Глава 2 Методы исследования техногенного сырья

2.1 Этапы исследования техногенного сырья

Основные параметры, характеризующие любой промышленный отход: агрегатное состояние, химико-минералогический состав и объем образования. Для выбора направления использования каждый вид промышленного отхода должен пройти несколько этапов оценки по различным критериям, с учетом основных параметров. Ниже приведен порядок исследования промышленных отходов по этапам (рисунок 2.1).

На первом этапе рассматривается агрегатное состояние сырья, его количество и перспективы переработки. Условия образования отходов сказываются на их агрегатном состоянии. По агрегатному состоянию выделяют: твердые – сыпучие (кусковые, порошковые дисперсные и высокодисперсные); волокнистые, листовые, жидкие – эмульсии, сточные воды; пастообразные – шламы, осадки, концентрированные эмульсии.

Исследование техногенных продуктов начинают с проверки экологичности сырья: токсичности и радиоактивности. Токсичность сырья определяется количеством вредных веществ, выделяемых в атмосферу или содержащихся в составе промотхода, и измеряется в мг/м³. Определены предельно допустимые концентрации вредных веществ, влияющих на здоровье человека (таблица 2.1). Токсичность отхода оценивается путем сравнения состава с ПДК канцерогенных (токсичных) веществ и элементов. При этом возможно три варианта: 1) отход содержит значительное количество токсичных веществ, концентрация которых превышает ПДК; 2) с небольшим количеством тяжелых металлов; 3) отход не содержит вредных веществ.

В случае установления токсичности отхода и его высокой радиоактивности (более 1350 Бк/кг), он должен быть направлен на захоронение.Под радиоактивностью понимают способность некоторых атомных ядер самопроизвольно (спонтанно) превращаться в другие ядра с испусканием различных видов радиоактивных излучений и элементарных частиц. Оценка на радиоактивность производится в соответствии с ГОСТ 30108-94 «Материалы и изделия строительные. Определение эффективной удельной активности естественных радионуклидов». Приводится следующая классификация материалов по их радиоактивности (таблица 2.2).

Радиоактивными элементами являются: Rа²²⁶ (радий), Тh²³² (торий), К⁴⁰ (калий).

Удельная активность радионуклида (А) – отношение активности радионуклида в образце к массе образца, Бк/кг.

Удельная эффективная активность ЕРН (А_эфф) – суммарная удельная активность естественных радионуклидов (ЕРН) в материале, определяется с учетом их воздействия на организм человека по формуле:

А_эфф=А_Rа+1,31·А_Тh+0,085·А_К, (2.1)

где А_Rа, А_Тh, А_К – удельные активности радия, тория, калия, Бк/кг.

Рисунок 2.1 – Этапы исследования промышленных отходов

Таблица 2.1 – Предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных

веществ, выделяемых в атмосферу

Вещество	ПДК, мг/м3
	Максимальная, разовая	Среднесуточная
Марганец и его соединения (в MnO2)	-	0,01
Мышьяк	-	0,003
Двуокись азота – NO2	0,085	0,085
Оксид углерода – СО	3,0	1,0
Пыль нетоксичная	0,5	0,15
Ртуть металлическая	-	0,0003
Свинец и его соединения (в Pb)	-	0,0007
Свинец сернистый – PbS	-	0,0017
Сажа (копоть)	0,15	0,05
Серная кислота – H2SO4	0,3	0,1
Сернистый ангидрит – SO2	0,5	0,05
Сероводород – H2S	0,008	0,008
Сероуглерод – CS2	0,03	0,005
Фтор и фтористый водород – HF	0,02	0,005
Хлористый водород - HCl	0,05	0,015

Таблица 2.2 – Классификация материалов по их радиоактивности

Суммарная удельная активность, Бк/кг	Класс	Область применения
До 370	1	Все виды строительства
370…740	2	Дорожное строительство в пределах населённых пунктов, промышленное строительство
740…1350	3	Дорожное строительство вне населённых пунктов
Более 1350	4	Вопрос о возможности применения решается согласованием с Госкомсанэпиднадзором

К средствам контроля относятся переносные радиометры удельной эффективной активности ЕРН, использующие гамма-спектрометрический метод измерений (например, типа РКП-305МС) со следующими техническими характеристиками: нижний предел определения величины А_эфф не более 100 Бк/кг; относительная погрешность не более 30 %. Контрольный радионуклидный источник активностью от 100 до 1000 Бк для проверки воспроизводимости показаний радиометра.

Отбор проб производится в соответствии с требованиями действующих нормативных документов. Представительную пробу получают путем перемешивания и квартования не менее 10 точечных проб, отобранных из контрольных точек. Представительную пробу с размером зерен более 5 мм измельчают до размеров зерен менее 5 мм. Массу пробы от 2,5 до 10 кг, упаковывают в двойной мешок, между стенками которого помещают паспорт пробы с наименованием материала, адреса предприятия, направившего пробу, и даты отбора пробы. Результат получают путем усреднения показаний по пяти пробам.

В случае отсутствия токсичных и радиоактивных элементов, рассматриваемый отход рекомендуется к следующему уровню оценки.

По объему образования все отходы можно разделить на крупнотоннажные и малотоннажные. Объем образования определяет функциональное назначение его: крупнотоннажным отходам отводится роль основного сырья, а малотоннажным – роль корректирующих добавок.

Химико-минералогический состав является определяющим фактором выбора направления использования.

Для объективной оценки необходимо определить: органическую и минеральную часть, вид органики (масла, смолы, битумы, дегти, растительные остатки и т.п.), в минеральной части кроме содержания основных оксидов (SiO₂, А1₂Оз, Fе₂О_з, FeO, CaO, MgO, Na₂О, K₂O) необходимо знать элементарный состав, с целью выявления редкоземельных металлов, а также наличие и количество аморфных компонентов.

По соотношению между органической и минеральной частью, с ориентацией на использование в строительных материалах, отходы следует подразделить на три группы: органические, органоминеральные и минеральные.

Введение в качестве критерия содержание аморфных компонентов позволяет минеральные отходы разделить, также на три группы: активные (в случае преобладания аморфных фаз), инертно-активные (при незначительном содержании активных фаз), а оставшиеся следует отнести к инертным (при отсутствие аморфных компонентов).

После оценки отхода по содержанию органической и минеральной части, содержанию активных компонентов и количеству преобладающих минералов, отход рекомендуется к следующему этапу оценки. Первые три этапа оценки следуют считать подготовительными, раскрывающими основную специфику анализируемого отхода. Конкретные же рекомендации по применению в строительных материалах можно получить на следующих уровнях оценки.

Выбор из числа отходов готовых строительных материалов или их компонентов. Бывают случаи, когда отход по химико-минералогиче­скому составу является готовым строительным материалом. Такое сырье нужно выявить в первую очередь, сначала обратив внимание на его актив­ность. Поэтому анализируемый отход, попавший в группу «активный» или «инертно-активный», можно рекомендовать, например, в качестве актив­ной минеральной добавки в составы пуццоланового портландцемента и смешанных вяжущих.

Оценочным критерием всех остальных групп является минеральный состав традиционных строительных минералов. Химико-минералогиче­ский состав в этом случае сопоставляется с составом традиционных строи­тельных материалов из соответствующей группы по количеству преобла­дающих минералов. На данном этапе оценки возможно два варианта: в случае совпадения сравниваемых параметров отход оценивается, как гото­вый строительный материал, в противном случае отход рекомендуется для дальнейшей оценки.

Выбор из числа отходов готовых сырьевых смесей (шихт) для производства строительных материалов. Отдельные виды отходов мо­гут стать готовым сырьем (сырьевой смесью) или основным сырьем для производства строительных материалов. Чтобы выделить такие отходы, химический состав отхода сопоставляется с химическим составом тради­ционных сырьевых смесей для производства строительных материалов. Если анализируемый отход по химико-минералогическому составу не со­ответствует известным строительным материалам, его следует рассматри­вать как компонент сырьевых смесей, а выпуск строительных материалов на основе его возможен только при работе на искусственных, в достаточ­ной степени гомогенизированных шихтах. Переход на искусственные шихты не вызовет осложнений при компьютерном проектировании, для которого необходим банк данных различных групп сырья по химическому составу.

После такой многоуровневой оценки отход приобретает определен­ный статус: основной сырьевой материал, или добавка в шихту. Перед ис­пользованием в стройиндустрии, требуется первичная подготовка, перера­ботка породы, которую рекомендуется осуществлять на месте образования отхода. Применению отхода в технологии должна предшествовать предва­рительная подготовка, направленная, преимущественно, на усреднение и гомогенизацию до уровня минерального сырья. После лабораторных исследований разрабатывается технологический регламент на получение строительных изделий из техногенных продуктов.