В последнее время в строительстве наблюдается заметная тенденция к использованию экологических технологий, которые не наносят вреда окружающей среде. К предприятиям, занимающимся производством строительных материалов, предъявляются суровые требования по соблюдению экологической безопасности. И это не дань моде, а необходимость, продиктованная самой жизнью. Отдавая предпочтение экологически чистым строительным материалам, мы одновременно заботимся о своем здоровье и о здоровье наших потомков.

Несмотря на то, что информации о степени экологичности тех или иных строительных материалов явно недостаточно, все мы знаем, что одни материалы являются безвредными, а другие, наоборот, в той или иной степени загрязняют окружающую среду.

Вредные или неэкологичные строительные материалы - это такие материалы, для производства которых используются синтетические материалы, пагубно влияющие на окружающую среду. Кроме того, такое производство требует большего расхода энергии. О естественном саморазложении или рециклировании полученных стройматериалов не может быть и речи. После использования они выбрасываются на свалки, где продолжают загрязнять воздух и почву.

Неэкологичные строительные материалы:

• Пенопласт - выделяет токсическое вещество стирол, которое провоцирует возникновение инфаркта миокарда и тромбоз вен.
• В утеплители (экструдированый полистерол и пенополистерол) с учетом технологии для уменьшения их горючести добавляется ГБЦДД (гексабромиоциклододекан). Не так давно Европейское химическое агентство объявило ГБЦДД одним из наиболее опасных среди известных 14 токсических веществ.
• Теплоизоляционные плиты производятся на основе полиуретана. В них содержатся токсические вещества изоцианты.
• Линолеум, виниловые обои и декоративная пленка - широко применяемые материалы в строительстве, которые ответственны за содержание в вохдухе тяжелых металлов. Эти вещества, накапливаясь со временем в организме человека, могут вызывать развитие опухолей.
• Краски, лаки, мастики низкого качества считаются наиболеее опасными для здоровья, так как содержат в своем составе свинец, медь, а также толуол, ксилол и крезол, которые являются наркотическими веществами.
• Бетон, как известно, отличается плотностью и прочностью. К сожалению, именно плотность бетона препятствуют свободному проникновению воздуха и способствуют усилению электромагнитных волн.
• Железобетон имеет те же недостатки, что и бетон, но дополнительно еще и экранирует электромагнитные излучения. В результате люди, живущие или работающие в построенных из таких материалов домах и офисах, часто страдают от быстрой утомляемости.
• Поливинхлорид входит в состав многих лаков и красок. В контакте с воздухом при содействии солнечного света он разлагается, выделяя гидрохлорид, который в свою очередь провоцирует болезни печени и кровеносных сосудов.
• Пенополиуретан в составе пыли плохо действует на кожу, глаза и легкие.

Покупая для строительства своего дома материалы, требуйте, чтобы вам выдали на них санитарно-эпидемическое заключение. Это заключение даст вам представление о степени токсичности выбранного вами строительного материала.

К счастью, существуют и другие материалы, присутствие которых в помещении не только не оказывает вреда, но наоборот, положительно влияет на физическое и духовное состояние человека - экологичные строительные материалы.

Экологичные строительные материалы

Экологичные (экологически безопасные) строительные материалы - это материалы, в процессе изготовления и эксплуатации которых не страдает окружающая среда. Они подразделяются на два типа: абсолютно экологичные и условно экологичные.

Абсолютно экологичные стройматериалы щедро преподносит нам сама природа. К ним относятся дерево, камень, натуральные клея, каучук, пробка, шелк, войлок, хлопок, натуральная кожа, натуральная олифа, солома, бамбук и др. Все эти материалы использовались человеком для строительства домов испокон веков. Их недостатком является то, что они не всегда отвечают техническим требованиям (недостаточно выносливы и огнеупорны, тяжелы в транспортировке и т.д.).

В связи с этим в настоящее время в троительстве широко используются условно экологичные материалы, которые тоже изготавливаются из природных ресурсов, безопасны для окружающей среды, но обладают более высокими техническими показателями.

К условно экологическим стройматериалам относятся:

• кирпич
• плитка
• кровельная черепица
• пенобетонные блоки
• материалы, изготовленные из алюминия, кремния

Кирпич изготавливается из глины без использования химических добавок и красителей. Стены из этого материала прочны, долговечны, устойчивы к вредным воздействиям окружающей среды. Наименее энергоемким видом кирпича считается тот, который изготавливается из глины с добавлением армирующей её соломы. После высушивания на солнце такой кирпич готов к применению. В домах, выстроеных из такого рода кирпича живет более четверти населения всей планеты. В районах с сухим климатом они особенно долговечны.

Каждому из нас под силу сделать уровень своей жизни лучше. По статистике человек проводит большую часть времени в помещении (на работе, либо дома) примерно 75% всего времени. Поэтому имеет огромное значение, из чего построено это помещение. Строя свой дом из экологических материалов или используя их во внутренней отделке помещения, мы создаем неповторимую и одновременно здоровую атмосферу.

Советы: для внутренней отделки стен помещения лучше всего подходит дерево или циновки из соломы, джута, бамбука. В крайнем случае, штукатурка и бумажные обои. Если для отделки пола вы решили использовать паркет или ламинат, то обязательно обратите внимание, есть ли на нем знак СЕ (означает, что материал изготовлен с учетом европейских стандартов).

Усов Борис Александрович, к.т.н., доцент кафедры «Промышленное

и гражданское строительство» ФГБОУ ВО «Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)», [email protected]

Окольникова Галина Эриковна, профессор, к.т.н.,

Акимов Сергей Юрьевич, ст. препод., кафедра «Промышленное и гражданское строительство» Московского Государственного

Машиностроительного Университета (МАМИ)

ЭКОЛОГИЯ И ПРОИЗВОДСТВО СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Экология как наука об отношениях между человеком и окружающей природной средой воз-никла в конце XIX века и с тех пор с каждым десятилетием приобретает все большее значение.

Ключевые слова: экология, строительные материалы, промышленность

Ecology as the science of the relationship between humans and the natural environment had arisen at the end of the XIX century and since then, every decade has become increasingly important .

Keywords: ecology, construction materials, industry.

Экологические проблемы с отходами промышленности

Состояние окружающей среды и экологические проблемы непосредственно связаны с объемами промышленного производства, которое за XX столетие увеличилось более чем в 50 раз, и 4/5 этого роста пришлись на период с 1950 г.

Практически любое производство базируется на изъятии из недр земли природного сырья и его переработке в требуемый продукт, сопровождаемый образованием техногенных отходов и загрязнением ими природ-

ных сред. Количество образующихся техногенных отходов напрямую связано с объемами производства основного вида продукции и совершенством технологии ее получения.

Техногенные отходы загрязняют атмосферный воздух, занимают и загрязняют землю, грунтовые водоемы. Все отходы в зависимости от их токсичности подразделяются на четыре класса: I - чрезвычайно опасное вещество; II - высокоопасное вещество; III - умеренно опасное вещество; IV - малоопасное вещество. Отходы I класса опасности направ-

ляются на захоронение в «могильники» для бессрочного захоронения, менее опасные - в шлам - накопители, хвостохранилища, отвалы и т. д., под которые занято более 100 тыс. гектаров земли. Общее количество отходов, накопленных на этих отвалах, не поддается учету.

Выброс вредных веществ в атмосферу предприятиями промышленности строительных материалов осуществляется в виде пыли и взвешенных частиц (более 50% от суммарного выброса), а также оксида углерода, диоксида серы, оксидов азота и других веществ.

Из выбросов предприятий строительных материалов более 40% приходится на цементную промышленность, 18-20% - на производство кровельно-изоляционных материалов, 10% - на асбестоцементные производства, 15% - на нерудные строительные материалы, менее 10% - на производство бетонных и железобетонных конструкций и изделий.

Доля загрязняющих выбросов в атмосферу от промышленности стройматериалов России составляет 3,2% от общего количества загрязняющих выбросов. Основной объем, которых приходится на топливо-энергетический комплекс (48,4% -выбросов в атмоферу, 26,7% сбросов загрязняющих сточные водыи свыше 30% твердых отходов,). На цветную металлургию - 21,6%, состоящие из

твердых отходов(отвальные металлургические шлаки, хвосты обогащения руд вскрышные породы); черную металлургию (15,2% в виде 90млн.т, включая - 50 млн.т доменных шлаков, 22 млн.т - сталеплавильных, 4 млн.т - ферросплавных) некоторые химические производства - в виде шламов, отработанной соляной и серных кислот, дистерных жидкостеи и шламов аммиачно-хлоридных производств, кальцинированной соды, фосфогипса, фторогипса и т.д. -то есть главным образом отходы четвёртого класса, что допускает их размещение в производстве строительных материалов.

А в целом из указанных выше отходов - приводит к необходимости создания «вторичных», но уже техногенных месторождений.

Производство цемента является крупным источником образования оксида углерода: на 1 т цемента -1 т СО2, на 1 т клинкера - от 1,5 до 9,5кг оксидов азота, твердых частиц с дымовыми газами - от 0,3 до 1,0 кг/т. Хотя и значительная часть цементной пыли улавливается фильтрами и вновь направляется в печь.

Исследованиями установлено, что многие техногенные отходы по своему химико-минералогическому составу близки природному минеральному сырью и могут частично или полностью использоваться при производстве цементов, без клинкер-

ных вяжущих, заполнителей, что позволит сохранять природные ресурсы. Однако в ряде производств лишь незначительная часть потребляемых природных ресурсов превращается в требуемую конечную продукцию, а основное количество переходит в техногенные отходы.

На их удаление затрачивается в среднем 8-10% стоимости производимой продукции на складирование твердых отходов только от Московских предприятий по области требуется ежегодно выделение до 20га земли. И к тому же их транспортирование и складирование поглощают миллиарды рублей.

Поэтому использование таких отходов становится первоочередной мировой проблемой ресурсосбережения природного сырья.

Вместе с тем проблему наличия отходов возможно рассматривать и как огромное дополнительное богатство, если правильно их использовать.

В пользу этого приоритета свидетельствует, то обстоятельство, что - наиболее емким потребителем промышленных отходов различных отраслей являются крупные объёмы производства строительных материалов, поскольку многие отходы по своему составу и свойствам аналогичны природному сырью для их производства. Удельный вес сырья из них достигает более 50%.

Установлено, что промышленные отходы позволяют покрыть до 40% потребности строительства в сырьевых ресурсах. Кроме того промышленные отходы в ряде случаев позволяют на 10-30% снизить затраты на изготовление строительных материалов по сравнению с производством из природного сырья. Из промышленных отходов возможно создавать новые строительные материалы с высокими технико-экономическими показателями.

Однако рост массы перерабатываемых материалов сопровождается и значительным увеличением количества отходов, оказывающих отрицательное воздействие на биосферу.

Поэтому экологический критерий при отборе наиболее прогрессивных технологий становится решающим.

При этом важен поиск не только экономически и экологически эффективного производства, но главное их оптимального сочетания.

Решение экологических проблем окружающей среды в сфере производства строительных материалов осуществляется по следующим направлениям:

первое - выявление объемов и исследование характера отходов производства, загрязняющих окружающую среду, и их складирование с установлением путей их ликвидации действиями, направленными на дальнейшую их переработку.

второе - улавливание и утилизация вредных для окружающей среды твердых отходов с внедрением технологических решений по комплексной переработке такого сырья или использованию как вторичных продуктов других отраслей промышленности.

третье - создание экологически «чистых» безотходных технологий с полным исключением загрязнения окружающей среды.

Мероприятия по первому направлению в основном определены. Отходы либо подготавливаются к вторичному использованию, либо подлежат захоронению.

Широко развернуты работы по охране экологии по второму направлению: снижается энергоемкость производства за счет оснащения основных технологических агрегатов теплоутилизирующими установками и широкой подготовки различных отходов (шламов, шлаков, зол и т. д.) к повторному применению. То есть по отношению к промышленным отходам в материальном производстве воплощается уже новая ступень охраны экологии - идея комплексной переработки сырья. Например, при создании крупных металлургических или энергетических комплексов одновременно предусматривается подготовка отходов к использованию в производстве строительных материалов. Так появились и широ-

ко используются гранулированные металлургические шлаки для производства шлакопортландцемента, шлаковой пемзы, шлаковаты и т. д. Имеется опыт применения для этих целей и отвальных шлаков, флотационных хвостов и т. п.

Определился положительный опыт использования шлаков и в качестве заполнителя бетона, а бетонных отходов - в качестве низкомарочного вяжущего или в виде дробленого заполнителя для получения бетонов марок до 200 кг/см2. Но комплексное использование сырья в производстве строительных материалов и особенно при изготовлении самого распространенного и универсального материала - обычного бетона осуществляется еще недостаточно.

Таким образом, технологов строй-материальщиков из массовых неорганических промышленных отходов в первую очередь привлекают металлургические шлаки, топливные отходы (золы, шлаки), а также отвальные углесодержащие породы -отходы при добыче каменного угля. Сегодня успешно находят применение различные отходы пылевидного микрокремнезёма в виде ферросили-циума и др. соединений даже цветной металлургии. При производстве 1 т чугуна образуется около 0,7 т доменных (шлаковых) расплавов.

Однако, к сожалению, в производстве строительных материалов

используется лишь около половины шлаковых отходов; остальное - направляется в отвал. Часть отвальных шлаков применяют как щебень при строительстве дорог. Однако в связи с медленным остыванием непосредственных отходов - расплавов шлака в отвалах, содержащих ещё и примеси расплавленного железа и поэтому приобретающих высокую прочность, производство щебня сопряжено с очень высокими затратами (взрывными работами и очень дорогим дроблением).

С другой стороны из шлаковых расплавов возможно отливать различные изделия: закристаллизованную брусчатку, плиты для мощения улиц и тротуаров, бордюрные камни др. Из них же получают пористые заполнители (шлаковую пемзу), а путем управляемой кристаллизации ценные материалы - шлакоситаллы. Например, ситаллы - стеклокри-сталлические материалы или синтетические камни, отличающиеся от природных тонкозернистой равномерной микро- структурой, способствующей созданию материалов высокой стойкости и прочности. То есть, регулируя составы только расплавов возможно, получать синтетические материалы с заданным комплексом физических и химических свойств. Поскольку технология шлакоситал-лов подобна технологии производства изделий из стекла, то для их

производства пригодно оборудование стекольной промышленности. Кроме того из этих материалов изготавливают плиты для отделки стен и пола, панели для совмещенных кровель, навесные и самонесущие панели наружных стен, санитарно-техническое оборудование, трубы - для газификации, теплофикации, для химической промышленности и сельского хозяйства; столбы, ограды, долговечные скульптуры.

Вспученный шлакоситалл - пе-ношлакоситалл - хороший и дешевый теплоизоляционный материал. Сочетая шлаковую пемзу (термозит) с расплавами, отливают крупные блоки и изделия (шлаколит).

Весьма перспективно применение шлаковых расплавов для изготовления различных профилированных изделий взамен изделий из специально расплавляемых базальтов.

Из неполного перечня шлаковых материалов следует, что металлургические шлаки действительно особо ценный вид сырья.

Другие отходы: золы и топливные (котельные) шлаки образуются от сжигания сотен миллионов тонн каменных углей, горючих сланцев и торфа, насыщая атмосферу кислотными продуктами. Только от сжигания 1 т угля, получается от 100 до 250 кг топливных отходов. Хотя многие отрасли промышленности переходят на природные газы, а также на

газ, получаемый газификацией различных углей. Но и после газификации от 1 т угля остается от 0,2 до 0,4м3 шлаков и золы.

Всё это требует огромных площадей для захоронения.

Вместе с тем топливные отходы (шлаки и золы) являются хорошим сырьем для изготовления многих строительных материалов. Например, некоторые золы от сжигания горючих сланцев представляют собой вяжущие вещества, другие золы и шлаки используются для -получения легких бетонов (шлако-бетонов, золобетонов, особо легких «ячеистых» бетонов - газобетонов и пенобетонов).

Отходы «пустых» пород, извлекаемых из угольных шахт и состоящих из угольно-глинистых сланцев с содержанием в количестве 10-15% угля и сернистых примесей образуют от самовозгорания (с повышением температуры до 800-1000°С) - «горелые породы» - терриконы. Терриконы долгое время дымяться, преобразуясь из пустых пород в своеобразные шлаки, которые применяются подобно топливным отходам. Но чаще всего они представляют собой обожженные и вспучившиеся глины, из которых дроблением возможно получать аглопорит.

Другой вид - органические отходы и в частности - древесные отходы. В нашей стране ежегодно вырубает-

ся примерно 1/3 годового прироста древесины - это порядка нескольких сот миллионов кубических метров. При этом из каждых 5м3 срубленной древесины из леса вывозится около 4м3 бревен, а после их распиловки - получается менее 3 м3 пиломатериалов, остальное составляют отходы (долготьё, коротьё, горбыли, рейки, стружки, опилки). Выход пиломатериалов с учетом усушки в среднем составляет 55-60% объема бревна. Общее количество древесных отходов ежегодно составляет более 150 млн. м3. Из них в виде горбыля и реек - до 25%, а опилок - 10%. Ещё часть расходуют как топливо, остальное не используется

Если превратить эти отходы в стружку или целлюлозные волокна и смешать с синтетическими смолами, то могут быть получены древесностружечные или древесно-волокни-стые плиты и ценная добавка в бетоны в виде фибры.

Отходы сельского производства - костру (паклю) лубяных растений (льна, конопли и др.), солому и др. можно использовать для получения теплоизоляционных и звукоизоляционных плит, листов и плит для отделочных работ (полов, стен).

1. Применение отходов в производстве железобетона

Сегодня огромной промышленности строительных материалов является железобетон, для которого не хватает уже природных компонентов - кварцевого песка и гранитного щебня.

Наступивший XXI век должен быть веком бетона на основе техногенных отходов, что позволит не только утилизировать техногенные отходы, решит экологические, энергетические и природоохранные задачи, но и поднять технологию бетонов на новую эколого-экономическую ступень развития.

Вклад бетоноведения в решение экологических проблем рассматриваются в следующих направлениях:

Сокращение выбросов веществ, сопутствующих производству портландцемента и энергозатрат;

Сокращение расхода клинкерного цемента на 1м3 бетона без ухудшения его качества;

Замена клинкерной части цемента, а также природных заполнителей, техногенными отходами других производств, в том числе содержащих токсичные элементы, благодаря превращению их в нерастворимые вещества и консервации.

Сегодня отходы являются основой нового направления промышленности - химизации бетона с достижением у

него новых технических показателей. Так золы, шлаки и золошлаковые смеси, применяемые в бетоны лишь для замены части цемента, улучшают удобоукладываемость смесей, обеспечивают требуемую прочность и морозостойкость бетона до F = 100-300, снижают усадку и водопроницаемость. Зола повышает коррозионную стойкость железобетона и сульфатостой-кость обычного бетона, не влияя на его деформации ползучести, усадку и модуль упругости.

Приготовленную золошлаковую смесь (2) и шлак применяют взамен тяжелых заполнителей природного происхождения (песка, гравия и щебня), легких (пористых) заполнителей искусственного изготовления (керамзит, аглопорит и др.), природного происхождения (пемза, туф и др.) или в сочетании с ними.

Плотный шлак - раздельного удаления с последующим охлаждением расплава водой применим для обогащения мелких природных песков или в качестве щебня мелкой фракции - для тяжелых бетонов.

Пористый шлак - твердого удаления может служить крупным заполнителем в легких бетонах.

В настоящее время классификация и показатели свойств отходов вошли в нормативные документы. Так в соответствии с ГОСТ 25818 по виду сжигаемого топлива золы-уноса (золы сухого отбора) подразделя-

ют на антрацитовые (А), каменноугольные (КУ) и буроугольные, образующиеся в результате сжигания бурого угля (Б).

Золы-уноса (ЗУ) ТЭС применяют и в качестве компонента для изготовления тяжелых, легких, ячеистых бетонов и строительных растворов, а также в качестве тонкомолотой добавки для жаростойких бетонов. И в зависимости от области применения подразделяют на 4 вида: I - для железобетонных конструкций из тяжелого и легкого бетонов; II - для бетонных конструкций и изделий из тяжелого и легкого бетонов, строительных растворов; III - для изделий и конструкций из ячеистых бетонов; IV - для бетонных и железобетонных изделий и конструкций, работающих в особо тяжелых условиях (гидротехнические сооружения, дороги, аэродромы и др.).

По химическому составу золы-уноса делятся на 2 типа: кислые (К), содержащие окись кальция (СаО) до 10% по массе и основные (О), содержащие СаО более 10% по массе, в т. ч. у ЗУ топлива Б свободного СаОсв - не более 5% для I и II вида золы и не более 3% - для IV вида. Для III вида СаОсв не нормируется.

В обозначениях марок золы учитываются вышеизложенные сокращения.

Пример: ЗУ КУК-1 ГОСТ 25818 - каменноугольная (КУ), кислая (К),

зола-уноса (ЗУ) для изготовления железобетонных конструкций должна соответствовать следующим требованиям:

I I I - 6% и IV - 3%;

II и IV видов - не более 1,5% и III -3,5%; - Ппп для ЗУ кислых из КУ: I вида - не более 10%, II - 15%, III -7% и IV - 5%; из А: I вида - не более 20%, II - 25%, III и IV - 10%; из Б: I вида - не более 3% , II - 5%, III - 5% и IV - 2%; для ЗУ основных из Б: I,

III и IV видов - не более 3% и II - 5%. Удельная поверхность зол, м2/кг,

должна составлять для ЗУ кислых I и III вида не более 250, для ЗУ кислых II вида - 150 и для ЗУ кислых

IV вида - 300; для ЗУ основных I вида - 250, ЗУ основных II вида -200, ЗУ основных III вида - 150 и ЗУ основных IV вида - 300. Остаток на сите № 008, % по массе, должен составлять для ЗУ К I и I I I видов - не более 20%, ЗУ К II вида - не более 30% и ЗУ К IV вида - не более 15%; для ЗУ О I и II видов - не более 20%,

I I I вида - не более 30% и IV вида - не более 15%.

К сожалению, в России из (50 млн. т) общего объема образующихся зо-лошлаковых отходов лишь не более 11% приходится на долю золы-уноса.

Однако в мировой практике зола теплоэлектростанций ТЭС - эффективный компонент бетона в повышенных количествах (50-200кг/м3) (а для высокопрочных бетонов - микрокремнезем или его комбинация с золой) вводится в подавляющее большинство бетонов и рассматривается как обязательный компонент.

Зола вводимая в больших количествах, требует сокращения на ту же величину тех или иных компонентов бетона. Введение золы в бетонную смесь возможно взамен цемента или взамен песка. Эти способы взаимосвязаны (табл.1).

Таблица 1

№ состава Расход материалов, кг/м3 йсж, МПа

вода цемент песок щебень зола

1 190 330 650 1200 - 25

2 200 230 590 1200 100 18,7

3 190 230 730 1200 - 13,6

4 200 229 531 1200 100 25

Бетон с расходом золы 100 кг/м3 бетона (состав 2) может быть получен ее введением по обьёму как взамен цемента в состав 1 с расходом цемента 330 кг/м3, так и взамен песка в состав 3 с расходом цемента 230 кг/м3.

Изменения объемов вследствие повышения водопотребности смеси с золой и меньшей плотности золы (р3 = 2,1 г/см3) компенсируются повышением расхода песка. При этом введение золы взамен цемента может приводить к снижению прочности. Более эффективно введение золы взамен песка: если зола эффективна - прочность растет (в составе 4 - на 14%). На практике, как правило, обычно требуется сохранить прочность на постоянном уровне. Для чего частями золы заменяют цемент и песок.

Пропорции замены зависят от эффективности золы, качество которой количественно выражается коэффициентом эффективности (Кэ). Физический смысл его представляет - отношение масс сокращаемого цемента и вводимой золы, при сохранении постоянной прочности бетона. При использовании Кэ становится наглядным назначение состава бетона с золой. Так, Кэ=0,5 означает, что при введении в бетон, например, 100 кг золы для сохранения прочности расход цемента возможно сократить на 50кг и еще на 50кг -расход песка (при замене по массе). Если вводить золу в состав 1 (табл. 2) с целью получения равнопрочного бетона, то, приняв Кэ=0,31, получим состав 4 (замена по объему).

Таблица 2. Коэффициент эффективности некоторых зол

Расход цемента, кг/м3 Вид золы/условия твердения

Ангарской ТЭС(2) Буштырской ТЭС (3) Углегорской ТЭС(4)

пропари-вание нормальное тведение пропари-вание пропари-вание

240 0,39 0,46 0,5 0,39

300 0,31 0,36 0,4 0,42

350 0,2 0,79 0,33 0,45

400 0.2 0,25 0,5

Иногда более полезной оказывается «прочностная» интерпретация Кэ: отношение прироста прочностей при введении какого-либо количества золы и того же количества цемента. В этом случае Кэ определяется проще. Так как прочностной эффект увеличения расхода цемента на каждом производстве известен, то остается установить прочностной эффект от введения золы (взамен песка). В качестве примера можно воспользоваться данными табл. 1. Прочностной эффект от 100кг цемента - 11,4 МПа, а от 100кг золы -

5,1 МПа, откуда: Кэ = - = 0,45.

При использовании Кэ имеются и сложности, связанные с зависимостью его величины от расхода цемента, количества золы, режима твердения (приведенные выше значения Кэ справедливы для определенного расхода цемента).

Большинство российских зол имеет повышенную водопотребность, по-

этому Кэ понижается с ростом расхода цемента, а для зол низкой во-допотребности, пластифицирующих бетонную смесь, он может и повышаться. Вообще данные о зависимости Кэ от расхода цемента несколько противоречивы, поэтому его лучше определять экспериментально.

С ростом расхода золы эффективность её снижается и установление рассматриваемой зависимости становится трудоемким. Тогда возможно ограничиться одним расходом золы (например, 100-150 кг/м3), а больший Кэ при меньших расходах золы рассматривать как некоторый коэффициент запаса прочности. Такие составы могут быть в дальнейшем скорректированы по результатам производственного контроля прочности бетона.

Основным видом золы, вводимой в бетоны, является низкокальциевая зола ТЭС сухого удаления. Она представляет собой преимущественно силикатное стекло, а слагающий его аморфный кремнезем химически активен по отношению к Са(ОН)2, выделяющемуся при гидратации цемента (так называемая - пуццолани-ческая активность). Реакция между ними приводит к образованию высокодисперсных гидросиликатов

кальция (типа СаО8Ю^Н2О) с высокой вяжущей способностью взамен малопрочного Са(ОН)2, а измельчение частиц - к уменьшению размеров пор и снижению проницаемости. Все это улучшает структуру бетона. К сожалению, пуццолановая реакция (с аморфным кремнезёмом) начинается поздно (примерно в 7суточ-ном возрасте) и протекает медленно; основной ее эффект при нормальном твердении бетона проявляется к 3-месячному возрасту и интенсивное твердение бетона с золой наблюдается в более позднем возрасте - до года и более. В итоге прочностной эффект от введения золы и экономии цемента, определенные по 28-суточной прочности, оказываются ниже, чем для бетона большего возраста. Тем не менее этот «возрастной» эффект не теряется, а обусловит и дополнительный запас прочности, и пониженную проницаемость, а следовательно, повышенную долговечность такого бетона (разумеется, при условиях, способствующих продолжению гидратации в позднем возрасте).

Кроме пуццоланического эффекта, зола оказывает на бетон и значительное физическое воздействие, которое принято называть «эффектом микронаполнителя». В чистом виде он проявляется в повышении прочности при введении в бетон инертных порошков, например, молотого песка, пылевидных отходов дробления и

т.д. Его основой можно считать увеличение концентрации дисперсных частиц в цементном тесте-камне, что вызывает снижение его пористости. Другой аспект этого эффекта проявляется в бетонных смесях с низким расходом цемента, где имеет место явный дефицит дисперсных частиц. Введение золы его ослабляет или ликвидирует, в итоге улучшается зерновой состав цементно-песчаной составляющей, уменьшается расслоение бетонной смеси и повышается однородность бетона. Следует отметить, что «стабилизирующая» роль золы возрастает в связи с тенденцией применения в монолитом строительстве высокоподвижных смесей, с повышенной склонностью к расслоению.

При увеличении расхода цемента расслоение бетонной смеси снижается, но повышается тепловыделение твердеющего бетона, что может привести к образованию микротрещин уже на ранних стадиях твердения. Сокращение расхода цемента при введении золы снижает тепловыделение и вероятность образования термических микротрещин, что также улучшает структуру бетона. В массивном бетоне опасность микротрещин существенно возрастает, и положительная роль золы проявляется во всем диапазоне расходов цемента.

В бетон могут вводиться золы ТЭС, отвечающие определенным

требованиям, в первую очередь к их химическому составу. ГОСТ 2581891 нормирует: содержание СаО, МgО, БО3, щелочей, а также потери при прокаливании. Из показателей, определяющих эффективность золы, в бетоне для железобетонных изделий нормирована только удельная поверхность.

За рубежом в качестве основной характеристики зол для бетонов используется дисперсность. Принято считать, что именно дисперсностью определяются такие важные свойства зол, как водопотребность, пуц-цоланическая активность, микрона-полняющий эффект, потери при прокаливании. Ее оценивают по остатку на сите 45 мкм, считая, что удельная поверхность зол, содержащих пористые частицы, определяется неточно. Но зарубежные стандарты, например, европейские нормы EN-450 «Зола для бетона», наряду с химическим составом, нормируют не только дисперсность, но также индекс активности, характеризующий прочностной эффект золы в смеси с цементом. В ряде стандартов нормируется также водопотребность золы. По общему принципу - зола не должна повышать водопотребность бетонной смеси.

В то же время золы повышенной водопотребности могут оставаться достаточно эффективными в бетоне. Так введение 100 кг золы на 1м3 бетона взамен песка повысило проч-

ность на 14%, несмотря на рост водопотребности смеси на 10 л/м3.

Разумеется, золы с пониженной водопотребностью более эффективны, особенно в бетонах с повышенным расходом цемента.

Введение золы улучшает целый комплекс свойств бетонной смеси и бетона. Следует отметить, что это происходит одновременно со снижением расхода цемента в бетонах с золой в соответствии с Кэ. Бетонная смесь с золой при той же подвижности более пластична, легче перекачивается и заполняет формуемое пространство, что особенно важно при «трудных» условиях укладки. Затвердевший бетон с золой, имея пониженную проницаемость, повышает долговечность, защитное действие по отношению к арматуре затрудняя диффузию ионов хлора в бетон, а также коррозионную стойкость. Особенно резко повышается сульфатостойкость. Но эти эффекты достигаются при продолжительном влажностном уходе, что обеспечивает пуццолановую реакцию в поверхностном слое бетона, который ответственен за перечисленные свойства.

В то же время следует учитывать и некоторые негативные последствия введения золы в бетон. Прежде всего, замедляется твердение бетона в ранние сроки, особенно при пониженных температурах. В ряде случаев, особенно при значительных

расходах золы, возможно снижение морозостойкости бетона, что является сложной функцией расхода золы, длительности ухода за бетоном и возраста, в котором начинается воздействие мороза. Наконец, следует учитывать, что взаимодействие золы с Са(ОН)2 при пуццолановой реакции ведет к уменьшению щелочного резерва в бетоне, при больших расходах золы может возникнуть опасность его полного связывания и коррозии арматуры. Поэтому количество вводимой золы ограничивается.

ГОСТ 25818-91 предусматривает максимально допустимое отношение зола: цемент как 1:1 по массе.

Шлаки ТЭС, запасы которых исчисляются миллионами тонн, являются прекрасным сырьем для производства бетона. Они образуются из минеральной части углей, сжигаемых в пылевидном состоянии в топках котлоагрегатов.

Многие районы страны испытывают острый недостаток - природных песков, отвечающих требованиям действующих стандартов, поэтому строители вынуждены использовать очень мелкие пески с Мкр = 1,...1,2. Это неизбежно ведет к перерасходу цемента и снижению качества железобетонных конструкций. В последнее время мелкие природные пески обогащают попутными продуктами и отходами производства. Рациональное использование отходов расширяет

сырьевую базу строительства и снижает его стоимость.

Шлаки по зерновому составу представляют собой механическую смесь шлакового песка (крупность зерен 0,14-5 мм) и шлакового щебня (крупность зерен более 5мм). Плотность зерен шлака, образующихся в топках котлов, агрегатов с жидким шла-коудаленнем, находится в основном в пределах 2,3-2,5 т/м3; дробимость зерен фракшии 5-10 мм по методике ГОСТ 8269 составляет 20-25%, а прочность образцов-кубов с ребром 2см, выпиленных из куска шлака, достигает 150-200 МПа. То есть шлаки ТЭС применимы в качестве заполнителей бетонов высоких марок, вплоть до М700.

Учитывая высокое значение модуля крупности (Мкр) шлакового песка (3,05-3,96), топливный шлак раздельного удаления целесообразно использовать в качестве компонента, улучшающего гранулометрию мелких песков.

Шлаковый песок не имеет недостатков, присущих многим видам промышленных отходов - практически не содержит лещадных и игловатых зерен, илистых, глинистых и других вредных примесей. Некоторое количество пылевидных фракций, которое может содержаться в шлаках, не ухудшая свойств бетона, заметно улучшает реологические характеристики бетонной смеси.

Практика показала, что стабильная однородность и прочность бетона могут быть получены лишь при оптимальном дозировании, учитывающем гранулометрию исходного песка и добавляемого шлака. Методика расчета состава бетона, обеспечивающего получение оптимальной гранулометрии заполнителей и повышение плотности и прочности бетона, учитывает, что в составе топливного шлака содержатся не только песчаные фракции, но и более крупные зерна, заменяющие щебень. Кроме того, плотность зерен шлака ниже, чем традиционных заполнителей из твердых горных пород, поэтому, количество шлакового заполнителя должно быть меньше суммы масс кварцевого песка и гранитного щебня.

Структуры цементного камня с отходом кремнезема с микро- и на-норазмерными частицами

Сегодня широкое внимание технологов привлекает экологически весьма нежелательные отходы черной, цветной металлургии в виде силикатного «дыма», имеющих в своём фракционном составе даже наноразмерные частицы. Их захоронение требует помимо технологических операций подготовки и складирования ещё и закрытия поверхности гумусом с газоном для того, чтобы предотвратить дальнейшее пыление отходов в сухую или жаркую погоду.

При микро- и наноразмерных наполнителях цементного камня актуальны явления и механиз-мы, участвующие в структурообразовании от их введения как модификатора. Роль микро- и нано-размерных частиц в процессах модифицирования структуры цементного камня и бетона рассматривается в контексте с влиянием включений других их размерных масштабов.

В технологическом материаловедении каждый размерный масштаб «включения» частиц соотносится с соответствующим своим масштабным уровнем структуры, представляемым в виде двухкомпонент-ной подсистемы «матрица - включение». Это последовательно касается крупного, мелкого заполнителя, микронаполнителя, ультрамикро- и наноразмерных частиц. Каждый вид включения, «работая» в рамках своего масштабного уровня структуры, влияет на структуру всего материала (как композита). Последним, и это важно, предопределяется синергизм получаемых эффектов.

Необходимость системной количественной сбалансированности содержания включений разного размерного масштаба очевидна. Эта задача имеет отношение и к оптимизации дозировки микро- и наномодифици-рующих частиц.

Размерный масштаб следует рассматривать в качестве исходно-

го идентификационного параметра включений. С размерно-геометрическим и визуально экспрессфикси-руемым признаком, связаны многие идентификационные характеристики включений - удельная площадь поверхности, удельная поверхностная энергия, число частиц и число контактов частиц в единице их объема (см. таблицу 3), квантово-размерные эффекты и состояния частиц, предопределяющие проявление ими механических, физических и химических воздействий на процессы структуро-образования и эффекты преобразования структуры материалов.

Рассматривая возможные механизмы участия микро- и нанораз-мерных частиц в процессах струк-турообразования цементного камня и бетона, необходимо рассмотреть систему, в которой оказываются они изначально.

Это полидисперсные многофазные системы цементного теста со сложением исходных дисперсных частиц в упаковки определенной плотности. В них развиваются процессы смачивания, адсорбции, хемосорбции, пеп-тизации, растворения, гидратации, коллоидации, зародышеобразования и фазообразования с кристаллизацией и перекристаллизацией.

«Жизненный цикл» микро- и на-норазмерных частиц определяется сущностью и мерой вовлечения их в эти явления и процессы структу-рообразования. Это зависит от размерно геометрических и субстанциональных характеристик, дозировки микро- и наноразмерных частиц. В общем случае структурообразующее участие и преобразующее их влияние становиться результатом следующих взаимосвязанных механизмов.

Таблица 3.

Оценочные характеристики ний, вводимых в структуру бетона

Наименование включений Размер, Удельная поверхность, м2/кг Удельная поверхностная энергия, Дж/кг Число частиц в единице их объема (в 1м3) Число контактов частиц в единице их объема (в 1м3)

Крупный заполнитель 510_3-4^10-2 До 0,5 До 0,6 До 1104 До 9104

Мелкий заполнитель 510_4-5^10"3 До 24 До 30 До 5-106 До 4107

Микронаполнитель 510_6-2^10-4 До 300 До 400 До 11012 До 91012

Микрокремнезем 110"7-210-7 До 20 000 До 18 000 До 6-1018 До 4-1019

Наноразмерные частицы 210_9-4^10-8 До 200 000 До 250 000 До 2-1022 До 11023

Первым и общеизвестным является механизм, определяющий повышение плотности упаковки системы сложения дисперсных частиц, уменьшение общей ее пористости, изменение структуры пористости.

На стадии развития процессов смачивания, адсорбции, хемосорбции присутствующие в системе микро- и наноразмерные частицы способны за счет увеличения объема адсорбци-онно и хемосорбционно связываемой ими воды уменьшать объем капиллярно-связанной и свободной воды, приводить вследствие этого к изменению технологических реологических свойств цементного теста и бетонной смеси, к повышению их вязкости и пластической прочности.

На стадии коллоидации, зароды-шеобразования и фазообразования микро- и наноразмерные частицы способны выполнять роль центров кристаллизации и понижать энергетический порог этого процесса, ускорять его.

Одновременно проявляющимся эффектом влияния частиц как центров кристаллизации будет «зонирование» структуры твердения. Микрообъемы структуры твердения будут оказываться в поле энергетического, термодинамического влияния отдельных микро- и наночастиц, что будет сопровождаться формированием агломератов и кристаллитов из новых гидратных фаз. Размер,

объем, число агломератов и кристаллитов в единице объема будет предопределяться квантоворазмерным состоянием частиц, количественным их содержанием (дозировкой) в единице объема цементного камня и бетона.

Зонирование - как процесс и как результат процесса преобразования структуры цементного камня обеспечивает положительные явления для свойств бетона, поскольку имеет прямое отношение к характеристикам однородности - неоднородности структуры, площади границ раздела фаз и соответственно - к изменению условий работы материала под нагрузкой с точки зрения концентрации и локализации, формирования в нем напряжений и деформаций, условий зарождения и продвижения трещин.

Еще один принципиально важный механизм модифицирования структуры цементного камня при введении микро- и наноразмерных частиц связан с возможностью их непосредственного химического участия в гетерогенных процессах фазообразования гидратных соединений. Такая возможность определяется как субстанциональным признаком (химико-минералогическим составом) частиц, так и повышенными значениями удельной площади их поверхности и удельной поверхностной энергией.

Таким образом, характеризуя механизмы преобразующего влияния микро- и наноразмерных частиц на

структурообразование и структуру цементного камня и бетона, следует в общем случае иметь в виду пространственно-геометрический аспект (параметры системы сложения дисперсных частиц, плотность их упаковки, пористость и структура пористости, зонирование образования новой фазы), термодинамический и кинетический аспект (энергетическое облегчение процессов гидратации и твердения, их ускорение), кристал-ло-химический аспект (проявление частицами роли кристаллической затравки, фактор зонирования аморфно- кристаллической структуры, участие субстанции частиц в химико-минералогических процессах фазообо-разования), наконец, технологический аспект (влияние на водопотребность, изменение реологических характеристик формовочных смесей).

Однако возможности и мера реализации этих механизмов структу-ропреобразования цементного камня должны определяться видом, характеристиками и дозировкой микро- и наноразмерных частиц.

В этом ряду одним из самых приемлемых вариантов является использование наноразмерных частиц кремнезема по причине их доступности, возможности относительно простого и недорогого синтеза.

При общности рассмотренных механизмов преобразования структуры цементного камня микроразмерными

и наноразмерными частицами кремнезема существует принципиальная разница в эффективности их применения. Это обусловлено прежде всего значительным отличием размеров микро- и наноразмерных частиц кремнезема при том, что по своей субстанциональной природе микро-и наноразмерные частицы кремнезема являются подобными.

Применяемый сегодня в практике микрокремнезем (МК)(Рис.1) является побочным продуктом производства кремния и ферросплавов, состоящим на 80-98% из диоксида кремния аморфной модификации; частицы имеют сферическую форму со средним диаметром 200нм; удельная площадь поверхности, измеренная методом адсорбции азота, составляет 15 000 - 25 000 м2/кг; удельная поверхностная энергия может достигать 18 кДж/кг, а число частиц в единице объема - 1018 шт./м3.

Рис. 1. Основные характеристики кремнеземной пыли: а - форма и размеры зерен (с микрофотографии) ; б - кривая гранулометрического состава

Габариты наноразмерных частиц кремнезема на два порядка меньше

размеров частиц микро-кремнезема и составляют от 1 до 20 нм; удельная площадь поверхности наноразмерных частиц SiO2 может достигать 200000 м2/кг, а удельная поверхностная энергия - до 250 кДж/кг. Это со-зает ситуацию, когда большинство связей атомов наночастиц выходит на поверхность, тем самым, обеспечивая чрезвычайно высокую удельную поверхностную энергию, отнесенную к массе частиц. Обьём улавливания микрокремнезёма в России составляет 30-40 тыс.т. Это ценнейший суперпуццолановый отход, применяемый для производства супервысокопрочных бетонов.

Рентгенометрическое исследование кинетики процесса структуро-образования цементного камня, модифицированного наноразмерными частицами SiO2, выявило следующие закономерности: процесс протекает значительно быстрее, так как уже при длительности твердения 1 час присутствует значительное количество гидросиликатных фаз; процесс фазообразования характерен тем, что доминирующей фазой в данном случае являются более низкоосновные гидросиликаты кальция. С увеличением продолжительности твердения содержание данной фазы увеличивается, при этом уменьшается количество фаз 3СаО SiO2, и более активно происходит увеличение содержания фаз 2СаО^Ю^Н20 и

(СаО)х^Ю2-пН2О. И это связано именно с введением в цементно-водную систему наноразмерных частиц Si02. Существенным отличием применения наноразмерных частиц является то, что их присутствие в системе наблюдается лишь в начальные сроки твердения (8-24 часа); затем они не фиксируются. Это обусловлено их чрезвычайно высокой химической активностью и способностью участвовать в реакциях, вероятно, и по топохимическому механизму.

Высокая удельная поверхностная энергия частиц микрокремнезема и, особенно наночастиц Si02, изменяет термодинамические условия химических реакций и приводит к появлению продуктов твердения измененного, по сравнению с системой твердения без добавки, минералогического, морфологического и дисперсного составов.

2. Экологическая оценка отходов промышленных предприятий (на примере серосодержащих отходов)

Имеются основательные теоретические научные проработки утилизации конкретных отходов (3), например, шламов, зол и шлаков ТЭС непосредственно для выпуска определенных материалов. Так разработаны и апробированы технологии получения из отходов металлургических, нефтеперерабатывающих и нефтехимических, химических, энергетических предпри-

ятий дорогостоящего глиноземистого и расширяющегося цементов, жаростойкого бетона, высокоэффективных добавок - для керамзита, керамического кирпича и других материалов.

Однако, несмотря на разнообразие строительных материалов из промышленных отходов, утилизация отходов к общей массе их образования остается ещё низкой. И поэтому предприятия стройиндустрии, всесторонне и стабильно использующие техногенное сырье с ценными компонентами, не обрели массового характера.

Обьясняется это достаточно сложным поэтапным комплексным подходом к проблеме утилизации отхода, но, безусловно - обязательным с позиции охраны здоровья людей и окружающей среды. К тому же дополняемым ещё экономически целесообразной оценкой применения техногенного сырья, определяющей в конечном итоге - непременно повышающий коэффициент его полезного использования по сравнению с существующими производствами - прямыми потребителями природного сырья.

Технологически поэтапность обоснованности трансфомации отхода в технологическое сырьё для производства стройматериалов и их службы в экслуатационных условиях строительных сооружений определяется:

Установлением пригодности техногенного сырья для нужд стройин-дустриии;

Выбором технологии переработки сырья для производства строительных материалов.

В тоже время определение пригодности отнесения техногенного отхода к классу «потребительского» сырья включает также несколько этапов оценки по различным критериям.

I этап - Оценка токсичности.

Токсичность отхода оценивается путем сравнения состава с ПДК (предельно допустимой концетрацией) канцерогенных (токсичных) веществ и элементов. Здесь возможны три варианта:

Отход содержит значительное количество токсичных веществ, превышающих ПДК;

Отход содержит небольшое количество тяжелых металлов;

В отходе отсутствуют вредные вещества.

В первом случае отход без специальных мер очистки не может быть использован в производстве строительных материалов и направляется на захоронение.

При наличии в составе отхода примесей тяжелых металлов можно рекомендовать его к использованию в обжиговых технологиях при условии образования в массе достаточного для консервации (капсулирования) тяжелых металлов расплава.

В случае отсутствия токсичных элементов рассматриваемый отход рекомендуется ко второму этапу оценки.

II этап - Радиационная безопасность.

В настоящее время сложившаяся практика строительства зданий, с учетом радиационной безопасности предусматривает контроль эффективной удельной активности (Аэф) естественных радионулидов (ЕРН) <К, <Ка, <ТП. Техногенное сырье, имеющее удельную активность ЕРН Аэф<370 Бк/кг (в соответствии с НРБ-96 ГН 2.6.1.054-96) относится к I классу материалов. Это сырье возможно применять для материалов, использующихся во вновь строящихся жилых и общественных зданиях.

Если удельная активность ЕРН Аэфф <740 Бк/кг, то такой отход можно отнести ко II классу материалов, и он должен использоваться только в дорожном строительстве в пределах территории населенных пунктов и зон перспективной застройки, а также при возведении производственных сооружений.

Если удельная активность ЕРН техногенного сырья составляет Аэфф <2,8 кБк/кг - III класс материалов. То отход следует применять для производства материалов, используемых только в дорожном строительстве вне населенных пунктов.

При Аэфф>2,8 кБк/кг вопрос об использовании материалов решается в каждом случае отдельно по согласованию с федеральным органом Госсанэпиднадзора.

III этап - Оценка химико-минералогического состава

Химико-минералогический состав является определяющим фактором для выбора направления использования отхода. Для объективной оценки необходимо определить:

Органическую и минеральную часть;

Вид органики (масла, смолы, дег-ти, растительные остатки и др.);

В минеральной части, кроме содержания основных оксидов (Si02, А12О3, Ге203, ГеО, СаО, МgО и др.), необходимо определять ещё элементарный (качественный) состав с целью выявления наличия редкоземельных металлов.

По соотношению органической и минеральной части все отходы подразделяются на органические, ор-ганоминеральные и минеральные. Компьютерный метод оценки минерального сырья для производства строительных материалов профессора В.И. Соломатова позволяет определять качественный состав по диаграмме Si02-А1203-(R1R2)0. Оценка осуществляется по химическому составу сырья, количеству эвтектического расплава и соотношению между плавнями. Имея ввиду - ещё, частое непостоянство химического состава техногенного сырья, целесообразно распространение этого метода и на определение степени минерализации такого сырья.

Рис. 2. Диаграмма SiO2-Al2O3(R1R2) О. Области химического состава

техногенного сырья: 1 - кремнезёмистого, 2 - глиноземистого, 3 - алюмосиликатного, 4 - щелочесодержащего, 5 - щелоче-силикатного, 6 - щелочеалюминат-ного, 7 - щелочеалюмосиликатного.

IV этап - Объем образования.

Объём образования (много-, малотоннажного) определяет использование отходов в виде основного сырья, либо - в качестве добавок.

Промышленный отход после проведения поэтапной оценки приобретает определенный статус, разрешающий, строителям применение его в производстве строительных материалов.

Однако при подготовке техногенного сырья к производству строительных материалов необходимо учитывать трудоемкость процесса

извлечения ценного компонента из отхода или его очистку от токсичных примесей.

Поэтому учитываются предварительно все затраты на переработку техногенного сырья для трансформации его в кондиционное сырьё.

Всё это и определяет экономическую эффективность применения отхода для производства дешевых строительных материалов.

Вся необходимая информация для дальнейшего использования техногенного сырья разрабатывается специалистами специальных служб. Это способствует серьёзному разрешению проблемы накопления отходов и улучшению экологической обстановки.

3. Эколого-гигиенические требования при производстве строительных материалов

В целях эколого-гигиенической безопасности на предприятиях (1) должен:

Быть разработан нормативно-технический комплекс документов по безопасности труда при работе с тонкодисперсными отходами различных производств;

Применяться технологический способ изготовления материалов, например, бетонов, максимально исключающий контакт работающих людей с тонкодисперсными отходами;

Поддерживаться показатель параметров технологического оборудо-

вания, обеспечивающих требуемую концентрацию содержания вредных веществ в воздухе рабочей зоны;

Организован тщательный контроль над содержанием вредных веществ в воздухе рабочей зоны цехов предприятия;

На предприятии предусмотрен порядок обеспечения работающих людей средствами индивидуальной защиты от пыли, шума и вибрации;

Проводиться регулярный медико-профилактический осмотр рабочих, имеющих контакт с отходами производства;

Контролироваться государственным документом о соответствии предприятия по изготовлению бетонов различных видов на основе техногенных отходов всем санитарно-гигиеническим требованиям;

Утверждённый в установленном порядке перечень требований наличия для всех веществ, входящих в состав бетона, токсикологических характеристик и их соответствия требованиям по содержанию ЕРН;

Исключен любой случай возможности эксплуатационно-климатического воздействия, приводящего к выделению вредных веществ выше гигиенических нормативов и обусловливающего придание материалам аллергенных, канцерогенных и других опасных свойств.

Например, бетон считается экологически чистым, если соответствует требованиям по содержанию естественных радионуклидов и выделению вредных веществ в атмосферу при разных условиях эксплуатации в соответствии с действующими ПДК.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Гусев Б.В. и др. Использование твердых отходов литейного производства в строительной индустрии. Экология и промышленность России, №2, 2005 с. 12-15.

2. А.И. Звездов, Л.А. Малинина, И.Ф. Ру-денко. Технология бетона в вопросах и ответах. М.,2005.

3. Б. А. Усов, А. Н. Волгушев. Технология модифицированных серных бетонов. М., изд-во МГОУ, 2010.

К сожалению, довольно длительное время не уделялось должного внимания окружающей природной среде при его функционировании. Реальность такова, что за экономическое развитие приходится расплачиваться уничтожением флоры, фауны и огромных территорий.

Сегодня чрезвычайно актуальным становится обеспечение максимально возможной защиты окружающей среды от промышленных объектов, которые, потребляя огромное количество природных ресурсов, являются мощными источниками загрязнения.

Влияние на природу

Говорить об эффективной защите природной среды в процессе промышленного производства можно при условии определения взаимосвязи между ними. Деятельность человека в XXI веке явилась определяющим фактором воздействия на природу не только в позитивном, но и в негативном плане. Поэтому защита природы стала носить сегодня глобальный, а не формальный, как в недавнем прошлом, характер. В условиях рыночной экономики предприниматели не заинтересованы в увеличении затрат на защиту окружающей среды, которые, естественно, ведут к повышению стоимости продукции, а значит – к снижению прибыли. Влияние на природу с каждым годом становится более масштабным и к настоящему времени в отдельных районах мира привело к экологическому кризису. Впервые серьезный экологический кризис наблюдался в 1960‑70‑е годы. Уже тогда члены Римского клуба предупреждали человечество о грозящей экологической катастрофе, однако их слова услышаны не были. А экологический кризис тем временем уже начинал углубляться, о чем свидетельствовало заметное снижение самоочищения биосферы, которая уже не могла справляться с отходами, выбрасываемыми в нее предприятиями и людьми.

Главным направлением защиты природной среды сегодня является максимально возможное поддержание экологического равновесия и обеспечение естественных взаимосвязей экосистемы. Наиболее актуальными проблемами экологии в настоящее время являются следующие:

Глобальное загрязнение окружающей природной среды;

Интенсивное сокращение природных ресурсов;

Рациональное использование всех видов ресурсов;

Разумная достаточность производства и потребления;

Экологическое воспитание людей;

Утилизация отходов промышленности и людей;

Обеспечение нормальной жизнедеятельности и здоровья человека.

Взаимосвязь с производством

Взаимодействие промышленного производства и природы должно рассматриваться в единстве, как процесс природопользования государственными институтами. Он носит социальный характер, так как совершается людьми в рамках трудовых отношений. Поскольку производство является составной частью, общественным институтом любого государства, то для него характерны практически все проблемы общества. Взаимное воздействие промышленности и окружающей среды выступает как бы составным элементом экологической системы «человек – природа».

Экологические проблемы чрезвычайно актуальны как для отдельного предприятия и всего промышленного комплекса страны, так и для Земли в целом. Развитие промышленности, с одной стороны, – результат научно-технического прогресса и производственной деятельности людей. А с другой, промышленность – основной потребитель природных ресурсов и мощный источник загрязнения. Несмотря на то что экологическая безопасность отдельно взятых промышленных объектов непрерывно повышается, в целом по стране вопросы защиты окружающей среды встают все острее, что вызвано рядом многих объективных и субъективных причин. Количественное и качественное совершенствование промышленных предприятий как одного из элементов экосистемы «предприятие – природная среда» неизменно приводит к количественно-качественному изменению другого элемента данной экосистемы – природы, а развитие предприятий переводит эти изменения на качественно новый уровень. Так, увеличение производственных мощностей на предприятии и рост выпуска продукции приводят к повышению количества потребляемых ресурсов – а значит, к увеличению вредных выбросов в природную среду. Отношения между двумя параллельными процессами – процессом развития предприятий и промышленности в целом и процессом ухудшения экологической обстановки отражают диалектическое отрицание, которое показывает три основных направления решения вопроса защиты окружающей природной среды.

Первое направление. Полное прекращение промышленного производства.

За это выступает партия Зеленых и организация «Greenpeace», которые, пропагандируя девственность окружающей природы, забывают, что защита природы и прогресс человечества – совершенно противоположные или обратно пропорциональные процессы. Развитие человеческой цивилизации неизбежно ведет к нарушению природной среды, и, наоборот, борьба за чистоту природы требует возвращения к допроизводственному обществу.

Второе направление. Развитие и функционирование промышленных предприятий при игнорировании состояния природной среды, то есть отрицание экологических проблем. Однако это неизбежно приводит к экологическому кризису.

Эти направления – решение проблемы путем уничтожения одного из элементов экосистемы «предприятие – природная среда», а именно – предприятия и промышленности (в первом случае) и природной среды (во втором случае).

Третье направление – оптимальное сочетание функционирования промышленных предприятий с поддержанием максимально возможной их экологической безопасности. Сокращение производства до разумной достаточности и его оптимизация с одновременной защитой окружающей природной среды.

Решение экологических проблем требует научного подхода, как бы ни отличалась современная экологическая обстановка в мире от ситуации с природой сто – сто пятьдесят лет назад.

Экологические противоречия

В процессе взаимодействия промышленных предприятий и природы сегодня существуют следующие экологические противоречия:

Между количеством предприятий и объемами загрязнений (жидких, твердых, газообразных и др. отходов и уровнем различных излучений) природной среды;

Между производственной мощностью предприятия и потребляемыми ресурсами;

Между количеством работающего на предприятиях персонала и количеством отходов;

Между уровнем экологического сознания работников предприятий и состоянием природной среды;

Между используемыми на предприятии технологическими процессами и уровнем различных физических излучений (электрического, магнитного, электромагнитного, теплового, виброшумового, радиационного и др.) в окружающую природную среду.

По своей сути эти противоречия являются внутренними (для экосистемы «предприятие – природная среда»), основными, общими и не антагонистическими. Внутренними, поскольку изменения происходят внутри данной экосистемы. Основными, так как выражают суть взаимодействия от начала до конца, вызывая наибольшее влияние на данном этапе. Общими, потому что характерны для всех экосистем «предприятие – природная среда». Не антагонистическими, поскольку могут быть устранены человеком.

Плата за развитие

Особенностью сегодняшнего дня является формирование во многих странах мира общества потребления. Однако, в соответствии с законами сохранения вещества и их круговорота в природе, ничто ниоткуда не берется и ничто никуда не исчезает. Это значит, что если где‑то построено и функционирует общество потребления, то где‑то должно быть и общество производства. И это общество производства реально существует, например, в Китайской Народной Республике. Сегодня по темпам роста промышленного производства Китай опережает все страны мира, что, естественно, породило множество пока не решаемых экологических проблем. Поэтому рассмотрим влияние бурного развития промышленности и экологическое состояние окружающей природной среды на примере этой страны.

Процесс индустриализации в Китае развивается интенсивнее, чем в Японии и в Южной Корее, но развитие промышленности в КНР происходит при большой нехватке водных ресурсов. Экономические затраты, связанные с нехваткой воды, дополняются потерями, вызванными повышением уровня их загрязнения. На сегодняшний день в КНР загрязнено не менее 70 процентов водных ресурсов, при этом вода из пятидесяти двух рек, протекающих через городские поселения, не может быть использована даже для питья и орошения земель. Из-за низкого качества питьевой воды в результате загрязнения водных источников в Китае наблюдаются случаи заболевания тифом и распространение гепатита А.

Больших масштабов достигло в Китае и загрязнение атмосферы пылевидными частицами и газами. В отличие от экономически развитых стран Европы, в которых главным загрязнителем воздушного бассейна является автомобильный транспорт, в Китае основным источником вредных выбросов в атмосферу выступают тепловые электростанции, разнообразные промышленные и бытовые котельные, паровозы и т. п., сжигающие уголь.

Основной загрязнитель атмосферы при сжигании угля – диоксид углерода, по количеству которого Китай прочно занимает второе место в мире после США, кроме того, в воздушный бассейн выбрасываются недогоревшие углероды (угольная сажа), летучая зола и диоксид серы. Около 70 процентов вредных газовых выбросов в атмосферу приходится на долю промышленности. Среди 600 с лишним китайских городов менее 1 процента соответствуют государственному стандарту Китая по предельно-допустимому уровню загрязнения воздушного бассейна, что наносит значительный ущерб здоровью населения страны.

Из-за интенсивного сельскохозяйственного производства почвенная эрозия в КНР в настоящее время приобрела государственный характер. Особенно она велика в самых больших и густонаселенных районах. Почвенная эрозия не только уменьшает плодородие и снижает урожайность. В результате почвенной эрозии гораздо быстрее, чем обычно предусматривается в проектах, заиливаются искусственно сооружаемые водные резервуары, что сокращает возможность получения электроэнергии от гидроэлектростанций.

Особенно тяжелая ситуация возникает, когда сносится не только почвенный слой, но и материнская порода, на которой он развивается. В результате «глубокой» вспашки и нарушения растительного покрова, а также широкого использования химических удобрений проблема эрозии черноземов в северо-восточной части Китая становится все более актуальной и вызывает озабоченность у китайских специалистов.

Еще одной из самых серьезных и давних экологических проблем современного Китая, связанной с отсутствием воды, является опустынивание территории. Несмотря на то что проблема опустынивания начала решаться правительством с 1950‑х годов, с каждым годом площади потерянных для сельскохозяйственного производства земель постоянно увеличивались. Наибольшие усилия по борьбе с песками были предприняты на протяжении последних двух десятилетий. В стране насчитывается 2,62 миллиона квадратных километров площади пустыни, что составляет 27 процентов от территории всей страны. В настоящее время в некоторых районах эта тенденция находится под контролем, однако процесс дальнейшего опустынивания идет достаточно быстрыми темпами.

В последние двадцать лет Китай продолжает стремительно наращивать темпы экономического роста со скоростью в среднем 8‑9 процентов в год. Успехи экономического развития Китая называют в мире «экономическим чудом», но это «чудо» совершается за счет уничтожения окружающей природной среды, что приводит к экологической деградации и, по мнению многих экспертов, влияет не только на здоровье населения самого Китая, но и на дальнейшие перспективы экономического роста страны. При этом наблюдается явная нехватка людских и финансовых ресурсов, неадекватность штрафов и других мер наказания за экологические нарушения, что препятствует успешной реализации принятых соответствующими институтами законов и программ экологического оздоровления.

За последние тридцать лет Китай активно вовлекался в международный процесс защиты окружающей среды. За это время лидеры КНР демонстрировали свою озабоченность негативным влиянием экономики Китая на мировые экологические процессы и ролью Китая в мировом сообществе. Руководители страны сегодня открыто признают, что принятые ранее меры остановить процесс деградации окружающей среды не дали ожидаемых результатов. Законы о чистоте окружающей среды практически не действуют, однако китайское руководство и ученые все же предпринимают действия по существенному сокращению экологически опасных выбросов.

Таким образом, промышленное и сельскохозяйственное производство в КНР развивается в ущерб окружающей природной среде, что уже дало свои негативные результаты. В Китае существуют огромные загрязненные, покинутые людьми, «мертвые», безжизненные территории и города-призраки, что является ярким примером развития экологического кризиса.

Что делать

Правильное направление развития промышленности сегодня – это оптимальное сочетание промышленного производства и чистоты окружающей природной среды.

В целом, реальные пути решения экологических проблем связаны с исследованиями комплекса фундаментальных сдвигов, включающих и научно-технический прогресс, но не сводящихся к нему.

Развитие науки и техники дает лишь возможность решения экологических проблем, которая только при определенных условиях превращается в реальность.

Современный человек должен и обязан развивать гармоничные отношения с природной средой своего обитания, понимать все процессы развития естественной природы и разумно ими распоряжаться, способствуя обогащению, очеловечиванию, гармонизации природы.

Любому здравомыслящему человеку понятно, что дальнейший научно-технический прогресс необходим для улучшения жизни людей, но не каждый понимает, что вместе с прогрессом необходимо помнить об охране и защите природной среды, именно поэтому в основу всякого развития и функционирования, в том числе и промышленного, должны быть поставлены интересы природы, а не людей. Решение экологических проблем возможно только знающими, компетентными, предвидящими результат своих действий специалистами. Действительно, в любой экосистеме, созданной людьми, человек является ее активным элементом, а природа – пассивным элементом, именно поэтому вся ответственность в защите и охране окружающей природной среды лежит на человеке.

Любая деятельность человека должна осуществляться только при ее экологическом обеспечении на основе современных природоохранных и ресурсосберегающих технологий. Экологическое обеспечение предприятий заключается в одновременной реализации конструктивных, организационно-технических и эрготических мероприятий.

Конструктивные мероприятия закладываются в процессе проектирования и реализуются в процессе строительства. Поскольку данная группа мероприятий соответствует этапу проектирования и строительства объекта, то, учитывая их длительность, они часто устаревают к моменту начала эксплуатации объекта. Конструктивные мероприятия могут быть дополнены и откорректированы в процессе постройки, ремонта, модернизации и переоборудования объекта.

При проектировании объекта необходимо оснастить его системой очистки сточных вод; оборудовать емкостями для сбора опасных загрязнителей, системами контроля сбрасываемых в окружающую природную среду вод; предусмотреть охладители и очистители уходящих дымовых газов, а также устройства очистки и нейтрализации сбрасываемых в атмосферу промышленных газов; исключить расход ресурсов не по прямому назначению (утечки, проливы и т. п.); предотвратить утечки смазок, топлива из систем и оборудования.

Мероприятия по безопасности

Организационно-технические мероприятия по обеспечению экологической безопасности промышленных предприятий разрабатываются на этапе проектирования и корректируются при постройке. С учетом накопленного опыта эксплуатации предприятий организационно-технические мероприятия могут быть изменены и дополнены.

Данные мероприятия включают в себя:

Организацию деятельности предприятия для исключения попадания вредных выбросов в окружающую природную среду;

Организацию контроля над состоянием систем очистки вредных выбросов и окружающей среды;

Обеспечение предприятий переносными средствами контроля над состоянием природной среды и сбора протечек загрязненных вод;

Обеспечение всех предприятий наглядной агитацией по охране окружающей природной среды.

Эрготические мероприятия по обеспечению экологической безопасности промышленных предприятий изложены в правилах, инструкциях, руководствах, наставлениях, директивах и т. п. и определяют действия каждого работника предприятия по снижению вредного воздействия участка, цеха и предприятия в целом на природную среду, а также первичные действия по локализации вредных аварийных выбросов в биосферу. Указанные мероприятия реализуются в процессе повседневной деятельности предприятий.

Эрготическими являются следующие мероприятия:

Правильное и четкое выполнение всех должностных обязанностей, в том числе и по охране окружающей природной среды;

Специальная подготовка всего персонала промышленных комплексов в соответствии со своей должностью;

Экологическое воспитание руководителей и работников;

Подготовка обслуживающего персонала по борьбе с загрязнением окружающей природной среды.

К сожалению, используемые в настоящее время мероприятия по экологическому обеспечению являются пассивными, а для максимальной экологической безопасности предприятий необходимо использовать активные природоохранные мероприятия, например широкое внедрение и использование ресурсосберегающих и безотходных технологий.

Практическая реализация представленных мероприятий дело нелегкое и требует определенного времени с привлечением научного потенциала, но откладывать их практическую реализацию на будущее уже нельзя.

Промышленное производство и окружающая природная среда – две противоположные неразрывные составляющие развития современной человеческой цивилизации. Сегодня на нашей планете проживает более 7 миллиардов человек, и каждый, естественно, хочет жить лучше и безопаснее. Очевидно, что единственным путем дальнейшего существования человека в настоящем и будущем является жизнедеятельность в полной гармонии с окружающим миром, что предполагает развитие и функционирование промышленного производства с учетом интересов природы.

Дальнейшее развитие современной цивилизации на основе использования достижений научно-технического прогресса немыслимо без экологического обеспечения, то есть без бережного и рационального отношения к окружающей природной среде.

Министерство образования и науки РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Факультет - Институт природных ресурсов

Направление (специальность) - Химическая технология и биотехнология

Кафедра - ТОВ и ПМ

Экологические проблемы производств полимеров

по дисциплине «Инновационное развитие химической технологии органических веществ»

Исполнитель

Е.В. Зенкова студент гр.5а83

Руководитель

Л.И. Бондалетова старший преподаватель, к.х.н.

ТОМСК 2012 г.

Введение

.Экологические проблемы в химии и технологии полимерных материалов

.Классификация полимерных отходов

3.Методы утилизации и обезвреживания полимерных материалов

.Очистка сточных вод и газовых выбросов

4.1Методы очистки сточных вод

4.2Методы очистки газовых выбросов полимерных производств

5.Основные принципы разработки безотходных технологий

Заключение

Введение

Производство полимеров представляет собой одну из наиболее динамично развивающихся отраслей промышленности. Мировое производство полимеров в 2010 г. составило 250 млн. т. и возрастает в среднем на 5-6 % ежегодно. Их удельное потребление в развитых странах достигло 85-90 кг/чел. в год и продолжает увеличиваться. Такой интерес производителей полимеров, прежде всего, связан с возможностью получения разнообразных технически ценных материалов на их основе.

Благодаря уникальным физико-химическим, конструкционным и технологическим свойствам полимерные материалы (ПМ) на основе различных пластмасс и эластомеров находят широкое применение в различных областях народного хозяйства и медицине.

Жизнедеятельность общества неизбежно связана с образованием отходов на всех стадиях производства и переработки полимерных материалов. Поэтому актуальность проблемы их утилизации, а так же вреда приносимого здоровью людей и окружающей среде, по-прежнему остается острой.

1. Экологические проблемы в химии и технологии полимерных материалов

Полимерные материалы, как правило, являются многокомпонентными системами, так как для их создания используют кроме полимера различные компоненты (ингредиенты). Получение полимерных материалов, удовлетворяющих эксплуатационным требованиям применительно к различным отраслям промышленности, сельскому хозяйству, быту - является задачей технологии производства полимерных материалов. Многокомпонентность полимеров часто приводит к тому, что их производство, а также практическое использование в ряде случаев осложняется нежелательным процессом выделения из материала вредных низкомолекулярных веществ. В зависимости от условий эксплуатации их количество может составлять до нескольких массовых процентов. В контактирующих с полимерными материалами средах можно обнаружить десятки соединений различной химической природы.

Создание и применение полимеров непосредственно или опосредованно связано с воздействием на организм человека, на окружающую производственную среду и среду обитания человека, а также на окружающую среду в целом. Последнее особенно важно после использования полимеров и изделий из них, когда отработанные материалы подвергаются захоронению в почве, а вредные вещества, высвобождающиеся при разложении полимерного материала, загрязняют почву, сточные воды, ухудшая тем самым состояние окружающей среды. Проблемы экологии производства и применения полимерных материалов.

К каким же последствиям приводит загрязнение, например, земли? В первую очередь к прямому сокращению естественной среды обитания живых существ. Во-вторых, загрязнение какого-то района создает опасность для соседних с ним территорий из-за миграции загрязнений, например, через подпочвенные водоносные горизонты. В-третьих, загрязнение воздуха вредными газами, включая метан и двуокись углерода, создающую парниковый эффект, может привести к глобальным изменениям окружающей среды.

Производство полиэтилена, полипропилена, поливинилхлорида приносит немалые экологические проблемы для окружающей природной среды. Это использование различных токсичных мономеров и катализаторов, образование сточных вод и газовых выбросов, обезвреживание которых сопряжено с большими энергетическими, сырьевыми и трудовыми затратами и не всегда добросовестно выполняется производителями.

Рассмотрим некоторые примеры, связанные с экологией производства основных полимеров.

Производство полиэтилена и других полиолефинов относиться к категории пожароопасных и взрывоопасных (категория А): этилен и пропилен образуют с воздухом взрывчатые смеси. Оба мономера обладают наркотическим действием. ПДК в воздухе этилена составляет 0,05* 10-3 кг/м3, пропилена - 0,05* 10-3 кг/м3. Особенно опасно производство полиэтилена высокого давления (ПЭВД), поскольку оно связано с применением высокого давления и температуры. В связи с возможностью взрывного разложения этилена во время полимеризации реакторы оборудуют специальными предохранительными устройствами (мембраны) и устанавливают в боксах. Управление процессом полностью автоматизировано. При производстве полиэтилена низкого давления и полипропилена особую опасность представляет применяемый в качестве катализатора диэтилалюминийхлорид. Он отличается высокой реакционной способностью. При контакте с водой и кислородом взрывается. Все операции с металлоорганическими соединениями должны проводиться в атмосфере чистого инертного газа (очищенный азот, аргон). Небольшие количества триэтилалюминия можно хранить в запаянных ампулах из прочного стекла. Большие количества следует хранить в герметически закрытых сосудах, в среде сухого азота, либо в виде разбавленного раствора в каком-либо углеводородном растворителе (пентан, гексан, бензин - чтобы не содержали влаги). Триэтилалюминий является токсичным веществом: при вдыхании его пары действуют на легкие, при попадании на кожу возникают болезненные ожоги. В этих производствах используется также бензин. Бензин - легковоспламеняющаяся жидкость, температура вспышки для разных сортов бензина колеблется от - 50 до 28 оС. Концентрационные пределы воспламенения смеси паров бензина с воздухом составляют 2-12 % (объемных). На организм человека это оказывает наркотическое действие. ПДК бензина в воздухе = 10,3*10-3 кг/м3. Порошкообразные полиолефины образуют взрывоопасные смеси. ПДК полипропилена составляет: 0,0126 кг/м3. При транспортировании порошкообразных полиолефинов происходит образование аэрозолей и неизбежно накапливание зарядов статического электричества, что может привести к искрообразованию. Транспортирование полиолефинов по трубопроводу производят в атмосфере инертного газа. Сходным полимером является поливинилхлорид. Производство и использование винилхлорида относят также к категории взрывоопасных и пожароопасных (категория А). Винилхлорид в газообразном состоянии оказывает наркотическое действие, продолжительное пребывание в помещение, в атмосфере которого содержится большое количество винилхлорида, вызывает головокружение и потерю сознания. ПДК в рабочих помещениях составляет 3*10-5 кг/м3. При концентрации 1*10-4 кг/м3 вызывает раздражение слизистых оболочек, а запах начинает ощущаться даже при 2*10-4 кг/м3. Вдыхание паров при открытом испарении мономера вызывает острое отравление. Другие мономеры, используемые при производстве политетрафторэтилена, политрифторхлорэтилена, поливинилфторидов также не менее токсичны.

В этой связи необходимо обеспечивать контроль экологической безопасности процесса создания полимеров и полимерных материалов, их эксплуатации и уничтожения отходов ПМ после их использования человеком.

2. Классификация полимерных отходов

По источникам образования все полимерные отходы делят на три группы:

технологические отходы производства;

отходы производственного потребления;

отходы общественного потребления.

Технологические отходы полимерных материалов возникают при их синтезе и переработке. Они делятся на неустранимые и устранимые технологические отходы. К неустранимым относят кромки, обрезки, литники, обломки, грат и т. д. Таких отходов образуется от 5 до 35 %. Неустранимые отходы представляют собой высококачественное сырье, по свойствам не отличающееся от исходного первичного полимера. Переработка его в изделия не требует специального оборудования и производится на том же предприятии. Устранимые технологические отходы производства образуются при несоблюдении технологических режимов в процессах синтеза и переработки, т. е. это - технологический брак, который может быть сведен к минимуму или совсем устранен. Технологические отходы производства перерабатываются в различные изделия, используются в качестве добавки к исходному сырью и т. д.

Отходы производственного потребления накапливаются в результате выхода из строя изделий из полимерных материалов, не используемых в различных отраслях промышленности (шины, тара и упаковка, отходы сельскохозяйственных пленок, мешки из под удобрений и т. д.). Эти отходы являются наиболее однородными, малозагрязненными и поэтому представляют наибольший интерес с точки зрения их повторной переработки.

Отходы общественного потребления накапливаются у нас дома, на предприятиях питания и т. д., а затем попадают на городские свалки. В конечном итоге они переходят в новую категорию отходов - смешанные отходы. Отходы эти составляют более 50 % от отходов общественного потребления. Количество таких отходов непрерывно растет и составляет в России около 80 кг на душу населения. Наибольшие трудности связаны с переработкой и использованием смешанных отходов. Причина этого заключается в несовместимости термопластов, входящих в состав бытового мусора, что требует постадийного выделения материалов.

Объемы промышленных и бытовых отходов в виде вышедших из употребления изделий из полимеров значительны и постепенно увеличиваются, с учетом прогрессивных материалов упаковки предметов технического и бытового назначения: пищевых продуктов, освежительных напитков, лекарственных средств; выхода из эксплуатации полиэтиленовой пленки, парниковых хозяйств, кормопроизводства; мешков из-под минеральных удобрений, бытовой химии, капроновых сетей, предметов домашнего обихода, соцкультбыта, детских игрушек, спортинвентаря, ковровых напольных покрытий, линолеума, транспортной тары, емкостей; отходов производства и эксплуатации кабеля, полимерных труб и др.; ПЭТ-тары и упаковки и других изделий на основе ПЭТФ.

Кроме этого, массовый импорт промышленных, продовольственных товаров, медицинских средств, косметики и др. в полимерной упаковке увеличивают объемы образования этих отходов.

Указанные отходы специфичны, так как не поддаются гниению, саморазрушению, аккумулируются, занимая земельные площади, загрязняя населенные пункты, водоемы, лесонасаждения. При сжигании выделяют ядовитые газы, на свалках являются благоприятной средой для жизнедеятельности грызунов, насекомых.

Таким образом, промышленные и бытовые отходы полимерных изделий представляют экологическую опасность.

сточный вода утилизация полимерный

3. Методы утилизации и обезвреживания полимерных материалов

Какие же подходы используют для борьбы с загрязнением природы, связанным с производством полимеров?

.Термические методы утилизации и обезвреживания отходов полимерных материалов. Казалось бы, что самым естественным могло бы быть окисление этих органических веществ при высоких температурах или попросту их сжигание. Однако при этом уничтожаются в принципе ценные вещества и материалы. Продуктами сжигания в лучшем случае являются вода и углекислый газ, а это значит, что не удается вернуть даже исходных мономеров, полимеризацией которых получали уничтожаемые полимеры. Кроме того, как уже говорилось выше, выделение в атмосферу больших количеств углекислого газа CO2 приводит к глобальным нежелательным эффектам, в частности к парниковому эффекту. Но еще хуже, что при сжигании образуются вредные летучие вещества, которые загрязняют воздух и, соответственно, воду и землю. Не говоря уже о многочисленных добавках, в том числе красителей и пигментов, в окружающую среду выделяются разнообразные соединения, включающие тяжелые металлы, используемые в качестве катализаторов при синтезе полиэтилена, крайне вредные для здоровья людей.

Термические методы обработки полимерных отходов условно можно разделить:

на термодеструкцию полимерных материалов с получением твердых, жидких и газообразных продуктов;

на сжигание или инспирацию, приводящую к образованию газообразных продуктов и золы.

В свою очередь, термодеструкцию условно разделяют:

на неглубокое терморазложение полимеров при сравнительно невысоких температурах с образованием в основном низкомолекулярных веществ;

на пиролиз при повышенных температурах, приводящих к получению жидких и газообразных продуктов и незначительному количеству твердого остатка.

С помощью пиролиза можно получить целый ряд полезных продуктов, однако данный метод считается весьма энергозатратным и требует применения дорогостоящего оборудования. Существует такой метод, как депонирование на полигонах полимерных отходов, которое явно нецелесообразно, так как большинство пластиков не разлагаются десятки лет, нанося огромный вред почве. Таким образом, традиционные способы утилизации отходов - депонирование и сжигание для полимеров неприемлемы. В первом случае в результате воздействия воды образуются вредные аминосодержащие продукты, во втором - выделяются токсичные газы, такие как цианистый водород, оксиды азота и т.п.

.Создание полимерных материалов с регулируемым сроком эксплуатации. В последние годы возникли и начали практически реализовываться новые идеи синтеза "экологически чистых" полимеров и изделий из них. Речь идет о полимерах и материалах из них, способных более или менее быстро разлагаться в природных условиях. Заметим при этом, что все биологические полимеры, то есть полимеры, синтезируемые растениями и живыми организмами, к числу которых относятся в первую очередь белки и полисахариды, в той или иной степени подвержены разрушению, катализаторами которого являются ферменты. Здесь соблюдается принцип: что создает природа, то она способна разрушить. Если бы этот принцип не срабатывал, то те же полимеры, в огромных количествах производимые микроорганизмами, растениями и животными, после их гибели оставались бы на земле. Такое трудно даже себе представить, ибо это была бы фантастическая мировая свалка трупов всех существовавших на земле организмов. К счастью, этого не происходит, и высокоэффективные биологические катализаторы - ферменты - делают свое дело и успешно справляются с этой задачей. Известны три типа разлагаемых полимерных материалов, именно:

фоторазлагаемые;

биоразлагаемые;

водорастворимые.

Все они обладают достаточной стабильностью в обычных условиях эксплуатации и легко подвергаются разложению. Для придания полимерным материалам способности разрушаться под действием света используют специальные добавки или вводят в состав композиции светочувствительной группы. Для того чтобы такие полимерные материалы нашли практическое применение, они должны удовлетворять следующим требованиям:

в результате модификации не должны существенно изменяться эксплуатационные характеристики полимера;

добавки, вводимые в полимер, не должны быть токсичными;

полимеры должны перерабатываться обычными методами, не подвергаясь при этом разложению;

необходимо, чтобы изделия, полученные из таких полимеров могли храниться и эксплуатироваться длительное время в условиях отсутствия прямого проникновения УФ-лучей;

время до разрушения полимера должно быть известно и варьироваться в широких пределах;

Известны полимеры, разлагающиеся под влиянием микроорганизмов. В этом случае в полимер вводили вещества, которые сами легко разрушаются и усваиваются микроорганизмами. Практическое значение нашли привитые сополимеры крахмала и метилакрилата, пленки из которых используются в сельском хозяйстве для мульчирования почвы. Очень хорошо усваиваются микроорганизмами неразветвленные парафиновые углеводороды. К биоразлагаемым добавкам относятся карбоксилцеллюлоза, лактоза, казеин, дрожжи, мочевина и другие.

.Композиции, содержащие отходы полимерных материалов.

Отходы полимерных материалов широко используются в строительстве. В большинстве асфальтовых дорожных покрытий основным связующим компонентом являются битумы различной природы. Они отличаются недостаточной водостойкостью. Все это в значительной степени ухудшает свойства асфальтовых покрытий и сокращает сроки их эксплуатации. Использование полиолефинов в композиции с битумом является одним из традиционных направлений, позволяющих модифицировать свойства покрытий. Экспериментально установлено, что вводить в полиолефины более 30 % отходов нецелесообразно, так как это может вызвать расслоение системы. Композиции получают, смешивая битум с отходами полиолефинов при 40…100 °С, и выгружают смесь в специальные формы, в которых происходит охлаждение при комнатной температуре.

Можно выделить следующие направления использования отходов в строительстве:

применение в композициях с традиционными стройматериалами с целью модификации их свойств;

получение звукоизоляционных плит и панелей;

создание герметиков, применяемых в строительстве зданий и гидротехнических сооружений.

.Использование отходов полимерных материалов путем повторной переработки. Значительно более перспективным и разумным способом снижения загрязнения окружающей среды полимерами является вторичная переработка отслуживших свой срок полимеров и изделий из них. Проблема эта, однако, не столь проста, как может показаться на первый взгляд, хотя бы уже потому, что мы имеем дело, как правило, с грязными отходами, которые включают, например, частицы песка. Это исключает возможность применения высокопроизводительного и высокотехнологичного оборудования, используемого при первичной переработке исходных полимеров. Это оборудование просто быстро вышло бы из строя из-за абразивного воздействия твердых частиц минерального происхождения. Но даже при переработке, если она возможна в принципе, получаются "грязные" изделия, товарный вид и потребительские свойства которых не могут конкурировать с первичными изделиями. Здесь, правда, есть возможность использовать продукты вторичной переработки по другому назначению, предполагающему существенно пониженные требования. В частности, загрязненные изделия из полиэтилена могут быть переработаны в пластины толщиной в несколько миллиметров для применения в качестве кровельного материала, имеющего ряд неоспоримых преимуществ перед традиционными, таких, как низкая плотность, а значит, малый вес, гибкость и коррозионная стойкость, а также низкая теплопроводность, а значит, хорошие теплоизолирующие свойства.

Общая схема повторной переработки полимерных материалов включает в себя следующие стадии:

предварительная сортировка и очистка;

измельчение;

отмывка и сепарация;

классификация по видам;

сушка, гранулирование и переработка в изделие.

Наибольшие успехи в этом достигнуты при вторичной переработке крупнотоннажных изделий из каучуков, например шин, в том числе автомобильных. Их приготавливают из вулканизированных каучуков, наполненных сажей, содержание которой в шинах, имеющих из-за этого черный цвет, достигает 40% по весу. По истечении срока эксплуатации такие шины не выбрасывают, а дробят, получая крошку. Дробление при помощи недорогого оборудования позволяет получить крупные частицы, размеры которых достигают одного миллиметра и более. Эти крупные частицы добавляют в материалы для покрытия дорог, что значительно улучшает их механические характеристики и долговечность. Специальные машины позволяют получать тонкие дисперсии, частицы которых имеют размер около 0,01 миллиметра. Эту крошку добавляют в каучуки при производстве новых шин, значительно экономя сырье. При этом качество полученных таким образом шин практически не уступает исходным. Такой подход позволяет одновременно заметно снизить вред для окружающей среды из-за ее замусоривания бесполезными изделиями и в то же время значительно экономить расход каучуков, получаемых либо полимеризацией продуктов переработки нефти, либо из латексного сока деревьев гевеи.

4. Очистка сточных вод и газовых выбросов

1 Методы очистки сточных вод

Большинство предприятий по производству синтетических полимеров и пластических масс образуют большое количество сточных вод, содержащие загрязнители различного происхождения. Они без глубокой очистки сбрасываются в реки, водоемы и тем самым загрязняют их, что приводит к ухудшению состояния окружающей среды. В настоящее время эта проблема стала настолько актуальной, что в перспективе необходимо полностью исключить образование сточных вод вплоть до полной их ликвидации на основе циклических процессов. Максимально экономное расходование воды позволит сократить объем сточных вод; полная их ликвидация и минимальное потребление свежей воды возможно лишь посредством создания бессточных процессов, работающих по замкнутому циклу. Опыт проектирования таких производств показал, что помимо всех остальных преимуществ, это еще и экономичнее открытой схемы со сбросом и очисткой сточных вод.

В качестве наиболее употребительных методов следует указать следующие:

·для удаления грубодисперсных частиц - отстаивание, флотация, фильтрация, осветление, центрифугирование;

·для удаления мелкодисперсных и коллоидных частиц - коагуляция, флокуляция, электрические методы осаждения;

·для очистки от неорганических соединений - дистилляция, ионный обмен, методы охлаждения, электрические методы;

·для очистки от органических соединений - экстракция, абсорбция, флотация, биологическое окисление, озонирование, хлорирование.

·для очистки от газов и паров - отдувка, нагрев, реагентные методы;

·для уничтожения вредных веществ - термическое разложение.

Применяемые методы очистки определяются объемами стоков, количеством, дисперсностью и составом примесей. Ввиду многочисленности примесей и их слоистого состава, как правило, методы очистки применяются комплексно.

Создание на предприятиях эффективно действующих очистных установок предназначено для:

·предупреждения загрязнения природных вод промышленными стоками;

·сокращение потребляемой воды, т.к. возврат очищенной воды в производственный цикл позволяет организовать круговорот воды на предприятии.

2 Методы очистки газовых выбросов полимерных производств

Получение полимерных материалов сопровождается выделением токсичных веществ, содержащихся в газовых выбросах. В зависимости от объемов и состава газовых выбросов разработаны различные методы их очистки от токсичных веществ: огневой, термокаталитический, сорбционно-каталитический.

Огневой метод. Прямое сжигание газовых выбросов может осуществляться как в сушильных установках, так и в топках котлов, в последних степень обезвреживания составляет 99 % при температурах 1000…2000 °С.

Термокаталитический метод обезвреживания происходит при температуре до 400 °С. Очистка выбросов заключается в окислении органических веществ при 360…400 °С в присутствии катализаторов платиновой группы. Окисление органических соединений идет до образования диоксида углерода и воды. Степень очистки составляет 95…97%. Сорбционно-каталитический метод используют для очистки газовых выбросов с низким содержанием органических соединений.

5. Основные принципы разработки безотходных технологий

Безотходный процесс - это такой способ производства продукции, при котором наиболее рационально и комплексно используются сырье и энергия в цикле: сырьевые ресурсы - производство - потребление и вторичные сырьевые ресурсы таким образом, что любые воздействия на окружающую среду не нарушают ее нормального функционирования.

К важнейшим принципам, лежащим в основе БОП, относят следующие:

системность;

комплексное использование сырьевых и энергетических ресурсов;

цикличность материальных потоков;

экологическая безопасность;

рациональная организация;

комбинирование и межотраслевое кооперирование.

Главное в малоотходном и тем более в безотходном производстве - не переработка отходов, а организация технологических процессов по переработке сырья таким образом, чтобы отходы не образовывались в самом производстве. Ведь отходы производства - это часть по тем или иным причинам неиспользованного сырья: полуфабрикаты, бракованная продукция и т. п., не утилизируемые на данный период времени и поступающие в окружающую среду. Однако в большинстве случаев отходы являются сырьем для других производств и отраслей промышленности. Основы технологии переработки пластмасс.

Основные требования при разработке БОП можно сформулировать следующим образом:

безусловное соблюдение норм содержания веществ в воздухе и водных бассейнах;

эффективное осуществление технологического процесса;

использование возможно более экономичных (с учетом соблюдения двух первых требований) технологических схем очистки газов и жидкостей.

Сочетание трех перечисленных требований по-новому ставит задачу выбора оптимальных решений. Так, с чисто технологических позиций, вывод из эксплуатации предприятия, работающего по старой технологии, которая неизбежно связана со значительными выбросами, может оказаться преждевременным. Однако при комплексном подходе к решению этой задачи может быть оправданным скорейшее строительство нового цеха и ликвидация действующего. Отсутствие строгой экономической оценки ущерба, наносимого окружающей среде вредными выбросами, пока осложняет поиск оптимального пути. Наиболее рациональным подходом к решению проблемы является, прежде всего, совершенствование основного технологического процесса, предполагающего сокращение объемов циркулирующих материалов и ликвидация возможных газовых и жидкостных выбросов.

Заключение

Нынешнее поколение людей убедилось наконец в том, что окружающая нас среда - земля, вода и воздух не обладают бесконечным иммунитетом против химической эксплуатации. И хотя сегодня еще проявляется беспечное и неосторожное обращение с природой, люди уже начали понимать и по-новому оценивать катастрофические последствия этого.

Важность решения экологических проблем обусловила жесткие требования к полимерам и технологиям их получения: производство полимеров должно быть экологически чистым или, по крайней мере, иметь минимальное влияние на окружающую среду; полимеры должны быть технологически перерабатываемыми после окончания их эксплуатации или биодеградируемыми.

Широкое внедрение полимерных материалов в различные области человеческой деятельности поставило перед специалистами-полимерщиками ряд важных проблем, включая и проблему охраны окружающей среды. Чтобы грамотно решать эти задачи, необходимо знать методы утилизации и обезвреживания полимерных материалов. При внедрении изделий из пластических масс в народное хозяйство, для пищевых и медицинских целей необходима обязательная квалифицированная экспертиза состава выделяющихся токсичных веществ и их количественная оценка с использованием высокочувствительных и избирательных методов. Особенно большое значение в плане снижения количества отходов, их рационального использования, создания безотходных технологий, имеют процессы переработки вторичных полимерных материалов в связи с дефицитом первичных полимеров. Вторичные полимерные материалы занимают в процессах переработки такое же место, как сейчас занимает вторичное сырье в металлургии.

Перечень использованных источников

1.Российский рынок переработки полимерных отходов. Аналитический обзор. Москва, 2010.

.Технология пластических масс. Под ред. В.В. Коршака. М.: Химия, 1985, 560с.

3.Проблемы экологии производства и применения полимерных материалов. Лирова Б. И. , Суворова А. И., Уральский государственный университет, 2007, 24 c.

.А. Б. Зезин, Полимеры и окружающая среда. Соровский образовательный журнал, 1996, №2

5.Быстров Г.А. Оборудование и утилизация отходов в производстве пластмасс. М.:, Химия, 1982 г.

.Шефтель В.О. Полимерные материалы. Токсические свойства. Л., Химия 1982, 240с.

.#"justify">.Основы технологии переработки пластмасс. Под ред. В.Н.

Кулезнева, М.: Высшая школа, 1995, 527с., 2004, 600 с.

.Общая химическая технология полимеров: учебное пособие / В. М. Сутягин, А. А. Ляпков - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2007. - 195 с.

10.Ляпков А.А., Ионова Е.И. Техника защиты окружающей среды. Учебное пособие. - Томск: Изд. ТПУ, 2008. - 317 с.

Похожие работы на - Экологические проблемы производств полимеров

---