Введение к работе
Актуальность работы. В Российской Федерации накоплено огромное количество промышленных отходов, загрязняющих окружающую среду и занимающих значительные площади. К таким отходам следует отнести отходы от сжигания твердых горючих ископаемых (углей) – золошлаковые материалы золоотвалов, а также полимерные материалы.
В Иркутской области в 2010 году было добыто 14,6 млн тонн угля. К 2023 году объемы добычи увеличатся до 20,3 миллиона тонн, что неизбежно приведет к росту количества отходов. Уже в настоящее время в результате функционирования предприятий топливно-энергетического комплекса, а именно тепловых электрических станций (ТЭС), в золоотвалах накоплено около 85 млн тонн золошлаковых отходов, в том числе золы уноса. Площадь, занятая золотвалами ТЭС в регионе, составляет около 2000 га. Зола уноса по сложности и многокомпонентности вещественного состава и своим технологическим характеристикам представляет собой ценное техногенное сырье, которое может быть переработано для использования в народном хозяйстве.
Возрастают объемы производственных отходов на основе изделий из полимерных материалов, в том числе поливинилхлорида (ПВХ). На предприятиях Иркутской области показатели объемов отходов ПВХ составляют более 2 тыс. тонн в год.
В настоящее время уровень использования указанных крупнотоннажных отходов энергетики и промышленности не позволяет уменьшить экологическую нагрузку, что приводит к деградации почв, вторичному загрязнению подземных и поверхностных вод, и другим видам негативного воздействия объектов энергетики на окружающую среду.
Необходимость совместной утилизации этих двух типов твердых отходов делает актуальным вопрос использования их в качестве техногенного сырья для производства минерально-полимерных композиций. Данная технология была разработана в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (государственный контракт № 02.740.11.5080 «Разработка новых материалов на основе использования крупнотоннажных отходов»).
Цель работы. Разработка нового способа и промышленной научно обоснованной и экономически целесообразной технологии переработки минеральных отходов ТЭС и органических отходов полимерной промышленности для производства инновационного минерально-полимерного композита.
Основная идея работы. Совместная утилизация отходов ТЭС (золы уноса) и промышленных отходов полиолефинов с целью получения нового минерально-полимерного композита.
Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:
-
Изучение состава, структуры, свойств отходов ТЭС (золы уноса) и возможности ее использования в качестве наполнителя для производства минерально-полимерных композиций.
-
Создание и оптимизация технологии совместной утилизации отходов ТЭС (золы уноса) и отходов ПВХ с получением нового композита на основе исследования параметров процесса экструзии и создания рецептур минерально-полимерных композитов.
-
Исследование физико-химических процессов в системе «зола уноса – ПВХ» минерально-полимерных композиционных материалов.
-
Установление зависимости свойств композитов от вида и состава золы уноса ТЭС, морфологии, состава и физико-механических характеристик полученных материалов.
Объекты исследования:
Крупнотоннажные твердые минеральные и органические отходы Иркутской области: отходы ТЭС – зола уноса (ЗШМ) и промышленные отходы ПВХ.
Минерально-полимерные композиционные материалы.
Методы исследования. В соответствии с поставленными задачами необходимыми методами исследования являются экструзия полимеров, электронная микроскопия, ИК-спектроскопия нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО), дифференциальный термический анализ (ДТА) и термогравиметрический анализ (ТГА), гамма-спектрометрия, компьютерная графика, программное обеспечение, методы изучения общих свойств пластмасс и строительных материалов – ГОСТы.
Обоснованность и достоверность научных положений и выводов подтверждается представительным объемом экспериментальных данных и удовлетворительной сходимостью результатов исследований различными методами, использованием современных методов исследования.
Научная новизна
-
Научно обоснована и экспериментально доказана возможность и эффективность утилизации отходов ТЭС (золы уноса) в качестве наполнителя для производства нового минерально-полимерного композиционного материала.
-
Выявлены зависимости изменения физико-механических свойств минерально-полимерных композитов (тип структуры, плотность, предел прочности при изгибе, ударная вязкость по Шарпи, термостабильность) от их структуры и состава при увеличении массовой доли золы уноса.
-
Выявлена возможность получения при использовании золы уноса минерально-полимерных композитов с регулируемой пористостью: поропластов и пенопластов.
-
Установлено взаимодействие в системе «зола уноса – ПВХ» в процессе экструзии, заключающееся в адгезии, обусловленной межмолекулярным взаимодействием в поверхностных слоях наполнителя и связующего при нагревании, при котором происходит сцепление частиц золы уноса и полимера.
Практическая значимость и реализация результатов
На основании теоретических и экспериментальных исследований предложен способ утилизации отходов ТЭС (золы уноса).
Разработана и реализована в промышленных условиях технология совместной переработки промышленных отходов, золы уноса и полимеров (ПВХ), с получением товарной продукции – высокоэффективного строительного материала «Пористая искусственная древесина» (ПИД), основное назначение которого замена традиционных ПВХ-композиций и ряда изделий из натуральной древесины. Предложенная технология позволяет получать материалы с регулируемой пористостью.
По разработанной технологии подана заявка на патент № 2011106608, приоритет от 22 февраля 2011 г.
Ожидаемый эколого-экономический эффект от внедрения технологии производства ПИД составляет 80 млн руб./год.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Принципиальная возможность и эффективность совместной утилизации крупнотоннажных отходов ТЭС – золы уноса (как наполнителя) и отходов ПВХ (как связующего) с получением на их основе инновационного минерально-полимерного композита строительного назначения.
-
Возможность регулирования пористости минерально-полимерных композитов на основе золы уноса ТЭС путем варьирования значений технологических параметров процесса экструзии (Зависимость «структура – условия технологического процесса»). Зависимость физико-механических свойств композиции от вида и состава отходов (золы уноса ТЭС), от структуры и состава минерально-полимерного композита (Зависимость «состав – свойства», «структура – свойства композиции»).
-
Физико-химические процессы, протекающие при экструзии минерально-полимерной композиции, заключающиеся в адгезии на поверхности раздела частиц золы уноса и ПВХ.
Апробация работы
Результаты исследований, приведенные в диссертационной работе, докладывались и обсуждались на научном семинаре «Проблемы и перспективы использования и производства Пористой Искусственной Древесины (ПИД)», г. Иркутск, 2009 г.; Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи «Проведение научных исследований под руководством приглашенных исследователей в 2009 году», г. Москва, 2009 г.; Международной конференции GPEC 2010 Global Plastics Environmental Conference 2010 Orlando, Florida, USA, 2010 г.; III Международном научно-практическом семинаре «Золошлаки ТЭС: удаление, транспорт, переработка, складирование», г. Москва, 2010 г.; научно-практической конференции, посвященной 80-летию ИрГТУ и химико-металлургического факультета «Перспективы развития технологии, экологии и автоматизации химических, пищевых и металлургических производств», г. Иркутск, 2010 г.; Общероссийской научной конференции «Проблемы качества образования. Окружающая среда и развитие человека. Вода для жизни (2005–2015). Новые технологии, инновации, изобретения», Иркутск, 2010 г.; VI Международной конференции «Полимерные материалы пониженной горючести», г. Вологда, 2011 г.; Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Перспективы развития технологии, переработки углеводородных, растительных и минеральных ресурсов», Иркутск, 2011 г.; Всероссийской научно-практической конференции «Ресурсоэнергосбережение, Экологические чистые технологии», Иркутск, 2011 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ, из них 2 работы в изданиях ВАК, заявка на патент № 2011106608 (Дата приоритета 22.02.2011).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, списка использованных источников, приложения.
Личный вклад автора. Проведение аналитического обзора научно-технической информации, выполнение экспериментальных и теоретических исследований по изучению состава и свойств отходов и разработке технологического процесса производства минерально-полимерных композиционных материалов, проведение промышленных испытаний с получением нескольких типов композитов ПИД, изучение пространственной морфологии и свойств разработанного материала, обсуждение результатов и формулировка выводов.
