Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Разработка экологически безопасной технологии переработки гипсовых отходов строительства

ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология

Автореферат диссертации по теме "Разработка экологически безопасной технологии переработки гипсовых отходов строительства"

УДК 577.4:666.815.6 (002.68)

На правах рукописи

Джумагулов Абай Тукенович

РАЗРАБОТКА ЭКОЛОГИЧЕСКИ БЕЗОПАСНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕРАБОТКИ ГИПСОВЫХ ОТХОДОВ СТРОИТЕЛЬСТВА

25.00.36 - Геоэкология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тараз 2004

Работа выполнена в Таразском государственном университете им. М.Х.Дулати и СПА "Ак-ниет".

Научный руководитель:

доктор технических наук Тлебаев М.Б.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Жугинисов М.Т.; кандидат технических наук Алтаева З.Н.

Ведущая организация:

Южно-Казахстанский государственный университет им.М.О.Ауезова

Защита состоится «

2004 г. на заседании диссертаци-

онного совета Д 14.13.02 в Малом актовом зале Таразского государственного университета им. М.Х.Дулати по адресу: 484000, г.Тараз, ул.Сулейменова, 7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Таразского государственного университета им. М.Х.Дулати

Автореферат разослан «_

2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Сахы М.С.

»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы.

Многотоннажные отходы с городских строительных площадок, образующиеся при строительстве и сносе зданий, реконструкции и перепланировке строительных объектов, отправляются на свалку или закапываются на местах и являются источниками негативного воздействия на городской ландшафт и экосистему. Из всего многообразия строительных отходов города (лом бетонных изделий, бой кирпича и асфальта, отходы пенополистирола, бумага) значительный объем (более 30%) занимают гипсовые отходы. Гипсовое производство, являющееся одним из основных отраслей промышленности строительных материалов, выбрасывает более 400 ООО тот в год твердых отходов, 95% из которых является гипсовая пыль. Промплощадки гипсового и строительного производств являются источником загрязнения атмосферы пылью техногенного фона радиусом до 2 км в зоне деятельности людей. Особенность техногенного фона состоит в том, что мелкодисперсные соединения, наиболее опасными из которых являются частицы от 0,005 мкм до 0,5 мкм, не рассеиваются, не оседают быстро, а прибывают в приземном слое атмосферы и способны накапливаться. Именно они влияют на жизнедеятельность людей, что вызывает у последних интенсивный рост заболеваний: хронические коныоктивиты, хроническое воспаление слизистых оболочек, насморк или сухость слизистой носа, ослабление обоняния, иногда носовые кровотечения, притупление вкуса, сухость и покраснение зева, затруднение глотания, охриплость (хронический ларингит).

Сегодня наиболее актуальными становятся вопросы обеспечения рациональных, экологически чистых и безопасных для окружающей среды технологий. Внедрение новейших технологий с целью снижения нагрузки на окружающую природную среду, переработка техногенных материалов в продукцию требуют новых наукоемких и совершенных разработок.

Гипсовые отходы строительства в виде лома и пыли, образующееся при термообработке и помоле в гипсовом производстве могут быть использованы для изготовления гипсового вяжущего. Известна эффективность гипсовых вяжущих, обусловленная коротким технологическим циклом производства и низкими удельными затратами на их производство. Применяемые сегодня различные способы повышения физико-механических свойств гипсовых вяжущих основаны на применении различных модифицирующих добавок, в частности, суперпластификатора - Мелмент F15 - сульфанированного порошкового продукта поликонденсации на основе меланина, полученного методом распылительной сушки. Он пластифицирует пшсовую смесь с меньшим расходом воды.

Диссертационная работа выполнена по научно-исследовательской программе в соответствии с тематическими планами научно-исследовательской работы «Экологический мониторинг состояния окружающей среды г. Тараз с 1999 по 2003 г.» Таразского Государственного университета им.М.Х.Ду-

лати и СП А «Ак-ниет» (1997-2002) "Блоки стеновые гипсовые", где автор является ответственным исполнителем.

Цель работы: разработка безотходной технологии рациональной переработки гипсовых отходов в гипсовое вяжущее и гипсовые изделия, способствующей улучшению состояния окружающей среды.

Основная идея, положенная в основу работы заключается в получении из гипсовых лома и пыли гипсового вяжущего и использовании его в качестве вяжущего при производстве стеновых блоков. Это позволяет уменьшить выбросы гипсовых отходов и пыли, снизить количество используемого первичного сырья и сократить отчуждение территорий от землепользования.

Для достижения поставленной цели автором сформулированы и решены следующие научные задачи:

- оценено воздействие выбросов загрязняющих веществ с городских строительных площадок и гипсового производства на окружающую среду;

- исследованы основные физико-технические характеристики нового гипсового вяжущего, а также свойства изделий из него;

- получен способ производства гипсового вяжущего и технические условия при изготовлении гипсовых стеновых блоков;

- разработана рациональная экологически безопасная технология производства гипсовых вяжущих и изделий на их основе;

- разработана математическая модель технологической линии производства гипсового вяжущего из гипсовых отходов;

Методы исследований. В диссертационной работе использован комплексный метод исследований, включающий: методы математической статистики и корреляционно-регрессионного анализов; физико-химических исследований; лабораторно-экспериментальных испытаний и внедрение опытной партий.

Научная новизна работы. Разработана экологически безопасная рациональная технология производства гипсовых вяжущих из гипсовых отходов с промплощадок гипсового и строительного производств и изделий на их основе.

1. Разработана система автоматизированного расчета количества выбросов загрязняющихся веществ, их поля рассеивания, коэффициенты экологического запаса зон строительного и гипсового производств, позволивший установить коэффициент опасности зон для жизнедеятельности человека и принятия оперативных природоохранных мер.

2. Впервые исследовано влияние пластификатора Мелмент Б-15 и полимерной добавки Виннапас ЯЕ 5028 N на технологические и физико-механические свойства гипсового вяжущего, полученного из гипсовых отходов.

3. Установлены закономерности изменения физико-химических свойств гипсового вяжущего от времени твердения и количества добавки пла-

стификатора Мелмент-Р15, отличающиеся тем, что ионы добавки, имея высокую дисперсность в растворе, блокируют образующиеся кристаллы двуводного сульфата кальция замедляя их рост и снижая фазовое контактирование. Данное явление снижает прочность гипсового вяжущего в начальные сроки гидратации а затем прочность изделий растет прямо пропорционально количеству введенной добавки.

4. Установлено, что введение в смесь полимерной добавки Виннапас RE 5028 N увеличивает сцепление частиц гипса между собой тонкими гибкими пленками, что способствует прочности изделий на 50-60%.

5. Впервые предложен способ получения гипсового вяжущего путем переработки городских строительных гипсовых отходов и гипсовой пыли.

6. Установлено, что содержание в смеси 0,3%-1% пластификатора Мел-мент F15 от гипсового вяжущего, повышает пластичность раствора при меньшем водогипсовом отношении на 16%-50% и одновременном удлинении времени формовки на 17-34 мин.

7. Получены уравнения, описывающие оптимальный процесс преобразования двугидрата в полугидрат и линейную зависимость предела прочности от влияния температуры.

Личное участие автора состоит в получении указанных выше научных результатов и научных положений, выносимых на защиту.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: технической возможностью организации производства экологически чистых стеновых гипсовых блоков на основе городских строительных отходов и сходимостью лабораторных и машинных результатов экспериментов с промышленными. Научное значение работы заключается:

- в разработке технологии переработки гипсовых отходов в гипсовое вяжущее и изделий на их основе;

- в получении уравнений, описывающих оптимальный процесс преобразования двугидрата в полугидрат и зависимость предела прочности от влияния температуры;

- в установлении режима получения гипсового вяжущего из гипсовых отходов при температуре 120°С в течение 3 часов, отличающегося от традиционного сравнительно низкой температурой обработки.

Практическая ценность и внедрение результатов работы состоит в разработке способа получения гипсового вяжущего из гипсовых строительных отходов, отличающегося от традиционного более низкой температурой обработки сырья (120°С). Введение суперпластификатора Мелмента F-15 позволяет повысить марку гипсового вяжущего с Г-3 до марки Г-5.

Предложенная технология вписывается в действующие технологические линии по производству гипсовых вяжущих. Разработанная технология производства гипсовых вяжущих решает не только технические аспекты, но и

снижает негативное воздействие на окружающую среду накапливаемых в больших количествах твердых гипсовых отходов.

Результаты исследований апробированы в опытно-промышленных условиях при выпуске опытной партии стеновых межквартирных блоков (г. Алматы, Та-раз, Атырау) и обеспечены нормативной базой - техническими условиями.

В ЗАО «Жамбылгипс» внедрен программный комплекс: «Система автоматизированного расчета выбросов загрязняющих вредных веществ в окружающую среду». Составлены и утверждены технические условия и практические рекомендации по разработке экологически - эффективной технологии производства гипса из городских гипсовых строительных отходов.

Работа внедрена в учебный процесс кафедры «Информатика» Таразско-го Государственного университета им. М.Х.Дулати при изучении дисциплины «Применение математических моделей и численных методов в экологии» на лекционных, лабораторных и практических занятиях, а также при написании курсовых и дипломных работ.

Научные положения, выносимые на защиту:

- механизм твердения вяжущих из гипсовых строительных отходов в присутствии суперпластификатора Мелмент Б-15, отличающийся от традиционных высокими пластифицирующими свойствами, равномерностью распределения ее в смеси, позволяющими повысить марку вяжущего на две ступени с Г-3 до Г-5;

- принципиально новая, не загрязняющая окружающую среду технология переработки гипсовых отходов строительства в гипсовое вяжущее, заключающаяся в низкотемпературной обработке (120°С) исходного сырья;

- физико-химические процессы, протекающие в гипсовых вяжущих, изготовленных из гипсовых строительных отходов, заключающиеся в образовании полуводного гипса Са804*0,5 Н20 в форме бассанита в отличие от гипсового камня, оставшегося в форме двуводного гипса;

- параметры ИК-спектра гипсового камня (150°С) также претерпели изменения, проявившиеся в высоких интенсивностях полос гипса за счет более выраженного резонансного взаимодействия колебаний сульфатог-рупп исследуемого образца;

- результаты исследований зависимости физико-механических свойств гипсового вяжущего, модифицированного суперпластификатором Мелмент Р-15 от его содержания, сроков схватывания гипсового вяжущего и водогипсового отношения.

Апробация практических результатов. Результаты работы докладывались на: Международной научно-практической конференции ЮжноКазахстанского Государственного университета им. М. Ауэзова (г.Шымкент, 2001 г.); Международной научно-практической конференции Казахской Академии строительства и архитектуры: «Теоретические и экспериментальные исследования строительных конструкций» (г.Алматы, 2002 г.).

Публикации работы. Основное содержание диссертации изложено в 8 научных работах, в том числе в 6 научных статьях, 1 предпатенте, 1 положительном решении.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5-ти разделов, выводов, заключения, 4 приложений, 28 рисунков, 21 таблиц и список использованных источников из 121 наименований.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

Во введении дана оценка современного состояния вопроса о негативном влиянии городских строительных отходов, в частности гипсовых отходов, и отходов гипсового производства на окружающую среду. Обоснована актуальность и новизна темы, обозначена цель и связь данной работы с научно-исследовательскими работами. Указаны структура и объем диссертации.

1. Состояние вопроса и задачи исследований

В первом разделе рассмотрены вопросы состояния загрязнения окружающей среды городскими строительными отходами (в том числе гипсовыми), а также гипсовыми предприятиями.

Урбанизация природы, строительство и функционирование многих промышленных предприятий и автотранспортных коммуникаций привели к значительному изменению состояния различных компонентов окружающей человека среды — воздушного бассейна, водных экосистем, почвенного покрова города, вызвав их интенсивное загрязнение. Она поставила перед человечеством ряд экологических проблем, среди которых наиболее острыми являются уязвимость городских систем, миграция и концентрация населения, низкое качество среды обитания, потеря плодородных земель, накопление твердых видов отходов.

Опубликованы в последние десятилетия работы В.Т. Трофимова, Д.Г.Зилинга, Г.Л. Коффа, Ю.О.Зингера и др., где исследователи рассматривают проблемы геоэкологии урбанизированных территорий. Однако проблема не решена и еще более обострена из-за многократного роста объемов этих отходов.

Современное строительство с его стремлением создать эстетически спланированное комфортное жилье с применением материалов, широкий выбор которых обеспечен строительным рынком, наряду с новыми объектами большое внимание уделяет реконструкции и перепланировке старых зданий. Анализ проблемы утилизации отходов строительства показал, что вывоз строительных отходов, вырабатываемых городом, на свалки ведет к загрязнению и нерациональному использованию земельных угодий, загрязне-

ние атмосферы, поверхностных и грунтовых вод, росту транспортных расходов и безвозвратной потере ценных материалов и веществ.

В работе произведена классификация городских строительных отходов, произведены расчеты количества выбросов загрязняющих веществ с городских строительных площадок и гипсового производства и оценено их влияние на окружающую среду. В соответствии с результатами исследования установлены их коэффициенты опасности зон жизнедеятельности человека.

2. Оценка воздействия выбросов загрязняющих веществ строительного и гипсового производств на окружающую среду

Во втором разделе произведены расчеты выбросов ингредиентов от источников воздействия по каждой площадке и по каждому технологическому процессу гипсовых и строительных производств. Рассчитаны поля рассеивания, коэффициенты опасности и потенциальный риск здоровью человека в зонированных территориях.

Гипсовая промышленность является одной из основных отраслей промышленности строительных материалов. Негативное воздействие на окружающую среду предприятий гипсовой промышленности происходит на всех этапах производственного цикла, начиная от добычи сырья, его переработки, изготовления готовой продукции. На каждом из этих этапов происходит отчуждение земель, потребление материалов, энергозатраты, загрязнение воздуха вредными токсичными веществами, выделяются бросовые отходы.

В ЗАО «Жамбылгипс» источниками вредного воздействия на окружающую среду являются: площадка №1 «Гипсовый карьер», площадка № 2 «Горный цех» и площадка № 3 «Гипсовый завод». Оценку влияния городских строительных отходов рассчитывали на примере хозяйственной деятельности строительного предприятия СПА «Ак-ниет».

Расчет категории опасности зон предприятия ЗАО «Жамбылгипс» и СПА «Ак-ниет-Атырау» произведен по «Рекомендации по делению предприятий на категории опасности в зависимости от выброса в атмосферу ЗВ». Новосибирск, 1987 г., изд. ВОУТС и «ОНД-86. Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий». Определение вредности здоровью человека в зонированных территориях осуществляли по методике, которая включает следующие расчеты:

1. Объемы выбросов загрязняющих веществ из источников и рабочим зонам, происходящих ежесекундно и ежегодно на разных этапах работы рассчитываются по технологическому регламенту предприятий и приводятся в диссертации.

2. Расчет рассеивания в атмосферу вредных веществ, выбрасываемых источниками в зонах активного загрязнения (ЗАЗ) основан на определении концентрации этих вредных веществ в приземном слое воздуха:

_ AMFmnrj

где: А - коэффициент, зависящий от температурной стратификации атмосферы; М (г/с) - масса вредного вещества, выбрасываемого в атмосферу в единицу времени; F- безразмерный коэффициент, учитывающий скорость оседания вредных веществ в атмосферном воздухе; m и п — коэффициенты, учитывающие условия выхода газовоздушной смеси из устья источника выброса; Я (м) - высота источника выброса над уровнем земли V - безразмерный коэффициент, учитывающий влияние рельефа местности, AT (°С) - разность между температурой выбрасываемой газовоздушной смеси Тг и температурой окружающего атмосферного воздуха Те;

.. nD2

где: D (м) - диаметр устья источника выброса; \v0 (м/с) - средняя скорость выхода газовоздушной смеси из устья источника выброса.

3. Расчет ai — показателя относительной опасности присутствия примеси в воздухе, вдыхаемом человеком, определяемому по формуле:

I 60мг2/мб

а'~]пдкст-пдкп '

где i= 1,...,п,п — общее число примесей, выбрасываемых источником в атмосферу.

4. Расчет потенциального индивидуального риска здоровью человека, связанного с загрязнением атмосферного воздуха производим по формуле (Акимова Т.А. Экология):

Risk = 1 - exp{ln(0,84) [С/(ПДК*К,)]Ь t},

где: С - средняя суточная концентрация загрязняющего вещества; К, - коэффициент запаса, равный 7,5 для 1 класса опасности, 6 - для 2 класса, 4,5 - для 3 класса и 3,0 - для 4 класса опасности; b - коэффициент изо-эффективности, равный 2,4 для 1 класса, 1,31 - для 2 класса, 1,0 - для 3 класса и 0,86 - для 4 класса опасности; t - время экспозиции в долях продолжительности человеческой жизни (70 лет).

5. Расчет коэффициента опасности зон предприятий производим по формуле:

п (м.)а1

КОП= 2 -1-

/ = 1 ПЩ

В результате выполнения расчетов по предложенной методике формируется таблица 1, содержащая информацию по каждому ингредиенту в отдельности, класса опасности, коэффициент запаса, среднесуточной ПДК и средней ПДК за рабочую смену.

Расчеты показывают, что выбросы отходов с гипсового производства составляют соответственно: с карьера 14,85 т/г; с горного цеха 326,8 т/г из них лов-ленных 168,91 т/г; с гипсового завода 26787,25 т/г из них уловленных 26603,508 т/г и со строительных площадок города - 432 т/г, а концентрация гипсовой пыли в зонах приближенных к источникам выбросов превышает все нормы допустимой концентрации. Это вызывает у людей аллергические заболевания бронхов; атрофию слизистых оболочек носа, кровотечение, а постоянный шум нарушение нервно-психической сферы в форме невротического и астенических синдромов, головной болью и головокружением.

Таблица 1 — Расчетные показатели загрязняющих веществ ЗАЗ гипсовых и строительных предприятий.

№ Наименование вещества ПДК, мг/м3 С, мг/м3 Класс опасности О га о ^ ¥ с '„а Ь - коэф. изоэф-ти Риск

1 2 3 4 5 6 7 8

1. Пыль гипсовая 0,5 0,148 3 4,5 1 0,55

2. Оксид углерода 5 0,2 4 3 0,86 0,26

3. Оксид азота 0,085 0,006 3 4,5 1 0,17

Гипсовый карьер (0,148/0,5+0,2/5+0,006/0,085=0,4066<1)

1. Пыль гипсовая 0,5 4,81 3 4,5 1 0,99

2. Сварочный аэрозоль 0,01 0,000022 3 4,5 1 0,006

3. Марганец и его оксиды 0,01 0,000003 2 6 1,31 0,000028

4. Аэрозоль эмульсола 0,05 0,000012 3 4,5 1 0,00065

Горный цех (4,81 /0,5+0,000022/0,5+0,000003/0,01 +0,000012/0,05=9,62274> 1)

Продолжение таблицы 1

1 2 3 4 5 6 7 8

1 Пыль гипсовая 0,5 5,6 3 4,5 1 0,99

2 ' Оксид углерода 5 0,91 4 3 0,86

3 Оксид азота 0,085 0,002 3 4,5 1 0,062

4 Сварочный аэрозоль 0,01 0,000013 3 4,5 1 0,0035

5 Марганец и его оксиды 0,01 0,0000017 2 6 1,31 0,000013

6 Пыль металлическая 0,5 0,0012 3 4,5 1 0,0064

7 Пыль древесная 0,1 0,0018 3 4,5 1 0,048

Гипсовый завод (5,6/0,5+0,91 /5+0,002/0,085+0,000013/0,01 +0,0000017/0,01 +0,0012/0,5+0,0018/0,1=1 1,427>1)

1 Ныль гипсовая 0,5 12,98 3 4,5 1 1,000

2 Оксид углерода 5 2,396 4 3 0,86 0,9196

3 Оксид азота 0,085 0,058 3 4,5 1 0,8429

4 Пыль металлическая 0,5 0,234 3 4,5 1 0,7190

5 Пыль древесная 0,1 0,2305 3 4,5 1 0,9981

б Пыль цемента 0,3 0,36 3 4,5 1 0,9614

7 Пыль абраз.-металлич. 0,5 0,028 3 4,5 1 0,1409

8 Углеводороды 5 0,429 4 3 0,86 0,4368

Строительная площадка (12,98/0,5+2,396/5+0,058/0,085+0,234/0,5+0,2305/0,1+0,36/0,3+0,028/0,5+0,429/5=3 1,2364>1)

Для проведения расчетов по предлагаемой методике определения риска здоровью человека разработан пакет программных средств в интегрированной среде DELPHI. Ценностью разработанного программного продукта является гибкость и открытость системы, что позволяет применять новые методики расчета по оценке экологического состояния окружающей среды. Оперативность получения сведений о выбросах от этих источников загрязнения по разработанной системе, а также их переработка в гипсовые вяжущие по предлагаемой на рисунке 1 технологии, позволит снизить загрязнение окружающей среды зон гипсовых и строительных предприятий.

Рисунок 1 - Технологическая схема переработки гипсовых отходов.

3. Организация н проведение экспериментального исследования получения вяжущего из гипсовых отходов

В третьем разделе приведена методика лабораторных исследований, математическая обработка результатов эксперимента, проверка однородности полученного выражения, оптимизация процесса дегидратация с целью подбора оптимального режима тепловой обработки, обеспечивающий переход двугидрата в полугидрат с небольшими примесями ангидрида.

Использование техногенных продуктов открывает широкие возможности для удешевления индустриализации строительного производства, сокращаются или полностью исключаются затраты на добычу и переработку нерудных строительных материалов.

Свойство гипсового вяжущего твердеть при гидратации и образовывать плотпый гипсовый камень, а при нагревании переходить в активную форму полуводного сульфата кальция, который вновь гидратируется с образованием прочного гипсового камня, автором использовано в качестве основы для разработки технологии переработки отходов гипсовых изделий во вторичное гипсовое вяжущее.

В природе гипс находится в виде гипсового камня, содержащий двуводный гипс Са804-2Н20. Вяжущими свойствами обладает полуводный гипс, который, в сущности, и является гипсовым вяжущим веществом.

Способ получения гипсовых вяжущих в процессе переработки строительных гипсовых отходов представляет собой модификацию — двуводный гипс для получения вторичного вяжущего путем дегидратации последнего. В основе получения гипсовых вяжущих лежит процесс дегидратации воды. В процессе проведенных исследований было выявлено, что тепловой поток в первую очередь воздействует на наружную часть куска материала, обезвоживает ее, образуя мелкие кристаллы ангидрита - Са804. Далее тепловой поток с несколько снизившейся температурой, приводит к дегидратации следующие слои материала и поскольку часть воды оказывается в закрытом пространстве, она испаряется не полностью из этих слоев и происходит образование полутидрата гипса - Р СаЯ040,5Н20. В третьей зоне в порах кусочков материала образуются водяные пары кристалло-гидратной воды. Если температура теплового потока к середине куска снизилась значительно и оказалась недостаточной для дегидратации гипса, то он останется в последней зоне необожженным в виде исходного двуводного гипса -Са504-2Н20.

Эксперимент проводили следующим образом. Гипсовые строительные отходы дробили на куски размером 10-30 мм на дробильном устройстве в лабораторных условиях. Процесс дегидратации двуводного сульфата кальция проводили в сушильных шкафах при температуре 110-120°С. Этот режим был подобран экспериментально по результатам лабораторных исследований и контролировался физико-химическими методами анализа. Оптимальное время обработки ис-

ходного материала в шкафу при указанной температуре составило 2-3 часа. Затем шкаф отключали и материал выдерживали при плавном остывании и постепенной отдачи влаги для устранения ее обратного поглощения. Остывший гипсовый материал размалывали в шаровой мельнице до остатка на сите 02-12%. Помол проводили в двухкамерной мельнице с максимальной загрузкой 100 кг в течение 1 часа.

В таблице 2 приведены результаты лабораторных определений качественных показателей гипсового вяжущего из гипсовых отходов.

Таблица 2 - Физико-механические характеристики гипсового вяжущего из отходов.

Температура тепловой обработки, с Время выдержки, ч Остаток на сите №02 Предел прочности при сжатии через 2ч, МПа Сроки схватывания, мин

начало конец

100 4 10,4 3,2 6 14

120 3 10,1 4,2 7 12

150 2 9,6 3,0 12 28

Откуда видно, что наибольшая прочность 4,2 МПа гипсового вяжущего получена при температуре 120°С в течение Зч. По ГОСТ 125 по прочности его можно отнести к марке ГЗ, по срокам схватывания — нормально твердеющий, по тонкости помола - средний, что соответствует строительному гипсу. Процессы термических превращений отходов гипсовых изделий и гипсового камня (в качестве контрольного) изучали методом инфракрасной спектроскопии (ИКС) на приборе Spekord - 80М на образцах вышеуказанных материалов после их термической обработки при температурах 150, 300, 500, 900°С. Поглощающие слои образцов готовили в виде пресстаблеток с КВч. ИК - спектры получены в виде кривых пропускания T{V) и оптической плотности D(v). В качестве эталонного материала был принят образец природного.

В ходе проведенных автором экспериментов была выявлена зависимость времи выдержки тв от температуры тепловой обработки to6p. Для определения этой зависимости применялась форма связи следующего вида:

г. =731-0,039*

Зависимость предела прочности RCJr от температуры тепловой обработки и времени выдержки рассчитывалась по следующему соотношению:

Rcx =46,7967 - 0,22/^-5,4те.

Нахождения оптимума процесса дегидратации сульфата кальция определяли по методу сканирования. В результате получено гипсовое вяжущее при температуре термообработки 115°С с пределом прочности на сжатие Ясж=5,3 МПа.

4. Разработка рациональной технологии переработки гипсовых отходов строительства в готовую продукцию

В четвертом разделе изучено влияние различных добавок на прочность гипсового вяжущего. Приведены характеристики свойств гипсовых образцов из природного гипсового камня и гипсового отхода

Регулирование сроков схватывания гипсовых вяжущих, используемых в промышленных условиях, в частности, в производстве гипсовых стеновых блоков является основным звеном. Раннее начало схватывания гипса осложняет процесс формовки, очистку технического оборудования. Для получения пластифицированной гипсовой смеси был использован пластификатор и регулятор сроков схватывания Мелмент F15.

Выбор применяемой добавки основан на эффективном замедлении сроков схватывания гипсового вяжущего, при низком содержаний последней и придания раствору пластических свойств, что способствует снижению В/Г отношения. Мелмент F15 имеет хорошую химическую совместимость как с самими гипсовыми вяжущими, так и другими компонентами смеси.

Экспериментальные данные влияния различных количеств добавки на свойства гипсового раствора приведены в таблице 3.

Таблица 3 - Влияние количества добавки Мелмент F15 на свойства гипсового вяжущего.

Содержание добавки Сроки схватывания,

от массы гипсового вяжущего, В/Г мин.

% начало конец

Контрольный образец (без добавки) 0,6 5 10

0,1 0,55 12 16

0,3 0,5 18 27

0,5 0,42 28 35

1 0,35 36 54

2 0,28 42

Из таблицы 3 видно, что увеличение содержания добавки, приводит к удлинению начальных и конечных сроков схватывания гипсового вяжущего и одновременно к уменьшению водогипсового отношения (В/Г). Определено оптимальное количество содержании в пределах добавки 0,3-1% от гипсового вяжущего, при которых В/Г уменьшается на 17%-50% и время начала схватывания смеси наступает через 27-54 мин. по сравнению с 10 мин. у контрольного образца. Полученные технологические параметры позволяют формовать стеновые блоки в более широком интервале времени, в сравнении на обычном гипсовом вяжущем. Аналогичная зависимость наблюдается при рассмотрении всех концентрационных пределов. На рисунке 2 представлена графическая зависимость между количеством вводимой добавки, сроками схватывания гипсового вяжущего и водогипсового отношения.

2

зг §

2 о

2,0 1,5 1,0

0.5

0,1

0

В/Г

10

0,1 0,2 0.3 0.4 0,5 0,6 I É) I 50 ' 7¿ ^

1111

Время схватывания, мин

кривые: 1 - зависимость В/Г от количества вводимой добавки;

2 - зависимость времени начала схватывания гипсового вяжу-

щего от количества вводимой добавки;

3 - зависимость времени конца схватывания гипсового вяжущего

от количества вводимой добавки.

Рисунок 2 - Зависимость от количества добавки сроков схватывания и В/Г.

Влияние количества введенной добавки Мелмент Б-15 на прочность гипсового вяжущего от времени твердевшего в естественных условиях представлена на рисунке 3.

В состав смеси было введено небольшое количество модифицированных добавок для получения готовой продукции с улучшенными качественными характеристиками. В качестве полимерной добавки был использован Винна-пас ЯЕ 5028 N — сополимер винилацетата с этиленом, увеличивающий сцепление частиц гипса в смеси между собой тонкими гибкими пленками.

fl

1 2

3

о 1

3

5

7

прочность гипсового вяжущего с течением времени, МПа

кривые: 1 - прочность при сжатии через 2 часа твердения при вводе добавки;

2 - прочность при сжатии через 3 суток твердения при вводе до-

бавки;

3 - прочность при сжатии через 7 суток твердения при вводе до-

бавки.

Рисунок 3 - Кривые зависимости прочности гипсового вяжущего от времени и количества добавки.

Добавки Виннапас RE 5028 N и Мелмента F15 улучшают реологические свойства смеси, повышают ее эластичность, увеличивают растекаемость и плотность раствора с соответствующим ростом прочности и водостойкости. В таблице 4 приведены характеристики растворов на обычном гипсовом вяжущем и гипсовом вяжущем из гипсовых строительных отходов с вышеназванными добавками.

На основе лабораторных исследований выпущена опытная партия стеновых блоков из гипсовых отходов. Для изготовления стеновых блоков, разработана сырьевая смесь, включающая вторичное гипсовое вяжущее в количестве 77-83,5 %, полимерные добавки: Виннапас RB 50 R8N в количестве 1-2%, Мелмент F-15 в количестве 0,5%-1%, воду в количестве 15-20%. Смесь готовили следующим образом: в смеситель подавали воду, затем добавляли Мелмент F15 и Виннапас RE 5028 N, перемешивали в течении 5-7 мин., а затем подавали порошок полуводного гипса. Готовую смесь выгружали и заливали в формы. Из смеси были изготовлены контрольные образцы размерами 7x7x7 см. Твердение образцов проходило в естественных условиях в течение двух часов. Прочностные показатели и водопоглощение образцов определяляись в соответсвие с ГОСТ 10180 и ГОСТ 12730.2.

Таблица 4 — Свойства гипсовых образцов.

Гипсовая смесь на гипсовом вяжущем из: Водогипсовое отношение (В/Г) Водоудерживающая способность, % Расплыв раствора по цилиндру, , I мм Водопоглощение затвердевших образцов, % Прочность затвердевших образцов при сжатии, МПа I Схватывание раствора, мин Плотность затвердевшего раствора кг/м3

Природного камня марки ГЗ (контрольный) 0,6 86 190 8 3,4 7 1340

Гипсовых строительных отходов марки ГЗ 0,37 95 180 1,5 5,2 20 1660

Партия гипсового вяжущего, полученного из гипсовых отходов была использована в производстве опытной партии стеновых блоков размером 390x190x190 мм с определением их основных показателей.

Полученные изделия отличались высокой эластичностью, длительным временем схватывания, позволяющим получить изделие более высокой прочности и низкого водопоглащения.

5. Расчет эколого-экономнческой эффективности технологии переработки гипсовых отходов

В пятом разделе осуществлены расчеты экономического ущерба от выбросов гипсового и строительных производств и предотвращенного ущерба от технологии переработки гипсовых отходов.

В процессе осуществления природоохранных мероприятий базирующихся на новой технологии производства, решается многоцелевая задача, энерго и ресурсосбережения, утилизация отходов производства, результатом которой является прирост прибыли от использования отходов.

Структура элементов многоцелевой задачи полного экономического эффекта имеет следующий вид:

Э = Э +9

пи пр} лрр'

где: Э„р) - годовой экономический ущерб, предотвращенный в результате снижения или прекращения негативного воздействия объектов на окружающую среду, тенге/год; Э„рр - годовой прирост прибыли на произ-

водство рациональной технологии, использующий в качестве сырья гипсовую пыль, уловленную при очистке отходящих газов и гипсовые строительные отходы, тенге/год.

Расчет эколого-экономической эффективности от предотвращенного Эпрз - производился по следующей формуле:

¡=i

где: у{ - предотвращенный ущерб от переработки уловленных выбросов в атмосферу цехов производства гипса, составляет 21 033 125 тенге; уг - предотвращенный ущерб от неорганизованных свалок строительных отходов, составляющий 4 263 670 тенге; — предотвращенный ущерб от транспортировки отходов, составляющий 5 385 ООО тенге; % - предотвращенный ущерб от отчуждения земель, составляющий 9 063 670 тг. Итоговая сумма ожидаемого экологического эффекта от предотвращенного ущерба составит Э„рэ= 39 745 465 тенге.

Расчет эколого-экономической эффективности прироста прибыли Эпрр -производился по следующей формуле:

/+1

где расчет каждого показателя Pj производился отдельно и равен соответственно: Р\ - экономическая эффективность при получении 5 тыс. м3 гипсового вяжущего и составляет 7 250 000 тенге; Рг - экономическая эффективность при производстве 2 тыс. м3 изделий и составляет 4 452 000 тенге.

Итоговая сумма ожидаемого эколого-экономического эффекта от прироста прибыли составит Э„РР— 11 702 000 тенге.

Ожидаемый полный экономический эффект от внедрения безотходной технологии рациональной переработки гипсовых отходов в гипсовое вяжущее и гипсовые изделия составит Этэ=51 447 465 тенге.

выводы

Диссертационная работа содержит научно-обоснованные результаты лабораторных исследований и разработка на их основе рациональной технологии по переработке городских гипсовых отходов строительства, использование которых снижает экологическую нагрузку на окружающую среду предприятиями строительного и гипсового производства.

Основные научные результаты, практические выводы и рекомендации состоят в следующем:

1. -Рассчитаны массовые выбросы гипсовой пыли и сопутствующих вредных веществ на всех этапах гипсового производства, начиная от добычи и переработки сырья, изготовления гипса и переработки отходов, кото, рые составили 400 тыс. тонн в год.

2. Разработана методика определения категории опасности зон промышленных площадок гипсового и строительного производств для жизнедеятельности человека. Установлены поля рассеивания загрязняющих веществ от каждого источника выброса. Рассчитаны категории опасности и коэффициенты запаса вредности гипсовой пыли на здоровье человека в зонах.

3. На основе свойства затвердевшего гипсового камня при нагревании переходить в активную форму полуводного сульфата кальция и вновь гид-ратироваться с образованием гипсового камня, разработана технология переработки отходов гипсовых изделий во вторичное гипсовое вяжущее.

4. Проведено экспериментальное исследование процесса дегидрации дву-водного сульфата кальция, учитывающая влияние температуры. Разработана математическая модель нахождения оптимального режима проведения основных процессов получения гипсовых вяжущих, позволивших совместить одновременно помол и обжиг сырья.

5. Установлена эффективность влияния пластификатора Меллмент и добавки Виннопас активизирующее полученное вяжущее и позволяющие увеличить физико-технические характеристики на 1-2 порядка. Получен предпатент№ 2084/2 от 14.01.03 г.

6. Получен состав, включающий вторичное гипсовое вяжущее в количестве 77-83,5 %, полимерные добавки: Виннапас ЛБ 50 Я8К в количестве 1-2%, Мелмент Р-15 в количестве 0,5%-1%, воду в количестве 15-20% и на его основе способ производства стеновых гипсовых блоков. Получено положительное решение авторской заявки №0166.1 от 07.02.03 г.

7. Ожидаемый эколого-экономический эффект от внедрения рациональной безопасной технологии производства вяжущего из гипсовых отходов строительства и на их основе строительных изделий составит более 50 млн. тенге.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Джумагулов А.Т. Перспективы выпуска гипсовых вяжущих в Западном Казахстане // Труды Международной научно-практической конференции «Проблемы химической технологии неорганических, органических силикатных и строительных материалов и подготовки инженерных кадров». Шымкент: ЮКГУ, 2002, Т. 2, №3, с. 21-22.

2. Джумагулов А.Т. Проблемы технолопш местного производства отечественных высокопрочных гипсовых вяжущих // Труды Международной научно-практической конференции «Проблемы химической технологии неорганических, органических силикатных и строительных материалов и подготовки инженерных кадров». Шымкент: ЮКГУ, 2002, Т. 2, №3, с. 22-23.

3. Джумагулов А.Т., Кумар Д.Б. Пути решения геоэкологических проблем гипсовых отходов строительства // Труды Международной научно-практической конференции теоретических и экспериментальных исследований строительных конструкций. Алматы: КазГаса, 2002, с. 198-201.

4. Джумагулов А.Т., Тлебаев М.Б. Утилизация гипсовых отходов на предприятиях стройиндустрии // Труды Международной научно-практической конференции теоретических и экспериментальных исследований строительных конструкций. Алматы: КазГаса, 2002, с. 196-197.

5. Тлебаев М.Б.,Джумагулов А.Т. Разработка ресурсосберегающей технологической линии получения гипса из строительных отходов // Комплексное использование минерального сырья. Алматы, 2003, №2, с. 99-101.

6. Джумагулов А.Т., Тлебаев М.Б. Оценка воздействия гипсового производства на окружающую среду // Гидрометеорология и экология. №3,2003, с. 142-147

7. Положительное решение авторской заявки №0166.1. Смесь доя изготовления стеновых блоков // Джумагулов А.Т., Тлебаев М.Б. Получено 07.02.03 г.

8. Предпатент №2084/2. Способ производства гипсового вяжущего // Джумагулов А.Т., Тлебаев М.Б. Опубл. 14.11.03 г.

Т¥ЖЫРЫМ

Жумагулов Абай Тукенулы

ВДрылыстыц гипс калдыктарын ендеудщ экологиялык каушыз тсхнологиясын жасау

25.00.36 - Геоэкология

Римараттарды тургазу мен кирату, ^урылыс объектшерш жевдеу жане кайта жобалау кезшде тузшетш курылыс алацыныц кеп тонналы калдыктары уйнцпге лактырылады немесе орнында кемшп, калалык ландшафт пен экожуйсге кер! есер етуип кез болып табылады. Курылыс калдыктарыныд кептурлшпнен (бетон буйымдарыньщ ушщца, ктрппл жене асфальт кикындары, пенополистирол калдыктары, кагаздар) гипс калдыктары б1ршама келемд1 алады.

Жумыстыц максаты - кала курылысыныц гипс калдыктарын гипстж талшыкка евдеу жэне солардыц непзшде дайын ешедр алу аркылы коршаган ортаньщ жагдайын жаксартуга мумындш беретш рациональды экологиялык каушаз технологиясын жасау.

Жумыстыц максаты орындалу ушш математикалык статистика мен корреляционды-регрессиялы талдау од!стерш; физико-химиялык зерттеулерд1; зертханалык-тэж1рибелк байкауларды жэне тэж1рибел1 партияны eндipyдi камтитын зерттеудщ комплекса эд1с1 колданылады.

Шиюзатты алу мен оцдеуден бастап гипс™ дайындау жэне калдыктарды енд1руд1 «Жамбылгипс» ЖАК, мен СБА «Ак-ниет-Атырау» КУРЫЛЫС бэл1мшес1 мысалывда гипс ощцркппц барлык кезецдершде шестш зиянды затгар мен гипс шавдарыныц массальщ лактырындылары eceптeлiнгeн.

Адамныц тсршшк ерекет! ушш гипс ощцр^а мен курылыс енеркэсш алац аймактарыныц кауш-катер категориясын аныктайтын эдютемс жасалынган.

Ластаушы эрбф коздеп ластайтын заттардьщ таралу ерк1 аныкталган. Аймактарда адамныц денсаулыгына гипс шавдарыныц зияндылык Кор коэффициент!, кауш-катер категориясы есептелшген. ШРК-дщ артуы, внд1р!с-онеркэст аймактарда адамныц денсаулыгына зиян келпру кауш ей сулы сульфат кальцидш дегидрация процесшщ, тожфибелш зертгеулерд1 етызуге, унтактау мен ппшзатты ортеу;п б1р уакытта б1р1кт1руге мумювдш

беретш гипстнс талшык алудыц непзп процестерш отизудщ оцтайлы режимш табудыц математикалык моделш жасауга итермеледк

Алынган талшыкгы активтенд1ру лоне физика-техникалык сипаттарын 1-2 ретке арттыруга мумкпщк беретш Меллмент пластификаторы мен Виннопас косымшаларыныд ыкпал ету тшмдшп аныкталган. №2003/0165.1 предпатешт алынды.

77-83,5% аралыкта кайтарымды гипспк талшыкты, 1-2% аралыкта RB 50 R8N Виннопас, 0,5-1% аралыкта Меллмент F15 полимерлж косымшаларын, 15-20% аралыкта суды камтитын курамы жэне оныц нспзшде кабырга гипстж блоктарды оцдсу Tocini алынды. №2003/0166.1 предпатешт алынды.

Курылыстыц калальщ гипс калдыктарын евдеу аркылы дайын ошм алудыц рационалды технологиясы жасалынган, оны колдану курылыс oiiepKaciôi мен гипс oH/ùpiciniH; коршаган ортага экологияльщ ауыртпалыгы т0мeндeтiлдi.

Зертгеу нэтижелер1 тэжтрибел1 пэтераральщ блок партияларын шыгаруда тэж1рибел1-онеркэсш шарттарда бекггшш жэне норматива база -техникалык шарттармен камсыздандырылган.

«Жамбылгипс» АА1\-на «Коршаган ортага ластаушы зиявды заттардыц тастандыларын есептсудщ автоматтапдырылгац жуйесш программалык кешен ещцршген. Калальщ гипс курылыс калдыктарынан гипс ендарудщ экологиялы-тшмд1 технологиясын жасау бойынша техникалык; шартгар мен тэж1рибел1к усыныстар курастырылган жэне бекшлген.

Гипс калдыкгарын оцдеудщ усынып отырган рационалды экологиялык-Kayinci3 технологиясын курылыс саласынын кез келген туракты шаруашылык oiïflipic алацында колдануга болады.

Гипс жэне курылыс ецщргсшщ эсер eTyiH багалау бойынша курастырылган программалык куралдар пакетш баска онеркэсштерге де колдануга болады. Kefi6ip теориялык нэтижелер мен тэж1рибелж усыныстар М.Х.Дулати атындагы ТарМУ-шц лекция окыганда, тож1рибелж жэне зертханалык жумыстарында колданылады.

Курылыстыц гипс калдыктарынан талшык ещцрудщ рационалды Kayinci3 технологиясын енд1руден жэне оныц непзшде курылыс буйымдарын алатын эколргиялык-экономикалык тшмдшк 31 млн. тецгеш курайды.

ABSTRACT

Djumagulov Abai Tukenovich

Development of ecologically safe technology Processings of plaster waste products of construction

25.00.36- Geoecologia

The large-tonnage waste products of building sites formed at construction and сносе of buildings, and to re-planning of building objects are sent reconstruction on a dump, or dug in on places and are sources of negative influence on a city landscape and экосистему. From all variety of building waste products (the breakage of concrete products, fight of a brick and asphalt, waste products of expanded polystyrene, a paper) significant volume borrow plaster waste products.

The purpose of work - development of rational ecologically safe technology promoting improvement of a condition of an environment, by processing plaster waste products of construction in plaster knitting, and receptions on their basis of finished goods.

For performance of the purpose of work the complex method of researches including is used: methods of mathematical statistics and корреляционно-регрессионных analyses; physical and chemical researches; laboratory - experimental tests and introduction skilled parties.

Mass emissions of a plaster dust and accompanying harmful substances at all stages of plaster manufacture are designed, starting(beginning) from extraction and processing of raw material, manufacturing of plaster and processing of waste products by the example of Joint-Stock Company "Zhambilgips " and building division of SPA "Ak-niet Atirau".

The technique of definition of a category of danger of zones of industrial platforms of plaster and building manufactures for ability to live of the person is developed. Fields of dispersion of polluting substances from each source of emission are established., factors of a stock of harm of a plaster dust categories of danger are designed for health of the person in zones. Excess of maximum concentration limit, increase in risk to health of the person in industrial and production zones has pushed to carrying out of experimental researches of process of dehydration of two-water sulfate of calcium, development of mathematical model of a presence

of an optimum mode of carrying out of the basic processes of reception plaster knitting, allowed to combine simultaneously a grinding and roasting of raw material.

Efficiency of influence of softener Melment and additives Виннопас making active received knitting is established and allowing to increase physicotechnical characteristics by 1-2 order. The prepatent № 2003/0165.1 is received

The structure including secondary plaster 77-83,5 % knitting in an interval, polymeric additives is received: Vinopas RB 50 R8N in an interval of 1-2 %, Melment F-15 in an interval of 0,5%-1 %, water within the limits of 15-20 % and on his(its) basis a way of manufacture wall plaster blocks. The prepatent № 2003/0166.1 is received.

The rational technology on processing city plaster waste products of construction is developed, in finished goods which use reduces an ecological load on an environment the enterprises of building and plaster manufacture.

Results of researches are approved in trial conditions at release of an experimental batch стеновых interroom blocks (Almaty, Taraz, Atirau) and provided with normative base - specifications.

The program complex is introduced into Joint-Stock Company "Zhambil-gips": «System of the automated calculation of emissions of polluting harmful substances in an environment». Specifications and practical recommendations on development ecologically - the effective "know-how" of plaster from city plaster building waste products are made and authorized.

The suggested rational ecological - safe technology of processing of plaster waste products is applicable on any stationary economic industrial platforms buildings.

The developed package of software according to influence of plaster and building manufactures can be used for the related enterprises. Some theoretical results and practical recommendations are used at reading lecture, practical and laboratory researches in TarSU by M.H.Dulati.

Expected ecology-economic benefit of introduction of the rational safe "know-how" of construction knitting from plaster waste products and on their basis of building products will make more than 31 million tenge.