Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ СОВМЕСТНОЙ УТИЛИЗАЦИИ ТЕХНОГЕННЫХ МИНЕРАЛЬНЫХ И ПОЛИМЕРНЫХ ОТХОДОВ

Ершова О.В. 1 Коляда Л.Г. 1 Чупрова Л.В. 1
1 ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»
В статье решается экологическая проблема утилизации техногенных минеральных и полимерных отходов. Рассмотрена возможность совместной переработки отходов производства предприятий металлургической и энергетической отраслей (доменный шлак, золошлак и зола уноса) и вторичного полимерного сырья на основе поливинилхлорида (ПВХ). Основным источником отходов ПВХ являются демонтированные дверные и оконные профили. Рентгеноспектральным методом и методом дифференциальной сканирующей калориметрии и термогравиметрического анализа изучены составы техногенных минеральных и полимерных отходов. Подобраны оптимальный состав композита минеральный наполнитель-вспениватель-полимер, условия (температура, давление, время) получения образцов композиционного материала. Изучены физико-механические характеристики полученных образцов. Предложенный композит может быть использован в строительной, рекламной, упаковочной отраслях.
композиты.
вспениватель
наполнитель
поливинилхлорид
золошлак
зола уноса
доменный шлак
1. Бурдонов А.Е., Барахтенко В.В., Зелинская Е.В., Сутурина Е.О., Бурдонова А.В., Голдовнина А.В. Физико-механические характеристики композиционных материалов на основе отходов произволдства с различными рецептурами // Инженерно-строительный журнал. – 2012. - №9. – С. 14-22.
2. Ершова О.В., Коляда Л.Г. Крапивко Ю.С. Исследование свойств композиционного материала на основе техногенных минеральных и полимерных отходов [Текст] // Актуальные проблемы современной науки, техники и образования: материалы 70-й межрегиональной научно-технической конференции. – Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2012. – Т.1. – С. 195-199.
3. Ершова О.В., Коляда Л.Г., Крапивко Ю.С. Способы получения композиционного материала на основе техногенных полимерных и минеральных отходов [Текст] // Химия. Технология. Качество. Состояние и перспективы развития: сборник материалов международной заочной научно-технической конференции (22 мая 2012 года) / под ред. Н.Л. Медяник. – Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2012. – С. 124-129.
4. Солодкий Н.Ф., Шамриков А.С., Погребенков В.М., Минерально-сырьевая база Урала для керамической, огнеупорной и стекольной промышленности // Справочное пособие.– Томск: ТПУ, 2009. – 332 с.
5. Сутурина Е.О. Разработка технологии утилизации отходов ТЭС и полимеров для получения композитов на их основе: Автореф. дис. канд. техн. наук. – Иркутск, 2012. – 21 с.

Введение

Около 25 % территории Уральского региона оцениваются как кризисные в связи с загрязнением, связанным с хранением техногенных отходов [4]. Главными поставщиками техногенного сырья являются горнодобывающая и металлургическая промышленности, а также теплоэнергетика. Одним из перспективных направлений переработки минеральных техногенных отходов является создание композиционных материалов с использованием вторичных полимеров.

Одним из крупнотоннажных полимеров является ПВХ – поливинилхлорид (винипласт), который обладает достаточно высокой механической прочностью, высокими водо- и химостойкостью, хорошими диэлектрическими характеристиками.
К числу недостатков относятся низкая ударная прочность и невысокая температура эксплуа­тации (не выше 70-80 °С). Широкое применение винипласта – изготовление оконных и дверных профилей, которые после определенного срока эксплуатации демонтируются и требуют утилизации. Таким образом, создание композиционного материала на основе техногенного минерального и вторичного полимерного сырья обретает актуальное значение, как с позиции охраны окружающей среды, так и с экономической точки зрения.

В связи с этим цель настоящей работы – разработка композиционного материала на основе техногенных минеральных и полимерных отходов.

При реализации поставленной цели решались следующие задачи:

  • провести исследования исходных компонентов композита: золы уноса и золошлака Южноуральской ГРЭС, доменного шлака ММК, вторичного ПВХ;
  • получить образцы композита;
  • исследовать свойства композита.

Химический состав золы уноса и золошлака Южноуральской ГРЭС, а также доменного шлака ММК был определен рентгеноспектральным методом на установке СРМ-25.
Результаты анализа представлены в таблице 1.

Таблица 1

Химический состав наполнителей

Вещество

Содержание вещества, %

зола уноса

золошлак

шлак

C

1,64

3,14

-

S

0,20

0,15

0,70

SiO2

56,60

52,20

36,40

Al2O3

25,50

23,30

13,00

FeO

6,90

10,40

0,25

CaO

2,50

4,40

38,10

Вещество

Содержание вещества, %

зола уноса

золошлак

шлак

MgO

1,82

1,96

7,70

K2O

2,34

2,20

1,26

Na2O

0,65

0,57

0,92

TiO2

1,17

1,06

1,27

MnO

0,37

0,23

0,40

P2O5

0,31

0,39

-

Зола уноса и золошлак Южноуральской ГРЭС имеют сходный состав: 85 % составляют оксиды кремния, алюминия и железа. Доменный шлак в основном состоит из оксидов кальция, кремния и алюминия.

При создании композита на основе вторичного ПВХ и техногенных отходов важное значение имеет фракционный состав последних. Результаты определения фракционного состава золы и шлака представлены в таблице 2.

Таблица 2

Фракционный состав наполнителя

Фракция, мм

Содержание фракции, %

зола уноса

золошлак

шлак

5

-

9,2

-

3

-

6,1

2,8

2

-

6,4

10,0

1

1,2

7,4

25,2

0,5

2,2

9,6

28,4

0,25

4,1

25,4

21,5

остаток

92,5

35,9

12,1

Наибольшей однородностью обладает зола уноса: фракция менее 0,25 мм составляет более 90 %. Частицы золошлака и доменного шлака имеют более крупные размеры.

Методом дифференциальной сканирующей калориметрии и термогравиметрического анализа были определены составы и свойства золы уноса и вторичного ПВХ . Зола уноса (рис. 1) является термостабильным материалом: потеря массы образца при нагревании до 590 °С составляет 1,13 %. Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что рассматриваемая зола уноса обладает оптимальными свойствами и эффективна для использования в качестве наполнителя композитов.

Отходы ПВХ-конструкций представляют собой полимер сложного состава, так как в ПВХ-композицию входят термостабилизаторы, светостабилизаторы, пластификаторы, антипирены, наполнители и др., что оказывает влияние на температурный режим переработки ПВХ. По количеству пиков на ТГ-кривой (рис. 2) можно судить о количестве компонентов в пластике. На полученной ТГ-кривой фиксируется семь пиков, т.е. вторичный полимер изначально представляет собой сложную систему, состоящую из различных компонентов. Первый пик на ТГ-кривой при температуре около 265 °С соответствует деструкции легколетучих добавок в полимере. Максимальный пик на ТГ-кривой наблюдается при температуре 295 °С и соответствует деструкции ПВХ, содержание которого составляет 46,14 %. Остаточная масса образца по достижении температуры 600 °С соответствует содержанию в ПВХ минеральных добавок и составляет 25,59 % (предположительно – оксид титана TiO2, используемый в качестве красителя). Первый пик на ДСК-кривой при температуре 90 °С показывает изменение физического состояния полимера (температура стеклования) и не сопровождается изменением массы полимера. На основе анализа полученных кривых установлено, что температура переработки ПВХ-конструкции лежит в диапазоне температур от 90 °С до 265 °С.

Рис. 1. Кривые ДСК/ТГ золы уноса

Рис.2. Кривые ДСК/ТГ ПВХ-конструкции

Одним из направлений вторичной переработки ПВХ является получение вспененных пластиков с помощью специальных химических добавок – порофоров, которые при нагревании разлагаются с выделением газа, вспенивающим полимер [5]. Для поливинилхлорида и других полиолефинов используют вспенивающий агент ЧХЗ-21 (диамид азодикарбоновой кислоты). Использование химических вспенивателей позволяет уменьшить плотность и вес изделий; увеличить тепло- и звукоизолирующие характеристики полимеров; снизить стоимость изделия [1].

Для получения композита использовалась лабораторная установка, состоящая из нагревательной печи и специально изготовленной лабораторной пресс-формы, вмещающей 10-30 г. исследуемого материала (рис 3). Нагревательная печь представляет вертикальную цилиндрическую шахту, обогреваемую нагревательной спиралью.

Рис 3. Лабораторная пресс-форма для производства композита

Оптимальные условия получения образцов композиционного материала выявлены в результате реализации полного многофакторного эксперимента [3]. Модель отражает зависимость плотности композита от всех выбранных факторов (с учетом коэффициентов), а также от сочетания двух факторов (совместного влияния): концентрации и давления. Полученные образцы композита были подвергнуты различным испытаниям, в ходе которых наиболее оптимальным был признан композиционный материал с золой уноса в качестве наполнителя. Оптимальный состав композита [2]:

- 15% – наполнитель (зола уноса);

- 3% – вспениватель (ЧХЗ-21);

- 72% – вторичный ПВХ.

Анализ кривой ДСК/ТГ (рис.4) показал, что композит в целом является термостабильным до температуры 210 °С, однако начало деструкции композиционного материала смещено в область более низких температур (272 °С).

Рис.4. Кривые ДСК/ТГ образца композита

Данный образец наиболее безопасен, обладает лучшими физико-механическими свойствами, приемлемой химической стойкостью и водопоглощением [3]. Результаты исследований композиционного материала представлены в таблице 3.

Проведенные исследования позволяют сделать вывод о пригодности полученного композита на основе полимерных и минеральных отходов для использования в строительной, рекламной, упаковочной отраслях.

Таблица 3

Полученные характеристики композиционного материала

Параметр

Полученное значение

Радиационная безопасность

Соответствует СанПиН 2.6.1.2523-09

Химическая безопасность

Обеспечивается устойчивость рН среды

Коэффициент среднего теплового линейного расширения в интервале 60 °С, °С-1 (мм/м)

3,81 ×10-5 (1,8)

Сжимаемость

Отсутствует при давлении менее 45 кг/см2

Усилие разрыва резьбового соединения, Н

890

Водопоглощение, %

3,8

Изменение массы в агрессивных средах, не более, %

2,5

Рецензенты:

Медяник Н.Л., д.т.н., профессор, зав. кафедрой химии, ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова», г. Магнитогорск.

Бигеев В.А., д.т.н., профессор, декан химико-металлургического факультета ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова», г.Магнитогорск.


Библиографическая ссылка

Ершова О.В., Коляда Л.Г., Чупрова Л.В. ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ СОВМЕСТНОЙ УТИЛИЗАЦИИ ТЕХНОГЕННЫХ МИНЕРАЛЬНЫХ И ПОЛИМЕРНЫХ ОТХОДОВ // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 1.;
URL: http://www.science-education.ru/ru/article/view?id=11886 (дата обращения: 06.12.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074