Учебный центр «Крисмас+»

ИЗУЧЕНИЕ СОСТАВА И ОЦЕНКА ПЕРПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЗОЛОШЛАКОВЫХ ОТХОДОВ ТЭЦ

В ПРОИЗВОДСТВЕ БЕТОННЫХ ИЗДЕЛИЙ

Автор: Королёв Альберт, 7 класс

ФГБОУ ВПО «КГЭУ» Школьный научный кружок «Защитник природы», г. Казань

Руководитель: Бариева Э.Р.

Производственная деятельность тепловых электрокомплексов, работающих на твердом энергетическом топливе, сопровождается образованием большого количества золошлаковых отходов. Для их складирования отводятся огромные участки земельных угодий, рас-положенных как в пределах промышленных зон предприятий, так на городских окраинах [1]. С течением времени, по мере заполнения от-веденных площадей, возникают проблемы по рекультивации зольных отвалов и отчуждению новых земельных участков, что отрицательно влияет на экологическую обстановку местности в целом.

Цель работы: изучить физико-химические характеристики золошлаковых отходов ТЭЦ и оценить перспективы их вторичного использования в бетонных изделиях.

Задачи:

1.Определить фракционный состав золошлаковых отходов.

2.Определить химический и минеральный  состав золошлаковых отходов.

3.Определить влияние золошлаковых отходов на прочностные характеристики бетонных изделий.

Методы исследования - гранулометрический, рентгенофлуорес-центный, спектральный и рентгенографический анализы.

Место исследования. Пробы для исследования отбирались на золоотвале Кировского района г. Казани.

По результатам проведенного гранулометрического анализа золовые частички на золоотвале имеют средний размер от 0.01 до 0.1 мм, что соответствует алевритовой фракции природного терригенного материала. Среди тонкозернистой массы присутствуют более крупные черные обломки дробленного шлака размером от 1.0 до 15.0 мм. Отсутствие глинистой фракции обуславливает хорошую дренированность золошлаковых насыпей, следствием чего является их низкая водопоглощающая способность. Удельная поверхность сухой зо-лы находится в пределах 2300-3400 см2/г. Агрегатная плотность золы (отношение массы твердых частиц к их объему) составляет 2.11-2.15 г/см3, твердого шлака – 1.8-2.5 г/см3.

По результатам рентгенофлуоресцентного анализа в составе зольных частичек преобладают оксиды кремнезема (SiO2) и глинозема (Al2O3), в среднем составляющие 60.35% и 28.03%, соответственно. Помимо них в золе отмечено достаточно высокое для золы содержание железа (∑Fe2О3+FeО) на уровне 7.17%. Следующим по значимости является кальций, в пересчете на СаО он составляет в среднем 1,08%. Далее по убыванию следуют ∑Na2О+K2O – 2.10%, TiO2 – 0.75%, SO3 – 0.28%, P2O5 – 0.24%.

Анализируя полученные результаты полуколичественного спек-трального  анализа можно сказать, что золошлаки Казанской ТЭЦ не содержат повышенных концентраций токсичных микроэлементов. Практически все выявленные элементы, присутствующие в пределах разрешающей способности спектрографа, не превышают свои кларковые значения.

Степень опасности химических веществ во многом определяется формой их нахождения в природной среде. В одних случаях они при-сутствуют в виде нестабильных легко растворимых соединений, представляя определенную экологическую опасность, в других – находятся в составе трудно растворимых комплексов и не несут экологической угрозы.

Результаты рентгенографического анализа показали, что золошлаковые отходы характеризуются относительно однородным вещественным составом. Во всех изученных образцах преобладающей фазой является аморфное вещество, представленное сферическими частичками кремнезема и глинозема. Кристаллические фазы находятся в меньшем количестве. К ним относятся: кварц (SiO2), муллит (Al4SiO8), гематит (Fe2O3), магнетит (FeFe2O4), кальцит (CaCO3), микроклин (К[Al,Si3O8]) и альбит (Na[Al,Si3O8]. Изредка встречается гипс (СаSO4*Н2О), который является сезонным минералом, поскольку встречается в виде белого налета вблизи водоемов-осветлителей только в сухую жаркую погоду.

Если все основные силикатные и алюмосиликатные соединения являются продуктом термического разложения угля, то присутствие кальцита и гипса на золоотвале обусловлено особенностями технического водооборота на Казанской [3]. Дело в том, что в оборотную систему ГЗУ сливаются все сточные воды после химводоподготовки. Общая минерализация стоков доходит до 5120 мг/л. Эти сточные воды содержат в своем составе большое количество ионов кальция (~420 мг/л), магния (~1148 мг/л), натрия (~22,0 мг/л), сульфат-ионов (~3274 мг/л) и хлорит-ионов (~117 мг/л). Попадая в составе золошлаковой пульпы на золоотвал, они в результате постепенного испарения водоемов-охладителей начинают образовывать собственные соли.

Все выявленные в составе золошлаковых отходов минеральные фазы в приповерхностных условиях являются химически и биохимически устойчивыми соединениями.

Учитывая состояние складированных золошлаковых отходов, их состав, однородность, а также пространственное расположение золо-отвала в пределах промышленной зоны г. Казани, исключающей дорогостоящие транспортные перевозки, можно рассматривать золошлаки Казанской ТЭЦ в качестве перспективного вторичного сырья для таких видов производств, как изготовление бетонных изделий, белого силикатного и красного керамического кирпича. Благодаря тонкозернистой размерности и хорошей отсортированности золошлаковые материалы могут служить хорошими наполнителями в ранее обозначенных изделиях по качеству и свойствам ничуть не уступающим природному песчаному материалу [2,4].

В данной работе рассматривается одна из возможностей рециклинга золошлаковых отходов в производстве бетонных изделий. Кубики цементных камней, с различным содержанием золошлаковым отходов, испытывались на прочность путем сжатия под прессом в соответствии с ГОСТ310.4-81. Результаты испытания приведены на графике, показывающем зависимость прочности изделий на сжатие в зависимости от относительного содержания в них добавки золошлаковых отходов.

Как видно из графика, введение добавки золошлаковых отходов в цементный клинкер приводит к существенным изменениям прочностных характеристик цементных камней. Ее наличие в составе цементного камня в количестве до 30% способствует увеличению прочности изделий, свыше 30% – к уменьшению. Подобная тенденция обусловлена следующими причинами. Твердые частички золошлаков за счет своей поверхностной активности являются своеобразными центрами кристаллизации, ускоряющими процесс формирования и роста новообразованных фаз цементного клинкера при затворение его водой. Именно за счет увеличения доли новообразований и возрастает прочность цементных камней. На определенном этапе, в данном случае при содержании золошлаковой компоненты в клинкере свыше 30%, твердых частичек становиться слишком много. Они начинают агрегировать, т.е. слипаться между собой в крупные агрегаты, образуя локальные участки, в которых сила сцепления несколько меньше по сравнению с основной массой. По мере увеличения содержания золошлаковой добавки неоднородность структуры цементного камня постепенно возрастает, что приводит к прогрессирующему снижению их прочностных характеристик. Как видно из графика, наиболее оптимальное количество добавки золошлаковых материалов находится на уровне 25-30% от массы цементного клинкера. Именно при таком ее содержании в цементной смеси наблюдается максимальное (на 20%) повышение прочности цементных камней, изготовленных на основе портландцемента.

На основании проведенных экспериментов можно сделать заключение, что золошлаковые отходы Казанской ТЭЦ могут использоваться в качестве минеральных наполнителей в производстве бетонных конструкций, заменяя более дорогой природный песчаный материал. Кроме того, золошлаковые смеси могут найти применение и в технологии приготовления вяжущих растворов на основе портландцемента в качестве активных минеральных добавок. Использование их в подобном качестве обеспечит сокращение расхода цемента, при обеспечении требуемого по нормативным показателям качества.

Выводы:

По результатам работы можно сделать следующие выводы:

1. В пределах Кировского золоотвала золошлаковые отходы об-разуют насыпи из относительно хорошо отсортированных по размерам частичек золы и дробленого шлака, которые удерживаются преимущественно за счет сил механического сцепления.

2. В химическом составе золошлаковых отходов преобладают кремнезем (SiO2) и глинозем (Al2O3), в среднем составляющие 60,35% и 28,03%, соответственно. В заметных количествах присутствуют железо (∑Fe2О3+FeО) – 7.17% и кальций (СаО) – 1,08%. Остальные эле-менты составляют менее 1,0%.

3. По результатам полуколичественного спектрального анализа золошлаки Казанской ТЭЦ-2 не содержат повышенных концентраций токсичных микроэлементов. Практически все выявленные элементы, присутствующие в пределах разрешающей способности спектрографа, не превышают свои кларковые значения.

4. Все выявленные в составе золошлаковых отходов минеральные фазы в приповерхностных условиях являются химически и биохимически устойчивыми соединениями, которые не представляют непосредственной угрозы здоровью населения и окружающей среде.

5. Учитывая физико-химические характеристики золошлаковых отходов, наиболее перспективным направлением их утилизации является вторичное использование при изготовлении бетонных конструкций.

См. также

Путеводитель по выбору оборудования для учебно-исследовательских работ

Этот материал опубликован в Сборнике тезисов участников IX Международного конкурса «Инструментальные исследования окружающей среды»