Учет структурной нестабильности и управление свойствами техногенного сырья
Вообще, производство качественной промышленной продукции и, в том числе, при использовании отходов, определяется целым рядом факторов, неучет которых может приводить к непостоянству свойств, повышению выхода брака. Качество готовых изделий, например, строительных материалов, композитов, может определяться как отклонение от средних или нормированных значений (, %) по уравнению: = х + т с , где х – нестабильность свойств, связанная с колебаниями химического и минералогического состава сырьевых компонентов, в том числе, техногенных отходов, т – нестабильность свойств, связанная с особенностями осуществления технологического цикла на данном предприятии, контролем производства, с - изменения свойств, связанные со структурной нестабильностью сырья.
Повышение качества выпускаемой продукции, а значит, уменьшение значений может быть достигнуто или использованием сырья постоянного состава, или учетом в технологии возможных колебаний этого состава, а также за счет ужесточения требований к технологии. Влияние нестабильности структуры с может приводить как к повышению, так и снижению качества выпускаемой продукции (плюс или минус в рассматриваемом уравнении перед слагаемым с). В тех случаях, когда структурная нестабильность (активность) реализуется в технологии синтеза строительного материала, например, в гидротермальных условиях (силикатные бетоны), в высокотемпературных технологиях (портландцементный клинкер, керамические изделия, ситаллы и т.д.), а в случае гидравлически активных фаз и при нормальных условиях, она оказывает положительное влияние на повышение качества продукции (слагаемое с входит в предлагаемое уравнение со знаком минус).
Использование активированных, структурно нестабильных фаз в технологиях, не обеспечивающих их деактивацию и соответствующую интенсификацию синтеза композита, может приводить к ряду негативных последствий. Нестабильность свойств получаемого композита возрастает (слагаемое с входит в предлагаемое уравнение со знаком плюс). При этом на выходе из производственного цикла возможно как ухудшение, так и временное улучшение физико-механических характеристик композиционных материалов. Последнее может наблюдаться, например, при синтезе бетонов на основе портландцементных вяжущих в нормальных условиях или при пропарке. В этом случае интенсификация процессов гидратации осуществляется за счет более активной поверхности нестабильных фаз. Однако в процессе эксплуатации остаточные напряжения и внутренняя нестабильность фаз, формирующих композит, могут приводить к снижению физико-механических характеристик бетона или даже полному разрушению строительной конструкции в процессе эксплуатации. Выходом из этой ситуации может быть использование только стабильных закристаллизованных фаз.
Таким образом, наряду с традиционными подходами стабилизации свойств техногенных отходов (усреднение, обогащение и т.д.) необходим учет и управление структурой (активностью) техногенного сырья. Деформационные изменения структуры (образование и аннигиляция дефектов, образование их ансамблей, переход в активное состояние, стабилизация и деактивация) осуществляются на наноструктурном масштабном уровне – менее 0,1 мкм (1-100 нм). Поэтому управление свойствами материалов с учетом их структурной нестабильности (активности) следует отнести к нанотехнологиям, которые получают бурное развитие в начале XXI века.
Рис. 3. Способы стабилизации свойств сырья.
Поскольку два фактора нестабильности свойств готовой продукции (х и с) непосредственно связаны с колебаниями состава и свойств используемого сырья, повышение качества готовой продукции может быть достигнуто на стадии первичной и вторичной переработки техногенного сырья (рис. 3). Так, нестабильность химического и минералогического состава в настоящее время устраняется с использованием широко распространенных физико-механических технологических приемов усреднения и обогащения. При этом существенного воздействия на активность или реакционную способность сырья не происходит. Необходимо помнить, что техногенное сырьё близкого химического и минералогического состава может значительно различаться по свойствам.
Таблица 1
Влияние условий формирования неорганических техногенных отходов на их структурную нестабильность
Рассматри-ваемые параметры |
Техногенный отход |
|||
Биогенный |
Хемогенный |
Пирогенный |
Механоген-ный |
|
Технологическая предыстория отхода (техногнез) |
Продукты жизнедея-тельности |
Продукты химических или физико-химических превращений |
Продукты термических превращений |
Продукты механических или гидромехани-ческих воздействий |
Типы дисперсных систем и примеры |
Суспезии и золи: шламовые и иловые отходы, например, систем биоочистки |
Суспензии и золи: в основном, кристаллогид-раты и аморфные новообразова-ния (гальвано-шламы, гипсосодержащие отходы, асбестит и др.) |
Твердые гетерогенные системы: кристаллические и аморфно-кристаллические материалы (металлургические шлаки, золо-шлаки энергетики, пиритные огарки, электротермофосфорные шлаки и др.) |
Твердые гетерогенные системы, суспензии (попутно добываемые горные породы, отходы обогащения, отсевы дробления) |
Дисперсность |
Ультрамикрогетерогенные (наночастицы с размером 1-100 нм) и микрогетерогенные (частицы с размером 0,1-10 мкм) системы |
В основном, микрогетерогенные и грубодисперсные твердые системы (размер кристаллитов, зерен, блоков более 0,1 мкм) |
Микрогетеро-генные и грубодисперс-ные системы |
|
Факторы, обеспечивающие структурную нестабиль-ность отхода |
Агрегативная неустойчивость, связанная с процессами коагуляции, и структурная нестабильность, обусловленная переходом от коагуляционных структур к конденсационно-кристаллизационным |
Структурная нестабильность, обусловленная тепловой предысторией отхода – фазовыми переходами, синтезом новообразований, градиентами нагрева и охлаждения и т.д. |
Структурная нестабильность, обусловленная генезисом горных пород, механоактива-цией материалов |
|
Неучет структурной нестабильности может приводить к колебаниям качества выпускаемой на основе отходов продукции, что в принципе может сделать нецелесообразным широкомасштабное применение техногенного сырья. Решение этой проблемы возможно только с использованием (учетом) особенностей активации техногенного сырья в условиях воздействия на его наноструктуру (рис. 3). При этом может существенно меняться структурная нестабильность (активность) сырья. Подобные структурно-фазовые изменения возможны только при интенсивных воздействиях с использованием механической активации, химического и термического воздействия.
Например, при переработке металлосодержащих отходов часто применяются методы глубокой переработки с использованием термических, химических и электрохимических методов. В этом случае имеет место практически полное разрушение исходных фаз и структур, что позволяет отнести эти технологии ко второму направлению переработки, непосредственно связанному и определяющему структурную нестабильность (активность) материала, его реакционную способность.
В таблице 1 приведена классификация, основанная на оценке влияния условий формирования отходов на их структурную нестабильность, непостоянство свойств. Наиболее крупнотоннажные нерудные отходы по условиям формирования можно разделить на 4 группы: био-, хемо-, пиро- и механогенные. При создании малоотходных, ресурсосберегающих технологических систем учет структурной и фазовой нестабильности отходов позволит осуществлять направленный выбор оптимальный технологии их переработки и использования в производстве строительных материалов, эффективно реализовывать в процессе синтеза композита повышенную свободную энергию техногенного сырья. Фактически для каждой из выделенных групп отходов (табл. 1) можно с применением различных технологических приемов (рис. 3) добиться необходимого комплекса свойств, обеспечивающих максимальную эффективность техногенного сырья. В результате при широком использовании промышленных отходов обеспечивается повышение стабильности свойств и качества выпускаемой продукции.