В статье автор исследует возможность рационального использования промышленных отходов неорганических производств в качестве сырьевых, жидкостекольных композиций для получения строительных материалов.

Ключевые слова: промышленные отходы, энергопотребление, наполнители, строительные материалы, сырьевые композиции.

Экологические требования и экономические реалии сегодняшнего времени формируют необходимость дальнейшего развития на химических производствах процессов управления отходами. Предприятиям предъявляются более жёсткие требования комплексного характера по снижению энерго- и ресурсопотребления, негативного влияния на окружающую среду, повышению технико-экономической эффективности химических процессов, обеспечению экологической безопасности на уровне мировых стандартов.

Особую актуальность в сложившейся ситуации приобретает использование отходов крупнотоннажных неорганических производств, в частности, содового и кремнезёмных наполнителей, в качестве сырьевой базы для производства строительных материалов.

При производстве кальцинированной соды методом «Сольвей» образуются значительные количества побочных продуктов. Наиболее массовый из них — минеральный продукт содового производства, образующийся после отстаивания и фильтрации дистиллерной жидкости.

Минеральный продукт содового производства представляет собой спрессованный мелообразный материал, состоящий из пористых зёрен размером 0,2–0,6 мм, легко измельчающийся при перемешивании в водной среде.

Минеральный состав представляет собой смесь карбонатов кальция и магния — до 50–55 %, гидроксида кальция и сульфата кальция — до 15–20 %, примеси полуторных окислов и кремнезёма (Fe ₂ O ₃ ; Al ₂ O ₃ ; SiO ₂ ) — до 5- 10 %, хлорид кальция — 3–4 %.

На данном производстве, в процессе обжига и гашения извести также образуются «Мелкие отходы гашения», представляющие собой смесь гидроксидов и карбонатов кальция, с содержанием до 5 % карбоната магния.

При производстве различных кремнезёмных наполнителей и белых саж образуется твёрдый отход (шлам) от варки жидкого стекла следующего состава, % масс: оксид железа — 1,5–2,0; оксид алюминия — 1,0–1,5; диоксид кремния — 80–85; оксид кальция — 2,0–3,0; оксид магния — 0,3–1,0.

В целом указанные побочные продукты достаточно однородны по химическому составу и могут служить эффективным сырьём для производства строительных материалов.

В настоящее время разработано большое количество технических решений по утилизации твёрдых отходов содового производства с получением вяжущих и строительных материалов [1; 2; 3]. Основными приоритетами при реализации этих технологий являются получение строительных материалов путём обжига или переработки с применением различных химических процессов.

Известно использование побочных продуктов содового производства в качестве белитового вяжущего в производстве силикатного кирпича, известьсодержащего вяжущего и ячеистого бетона на его основе, компонента тампонажного спеццемента и т. д.

Для данного вида побочных продуктов разработан более простой и рациональный способ применения, не требующий специализированного оборудования, высокотемпературной или иного вида обработки.

Технический результат данного способа достигается тем, что побочные продукты используются при изготовлении сырьевых смесей для изготовления строительных блоков и иных материалов. В сырьевые смеси также добавляются цемент, жидкое стекло- отвердитель (ускоритель зрелости связки) и воду при следующем соотношении компонентов, масс. %: Цемент — 5–10; Смесь мелких отходов гашения и шлама от варки жидкого стекла — 20-40; Минеральный продукт содового производства (наполнитель) — 25-45; Жидкое стекло — до 3; Вода — остальное до 100 %.

Причём в качестве наполнителя используется минеральный продукт содового производства, смесь мелких отходов гашения извести и шлама от варки жидкого стекла в соотношении 2:1 (масс.) соответственно, а в качестве отвердителя/ускорителя зрелости связки содержит жидкое натриевое стекло плотностью 1,38–1,45 г/см ³ и силикатным модулем 2,5–3,2.

При использовании данных смесей формируется комплекс известково-кремнезёмистых вяжущих и достигаются прочностные характеристики строительных блоков без применения в производстве сложного технологического оборудования, в нормальных температурных условиях Т=20 ⁰ С, не требующих термическую обработку блоков.

Основные технические характеристики строительных блоков приведены в таблице 1, причём достигаются они при средних соотношениях сырьевых композиций.

Таблица 1

Основные технические характеристики блоков (при среднем соотношении компонентов)

Испытания бетонных блоков на прочность производились в соответствии с ГОСТ 10180–2012.

Достигаемые характеристики и результаты обусловлены протеканием в смеси ряда химических реакций с образованием различных гидросиликатов кальция, общей формулы (nCaO∙mSiO ₂ ∙xH ₂ O), гидросиликата натрия и кальция Na ₂ Ca [Si ₄ O ₁₀ ]∙4Н ₂ О вместе с алюминатом натрия (Na ₂ O-Al ₂ O ₃ ) и других новообразований, способствующих формированию (упрочнению) структуры, ускорению затвердевания и зрелости связки .

Управление процессами структурообразования и формирование эксплуатационных характеристик строительных материалов достигается регулированием рецептур, составов сырьевых жидкостекольных композиций и температурно-временных условий.

Для получения высококачественных строительных блоков и бетонов необходимо порционное дозирование жидкого стекла в смеси только на заключительном этапе перемешивания и заполнения форм.

Индукционный период твердения сырьевой смеси можно варьировать соотношением компонентов от 50–120 минут, а показатель водостойкости можно увеличить до 45–60 %, что доказывает технологичность предлагаемого решения. К тому же, все применяемые в композициях побочные продукты и отходы относятся к 4 классу опасности.

Немалое значение имеют и технологические возможности смешения отходов. Физико-химические свойства и гранулометрия применяемых составов позволяют производить равномерное смешение и образовывать однородные вязко-пластичные смеси. Также на повышение прочностных свойств строительных блоков влияет тонкодисперсность и удельная поверхность применяемых составов.

Как показали исследования, использование предлагаемых композиций повышает водостойкость строительных материалов, так как в результате происходящих реакций образуются нерастворимые в воде комплексные соединения.

К тому же, основным достоинством предлагаемой технологии является доступность, экологичность и дешевизна минеральных смесей, так как являются продукта переработки природных минералов.

Предлагаемый экологически безопасный способ соответствует фундаментальным принципам устойчивого развития технологий, позволяющий использовать ресурсный потенциал отходов, исключив при этом образование вторичных остатков и значительных энергозатрат.

Литература:

1. Загидуллин Р. Н., Ибрагимов Р. А., Мухаметов А. А. // RU, патент № 2647 931, С2, МПК В09В 3/00, 2015.11.27).
2. Шатов А. А., Дрямина М. А. Возможные пути утилизации отходов содового производства // Успехи современного естествознания.-2003.-№ 11.- с.138.
3. С. В. Леонтьев, В. А. Шаманов, А. Д. Курзанов Особенности структурообразования силикатного кирпича, полученного с применением твёрдых отходов производства АО «Березниковский содовый завод» // Экология и промышленность России.- 2019.-Т.23,№ 11-С.60–65.
4. Шатов А. А., Кутырёв А. С., Бадертдинов Р. Н. Некоторые пути утилизации отходов производства соды // Башкирский экологический вестник.- 2013.- № 3–4.с.8–16.
5. Сычёв М. М. Неорганические клеи. Л: Химия.1986. 152 с.