в производстве строительных материалов необходи-
мо совершенствовать вопросы исследования экологической безопасности помещений, где будут использоваться те или иные материалы и строительные изделия. На современном этапе развития знаний по данному вопросу целесообразно рассмотреть виртуальные (не запрещенные законами термодинамики реагирующих сред) схемы химических реакций в строительных материалах и изделиях из отходов производства.
8. Удельная активность отходов ТЭС, горно-металлургических и химико-технологических предприятий Тульской области, которые могут использоваться для производства строительных материалов, является случайной величиной, для которой приемлема гипотеза о нормальном законе распределения, а зафиксированные значения изменялись от 101 до 713 Бк/кг, при этом оценка математического ожидания составила 305,1 Бк/кг.
9. Разработаны новые способы изготовления строительных материалов и изделий, которые обеспечивают: снижение выбросов в атмосферу СО2 или SiF4, а также расхода цемента, извести, кокса, качественного кварцевого песка и фтористого водорода; утилизацию битого стекла, брака керамического черепка и буроугольной золы Подмосковного угольного бассейна; повторное использование отходов производства парфюмерно-косметической промышленности (ОПЛ - паста ланолина), отходов производства капролактам и доменных шлаков. Эффективность разработанных технических решений подтверждается положительными результатами внедрения и промышленной апробации на предприятиях стройиндустрии Тульской области.
Список литературы
1. Качурин Н.М., Ефимов В.И., Воробьев С.А. Методика прогнозирования экологических последствий подземной добычи угля в России// Горный журнал. 2014. №9. С. 138-142.
2. Качурин Н.М., Воробьев С.А., Факторович В.В. Теоретические положения и модели воздействия на окружающую среду подземной добычи полезных ископаемых//Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2013. Вып.3.С. 126-134.
Рябов Геннадий Гаврилович, д-р техн. наук, проф., ecology@tsu.tula.ru , Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Маликов Андрей Андреевич, д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой, ecology@ tsu. tula.ru , Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Никулин Иван Борисович, аспирант, ecology@tsu.tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
CONSTRUCTIONAL MATERIALS MADE OF MINING WASTES G.G. Riybov, A.A. Malikov, I.B. Nikulin
The basic scientific principles formulated in the paper consist of the following. Distributing mean grades ofphysical-chemical waste properties and processing characteristics for their being storied on a ground surface varies to a fixed value during storage time, and further the material can lose its consumer properties, that is mathematically expressed by value of density equal to zero. Life of building materials and items, and also the formation period of new wastes in the phase of the item service, can be estimated by setting distribution density critical vector of service properties. The practical significance of the scientific principles consists in elaborating new production methods of building materials and items.
Key words: wastes, technology, construction materials, diffusion, atmosphere, concentration, pollutant, oxygen, absorption, mathematical model, optimization.
Riybov G.G., Doctor of Technical Science, Professor, galina stasamail. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Malikov A.A., Doctor of Technical Sciences, Full Professor, Chief of a Department, ecology@tsu.tula.ru , Russia, Tula, Tula State University,
Nikulin I.B., Post Graduate Student, ecology@tsu.tula.ru, Russia, Tula, Tula State University
