СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Техногенные отходы

Современная промышленность выпускает десятки тысяч наиме­нований разнообразной продукции. В производство вовлекается во много раз больше исходного сырья, чем выпускается готовых про­дуктов. Например, на выпуск 1 т чугуна расходуется 1,5-2 т сырья, соответственно: алюминия -— 3-10 т, никеля — 5-10 т, извести — 1,5-2 т, цемента — 1,4-1,7 т. При этом на разных стадиях техноло­гического процесса возникают отходы.

Из отраслей, потребляющих промышленные отходы, наиболее емкой является промышленность строительных материалов, доля сырья которой в себестоимости продукции достигает 50% и более. Многие отходы по своему составу и свойствам близки к природ­ному сырью. Установлено, что использование промышленных отхо­дов позволяет покрыть до 40% потребности строительства в сырье­вых ресурсах. Применение промышленных отходов позволяет на 10- 30% снизить затраты на изготовление строительных материалов по сравнению с производством их из природного сырья. Кроме того, из промышленных отходов можно создавать новые строительные мате­риалы с высокими технико-экономическими показателями.

Основными «производителями» многотоннажных отходов яв­ляются: горнообогатительная, металлургическая, химическая про­мышленности, энергетический комплекс, промышленность строи­тельных материалов, агропромышленный комплекс, лесная и дере­вообрабатывающая, текстильная промышленность, бытовая деятель­ность человека. Наряду с термином «отходы производства», исполь­зуются такие термины, как «побочные продукты промышленности», «вторичное сырье», «попутные продукты» и т. д. Суть основных по­нятий формулируется следующим образом.

Отходы производства — это все виды остатков данного произ­водства, которые имеют какую-то потребительскую ценность и могут быть использованы в материальном производстве (как правило, после дополнительных технологических операций). Побочные продукты промышленности — продукты, получение которых не являлось це­лью производственного процесса и которые могут быть использованы как готовая продукция после соответствующей обработки или как сы­рье для переработки. Вторичное сырье — материалы и изделия, ко­торые после полного первоначального использования (износа) могут применяться повторно в производстве как исходное сырье.

Все отходы можно разделить на две большие группы: минераль­ные и органические. Преобладающее значение имеют минеральные отходы: их больше, они лучше изучены и имеют наибольшее значе­ние для производства строительных материалов.

В зависимости от преобладающих химических соединений отходы делят на силикатные, карбонатные, известковые, гипсо­вые, железистые, цинксодержащие, щелочесодержащие и т. д. В пределах каждой группы возможна более подробная классифика­ция. Например, силикатные отходы в зависимости от процентно­го содержания кислотных и щелочных оксидов можно разделить на ультраосновные, основные, средние, кислые, ультракислые. Чем выше основность, тем выше гидравлическая активность отходов.

Большая часть минеральных отходов состоит преимущественно из силикатов и алюмосиликатов кальция и магния. Это объясняется тем, что 86,5% массы земной коры составляют природные силикаты. Соответственно и отходы, получаемые при добыче в переработке природных силикатов, тоже имеют силикатный состав. Силикатные отходы классифицируются также по структуре и химическому со­ставу, по условиям образования и т. д. Наибольшую практическую применимость имеет классификация отходов по отраслям промыш­ленности, их образующим, и классификации для отдельных видов отходов.

Шлаки черной металлургии. Наибольшее значение для строи тельной индустрии и первое место по объему среди отходов черной металлургии имеют доменные шлаки — побочный продукт при вы­плавке чугуна из железных руд — доменные, мартеновские, ферро­марганцевые. Выход шлаков очень велик и составляет от 0,4 до 0,65 тонны на одну тонну чугуна. В их состав входит до 30 различных химических элементов, главным образом в виде оксидов. Основные оксиды: Si02, А120з, CaO, MgO. В меньших количествах присутст­вуют FeO, МпО, Р205, ТЮ2, V205 и др.

В зависимости от величины модуля основности — отношение

содержащихся в шлаке основных оксидов к сумме кислотных, %

.. CaO + MgO

М0 =----------- 2—

Si02 + А1203

все доменные шлаки делятся на кислые, их Щ< 1, и основные, имею­щие М0 > 1, они более активные. Состав шлака зависит от состава кокса, пустой породы, и определяет особенности применения шлака.

В производстве строительных материалов используется 75% общего количества доменных шлаков. Основным потребителем яв­ляется цементная промышленность. Ежегодно она потребляет мил­лионы тонн гранулированного доменного шлака. Грануляция — наиболее ранний и освоенный вид первоначальной переработки до­менного шлака. Она заключается в быстром охлаждении шлакового расплава, в результате чего шлак приобретает стекловидную струк­туру и, соответственно, высокую активность.

Сталеплавильные (мартеновские) шлаки применяются в мень­шей степени. Трудности их использования связаны с неоднородно­стью, непостоянством химико-минералогического состава и физико­механических свойств. Кроме того, в них содержатся оксиды железа (до 27%).

Особую проблему представляет использование шлаков, ранее накопленных в отвалах.

Шлаки цветной металлургии чрезвычайно разнообразны по составу. Выход их на единицу выплавляемого металла гораздо боль­ше. Так при выплавке 1 т меди выход шлака может достигать 10- 30 т, а никеля — до 150 т. Основные оксиды, входящие в состав шлаков цветной металлургии: Si02, А120з, CaO, FeO, МпО и др.

Наиболее перспективное направление их использования — ком­плексная переработка: предварительное извлечение цветных и ред­ких металлов из шлака; выделение железа; использование силикат­ного остатка шлака для производства строительных материалов.

При получении цветных металлов по ряду так называемых «мокрых» технологий образуются не шлаки, а шламы (буквальный перевод с немецкого — «грязь»). Это общее название осадков сус­пензий, получаемых в металлургических и химических производст­вах в результате процессов, осуществляемых гидрохимическим спо­собом. Например, побочным продуктом при производстве алюминия является бокситовый шлам — рыхлый сыпучий материал красного цвета (другое название — красный шлам). Выход красного шлама от 1 до 2,5 т на 1 т глинозема, химический состав: Si02, А1203, СаО, Fe203, Na20 и др.

При получении глинозема из нефелинового сырья в качестве по­бочного продукта образуется нефелиновый шлам. Иначе он называ­ется белитовым шламом, так как в основном состоит из мелких кри­сталлов белита — C2S. Выход этого шлама на 1 т глинозема — 6 т.

Если глинозем получают из высокоалюминатных глин, в качест­ве побочного продукта образуется каолиновый шлам и т. д. Основное

92

применение все эти шламы находят в цементном производстве.

Золы и шлаки тепловых электростанций (ТЭС) — минераль­ный остаток от сжигания твердого топлива. Одна ТЭС средней мощ­ности ежегодно выбрасывает в отвалы до 1 млн т золы и шлака, а ТЭС, сжигающая многозольное топливо, — до 5 млн т. По химиче­скому составу топливные золы и шлаки состоят из Si02, А1203, Fe203, CaO, MgO и др., а также содержат несгоревшее топливо. Ис­пользуются топливные золы и шлаки всего на 3—4% от их ежегодно­го выхода.

На современных ТЭС уголь сжигают в пылевидном состоянии. Шлак образуется в результате слипания размягченных частиц золы в объеме топки и накапливается в шлаковом бункере под топкой. Раз­мер зерен шлака 1-50 мм. Зола уносится из топки с дымовыми газа­ми (зола уноса) и улавливается при их очистке в циклонах и элек­трофильтрах. Размер частиц золы менее 1 мм.

Большинство зол имеет сферическую форму частиц, гладкую остеклованную фактуру поверхности. Размер сферических частиц колеблется от нескольких микрон до 50-60 мкм.

Золы и шлаки ТЭС возможно использовать при производстве практически всех строительных материалов и изделий.

Вскрышные породы — горнорудные отходы, отходы добычи разнообразных полезных ископаемых. Особенно большое количест­во этих отходов образуется при добыче открытым способом. По ориентировочным подсчетам, в стране ежегодно образуется свыше 3 млрд. т отходов, которые являются неисчерпаемым источником сырья для промышленности строительных материалов. Однако в на­стоящее время они используются лишь на 6-7%. Вскрышные и «пус­тые» породы находят применение в зависимости от своего состава (карбонатные, глинистые, мергелистые, песчаные и т. д.).

Вскрышные породы — не единственные отходы горнодобы­вающей промышленности. Большое количество пустой породы под­нимается на поверхность земли, измельчается и направляется в отва­лы в виде хвостов обогащения. Горнообогатительные комбинаты сбрасывают в отвалы большое количество флотационных хвостов, образующихся, в частности, при переработке руд цветных металлов. В отвалах и хвостохранилищах накоплено более 60 млрд. т техно­генных материалов.

Попутнодобываемые породы и отходы промышленной перера­ботки рудных полезных ископаемых отличаются по генезису, мине­ральному составу, структуре и текстуре от традиционно применяе-

93

мых при производстве строительных материалов. Это объясняется существенным отличием глубин карьеров по добыче сырья для стройиндустрии (20-50 м) по сравнению с современной разработкой рудных месторождений (350-500 м).

Отходы угледобычи и углеобогащения образуются на углеобо­гатительных фабриках. Их ежегодный выход по странам СНГ около 50 млн т. Для отходов угледобычи характерно постоянство состава, что их выгодно отличает от других видов минеральных отходов твердого топлива. В состав углесодержащей породы входят Si02, А1203, Fe203, CaO, MgO, Н20, S.

Гипсовые отходы химической промышленности — продукты, содержащие сульфат кальция в той или иной форме. Научные иссле­дования показали полноценную заменимость традиционного гипсо­вого сырья отходами химической промышленности.

Фосфогипс — отход при производстве фосфорных удобрений из апатитов и фосфоритов. Он представляет собой CaS04'2H20 с при­месями неразложившегося апатита (или фосфорита) и неотмытой фосфорной кислоты. За счет использования фосфогипса можно пол­ностью покрыть потребности нашей страны в гипсе.

Фторгипс (фторангидрит) — побочный продукт при производ­стве фтористоводородной кислоты, безводного фтористого водоро­да, фтористых солей. По составу это CaS04 с примесями исходного неразложившегося флюорита. Он может содержать также неотмы - тую серную кислоту.

Титаногипс — отход при сернокислотном разложении титансо­держащих руд. Борогипс — отход производства борной кислоты. Сульфогипс получается при улавливании серного ангидрида из ды­мовых газов ТЭС.

Отходы древесины и лесохимии. Ежегодно в стране накапли­вается около 500 млн т отходов растительного происхождения, из них — 160 млн т остаются невывезенными на лесосеках, 120 млн т теряются при последующей деревообработке. Лишь 1/6 часть всех отходов перерабатывается на технологическую щепу для целлюлоз­но-бумажной промышленности и промышленности строительных материалов.

Практически не используются такие отходы деревообработки, как кора, пни, вершины, ветви, сучья. Достаточно широкое примене­ние находят горбыль, стружка, щепа, опилки.

Отходы целлюлозно-бумажной промышленности — осадки сточных вод и другие промышленные шламы. Скоп — продукты, получившиеся в результате механической очистки сточных вод.

Это грубодисперсные примеси, состоящие в основном из волокон целлюлозы и частиц каолина. Активный ил — продукт биологиче­ской очистки сточных вод, находящийся в виде коллоидов и моле­кул. Шламы — продукты физико-химической очистки.

Отходы промышленности строительных материалов. При по­лучении цементного клинкера до 30% объема обжигаемого продукта уносится с дымовыми газами из печей в виде пыли. Эта пыль улавли­вается и возвращается в производство. Также она может использо­ваться для раскисления почв и в производстве вяжущих веществ.

Кирпичный бой, старый и бракованный бетон используются в качестве искусственного щебня. Бетонный лом — отход предпри­ятий сборного железобетона и строительных объектов. Огромные объемы реконструкции жилого фонда, промышленных предприятий, транспортных сооружений, автодорог и т. д. ставят важную научно - техническую задачу по разрушению и переработке отходов бетона и железобетона. Эти отходы кроме бетонного лома содержат миллио­ны тонн металла. Разработаны различные технологии разрушения строительных конструкций, а также специальное оборудование для переработки некондиционного бетона и железобетона.

Пиритные огарки — отходы при получении серной кислоты из пирита FeS. Складирование их требует отчуждения больших площа­дей земли. Известно их исключительно вредное и неуправляемое воздействие на окружающую среду. Под действием атмосферных осадков из хранящихся под открытым небом пиритных огарков вы­щелачивается ряд токсичных веществ, например мышьяк. Их состав в основном представлен железом (40-63%), имеются серебро и золо­то (1 г на 1 т) и некоторые редкие элементы.

Электротермофосфорные шлаки — отходы производства фосфорной кислоты, получаемой по так называемому электротерми­ческому способу. В гранулированном виде содержат 95-98% стекла. Основные оксиды, входящие в их состав, Si02 и СаО.

Прочие отходы и вторичные ресурсы — отходы и бой стекла, макулатура, тряпье, резиновая крошка, отходы и попутные продукты производства полимерных материалов, попутные продукты нефте­химической промышленности и т. д.

Важнейшие виды строительных материалов, получаемые из вы­шеперечисленных отходов промышленности, приведены в табл. 3.2.

1.