7.5. Технологічні аспекти підвищення рівня регіональної екологічної безпеки шляхом залучення відходів різних господарчих комплексів у процеси одержання продукції цільового призначення

7.5.1. Господарський комплекс машинобудування та металообробки

Дані по хімічному складу металургічних шлаків (МШ) і пилу та шламів пилогазоочистки печей та ливарних ділянок (ШМО) вказує на можливість одержання з них в'яжучих матеріалів для бетонних сумішей при введенні лужних чи сульфатних матеріалів. У цьому випадку оксиди кальцію, кремнію, алюмінію і заліза здатні утворювати гідратні сполуки [15] виду:

3Ca ∙ Al₂O₃ ∙Fe₂O₃ ∙ 6H₂O – гідроалюмоферит кальцію,

3Ca ∙ Al₂O₃ ∙Fe₂O₃ ∙ Si₂∙ 8H₂O – гідроалюмоферосилікат кальцію,

3Ca ∙ Al₂O₃∙ Fe₂O₃ ∙CaSO₄ ∙12H₂O – гідросульфатоалюмоферит кальцію.

Металеві включення, що знаходяться у відвалах, при тривалому (3-5 років) зберіганні значною мірою кородують, що призводить до безповоротної втрати металу, який міститься в МШ і погіршенню властивостей шлаку. Тому, доцільно переробляти шлаки поточного виробництва. Це дає можливість найбільш повно використовувати всі їх компоненти.

Технологічна схема переробки МШ, представлена на рис.7.10. Докладний опис вказаної схеми можна знайти в [16]. Мелений шлак дисперсністю 20-50 мкм використовується, зокрема, як добавка до бетонних сумішей і як основа безцементного в'яжучого. Добавка мелених МШ сприяє збільшенню міцності бетону в середньому на 3-8% і зменшенню водопоглинання на 10-20%. Оптимальна витрата шлаку при цьому складає 30-50 кг/м³ бетонної суміші [17].

Доцільно залучати до процесу одержання бетонних виробів (поряд з розглянутими відходами) широку гаму різноманітних відходів інших господарських комплексів. Так, до складу бетонних сумішей можуть бути введені [16] лужні відходи (некондиційні відходи виробництва соди, глинозему,

рідкого скла, лугу; лужний сплав виробництва капролактаму; тверда фаза лужного очищення виливків). Як заповнювач використовується відхід

Рис. 7.10

Рідкий сталеливарний шлак

Попередня обробка

Вторинні метало-ресурси

Метал

Дробнення, вилучення металу

МШ фракції

20-50 мкм

Відходи виробництва доломіту, вапняка, ракушняка та ін.

I

Розмол, вилучення металу

II

Шлакове в’яжуче

Лужні

відходи

Дрібнодисперсний шлам

Добавки

до

бетоних сумішей

Відпрацьований травильний розчин

Нейтралізація ВТР

Розчин солей заліза

Гідроксид

заліза

Аміак

Змішування в реакторі-змішувачі

Сульфат амонію

Азотні добрива

Рисунок 7.10 - Принципова схема переробки металургічних шлаків разом з відходами інших виробництв (I, II – шляхи використання тонкомеленого шлаку)

виробництва гранітного щебеню (гранвідсів фракції 0,1-5мм) і шлаковий пісок (дисперсність 0,1-0,3 мм, основність 0,8-1,5), що містить (у мас. %): Si₂ - 2540; Ca - 2040; Al₂O₃ - 211; Mg - 35; Mn - 13; Fe₂O₃ - 12,5; Fe - 26. Ущільнююча добавка являє собою відхід відпрацьованих розчинів, що утворюються при обробці поверхонь чорних металів і сплавів мінеральною кислотою (сірчаною, фосфорною, соляною). Ці розчини містять 150-180 г/дм³ солей заліза Fe₂(SO₄)₃, FeCl₃, Fe(H₂PO₄)₃ і 20-40 г/дм³ непрореагованої кислоти. Конкретні кількісні характеристики використовуваних відходів можна знайти в [18,19].

Компоненти, що входять до складу бетонної суміші, здатні взаємодіяти один з одним, утворюючи при цьому міцні комплекси. Завдяки цьому зменшується кількість капілярів (частина їх закупорюється), що перешкоджає проникненню води всередину виробів. У результаті знижується водопоглинання і підвищується морозостійкість зразків. При модифікації МШ утворюється склофаза, яка при підвищенні температури (у процесі термообробки виробів) набуває високої хімічної активності і в присутності лужного компонента взаємодіє з заповнювачем і шлаковим піском, дозволяючи одержувати міцні бетони. Результати іспитів бетонних виробів по стандартним методикам [20] свідчать про їх досить високі експлуатаційні властивості (у дужках зазначені значення відповідних параметрів виробів, виготовлених із традиційних сумішей [21]): водопоглинання – 3,85,2 (5,8)%, морозостійкість – 3243 (25) циклів заморожування-відтавання, міцність на стиск після пропарювання – 20,522,0 (21,4) МПа. Це вказує на доцільність застосування розглянутих відходів при одержанні бетонних виробів.

Одним з варіантів застосування мелених МШ є використання їх у виробництві керамічної цегли й оздоблювальної плитки. За даними [22,23] МШ здатні утворювати легкоплавкі структури (плавні). Введення в керамічні маси 3-6% мелених МШ сприяє зниженню температури випалу керамічних виробів на 20-50⁰С с одночасним підвищенням їх міцності на 3-9%. Зменшення витрати теплової енергії на випал виробів призводить до зниження кількості вуглеводневої сировини, що спалюється. За оціночними розрахунками на 1 тис. штук цегельних виробів економія умовного палива складає 20-30 кг [16].

Нижче наведено шляхи використання відпрацьованої формувальної і стрижневої суміші. Один з варіантів представлений на рис. 7.11 [16]. Концентровані травильні розчини доцільно застосовувати як модифікуючий реагент, а підготовлена ВФСС використовується як дрібний заповнювач для бетонних сумішей. Добавка модифікованої ВФСС у кількості 150-250 кг/т практично не погіршує міцнісних характеристик, а водопоглинання при цьому зменшується на 7-10%. У процесі обробки ВФСС (рис. 7.11) утворюється вторинний відход - пилеподібна фракція з розмірами часток 20100 мкм, збагачена компонентами, що вигорають, в кількості 8-10 мас%. Доцільно вводити цей відход у суміші при виготовленні глиняних цеглин і керамічної плитки. Одержані вироби не поступаються за експлуатаційними характеристиками продукції, що випускається серійно цегельними заводами [16].

Компоненти, що залучаються до процесу переробки

Технологічна операція

Одержаний продукт

Галузь використання

Вторинні метало-ресурси

Метал

Дрібнення, вилучення металевих включень

ВФСС

МодифікованаВФСС

Дрібний заповнювач бетонних сумішей

Відпрацьо-ваний травильний розчин

Вторинний відхід фракції

20-100 мкм

Змішування, розділення фракцій

Добавка при виробництві глиняної цегли та керамічної плитки

Рисунок 7.11 – Принципова схема переробки ВФСС

Нижче наведено шляхи підвищення рівня екологічної безпеки за рахунок використання пилеподібних відходів розглянутого господарського комплексу в якості вторинних (техногенних) сировинних ресурсів в індустрії будівельних матеріалів. Ці відходи утворюються як у процесах виплавки і наступного розливання металу у форми (перший вид), так і при підготовці формувальних матеріалів (другий вид). ШПО мають інтенсивний червоно-коричневий колір і тому використовуються як барвник у виробництві декоративних бетонів. Встановлено [16], що введення ШПО в кількості 10-30 кг/м³ не погіршує міцнісні характеристики бетону. З аналогічною метою ШПО використовують у керамічних виробах. У цьому випадку може бути одержана широка кольорова гама зразків червоно-коричневих тонів. Додавання ШПО в кількості від 40 до 100 кг на 1м³ маси сприяє зменшенню температури спікання на 10-30⁰С. Введення такої ж кількості ШПО другого виду до складу керамічних мас дозволяє зменшити витрату енергії на випал виробів (у середньому на 10-30 кг умовного палива в розрахунку на 1 м³ керамічної маси).

ШПО спільно зі шламами очищення гальванічних і травильних відпрацьованих розчинів можуть бути основою для одержання в'яжучих матеріалів.

Реалізація запропонованого напрямку використання ШПО (у поєднанні з іншими відходами) дозволяє:

- знизити рівень екологічної небезпеки за рахунок зменшення обсягів їх складування;

- заощаджувати традиційні барвники (наприклад, залізний сурик) у виробництві декоративних бетонних виробів і оздоблювальних матеріалів з кераміки;

- зменшити витрати енергії на випал керамічних виробів за рахунок утворення більш легкоплавких сполук.

Розглянемо можливості застосування відпрацьованих футерівок. Останні містять склофазу, яка легко відокремлюється і має властивості безцементного в'яжучого. Цей факт можна використати при приготуванні бетонних виробів з вяжучого на основі меленої фази відпрацьованих футерівок та гідроксиду кальцію. Оптимальними (у плані міцнісних характеристик і водопоглинання) є вміст зазначених інгредієнтів 450 кг і 40 кг, відповідно, на 1м³ бетонній суміші [16].

Порівняння результатів визначення вмісту основних компонентів у ШПО і шламах, що утворюються в результаті обробки стічних вод гальванічних та травильних ділянок, зі структурою цементного каменю (у ньому за даними [24] містяться гідросульфоалюмоферити, гідроалюмоферити, гідрокарбоалюмінаті кальцію) указує на доцільність приготування в'яжучих для бетонних виробів з використанням зазначених шламів. При цьому необхідно вводити домішки у вигляді Ca, Al₂O₃ і CaCO₃. Слід зазначити, що 35-40% оксиду кальцію і 20-25% карбонату кальцію містяться у відходах виробництва вапна, де також є 10-15% Al₂O₃. Нестача останнього інгредієнта компенсується використанням відходів збагачення каоліну. Найкращими якостями володіє наступний склад бетонних сумішей (мас. %): шлами очищення травильних розчинів – 29; шлами очищення гальванічних розчинів – 6; ШПО – 11; відходи виробництва вапна – 43; відходи збагачення каоліну – 11. На рис. 7.12 представлені результати дослідження водяних витяжок на вміст іонів важких металів. Згідно [25] вміст ІВМ у водних середовищах регламентується наступними величинами гранично допустимих концентрацій (ГДК): для іонів цинку і міді – 1,0 мг/дм³; заліза і хрому – 0,5 мг/дм³, нікелю – 0,1 мг/дм³. Як видно з рис. 6.6, для всіх іонів реальні концентрації помітно нижчі значень ГДК, навіть при витримці зразків у воді протягом 50 діб. Приведені результати свідчать про те, що отримані шлакобетонні вироби є безпечними матеріалами.

Р исунок – 7.12. Концентрація (З) іонів важких металів у водяній витяжці залежно від часу (t) витримки зразка у воді (криві приведені для наступних іонів: 1 – заліза (ІІІ); 2 – цинку; 3 – міді; 4 – хрому; 5 - нікелю)