Перейти к основному содержанию

1566

пользователей

464

материала

Минимизация негативного воздействия на окружающую среду отходов стекла путем использования в строительстве"

24.01.2020
313
В научной работе рассмотрено предотвращение негативного техногенного воздействия на окружающую среду отходов стекла путём научного обоснования рационального использования стеклобоя, как вторичного ресурса с получением экологически безопасных целевых продуктов конкурентоспособных по сравнению с аналогами, полученными из первичных материалов.

Полный текст диссертации на сайте ФГБОУ ВО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет 

 

Автореферат

 

Кетов Петр Александрович

25.00.36 – Геоэкология (в строительстве и ЖКХ)

Пермь, 2019

 

Актуальность темы исследования.

Одной из основных задач геоэкологии является сохранение жизнеобеспечивающих ресурсов геосферных оболочек под влиянием антропогенных факторов, их охрана и рациональное использование. В настоящее время одним из перспективных направлений снижения негативных техногенных воздействий на окружающую среду и население при осуществлении строительной и хозяйственной деятельности является создание экологически благоприятных энергоресурсосберегающих технологий, в которых вместо первичных применяются вторичные сырьевые материалы, что позволяет снизить объемы размещения в окружающей среде неутилизируемых отходов и вовлечь их в ресурсный цикл, снизив при этом объемы использования первичных природных ресурсов. Отходы стекла, основную массу которых составляет стеклобой, являются одним из основных компонентов твердых коммунальных отходов (ТКО), некоторых видов промышленных отходов и электроники. Неутилизируемые отходы стекла, размещаемые в окружающей среде без проведения необходимых защитных мероприятий, вызывают загрязнение почв, поверхностных и подземных вод продуктами выщелачивания, выводят земли из хозяйственного оборота в результате засорения травмоопасными осколками стекла, что приводит к ограничению природопользования, сверхнормативному износу машин и механизмов в результате повреждения их подвижных частей и элементов. Стеклобой в незначительной степени используется вторично, а наиболее экологически опасное свинецсодержащее стекло вообще не подвергается вторичной переработке, традиционно не выделяется из общего потока стеклобоя, что затрудняет вовлечение в ресурсный цикл материального потенциала отходов стекла. Учитывая экологическую опасность для окружающей среды неутилизируемых отходов стекла, их вторичное использование с получением экологически безопасных строительных материалов по малоотходной технологии является актуальной задачей.

Тема диссертации соответствует паспорту специальности 25.00.36 – Геоэкология: пункт 5.16. «Технические средства, технологии и сооружения для локализации и ликвидации негативных природных и техногенных воздействий на окружающую среду при осуществлении строительной и хозяйственной деятельности». Степень разработанности темы

При работе над диссертацией был проведён анализ научных, патентных и нормативных источников. Выявлено, что вопрос воздействия отходов стекла на окружающую среду изучен мало, а обоснование технических решений для минимизации негативного воздействия отходов стекла на окружающую среду не проводилось.

Цель диссертационной работы – предотвращение негативного техногенного воздействия на окружающую среду отходов стекла путем научного обоснования рационального использования стеклобоя, как вторичного ресурса с получением экологически безопасных целевых продуктов, конкурентоспособных по сравнению с аналогами, полученными из первичных материалов. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи.

1. Оценить экологическую техногенную нагрузку, формируемую отходами стекла при их размещении в окружающей среде и известные технологии, обеспечивающие снижение этой нагрузки.

2. Обосновать перспективные направления разработки экологически безопасных ресурсосберегающих технологий утилизации отходов стекла для минимизации воздействия на геосферные оболочки, с получением экологически безопасных строительных материалов с заданными целевыми показателями, как на этапе производства, так и на протяжении всего их жизненного цикла.

3. Выявить механизм и закономерности выщелачивания из отходов стекла компонентов, приводящих к загрязнению почв и водных объектов. Исследовать специфичные свойства отходов стекла, как материала и оценить эти свойства с точки зрения ресурсного потенциала для научно обоснованного метода вторичного использования отходов стекла направленной переработкой в новые материалы.

4. Для ликвидации негативного воздействия стеклобоя на окружающую среду предложить технические решения и технологию вовлечения отходов стекла в ресурсный цикл с получением экологически безопасного строительного материала.

Научная новизна работы.

1. Установлены структура и масштабы экологической техногенной нагрузки, формируемой отходами стекла при размещении в окружающей среде. Выявлено, что структура экологической нагрузки состоит из трех основных составляющих: выведении из хозяйственного оборота земель, занятых под складирование неутилизируемых остатков отходов стекла; загрязнения почв и водных объектов компонентами, выщелачиваемыми из отходов стекла; ограничением природопользования в результате засорения травмоопасными осколками стекла объектов окружающей среды.

2. Определены специфичные ресурсные свойства стеклобоя, такие как выщелачиваемость в дисперсном состоянии и термопластичность, отличающие его от других отходов. Эмиссия ионов натрия из отходов натрий-кальциевого силикатного стекла при дисперсности стекла менее 0,04 мм достигает 0,5-0,7 мг Na+ на грамм стекла. Показано, что силикатное свинецсодержащее стекло при дисперсности менее 0,063 мм в нейтральной среде выделяет 1,1 мг свинца (II) на грамм стекла, в щелочной среде до 7,5 мг свинца (II) на грамм стекла и 6,5 мг свинца (II) на грамм стекла в кислой среде. Доказано, что химической активности дисперсного стекла, выраженной в выщелачивании поверхности, достаточно для создания вяжущих композиций и их отверждения.

3. Впервые доказано, что вспенивающим агентом при получении ячеистого материала из отходов стекла в термопластичном состоянии могут быть пары воды. Установлен факт газовыделения в интервале 720-820ºС. Экспериментально доказана возможность получения ячеистого материала из вторичных отходов стекла вместо первичного специального стекла. Выявлены условия получения ячеистого стеклокристаллического материала с кажущейся плотностью 160- 500 кг/м3 и частичной кристаллизации материала. Впервые изучены физические 5 свойства ячеистого стеклокристаллического материала, получаемого из несортового стеклобоя (кажущаяся плотность, прочность, теплопроводность) и установлено их соответствие требованиям, предъявляемым к строительным теплоизоляционным материалам, аналогичным пеностеклу.

4. Доказана возможность получения из отходов стекла экологически безопасного для геосферы материала, количество выщелачиваемых компонентов из которого находится ниже предела обнаружения. Получение ячеистого материала из отходов стекла позволяет исключить их размещение в окружающей среде и снизить применение первичных природных ресурсов.

Теоретическая и практическая значимость заключается в научном обосновании охраны ресурсов Земли от стеклобоя и рационального использования отходов стекла в качестве вторичных материальных ресурсов для нужд строительной отрасли:

− исследованы процессы образования и накопления отходов стекла, особенности формирования экологической техногенной нагрузки при их размещении в окружающей среде, выявлен комплексный характер ущерба от размещения стеклобоя в окружающей среде;

- определен ущерб от размещения неутилизируемых отходов стекла, который составляет при расчете по стандартной методике для натрийкальциевого стекла 5200 рублей на тонну, для свинецсодержащего стекла размер ущерба составляет 7800 рублей на тонну;

- разработана технология вяжущих композиций на основе тонкодисперсных отходов стекла различных видов и щелочно-силикатного вяжущего, позволяющая получать материалы с прочностью на сжатие до 80-90 МПа, применимые для производства бетонов или ячеистых материалов после термообработки; - предложены технические решения и найдены составы для направленного изменения вяжущих композиций на основе тонкодисперсных отходов стекла для получения ячеистых материалов с плотностью от 180 кг/м3 до 550 кг/м 3 термообработкой при 720-850ºС;

- разработана технология производства ячеистых стеклокристаллических изделий из вторичного сырья - отходов стекла, без использования серосодержащих компонентов, характерных для производства из первичного сырья аналогичного материала – пеностекла, по известным технологиям;

- предложены технические решения рециклинга полученного ячеистого стеклокристаллического материала в производстве строительных теплоизоляционных изделий;

- по результатам работы получено четыре патента РФ, два из которых положены в основу проектируемых производств;

- результаты работы используются в учебном процессе по направлению «техносферная безопасность» на кафедре «Охрана окружающей среды» ПНИПУ;

- разработаны Технические условия – «Ячеистая стеклокерамика и изделия из нее «TeploStek» ТУ 5752-001-13572436-2014 от 05.02.2014 г. утвержденные ООО «ТеплоСтек». Проведена промышленная апробация разработанных предложений по производству из отходов стекла ячеистых 6 стеклокристаллических блоков. Выпущена опытная партия ячеистых стеклокристаллических блоков;

- экономический эффект от использования материала при строительстве пилотного объекта - индивидуального жилого дома, составил 7200 рублей на кубометр материала или суммарно 468 тысяч рублей. Методология и методы исследования базируются на обобщении, сравнении, эксперименте и экологической оценке по жизненному циклу отрицательных воздействий техногенных отходов стекла. Использованы стандартные методики исследований физико-механических свойств материалов, метод математического планирования эксперимента и обработки его результатов, методы рентгенофазового, микроструктурного и химического анализов, также метод экологической оценки отрицательных воздействий разработанных изделий по жизненному циклу.

 

Положения, выносимые на защиту.

1. Выявленные закономерности формирования, структура и масштабы техногенной нагрузки, оценка и геоэкологическое обоснование ущерба от размещения отходов стекла в объектах окружающей среды и научно обоснованные методы предотвращения негативного воздействия стеклобоя на геосферу путем переработки в экологически безопасный материал с возможностью его рециклинга.

2. Результаты исследований выщелачивания, как ионного обмена с поверхности стекол, и возможность применения этого эффекта для создания вяжущих композиций при формировании новых композиционных материалов.

3. Результаты термического поведения композиционных материалов на основе отходов стекла, процессов газообразования при термообработке и оптимальные составы и режимы получения ячеистых стеклокристаллических материалов из отходов стекла.

4. Научное обоснование получения строительного теплоизоляционного материала на основе отходов стекла, как вторичного ресурса, без использования первичных материалов и серосодержащих газообразователей с возможным применением рециклинга получаемого продукта

5. Результаты опытного внедрения предложенной технологии изготовления экологически безопасного строительного ячеистого стеклокристаллического материала на основе отходов стекла и выявленных технического, экологического и экономического эффектов от применения тонкодисперсных отходов стекла в производстве этого материала. 

 

 

Портал создан в рамках проекта "Чистые берега"

altalt