Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Утилизация гидролизного лигнина при возведении малозаглубленных фундаментов и земляных сооружений

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Текст научной работыДиссертация по географии, кандидата технических наук, Коптяев, Виктор Викторович, Архангельск

АРХАНГЕЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

КОПТЯЕВ Виктор Викторович

УТИЛИЗАЦИЯ ГИДРОЛИЗНОГО ЛИГНИНА ПРИ ВОЗВЕДЕНИИ МАЛОЗАГЛУБЛЕННЫХ ФУНДАМЕНТОВ И ЗЕМЛЯНЫХ СООРУЖЕНИЙ

Специальность 11.00.11 - Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -кандидат технических наук А.Л. Невзоров

Архангельск, 1999

Оглавление

Стр.

Введение....................................................................................................................................................5

1. Состояние вопроса и задачи исследований..........................................................7

1.1. Объемы производства и утилизации гидролизного лигнина... 7

1.2. Основные направления утилизации гидролизного лигнина... 9

1.3. Существующие представления о химическом составе и физических свойствах гидролизного лигнина..............................................14

1.4. Опыт устройства малозаглубленных фундаментов

с теплоизоляцией............................................................................................................18

1.5. Методы расчета промерзания-оттаивания грунтов..............................20

1.6. Цель и задачи исследований.............................................................23

2. Экспериментальные исследования физико-механических и теп-лофизических свойств гидролизного лигнина..................................................25

2.1. Характеристика исследуемых образцов лигнина................................25

2.2. Физико-механические свойства гидролизного лигнина................29

2.2.1. Физические свойства........................................................................................29

2.2.2. Водопроницаемость и деформационные свойства................32

2.2.3. Прочностные свойства.................................................44

2.3. Теплофизические свойства гидролизного лигнина............................47

2.3.1. Методика исследований, приборы и оборудование ...... 48

2.3.2. Теплопроводность лигнина при различных значениях влажности, плотности и температуры..............................................54

Выводы по 2-й главе..........................................................................................................61

3. Аналитический расчет и численный эксперимент по определению глубины промерзания грунта со слоем теплоизоляции................63

3.1. Аналитический расчет..................................................................................................63

3.1.1. Постановка задачи о стационарном тепловом поле

в массиве грунта с теплоизоляцией.......................... 64

3.1.2. Результаты расчета стационарного температурного

поля................................................................. 71

3.2. Численное моделирование процессов промерзания-

оттаивания с использованием ЭВМ................................ 77

3.2.1. Постановка задачи, свойства материалов, граничные условия............................................................. 78

3.2.2. Результаты расчета.............................................. 82

Выводы по 3-й главе.................................................... 87

4. Лабораторные и полевые испытания теплоизоляции из гидролизного лигнина.............................................................. 88

4.1. Изготовление блоков из гидролизного лигнина.................. 88

4.1.1. Использование вяжущих для изготовления теплоизоляционных блоков из лигнина..................... 88

4.1.2. Применение таллового пека для гидроизоляции блоков

из лигнина......................................................... 93

4.2. Лабораторные испытания водопоглощения лигнина............ 94

4.3. Полевые испытания теплоизоляции из лигнина.................. 100

4.3.1. Описание полевого участка и методики измерений...... 100

4.3.2. Сравнение результатов полевых испытаний и численного эксперимента............................................... 104

4.3.3. Результаты полевых испытаний на опытном участке АГТУ............................................................... 109

Выводы по 4-й главе.................................................... 110

5. Практические рекомендации по утилизации гидролизного лигнина при возведении фундаментов и земляных сооружений...... 111

5.1. Использование гидролизного лигнина для теплоизоляции

малозаглубленных фундаментов................................... 111

5.1.1. Проектирование малозаглубленных фундаментов..............112

5.1.2. Технология устройства теплоизоляции из гидролизного лигнина.............................................................................115

5.1.3. Расчет экономического эффекта от использования теплоизоляции для снижения глубины заложения фундаментов, возводимых на пучинистых грунтах............................118

5.2. Использование гидролизного лигнина при возведении земляных сооружений..........................................................................................................124

Выводы по 5-й главе..................................................................................................................131

Общие выводы.........................................................................................132

Список литературы....................................................................................................................134

Приложения......................................................................................................................................146

Введение

Разработка способов утилизации отходов промышленного производства является актуальной задачей охраны окружающей среды.

Наиболее многотоннажным отходом гидролизной промышленности является технический лигнин. Большая часть лигнина направляется в отвалы и свалки, которые занимают значительные земельные площади и искажают природный ландшафт. Утилизация гидролизного лигнина в основном осуществляется сжиганием его в топках паровых котлов.

Многочисленными исследованиями [4,5,6,25,53,70,82,92,93] доказано, что гидролизный лигнин можно использовать не только в качестве топлива, но и в качестве сырья, например, для изготовления строительных материалов. Кроме того, гидролизный лигнин, имеющий низкую теплопроводность и малый удельный вес, может применяться при возведении различных земляных сооружений. Предлагаемые способы утилизации лигнина позволяют уменьшить размеры отвалов и сократить объемы разработки грунта в карьерах, обеспечивая тем самым рациональное использование природных ресурсов.

При использовании лигнина в качестве грунтового материала необходимо знать его физико-механические свойства и их изменение в течение длительного времени под воздействием климатических факторов.

Особую остроту в настоящее время приобретает проблема энергосбережения. Одним из путей ее решения является применение теплоизоляции в конструкциях зданий и сооружений.

Традиционные теплоизоляционные материалы, такие как пенополи-стирол, пенополиуретан, минеральная вата, обладают высокой стоимостью. Поэтому, весьма перспективным является применение в качестве утеплителей отходов промышленного производства, в частности гидролизного лигнина.

В нашей стране за последние несколько лет широкое распространение получило строительство малоэтажных жилых домов. Фундаменты таких зданий возводятся обычно на естественном основании. При строительстве на пучинистых грунтах возникает опасность промерзания грунтов основания, что может вызывать неравномерные деформации фундаментов. Для предотвращения этого явления необходимо заглублять подошву фундамента ниже уровня сезонного промерзания. Например, для условий Архангельска глубина промерзания глинистых грунтов составляет более 1,6 м. Использование гидролизного лигнина для теплоизоляции фундаментов позволит одновременно уменьшить глубину их заложения и сократить теплопотери из здания.

Таким образом, исследование физико-механических и теплофизи-ческих свойств гидролизного лигнина и разработка рекомендаций по его утилизации при возведении фундаментов и земляных сооружений является одним из направлений решения экологических проблем и рационального использования природных ресурсов.

Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследований

1.1. Объемы производства и утилизации гидролизного лигнина

Предприятия химической переработки древесины отличаются сравнительно невысоким коэффициентом использования сырья и являются агрессивными нарушителями экологического равновесия [100]. Отходы их производства загрязняют воду, воздух, почву, приводят к нерациональному отторжению больших земельных площадей. Транспортировка, складирование и хранение отходов требуют значительных материальных затрат.

В частности, в гидролизной промышленности объем отходов достигает 80 % от объема потребляемого сырья. Из них почти половину составляет гидролизный лигнин. По различным оценкам [6,32,64,86] в период с 1980 по 1990 гг. в нашей стране ежегодно получали 1,5-3,5 млн. тонн лигнина, его утилизация не превышала 30-40 %.

На территории Архангельской области существует два крупных предприятия гидролизной промышленности - Архангельский гидролизный завод и Онежский гидролизный завод. По данным В.А. Дьячкова [24] в отвалах этих заводов объемы лигнина в настоящее время составляют около 14 млн. т. Площадь, занимаемая отвалами, превышает 30 га, их высота достигает 10-12 м (рис. 1.1, рис. 1.2).

Наибольшее количество лигнина в настоящее время используется в качестве топлива. Такой способ утилизации является наиболее простым, однако, не может полностью решить экологические проблемы. При сжигании лигнина образуются отходы в виде продуктов сгорания и лигнин-ной золы, что приводит к вторичному загрязнению окружающей среды. Существующие объемы отвалов гидролизного лигнина позволяют использовать его, как и любой другой органический материал (древесина,

нефть, торф), нс только в качестве топлива, но и в качестве сырья. Имеются многочисленные разработки по использованию лигнина в строительстве [25,50,70,82,92в черной и цветной металлургии [34,61], в химической промышленности [100,103,10,71], но вес они отличаются незначительными объемами утилизации этого материала.

Таким образом, проблема утилизации гидролизного лигнина для Архангельской области и для страны в целом является весьма актуальной. Необходимость решения данной проблемы определяется в первую очередь экологической целесообразностью утилизации лигнина без образования вредных попутных продуктов [4].

Рис. 1.1. Вид на свалку гидролизного лигнина Онежского завода

о

У

Рис. 1.2. Отвал гидролизного лигнина

1.2. Основные направления утилизации гидролизного лигнина

Направления утилизации гидролизного лигнина представлены на рис. 1.3. Основными потребителями лигнина являются строительство и химическая промышленность. Имеются разработки по применению лигнина в черной и цветной металлургии, в сталеплавильной промышленности [6].

Научно-исследовательскими и опытно-конструкторскими работами ряда ученых показана техническая возможность использования гидролизного лигнина, обладающего малым удельным весом и низкой теплопроводностью, в производстве теплоизоляционных строительных изделий.

В 50-х годах во ВНИИгидролиз была разработана технология получения пористых-, полутвердых-, и твердых плит с введением вместо древесного волокна гидролизного лигнина [6]. Опытно-промышленные

Рис. 1.3. Основные направления утилизации гидролизного лигнина

испытания лигноволокнистых плит на Сегежском ЦБДК показали, что использование лигнина обеспечивает экономию древесного волокна, но снижает физико-механические свойства материала плит - увеличивает плотность, уменьшает прочность на статический изгиб и т.д.

С.И. Сухановским и Н.В. Мухиным было установлено, что добавка 0,3-0,4 % лигнина повышает тонкость помола цементаого клинкера, увеличивает производительность мельниц, но при этом увеличиваются сроки схватывания и снижается прочность цемента [6].

В.В. Арбузов предложил из древесного гидролизного лигнина изготавливать пьезотермическим методом лигнопластиковые изделия для настила чистых полов [5]. В качестве вяжущих материалов использовались фенолформальдегидная и карбамидная смолы. С целью уменьшения кислотности лигнина и увеличения прочности добавлялся водный раствор аммиака. Для получения теплоизоляционных плит в сухой гидролизный лигнин вводился гранулят пенопласта [3]. Предлагаемая технология изготовления отличаются технической сложностью, требует больших энергозатрат и специального оборудования для сортировки, сушки и прессования.

В.М. Селивановым предложена сырьевая смесь для изготовления теплоизоляционных материалов, состоящая из гидролизного лигнина, воды и золы ТЭС [2]. Им разработаны методы использования лигнина в качестве засыпной теплоизоляции, опрессованных утеплителей и конструкций из лигнобетона [82]. Недостатком предложенных методов, по мнению автора, является большое водопоглощение лигнина, приводящее к потере теплозащитных свойств утеплителей.

Э.П. Плотниковым предложена масса для изготовления теплоизоляционных изделий [1], включающая гидролизный лигнин, полимергли-нобитумную пасту и керамзитовый песок. Полимерглинобитумная пас-

та, состоящая из битума, бентонитовой глины и стабилизированного латекса используется для обеспечения водостойкости массы.

Минским НИИСМ проведены исследования по использованию гидролизного лигнина в производстве искусственного пористого заполнителя для легких бетонов - аглопорита [93].

Работами ряда авторов доказана возможность применения лигнина в качестве выгорающей добавки при производстве керамических строительных материалов [6,103]. При этом лигнин служит не только как по-ризующая добавка, но и как заменитель угля в качестве технологического топлива.

Использование лигнина в химической промышленности в качестве наполнителя различных высокомолекулярных соединений сопряжено с необходимостью его сушки, измельчения и химической активации. Существующим методам измельчения присущи большая энергоемкость, высокий намол металла и низкая производительность [6]. Химическая активация включает в себя различные способы модификации полимолекулы лигнина, которые увеличивают количество активных функциональных групп.

Вопросам химической переработки гидролизного лигнина посвящен большой объем исследований и научных разработок [100,103,10,71]. Отдельные направления переработки уже освоены в опытно-промышленных условиях. Например, производство нитролигнина, хлор-лигнина, коллактивита и т.п. При химической переработке гидролизного лигнина обычно не возникает необходимости в таких энергоемких операциях, как сушка, размол, промывка, фильтрация. Однако указывается, что получение индивидуальных веществ экономически не оправдано, учитывая сложный состав и большие колебания компонентов технических лигнинов [6].

В некоторых работах показана возможность использования лигнина и продуктов его модификации в сельском хозяйстве в качестве удобрений [71]. К сожалению, в настоящее время приросты урожая не окупают затрат на транспортировку и внесение гидролизного лигнина [6].

Перспективным направлением является термическая переработка гидролизного лигнина. В результате высокотемпературного нагревания лигнина без доступа воздуха получают твердый остаток (лигниновый уголь или полукокс) и смола. Выход угля и смолы за счет повышенного содержания углерода при пиролизе лигнина выше, чем при пиролизе древесины. Уголь, полученный из гидролизного лигнина, может применяться в производстве кристаллического кремния, сплавов цветных металлов, сероуглерода, в качестве исходного сырья для получения активного угля и др. [6,103]. Существенным недостатком гидролизного лигнина как сырья является изменение его свойств в широких пределах. В частности, на некоторых заводах получают лигнины с содержанием золы до 11 % [88]. Такие лигнины непригодны для получения углей.

В металлургической промышленности возможно применение лигнина в производстве ферросплавов - в виде лигниновых, лигноугольных и лигнорудных брикетов [34,61]. В производствах цветной металлургии гидролизный лигнин может быть использован при получении кристаллического кремния и алюминиево-кремниевых сплавов [103].

Сорбционные свойства лигнина используются в медицине. Разработан способ получения из гидролизного лигнина медицинского препарата для лечения инфекционных заболеваний желудочно-кишечного тракта, которому Минздрав СССР присвоил название полифепан [102].

Сжигание гидролизного лигнина является наиболее технически простым направлением его утилизации. В настоящее время накоплен определенный опыт по расчету, проектированию, наладке и эксплуата-

ции оборудования для транспортировки, сушки, размола, обеспыливания и сжигания лигнина [24,31].

Вместе с тем, из-за высокой влажности, низкой калорийности, повышенной склонности к самовозгоранию и взрывам, а также резко переменных физико-химических и теплоэнергетических характеристик лигнин должен быть отнесен к наиболее трудно сжигаемым энергетическим топливам [31].

1.3. Существующие представления о химическом составе и физических свойствах гидролизного лигнина

Гидролизный лигнин представляет собой твердый остаток после обработки измельченной древесины раствором серной кислоты при температуре 180-190°С и давлении 1,2-1,5 МПа. Как указывает ряд авторов [4,6,70,100], гидролизный лигнин является сложной смесью веществ гидролитического распада древесных остатков. В него входят собственно лигнин, полисахариды, редуцирующие вещества, минеральные и органические кислоты, смолы, зольные элементы и други