Размещено на http://www.allbest.ru

КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

ГЕРМАШ Катерина Михайлівна

УДК 666.19:677.522:691.3:691.5

НІЗДРЮВАТЕ СКЛО НА ОСНОВІ СУМІШЕЙ, ЩО МІСТЯТЬ ПРОДУКТИ СПАЛЮВАННЯ ТВЕРДИХ ПОБУТОВИХ ВІДХОДІВ

05.23.05 - Будівельні матеріали та вироби

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ - 2006

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі технології будівельних конструкцій та виробів Київського національного університету будівництва і архітектури.

Науковий керівник - кандидат технічних наук, професор

Гоц Володимир Іванович,

Київський національний університет будівництва і архітектури, професор кафедри технології будівельних конструкцій та виробів

Офіційні опоненти

- доктор технічних наук, професор

Федоркін Сергій Іванович,

Національна академія природоохоронного і курортного будівництва, м. Сімферополь, ректор, зав. кафедрою технології будівельних конструкцій і будівельних матеріалів

- кандидат технічних наук, доцент

Фальковська Тамара Іванівна,

Національний технічний університет України “КПІ”, м. Київ,

доцент кафедри хімічної технології кераміки і скла

Провідна установа - Національний університет “Львівська політехніка” Міністерства освіти та науки України, кафедра будівельного виробництва, м. Львів

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

к.т.н., доц. Блажіс Г.Р.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. На сьогоднішній день надзвичайно актуальною залишається проблема енерго- та ресурсозбереження. Підвищення вимог до термічного опору зовнішніх огороджуючих конструкцій є одним зі шляхів вирішення даної проблеми в будівельній галузі та житлово-комунальній сфері народного господарства. Забезпечення необхідного термічного опору будівель досягається використанням багатошарових стінових конструкцій з ефективними утеплювачами. Це, у свою чергу, вимагає значних обсягів виробництва ефективних теплоізоляційних матеріалів. Сучасний ринок будівельних матеріалів пропонує широкий спектр теплоізоляційних матеріалів. Проте більшість з них лише частково відповідає сучасним жорстким вимогам щодо власне теплозахисних властивостей, міцності, екологічної та пожежної безпеки, і тому на сьогоднішній день існує значний попит на ефективні теплоізоляційні неорганічні матеріали.

Одним із матеріалів, що найбільш повно відповідає вимогам сучасного будівництва, є ніздрювате скло, відоме як піноскло. Проте значні енерго- та ресурсовитрати класичної технології його виробництва і обумовлена цим висока вартість стримують широке використання ніздрюватого скла у будівництві. Розширення сировинної бази за рахунок використання вторинної сировини, зокрема, золи та шлаку від спалювання твердих побутових відходів, а також одержання ніздрюватого скла безпосереднім спучуванням сировинних шихт є передумовою розробки ефективної технології виробництва ніздрюватого скла, яка також дозволить утилізувати зазначені відходи. будівельний ніздрюватий скло спалювання

Подібність хіміко-мінералогічного складу золи та шлаку від спалювання твердих побутових відходів до характеристик сировинних шихт на основі чистого скла і наявність у складі цих відходів сполук, потенційно здатних до газоутворення при випалі, дозволило висунути наукову гіпотезу про можливість виготовлення ніздрюватого скла з використанням золи і шлаку, процеси силікатоутворення яких в присутності додаткових лужних компонентів забезпечують утворення необхідної кількості силікатного розплаву та газоподібної фази, що обумовлює формування поризованого штучного каменю.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана відповідно до вирішення задач при виконанні держбюджетної науководослідної роботи № 5ДБ2005 “Розробка складів і технології виробництва лужних пінобетонів поліфункціонального призначення, наповнених легкими заповнювачами мінерального і органічного походження (№ державної реєстрації 0105U001336).

У представленій роботі здобувач виконувала експериментальну частину і обробку одержаних результатів.

Мета і задачі дослідження

Метою роботи є встановлення доцільності використання продуктів від спалювання побутових відходів при виробництві екологічно чистих матеріалів будівельного призначення, зокрема, ніздрюватого скла, та вдосконалення технології його виробництва в напрямку підвищення його фізико-механічних та теплотехнічних характеристик.

Для досягнення поставленої мети потрібно вирішити наступні задачі:

дослідити закономірності процесів силікатоутворення і формування ніздрюватої структури при випалі шихт, що містять золу та шлак від спалювання твердих побутових відходів;

встановити ефективність використання в досліджуваних шихтах різних газоутворювачів;

дослідити ефективність використання в досліджуваних шихтах плавнів - солей лужних металів;

розробити та оптимізувати склади сировинних сумішей та параметри технологічних процесів їх обробки для одержання ніздрюватого скла з заданими властивостями;

визначити основні фізико-механічні, теплотехнічні та спеціальні властивості розробленого ніздрюватого скла;

дослідити ефективність зв'язування токсичних сполук, що містяться у золі та шлаку від спалювання твердих побутових відходів, скляною матрицею ніздрюватого скла;

здійснити у промислових умовах відпрацювання основних етапів технології виробництва та випуск дослідно-промислової партії ніздрюватого скла;

визначити техніко-економічну ефективність розробленого матеріалу.

Об'єктом досліджень є ніздрювате скло з заданими властивостями.

Предметом досліджень є процеси силікатоутворення і формування ніздрюватої структури штучного каменю при випалі шихти, що містить золу та шлак від спалювання твердих побутових відходів.

Методи досліджень. Експериментальні дослідження виконано із застосуванням сучасних методів фізико-хімічного аналізу: диференціально-термічного та рентгенофазового аналізу. Визначення фізичних (середня густина, пористість, водопоглинання) та фізико-механічних (міцність на стиск) характеристик проведено за традиційними методиками згідно з діючими нормативними документами. Здійснено оптимізацію основних технологічних параметрів одержання ніздрюватого скла за допомогою математичних методів планування та обробки результатів експерименту. Проведено дослідження вилуговування токсичних сполук, що містяться у золі та шлаку від спалювання твердих побутових відходів, з одержаного ніздрюватого скла згідно з методиками, призначеними для визначення вилуговування радіоактивних та токсичних речовин з компаундів.

Наукова новизна одержаних результатів:

встановлено особливості процесу силікатоутворення при одержанні ніздрюватого скла з сировинних шихт, що містять продукти спалювання твердих побутових відходів, які супроводжуються синтезом склокристалічної фази, мікрокристалічні включення якої представлені в-кварцом, мелілітом, воластонітом та геленітом;

визначено позитивну роль від введення до складу сировинних шихт лужних добавок (силікат-глиба, рідинне скло, сода), що полягає не лише у зниженні температури переходу речовини у піропластичний стан на 50-100^оС, а також у прискоренні процесу формування ніздрюватої структури штучного каменю за рахунок твердофазової взаємодії силікатної складової та лужного компонента;

доведено, що формування ніздрюватої структури штучного каменю на основі шихти, що містить продукти від спалювання твердих побутових відходів, лужні добавки та газоутворювач, відбувається не лише за рахунок використання останнього, наявність якого впливає переважно на формування відкритої пористості, але й внаслідок взаємодії силікатних складових шихти з невипаленими вуглецевими частинками, що входять до складу золи та шлаку від спалювання твердих побутових відходів і обумовлюють додаткове виділення газової фази, яка сприяє формуванню розвинутої мікропористої структури в усьому об'ємі штучного каменю, підвищуючи у 2-3 рази показники масопереносу та комфортності.

Практичне значення одержаних результатів:

запропоновано склади сировинних шихт, що містять продукти спалювання твердих побутових відходів у кількості до 30%, використання яких дозволяє отримати штучний камінь з наступними характеристиками: середня густина 280-420 кг/м³, міцність при стиску 2,2 - 4,5 МПа, водопоглинання за об'ємом - 9,2-8,2%, коефіцієнт теплопровідності л - 0,05 - 0,07 Вт/м·К;

розроблено технологічні параметри одержання ніздрюватого штучного каменю за спрощеною технологією, що передбачає вилучення етапу скловаріння;

запропоновано новий підхід для використання продуктів спалювання твердих побутових відходів як компонентів сировинних шихт для виробництва ніздрюватого скла, що забезпечує зв'язування токсичних речовин зазначених відходів скляною матрицею ніздрюватого каменю і одержання матеріалу з необхідним характеристиками.

Особистий внесок здобувача полягає у виконанні експериментальних досліджень, обробці одержаних результатів і впровадженні результатів роботи у виробництво. Особистий внесок здобувача у наукові роботи:

- обґрунтовано можливість ефективної утилізації токсичних відходів шляхом їх зв'язування скляними матрицями; показана принципова можливість застосування золи від спалювання твердих побутових відходів як складової шихти для одержання штучного ніздрюватого каменю [1,2];

- за допомогою математичних методів планування експерименту визначено області оптимальних значень основних технологічних факторів для одержання ніздрюватого скла з оптимальними характеристиками в заданій області компонентного складу сировинної шихти [3];

- показано залежність основних характеристик ніздрюватого скла від вмісту продуктів спалювання твердих побутових відходів, що введені до складу шихти; окреслено можливості регулювання в'язкісних характеристик розплаву шихти та характеристик спучення шляхом використання модифікуючих технологічних добавок, зокрема, рідинного скла та силікат-глиби [4,5];

- досліджено вплив відпалу на показники міцності ніздрюватого скла та зв'язок між міцнісними характеристиками і зміною фазового складу штучного каменю після здійснення відпалу [6];

- експериментально підтверджено, що введення до складу шихт для одержання ніздрюватого скла до 30 мас. % продуктів спалювання побутових відходів забезпечує формування пористої структури ніздрюватого каменю, яка обумовлює високі показники комфортності матеріалу порівняно з традиційним ніздрюватим склом [7].

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися та обговорювалися на 64 та 65 науково-практичних конференціях КНУБіА (2003, 2004 рр.), другій міжнародній науково-практичній конференції "Енергозберігаючі технології. Застосування відходів промисловості в будівельних матеріалах та будівництві" (Київ, НДІБМВ, 2004р.).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 7 друкованих робіт, в тому числі 4 - у наукових спеціалізованих виданнях, 2 - у збірниках та журналах і 1 - в матеріалах і тезах доповідей вітчизняних конференцій та семінарів.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота викладена на 122 сторінках друкованого тексту основної частини, яка складається зі вступу, шести розділів та висновків. Повний обсяг дисертації становить 143 сторінки і включає 18 таблиць, 28 рисунків, список використаних джерел зі 134 найменувань та 4 додатки.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету досліджень, наукову новизну, практичне значення та основні задачі, що розв'язані у роботі.

У першому розділі наведено огляд стану наукової розробки теми та визначено теоретичні передумови досліджень.

Широке використання ніздрюватого скла (піноскла) в будівельній галузі стримується відсутністю його промислового виробництва в Україні та високою вартістю матеріалу, що ввозиться з-за кордону. Вищезазначене обумовлює актуальність розробки і необхідність впровадження ефективної технології виробництва ніздрюватого скла із застосуванням вторинної сировини. Економічна ефективність та конкурентноспроможність нового виробництва можлива лише при використанні енерго- та ресурсозберігаючих технологій.

Основними напрямками зменшення енерго- та ресурсоємності технології отримання ніздрюватого скла є одержання матеріалу безпосереднім спучуванням шихти, що містить вторинну сировину та техногенні відходи.

На сьогоднішній день існує значна кількість досліджень та розробок щодо використання при виробництві ніздрюватого скла відходів скляного виробництва, склобою, природних вулканічних стекол, цеолітомістких порід і т.п. Чисельними дослідженнями встановлено можливість використання відходів гірничо-збагачувальної та теплоенергетичної промисловості для одержання пористих спучених матеріалів за технологією ніздрюватого скла чи пінокераміки. Проте широке застосування зазначених матеріалів обмежується нестабільністю їхнього хіміко-мінералогічного складу, що ускладнює впровадження їх у виробництво і може призвести до нестабільності та погіршення характеристик отриманих матеріалів. Відсутність ґрунтовних досліджень процесів структуроутворення у шихтах, що містять зазначені відходи, ускладнює можливості направленого регулювання технологічного процесу з метою одержання матеріалів з необхідними характеристиками.

Огляд даних, наведених у науковій літературі (І.І. Китайгородський, Б.К. Демидович, В.Д. Глуховський та ін.), дозволяє зробити висновок про відсутність відомостей щодо можливості використання у технології ніздрюватого скла золи та шлаку від спалювання твердих побутових відходів. Аналіз відомої інформації про використання техногенних відходів для виробництва матеріалів типу ніздрюватого скла, особливостей структуро- та силікатоутворення при одержанні ніздрюватого скла з традиційних сировинних матеріалів, а також подібність хіміко-мінералогічного складу золи та шлаку від спалювання твердих побутових відходів до традиційних сировинних матеріалів дозволяє висунути гіпотезу про можливість використання зазначених відходів у технології ніздрюватого скла. Таке технологічне рішення також може виявитися ефективним засобом іммобілізації від довкілля шкідливих речовин, що є в продуктах спалювання побутових відходів, шляхом зв'язування їх у нерозчинні сполуки в процесі отримання ніздрюватого скла.

Основним завданням при залученні золи та шлаку від спалювання твердих побутових відходів до сировинної бази ніздрюватого скла є стабілізація їх хіміко-мінералогічного складу, а також дослідження процесів структуроутворення в сировинних шихтах з метою розробки методів направленого регулювання технологічного процесу для одержання матеріалу з необхідними експлуатаційними характеристиками.

У другому розділі наведено характеристики використаних сировинних матеріалів та методів досліджень.

Як основні сировинні матеріали для одержання ніздрюватого скла в роботі було використано подрібнене віконне скло (склопорошок) та золу і шлак від спалювання твердих побутових відходів Київського сміттєспалювального заводу „Енергія”.

Таблиця 1

Хімічний склад віконного скла

Вміст оксидів, мас. %
SiO2	Al2O3	CaO	MgO	Na2O	K2O	Fe2O3	SO3
70-74	1,5-2	6-9	2-3,5	14-16	0,9	0,05-0,08	0,33

Таблиця 2

Хімічний склад золи та шлаку від спалювання твердих побутових відходів

Вид відходу	Вміст оксидів, мас. %
	SiO2	Al2O3	Fe2O3	TiO2	CaO	MgO	SO3	Na2O	K2O	інші
зола	66,3	5,3	-	0,4	10,4	1,4	2,6	2,6	2,0	8
шлак	76,6	3,9	2,1	0,3	5,0	0,9	1,4	1,0	1,7	4

Аналіз золи та шлаку від спалювання твердих побутових відходів по елементам, небезпечним в токсико-гігієнічному відношенні, показує присутність у їх складі таких елементів (мас. %): Cr³⁺ - до 1; Zn²⁺ - сліди; Cu²⁺ - до 0,2; AsO₄^3- - до 0,1; Cl^- - до 5.

Як газоутворювачі було використано вапняк згідно ГОСТ 14050 та кокс згідно ДСТУ 2401-94. Як лугомісткі добавки було застосовано соду кальциновану згідно ГОСТ 5100, рідинне скло з силікатним модулем 2,8 і густиною 1400 кг/м³ Київського склотарного заводу (ГОСТ 13078), силікат-глибу виробництва ВАТ „Запоріжфлюс” за ГОСТ 13079.

Сировинні суміші готували окремим помелом компонентів з наступним спільним помелом у керамічному кульовому млині до значення питомої поверхні 4500-4700 см²/г (за приладом ПВХ-2).

Фазовий склад сировинних матеріалів та новоутворень ніздрюватого скла досліджено з використанням рентгенофазового та диференціально-термічного методів аналізу.

Фізико-механічні характеристики зразків ніздрюватого скла визначали згідно з методиками ДСТУ Б В.2.7-38-95 та ДСТУ Б В.2.7-42-97.

Коефіцієнт теплопровідності встановлювали при стаціонарному тепловому режимі згідно ДСТУ Б В.2.7-105-2000.

Вилуговування шкідливих сполук з ніздрюватого скла досліджували згідно з методиками ГОСТ 29114 та ИСО 6961.

Дослідження пористої структури отриманого штучного каменю на рівні макро- та мікропор, а також визначення характеристик масопереносу виконували згідно ГОСТ 12730.4 та ГОСТ 12730.3.

Оптимізацію технологічних параметрів одержання ніздрюватого скла здійснювали за допомогою методів математичного планування та обробки результатів експерименту.

У третьому розділі наведено результати досліджень процесів спучення, силікатоутворення та кристалізації сировинних шихт, що містять продукти спалювання твердих побутових відходів.

Наявність у складі золи та шлаку частинок, потенційно здатних до газоутворення при випалі та особливості хіміко-мінералогічного складу зазначених відходів дозволили зробити припущення про можливість спучення шихт, що містять золу і шлак. Було проведено дослідження з вивчення можливості спучення чистих продуктів спалювання твердих побутових відходів. При цьому було встановлено, що спучення відбувається недостатньо і при температурах, значно вищих, ніж ті, що мають місце при одержанні ніздрюватого скла. Незначне спучення чистих золи і шлаку обумовлене недостатньою кількістю склофази і силікатного розплаву, що пов'язане зі значним вмістом в золі і шлаку кристалічної фази, представленої в-кварцем, в-кристобалітом та псевдоволастонітом.

З метою зменшення енергоємності технологічного процесу, збільшення кількості рідкої фази та покращення характеристик спучення до складу сировинних шихт було введено подрібнене віконне скло (склопорошок). Було досліджено процеси спікання та спучення в сумішах, що містили від 15 до 45% по масі золи або шлаку. Підготовку зразків та їх термічну обробку здійснювали згідно з методикою оцінки розтікання шихт, розробленою на кафедрі технології скла і ситалів МХТІ ім. Д.І. Мендєлєєва. Аналіз результатів дослідження показав, що в інтервалі температур 750-900^оС найкраще спучуються суміші з вмістом золи або шлаку 10-30 мас. %. При цьому оптимальна пориста структура спученого матеріалу формується в інтервалі температур 825-850^оС (рис.1 а, б).

Рис. 1 Залежність коефіцієнта спучення зразків від температури випалу та вмісту золи (а) або шлаку (б) в шихті

Одержані результати дозволили зробити висновок, що максимальна кількість золи або шлаку в шихті, коли відбувається спучення та формування оптимальної пористої структури у досліджуваному інтервалі температур, становить 30 мас.%.

Коефіцієнти спучення зразків внаслідок протікання процесів структуроутворення, що супроводжуються усадкою та спученням (рис.1, а,б), було розглянуто як опосередковані показники кількості рідкої фази та в'язкості розплаву, що утворюються при випалі. На основі одержаних даних зроблено висновок, що за однакових технологічних умов кращими показниками в'язкості характеризуються суміші, що містять шлак від спалювання твердих побутових відходів, порівняно з сумішами, які містять таку ж кількість золи. Величина в'язкості розплаву, з-поміж інших факторів, визначається хіміко-мінералогічним складом сировинних матеріалів.

Дослідження процесів фазоутворення при спученні шихт здійснювали за допомогою методів рентгенофазового та диференціально-термічного аналізу. Дослідженню підлягали чисті сировинні матеріали: скло, зола і шлак від спалювання твердих побутових відходів; суміші з визначеним максимальним вмістом золи та шлаку - 30% по масі; одержане на основі цих сумішей ніздрювате скло (газоутворювач - кокс), яке отримували випалюванням шихти при температурі 850^оС.

Після випалу золи та шлаку від спалювання твердих побутових відходів при температурі 850^оС в обох матеріалах дещо зменшується ступінь закристалізованості в-кварцу, у складі золи та шлаку фіксується воластоніт в-CS, що свідчить про часткову перекристалізацію псевдоволастоніту б-CS. Після випалу шихти, що містить золу або шлак від спалювання побутових відходів, формується склокристалічна структура ніздрюватого матеріалу, кристалічна фаза якого представлена в-кварцем, мелілітом, воластонітом та псевдоволастонітом.

Значна кількість кристалічної фази у складі золи та шлаку від спалювання твердих побутових відходів може ускладнювати процес спучення, сприяти утворенню розплаву з високою в'язкістю і, відповідно, „важкого” ніздрюватого скла. Одним з технологічних прийомів, що дозволяє регулювати в'язкість силікатних розплавів, є використання лугомістких добавок. Їх дія, зокрема, призводить до порушення цілісності кремнекисневого каркасу компонентів кристалічної складової сировинних шихт, що сприяє зменшенню кількості кристалічної фази.

В роботі як лугомісткі добавки використали рідинне скло та силікат-глибу. З огляду на основні характеристики одержаного ніздрюватого скла, модифіковано було суміш, що містила максимальну кількість золи - 30% за масою.

Результати рентгенофазового аналізу ніздрюватого скла, одержаного з сумішей, які містять лугомісткі добавки, показали, що додаткове введення до складу шихти лугів у вигляді рідинного скла та силікат-глиби поглиблює взаємодію між склом і силікатними складовими золи та шлаку, сприяє збільшенню кількості рідкої фази і зменшенню кількості кристалічної складової, представленої фазами в-кварцу та воластоніту.

Четвертий розділ присвячено вивченню впливу технологічних параметрів підготовки шихти та процесу одержання ніздрюватого скла на формування властивостей спученого матеріалу.

Попередніми дослідженнями показана можливість спучення сировинних шихт, що містять золу і шлак від спалювання твердих побутових відходів, за рахунок наявності у складі цих відходів сполук, потенційно здатних до газоутворення при випалі (невипалених вуглецевих частинок). З метою покращення характеристик спучення, формування оптимальної пористої структури та характеристик матеріалу до складу сировинних сумішей було введено додаткові газоутворювачі - карбонатні та вуглецеві. Після аналізу впливу кількості золи і шлаку в шихті на характеристики ніздрюватого скла (при використанні вуглецевого газоутворювача - коксу) встановлено, що матеріал з оптимальними властивостями у досліджуваному інтервалі температур 820-880^оС формується при вмісті в сумішах золи або шлаку в кількості 10-30 мас.%. Дослідження, проведені з використанням методів рентгенофазового та диференціально-термічного аналізу показали, що при вмісті в шихті золи або шлаку в кількості 30 мас.% утворюється спучений склокристалічний матеріал, який відрізняється високими фізико-механічними характеристиками.

При вивченні впливу ступеня дисперсності на процеси спучення було підтверджено ефективність використання сировинних сумішей з високими значеннями питомої поверхні, що виявляються у покращенні основних характеристик ніздрюватого скла, зокрема зниженні середньої густини. Підвищення питомої поверхні шихт з 4300 до 4700 см²/г дозволило знизити температуру випалу на 30^оС без збільшення середньої густини ніздрюватого скла.

При дослідженні впливу газоутворювача на процеси спучення було розглянуто два види газоутворювачів: вапняк та кокс.

З використанням коксу було досліджено сировинні суміші на основі чистого скла, а також з вмістом золи та шлаку 30 мас.%. Було визначено оптимальні технологічні параметри для одержання ніздрюватого скла на основі чистого скла: вміст газоутворювача 1,5-2,0 мас. %, температура випалу 780-820^оС, час витримки 25-30 хв. Одержане ніздрювате скло характеризується значенням середньої густини 220-280 кг/м³. При використанні сумішей, що містять золу або шлак від спалювання побутових відходів у кількості 30 мас.% та газоутворювач (кокс) у кількості 2 мас.%, оптимальні параметри отримання ніздрюватого скла будуть такими: температура випалу - 850^оС, час витримки 25-30хв. За таких умов формується штучний камінь з оптимальним співвідношенням показників (середня густина - міцність на стиск) та рівномірною пористою структурою.

З використанням методів математичного планування експерименту було виконано оптимізацію технологічних факторів одержання ніздрюватого скла з суміші складу скло/зола 90/10, мас.% як такого, при якому створюються умови для отримання ніздрюватого скла оптимальної структури з покращеними фізико-механічними властивостями. Як газоутворювач було використано вапняк. Встановлено, що ніздрювате скло, одержане при температурі 818^оС, вмісті газоутворювача 1,5 мас.% і часі витримки 30 хв характеризується показниками середньої густини 340-400 кг/м³. Показано домінуючий вплив на властивості ніздрюватого скла кількості газоутворювача та температури випалу.

Підтверджено більшу ефективність використання вуглецевих газоутворювачів порівняно з карбонатними. Показано, що при одержанні ніздрюватого скла на основі суміші з вмістом золи 30 мас.% при інших однакових технологічних умовах, використання коксу дозволяє одержати матеріал зі значенням середньої густини на 19-20,5% меншими (450-470 кг/м³), ніж при використанні вапняку (570-580 кг/м³).

З метою подальшого збільшення кількості рідкої фази і покращення характеристик спучення шихт сировинні суміші з вмістом золи/шлаку 30 мас. % і газоутворювача - коксу 2,0 мас.% було модифіковано додатковими лугомісткими добавками - рідинним склом та силікат-глибою. Проведені дослідження впливу додаткових лугів на процеси спучення шихти підтвердили ефективність використання розчинного скла та силікат-глиби. Показники середньої густини матеріалу зменшилися в середньому на 13,0% при використанні рідинного скла і на 15,6% при використанні силікат-глиби (рис. 2).

Рис. 2 Вплив добавок-модифікаторів та температури випалювання шихти на зміну середньої густини отриманого ніздрюватого скла

Більш ефективним та технологічним є використання силікат-глиби. Дослідження, проведені з використанням методів рентгенофазового та диференціально-термічного аналізу показали, що застосування додаткових лугомістких добавок сприяє поглибленню взаємодії між склом та силікатними складовими золи і шлаку і обумовлює зменшення кількості кристалічної складової, представленої фазами в-кварцу та воластоніту.

П'ятий розділ присвячений оптимізації складів сумішей та дослідженню властивостей ніздрюватого скла, одержаного на їх основі.

При визначенні оптимального складу шихти враховували такі фактори як фізико-механічні характеристики отриманого ніздрюватого скла та максимально можливе використання продуктів від спалювання твердих побутових відходів.

Для визначення оптимального складу шихти було проаналізовано властивості ніздрюватого скла, одержаного при використанні сумішей різного компонентного складу. З огляду на співвідношення середня густина - міцнісні характеристики було обрано два наступних базових склади сировинних сумішей: 1) скло - 70 мас.%; зола - 30 мас.%; силікат-глиба - 13,2 мас.%; 2) скло - 70 мас.%; шлак - 30 мас.%; силікат-глиба - 8,2 мас.%. Як газоутворювач в обох сумішах було використано кокс у кількості 2,0 % від маси сумішей.

Дослідження режимів відпалу ніздрюватого скла підтвердило позитивний вплив цього процесу на його основні характеристики. Показники міцності матеріалу після відпалу зросли в середньому майже на 40 % (рис. 3).

Рис. 3 Вплив відпалу на міцнісні характеристики ніздрюватого скла

Аналіз фазового складу ніздрюватого каменю, одержаного з сумішей з вмістом золи і шлаку 30 мас.% після випалу і відпалу показав, що в процесі відпалу відбувається перерозподіл співвідношення між скловидною і кристалічною фазами в напрямку зменшення кількості останньої, представленої в-кварцем та воластонітом. Це сприяє зменшенню внутрішніх напружень у штучному камені і покращенню міцнісних характеристик матеріалу.

Основні фізико-механічні характеристики ніздрюватого скла, одержаного з базових складів сировинних сумішей, визначали за загальноприйнятими методиками (табл. 3).

Таблиця 3

Фізичні та фізико-механічні характеристики одержаного ніздрюватого скла

Властивості ніздрюватого скла	Склад шихти	Традиційне ніздрювате
	склопорошок -70мас.%, зола від сп. т.п.в. -30 мас.%+13,2 мас.% силікат-глиби	склопорошок -70мас.%, шлак від сп. т.п.в. -30 мас.%+8,2 мас.% силікат-глиби	скло (піноскло) виробництва ВАТ „Гомельстекло”
середня густина с, кг/м3	420	280	200-400
міцність на стиск Rст, МПа	4,5	2,2	1,0-3,5
водопоглинання за об'ємом, %	8,2	9,2	9-10
відкрита пористість, %	8,5	9,5	10
коефіцієнт теплопровідності, Вт/(м.К)	0,07	0,05	0,045-0,075

При дослідженні пористої структури ніздрюватого скла (рис.4) було встановлено, що одержаний штучний камінь характеризується розміром замкнених пор 0,5-3,0 мм, розмірами мікропор 1,1-1,2•10^-7 м, значеннями відкритої пористості 8,5 % та 9,5 %, показниками однорідності розмірів пор 0,95 і 0,81 відповідно для ніздрюватого каменю, одержаного з використанням золи та шлаку від спалювання твердих побутових відходів, в той час, як для прийнятого аналогу діаметр закритих пор становить 0,5-4,0 мм, а значення відкритої пористості - до 10,0%.

Рис. 4 Пориста структура ніздрюватого каменю, одержаного з використанням золи (а), шлаку (б) від спалювання твердих побутових відходів та традиційного піноскла виробництва ВАТ „Гомельстекло” (в)

З метою оцінки екологічної безпеки отриманих матеріалів було проведено дослідження вилуговування шкідливих речовин (мідь, цинк, хром, сульфати, хлориди), що входять до складу ніздрюватого скла, отриманого з використанням продуктів спалювання побутових відходів. Дослідження проводили згідно з методиками, прийнятими для визначення вилуговування радіоактивних речовин з компаундів (ГОСТ 29114-91 та ИСО 6961). Результати випробувань показали високий ступінь зв'язування зазначених речовин скляною матрицею штучного каменю: Сu, Zn - 100%; Cr - 94-97%; сульфати - 89-96%; хлориди - 83-91%. Показано, що ступінь зв'язування токсичних речовин зменшується при використанні замість золи шлаку від спалювання твердих побутових відходів і переведенні зразків ніздрюватого каменю у порошкоподібний стан.

У шостому розділі наведено результати дослідно-промислового впровадження ніздрюватого скла, отриманого з використанням золи та шлаку від спалювання твердих побутових відходів. На основі сировинної шихти, що містила шлак від спалювання твердих побутових відходів ( 30 мас.% ) на заводі ВАТ “Керамперліт” було випущено дослідно-промислову партію ніздрюватого скла. Економічний ефект від впровадження одержаного ніздрюватого скла становить 171,0 грн на 1 м³ готової продукції.

Вказаний економічний ефект досягається за рахунок наступних чинників:

використання спрощеної технології підготовки сировинних матеріалів при виробництві ніздрюватого скла, що передбачає вилучення енергоємного етапу скловаріння;

заміни частини склопорошку продуктами спалювання твердих побутових відходів;

утилізації продуктів спалювання твердих побутових відходів, що дозволяє на основі шихт, які містять зазначені відходи, одержувати штучний ніздрюватий камінь з необхідними характеристиками.

ВИСНОВКИ

1. Теоретично обґрунтовано та експериментально підтверджено технічну та екологічну доцільність використання продуктів від спалювання твердих побутових відходів як компонента шихти при отриманні ніздрюватого скла з покращеними експлуатаційними характеристиками за рахунок зміни характеру процесу силікатоутворення в напрямку синтезу склокристалічної фази, мікрокристалічні включення якої представлено в-кварцом, мелілітом, воластонітом і геленітом, та формування розвинутої замкнутої мікропорової структури штучного каменю внаслідок взаємодії невипалених вуглецевих частинок, що входять до складу згаданих відходів, із силікатної складовою шихти.

2. Визначено вплив газоутворювачів на формування пористої структури ніздрюватого скла. Доведено, що використання як газоутворювача коксу ,порівняно з карбонатом кальцію, дозволяє в умовах підвищеної в'язкості розплаву забезпечити достатньо високий коефіцієнт спучення шихти (K_сп = 2,7-3,0) та отримати дрібнопористу структуру штучного каменю.

3. Показано доцільність введення до шихти при виготовленні ніздрюватого скла лужних добавок: силікат-брила, рідинне скло, сода, позитивна роль яких полягає не тільки у зниженні температури переходу речовини у піропластичний стан, але й у прискоренні процесу формування ніздрюватої структури за рахунок твердофазової взаємодії силікатної складової та лужного компонента.

4. Вивчено процеси формування структури ніздрюватого скла при випалюванні шихти, що містить продукти від спалювання твердих побутових відходів, лужні добавки та газоутворювач. Встановлено, що формування ніздрюватої структури штучного каменю відбувається не лише за рахунок використання газоутворювача, наявність якого впливає переважно на формування відкритої пористості, але й внаслідок взаємодії силікатної складової шихти з лужним компонентом та невипаленими вуглецевими частинками, що входять до складу золи та шлаку від спалювання твердих побутових відходів і обумовлюють додаткове виділення газової фази, яка сприяє формуванню розвинутої мікропористої структури в усьому об'ємі штучного каменю.

5. Визначено вплив композиційного складу шихти та ступеня її дисперсності на технологічні параметри термічної обробки при отриманні ніздрюватого скла і показано, що формування оптимальної ніздрюватої структури штучного каменю досягається при використанні шихти, питома поверхня якої досягає 460-470 м²/кг, а спучування сировинної суміші здійснюється за наступним режимом: підйом температури до Т=850^оС зі швидкістю 10-12 ^оС/хв протягом 1,3 год., екзотермічне витримування -30-40 хв, охолодження до Т=600^оС - 15 - 20 хв і витримка при Т=600^оС (стабілізація) - 30 хв, відпал (повільне охолодження до Т=50^оС) зі швидкістю 1,1 - 1,2 ^оС/хв протягом 8 годин.

6. Оптимізовано склад шихти, що містить 70 мас.% склопорошку, 30 мас.% золи або шлаку від спалювання твердих побутових відходів, модифікатори-плавні (силікат-глибу) у кількості 8,2-13 мас.%, газоутворювач (кокс) - 2 мас.%, який дозволяє одержувати ніздрювате скло з наступними експлуатаційними характеристиками: середня густина 280-420 кг/м³, міцність при стиску 2,2 - 4,5 МПа, водопоглинання за об'ємом - 9,2-8,2%, коефіцієнт теплопровідності л = 0,05 - 0,07 Вт/м·К.

7. Досліджено вплив характеру утвореної мікропористої структури ніздрюватого скла (розмір пор r = 1,1-1,2·10^-7 м) на коефіцієнт його масопереносу (a_m = 2,2-2,3·10^-7 м²/с), зростання якого порівняно зі значенням цього показника для класичного „піноскла” (a_m < 10^-9 м²/с) обумовлює підвищення комфортності розробленого матеріалу.

8. Встановлено, що використання продуктів від спалювання твердих побутових відходів у складі шихти для отримання ніздрюватого скла дозволяє одержувати екологічно безпечний матеріал. Показники вилуговування токсичних речовин (Сu, Cr, Zn, сульфати, хлориди) свідчать про значний ступінь їх зв'язування скловидною матрицею спученого штучного каменю: Сu, Zn - 100%; Cr - 94-97%; сульфати - 89-96%; хлориди - 83-91%. Показано, що ступінь зв'язування токсичних речовин зменшується при використанні замість золи шлаку від спалювання твердих побутових відходів.

9. Впровадження запропонованого матеріалу здійснено в умовах виробництва заводу “Керамперліт” на технологічному обладнанні, призначеному для виробництва керамічних теплоізоляційних матеріалів. Фактичний економічний ефект від заміни частини склопорошку на продукти від спалювання твердих побутових відходів та вилучення етапу скловаріння з технологічного циклу виробництва ніздрюватого скла становить 171,0 грн на 1 м³ готової продукції.

Основні положення дисертації викладено у працях:

1. Гоц В.И., Чистяков В.В., Гермаш Е.М. Связывание и обезвреживание токсичных отходов с помощью стеклянных матриц // Проблемы сбора, переработки и утилизации отходов. Сб. науч. ст.-Одесса:ОЦНТЭИ.-2002.-С.51-52.

2. Гоц В.І., Петропавловський О.М., Гермаш К.М. Перспективи використання золи від спалювання твердих побутових відходів у технології піноскла // ПДАБіА. Вісник академії.-Дніпропетровськ:-2003.-№3-4-5.-С.60-64.

3. Гоц В.І., Гермаш К.М. Оптимізація технологічних параметрів одержання піноскла з використанням золи і шлаку від спалювання твердих побутових відходів // Тези доп. “Моделирование и оптимизация в материаловедении” (МОК'43).-Одесса:2004.-С.48-50.

4. Гоц В.И., Чистяков В.В., Петропавловский О.Н., Гермаш Е.М. Влияние модифицирования компонентного состава шихты на характеристики пеностекла // Строительные материалы и изделия.-2004.-№1.-С.5-7.

5. Гоц В.І., Гермаш К.М. Вплив модифікуючих добавок на властивості піноскла, одержаного з використанням золи та шлаку від спалювання твердих побутових відходів // Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди: Зб. наук. пр.-Рівне: РДТУ.-2004.-Вип.6.-С.22-25.

6. Гоц В.І., Гермаш К.М. Вплив відпалу на міцнісні характеристики піноскла, одержаного з використанням золи та шлаку від спалювання твердих побутових відходів // Матеріали конф. "Енергозберігаючі технології. Застосування відходів промисловості у будівельних матеріалах та будівництві."-Київ: НДІБМВ.-2004.-С.24-30.

7. Гоц В.І., Клапченко В.І., Григораш Ю.І., Гермаш К.М. Піноскло підвищеної комфортності на основі золи та шлаку від спалювання твердих побутових відходів // Будівництво України. - 2005. - №7. - С.18-19.

АНОТАЦІЯ

Гермаш К.М. Ніздрювате скло на основі сумішей, що містять продукти спалювання твердих побутових відходів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.05 - будівельні матеріали та вироби. - Київський національний університет будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України, Київ, 2005.

Встановлено принципову можливість використання продуктів від спалювання твердих побутових відходів для одержання екологічно безпечного матеріалу будівельного призначення типу ніздрюватого скла.

При дослідженні процесів спучення шихти, що містить продукти спалювання твердих побутових відходів, вивчено особливості процесу силікатоутворення, які полягають у синтезі склокристалічної фази, мікрокристалічні включення якої представлені в-кварцом, мелілітом, воластонітом та геленітом.

Досліджено роль газоутворювачів у формуванні пористої структури ніздрюватого каменю. Встановлено, що використання вуглецевих газоутворювачів (коксу) порівняно з карбонатом кальцію обумовлює зменшення значення поверхневої енергії на межі розподілу рідкої і газової фаз, забезпечує формування мікропористої структури та покращення експлуатаційних характеристик ніздрюватого скла.

При вивченні впливу компонентного складу шихти на технологічні параметри одержання ніздрюватого скла оптимізовано режими термічної обробки та склади сировинних сумішей. Показано, що використання шихти з вмістом до 30 мас. % золи або шлаку від спалювання твердих побутових відходів дозволяє одержати штучний камінь зі значеннями середньої густини 280-420 кг/м³, міцності на стиск 2,2-4,5 МПа, водопоглинання за об'ємом - 9,2-8,2 %.

При оптимізації режимів термічної обробки шихти встановлено, що в процесі відпалу відбувається перерозподіл співвідношення між скловидною і кристалічною фазами в напрямку зменшення кількості останньої, що зумовлює покращення міцнісних характеристик ніздрюватого скла.

Спеціальними дослідженнями підтверджено екологічну безпеку одержаного матеріалу, в тому числі, високий ступінь зв'язування шкідливих речовин, що містяться у продуктах від спалювання твердих побутових відходів, скляною матрицею ніздрюватого скла.

Дослідно-промислове впровадження ніздрюватого скла, одержаного з використанням продуктів від спалювання твердих побутових відходів, було здійснено на заводі ВАТ “Керамперліт”, де було випущено дослідно-промислову партію матеріалу. Економічний ефект від впровадження одержаного ніздрюватого скла становить 171,0 грн на 1 м³ готової продукції.

Ключові слова: ніздрювате скло, зола і шлак від спалювання твердих побутових відходів, силікатоутворення, склокристалічна структура; пориста структура.

АННОТАЦИЯ

Гермаш Е.М. Ячеистое стекло на основе смесей, содержащих продукты сжигания твёрдых бытовых отходов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.05 - строительные материалы и изделия. - Киевский национальный университет строительства и архитектуры Министерства образования и науки Украины, Киев, 2005.

Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность использования продуктов сжигания твердых бытовых отходов для получения экологически чистых материалов строительного назначения, в частности, ячеистого стекла.

При исследовании процессов вспучивания смесей, содержащих продукты от сжигания твердых бытовых отходов, были изучены особенности процесса силикатообразования, которые заключаются в синтезе стеклокристаллической фазы, микрокристаллические включения которой представлены главным образом в-кварцем и волластонитом.

При изучении возможностей вспучивания чистых золы и шлака от сжигания твердых бытовых отходов было установлено, что вспучивание происходит при температурах, значительно превышающих температуру получения ячеистого стекла; при этом коеффициент вспучивания незначителен. С целью снижения энергоемкости, увеличения количества жидкой фазы и улучшения характеристик вспучивания в шихту было введено дополнительное количество щелочи за счет использования щелочесодержащих добавок: жидкого стекла и силикат-глыбы. Показано, что положительная роль от введения щелочесодержащих добавок состоит не только в снижении температуры перехода в пиропластическое состояние, но и в интенсификации процесса формирования ячеистой структуры за счет взаимодействия силикатной составляющей и щелочного компонента, что способствует уменьшению количества кристаллической фазы, улучшению характеристик вспучивания шихты и основных эксплуатационных свойств ячеистого стекла.

Изучено влияние вида газообразователей на формирование пористой структуры ячеистого камня. Установлено, что использование углеродных газообразователей (кокса) по сравнению с известняком обуславливает снижение значения поверхностной энергии на границе раздела жидкой и газообразной фаз, что способствует формированию мелкопористой структуры (размер пор от 0,5 до 3 мм) и улучшенных эксплуатационных характеристик ячеистого стекла.

Установлено, что присутствие в составе продуктов от сжигания твердых бытовых отходов несгоревших углеродных частичек и их взаимодействие с силикатными компонентами шихты обуславливает дополнительное выделение газовой фазы, что способствует формированию микропористой структуры во всем объеме искусственного камня (размер микропор r = 1,1-1,2·10^-7 м). При исследовании влияния микропористой структуры ячеистого камня на коэффициент его массопереноса установлено возрастание значения последнего (a_m = 2,2-2,3·10^-7 м²/с) по сравнению с классическим “пеностеклом” (a_m<10^-9 м²/с), что обуславливает повышению комфортности разработанного материала.

При изучении влияния компонентного состава шихты на технологические параметры получения ячеистого стекла были оптимизированы режимы термической обработки и составы сырьевых смесей. Установлено, что использование шихты, содержащей до 30 масс. % золы или шлака от сжигания твердых бытовых отходов, от 8,2 до 13,2 масс. % силикат-глыбы и 2 масс.% кокса при температуре обжига 850^оС позволяет получить материал со значениями средней плотности 280-420 кг/м³, прочности при сжатии 2,2 - 4,5 МПа, водопоглощения по объему - 9,2-8,2% и коэффициента теплопроводности л - 0,05 - 0,07 Вт/м·К.

При оптимизации режимов термической обработки шихты показано, что в процеесе отжига происходит перераспределение соотношения между стекловидной и кристаллической фазами в направлении уменьшения количества последней, что обуславливает повышение прочностных характеристик ячеистого стекла в среднем на 40%.

Специальными исследованиями установлена значительная степень связывания вредных в токсиколого-гигиеническом отношении веществ, содержащихся в продуктах сжигания бытовых отходов (Сu, Cr, Zn, сульфаты, хлориды) стеклянной матрицей ячеистого стекла: Сu, Zn - 100%; Cr - 94-97%; сульфаты - 89-96%; хлориды - 83-91%, что свидетельствует об экологической безопасности полученных материалов.

Опытно-промышленное внедрение ячеистого стекла, полученного с использованием продуктов от сжигания твердых бытовых отходов, было реализовано на заводе ОАО “Керамперлит”, где была выпущена опытно-промышленная партия материала. Фактический экономический эффект от замены части стеклопорошка продуктами сжигания твердых бытовых отходов и использования технологии подготовки сырьевых материалов, исключающей этап стекловарения, составил 171,0 грн на 1 м³ готовой продукции.

Ключевые слова: ячеистое стекло, зола и шлак от сжигания твердых бытовых отходов, силикатообразование, стеклокристаллическая структура, пористая структура.

ANNOTATION

Germash K.M. The technology of foamglass from mixtures using ashes and slag from incineration of household waste. - Manuscript.

Dissertation research for obtaining a scientific degree of candidate of technical sciences in speciality 05.23.05 - building materials and articles. - Kyiv National University of Construction and Architecture, Ministry of Education and Science of Ukraine, Kyiv, 2005.

It was confirmed the possibility of using the ashes and slag resulting from incineration of household waste in foamglass technology.

It was established that presence of ashes and slag from incineration of household waste in raw mixtures causes expansion of those mixtures. It confirms presence in ashes and slag from incineration of household waste foam agents (particles of coke) and gives the possibility to use those ashes and slag in the technology of foamglass.

The addition of alkaline admixtures into the raw mixtures (such as a building glass, liquid glass and silicate aggregate) results in increase of quantity of crystal phase in foamglass.

It was establised influence of technological characteristics of raw mixtures and characteristics of technological process on characteristics of expansion and properties of foamglass. It was founded it is better to apply coke as a gas-agent because under the same conditions using coke it is possible to produce the foamglass with smaller average density then using limestone.

The optimal composition of raw mixtures were processed. It is possible to obtain foamglass with average density 280-420 kg/m³; comrressive strength 2,2-4,5 MPa and water absorbtion 9,2-8,2 % from those mixtures.

The technology of foamglass from mixtures using ashes and slag from incineration of household waste was proposed and tested on the industrial equipment.

Keywords: foamglass, ashes and slag from incineration of household waste, glass-crystal structure, porous structure.

Размещено на Allbest.ru