Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ влияния антропогенных факторов от хозяйственной и строительной деятельности на экосистему . 10
1.1 Анализ изменения среды обитания под воздействием хозяйственной деятельности, строительства и ЖКХ 10
1.1.1 Влияние свойств отходов и строительных материалов, созданных на их основе, на человека и экосистему в целом 14
1.2 Анализ принципов и методик экологической оценки воздействия строительной и хозяйственной деятельности на экосистемы 25
1.3 Анализ существующих способов утилизации промышленных отходов в производстве строительных материалов 34
1.4 Выводы по главе 1 .43
Глава 2. Обоснование возможности использования отходов в строительной и хозяйственной деятельности с целью снижения их влияния на экосистему 45
2.1 Экологическая оценка золы-уноса теплоэлектростанций Иркутской области. 47
2.1.1 Гранулометрический состав 49
2.1.2 Химический состав золы уноса 53
2.1.3 Физические и физико-механические характеристики золы уноса 55
2.1.4 Инвентаризационная и классификационная оценка золы уноса 57
2.2 Экологическая оценка зольных микросфер 59
2.2.1 Гранулометрический состав микросфер 62
2.2.2 Химический состав зольных микросфер 64
2.2.3 Теплофизические свойства микросфер 65
2.2.4 Физические и физико-механические характеристики 69
2.2.5 Инвентаризационная и классификационная оценка зольных микросфер 71
2.3 Экологическая оценка мраморной пыли 73
2.3.1 Гранулометрический состав 75
2.3.2 Химический состав 76
2.3.3 Физико-механические характеристики мраморной пыли (микрокальцита) 76
2.3.4 Инвентаризационная и классификационная оценка мраморной пыли 77
2.4 Экологическая оценка техногенных отходов мелкоразмерной слюды в виде вермикулита 78
2.5 Экологическая оценка промышленных отходов поливинилхлорида 82
2.6 Оценка жизненного цикла техногенных отходов как фактора влияния на экосистему 86
2.7 Выводы по главе 2 90
Глава 3. Экологическая оценка технологии производства минерально-полимерных композиционных материалов на основе отходов как механизм снижения негативных воздействий на экосистему .91
3.1 Оценка ресурсосберегающей технологии утилизации отходов в качестве наилучшей доступной технологии (НДТ) 91
3.2 Механизм взаимодействия полимера с минеральным наполнителем 100
3.3 Оптимизация составов минерально-полимерных композиций 108
3.4 Экологическая оценка технологии производства минерально-полимерных композиционных материалов по жизненному циклу 115
3.5 Выводы по главе 3 .122
Глава 4. Исследование минерально-полимерных композиционных материалов на основе отходов как элемента «зеленого строительства» .124
4.1 Экологическая оценка МПК- изделий и соответствие техническим стандартам 124
4.2 Исследование микроструктуры МПК- изделий 125
4.3 Экологическая оценка МПК- изделий по рентгенофазовому и элементному анализам .129
4.4 Исследование и экологическая оценка свойств МПК- изделий. 134
4.5 Экологическая оценка пожаробезопасности МПК- изделий 141
4.6 Экологическая оценка МПК- изделий по выделению вредных веществ 144
4.7 Выводы по главе 4 148
Глава 5. Оценка эколого-экономического эффекта от применения технологии утилизации техногенных отходов при производстве минерально-полимерных композиционных изделий 150
5.1 Внедрение результатов и экологическая сертификация минерально-полимерных композиционных изделий 150
5.2 Эколого-экономический эффект 153
5.3 Выводы по главе 5 159
Заключение 161
Список литературы 164
- Влияние свойств отходов и строительных материалов, созданных на их основе, на человека и экосистему в целом
- Теплофизические свойства микросфер
- Механизм взаимодействия полимера с минеральным наполнителем
- Эколого-экономический эффект
Влияние свойств отходов и строительных материалов, созданных на их основе, на человека и экосистему в целом
Любая деятельность человека имеет свое антропогенное воздействие на экосистемы различных уровней, которые впоследствии влияют на здоровье и благополучие самого человека. Все виды возможного воздействия можно разделить на две группы:
- прямое воздействие – использование природных ресурсов: добыча полезных ископаемых, использование (изъятие) водных ресурсов, изменение ландшафтов в связи со строительством предприятий, дорог, жилья и т.д., использование флоры и фауны;
- косвенное воздействие – опосредованное, через продукты своей производственной деятельности: сжигая топливо на ТЭЦ и термически утилизируя некоторые виды отходов привнося «тепловое загрязнение» атмосферы, усиливая парниковый эффект и разрушая озоновый слой атмосферы, работа двигателей автотранспорта, функционирование любых промышленных предприятий несет нагрузку на атмосферу (выбросы), водные ресурсы (сбросы), почвы путем размещения промышленных и бытовых отходов на полигонах и др. [21].
Все отходы классифицируются по степени негативного воздействия на окружающую среду на 4 класса опасности, что отражено в Федеральном классификационном каталоге отходов (ФККО), утвержденным Приказом Федеральной службы по надзору в сфере природопользования от 22 мая 2017 г. № 242 .
Негативное воздействие промышленных отходов на живые системы можно охарактеризовать следующими общесистемными факторами: загрязнение атмосферы (выбросы, пыление); акустическое загрязнение; миграция загрязняющих веществ из отходов в почвы и водоемы, в том числе с осадками; уничтожение почвенного покрова, деградация почвы, изменение естественных ландшафтов и появление техногенных ландшафтов; угнетение и уничтожением растительности, изменение структуры фитоценозов; нарушение природного равновесия в экосистеме; нарушение путей миграции животных, растительности; При этом, негативное влияние может усиливаться многократно при появлении сопутствующих факторов, зависящих как от свойств источника воздействия, от геоположения, факторов среды и других причин. Именно это является предпосылкой необходимости пересмотра и научного обоснования норм воздействия строительной, хозяйственной деятельности человека и эксплуатации ЖКХ на живую природу.
Согласно авторам Азарову В.Н., Барикаеву Н.С., Стреляевой А.Б. [22-24], важным фактором, воздействующим на живые организмы, является дисперсность отходов. Мелкодисперсные фракции размером частиц менее 10 мкм и до 2,5 мкм представляют наибольшую опасность для человека. Это связано с тем, что частицы при вдыхании оказывают воздействие на верхние дыхательные пути и легкие, вызывая изменение состояния тканей легких и респираторные заболевания.
Близость промышленных предприятий к городам и населенным пунктам, а также инфраструктура самих городов, созданная для обеспечения комфорта населения, создает экологические проблемы не только для живой природы, но и для всей экосистемы в целом.
Негативное воздействие накопленных многотоннажных отходов выражается в миграции тяжелых металлов в почвы и водные объекты, наличии радиоактивности, возможности газогенерации, химической активности элементов, эмиссии токсичных веществ, горючести с образованием токсичных продуктов при горении, загрязнение нефтепродуктами и т.д.
Тяжелые металлы
Тяжелым металлам свойственна повышенная токсичность и способность накапливаться в живом организме, являясь источником повышенной опасности для населения в результате постоянного контакта с ними, нарушая его здоровое функционирование [25]. Как утверждают авторы Синцов А.В., Бармин А.Н., Валов М.В., процесс загрязнения почвогрунтовой толщи городской территории тяжелыми металлами представляет собой одну из самых важных и насущных проблем. Масштабный процесс техногенного воздействия на почву и грунт соответственно имеет значительное количество антропогенных источников, к которым относятся объекты энергетики, свалки с бытовыми и промышленными отходами, коммунальная и транспортная система. Развитие строительной деятельности и работ по благоустройству городской территории приводит также к процессу загрязнения тяжелыми металлами почвенного покрова городов.
Естественные концентрации тяжелых металлов в природных материалах не превышают санитарных норм. В техногенных же отходах содержание характеризуется более высоким уровнем, вследствие их накопления и концентрации в процессе образования отходов при сжигании природного сырья (переход в шлак), накопления в илах и шламах (при осаждении) и т.д. Ряд таких металлов, как кадмий, ртуть, никель, медь, цинк, хром и мышьяк выделяют в группу особо опасных для живых организмов.
Согласно автору Лукутцовой Н.П. [26], тяжелые металлы, попадая с сырьевыми материалами и корректирующими добавками, с заполнителями и отходами в строительные материалы, а при износе строительных материалов – в отходы и далее в питьевую воду, почвы и другие компоненты окружающей среды могут наносить значительный вред здоровью людей. Основной путь миграции тяжелых металлов осуществляется по цепочке: строительные материалы, отходы, грунт, грунтовые воды, водопроводная вода, организм человека.
Необходимо учитывать и тот факт, что в результате коррозионного воздействия агрессивных сред возможно вымывание тяжелых металлов из состава материалов и отходов.
Cвuнeц и eгo сoeдинения относятся к ядам, действующим преимущественно на нервно-сосудистую систему и на кровь человека. Токсическое действие свинца связано с его способностью замещать кальций в костях и нервных волокнах. Свинец депонируется в основном в скелете в форме труднорастворимого фосфата Pb3(PO4)2.
Отравление человека свинцом проявляется неспецифическими симптомами: вначале повышенная возбудимость и бессонница, позже утомляемость и депрессия. Более поздние симптомы заключаются в расстройстве функции нервной системы и поражении головного мозга.
Свинец действует на ткани гладких мышц и на моторную нервную систему, управляющую двигательной активностью, вызывает параличи, головные боли, головокружение, увеличение внутричерепного давления. Установлена связь гипертонии с высоким уровнем содержания свинца в крови. Высокую заболеваемость рассеянным склерозом в некоторых регионах связывают с большим содержанием свинца в окружающей среде.
Свинец – кумулятивный яд, постепенно накапливается в организме человека, поскольку скорость его естественного выведения очень низка. Свинец уменьшает скорость образования эритроцитов в костном мозге, он также блокирует синтез гемоглобина. Особенно опасно воздействие свинца на маленьких детей; оно вызывает умственную отсталость и хроническое заболевание мозга.
Установлено, что органические соединения свинца более токсичны, чем неорганические. Предельно допустимая концентрация свинца в воздухе населенных мест составляет: максимально разовая – 0,001 мг/м3, среднесуточная – 0,0003 мг/м3, Для тетраэтилсвинца максимально разовая ПДК составляет 0,0001 мг/м3, а среднесуточная – 4 10-5 мг/м3.
Ртуть. Кроме свинца наиболее полно по сравнению с другими тяжелыми металлами изучена токсичность ртути для человека. В организме человека ртуть циркулирует в крови, соединяясь с белками, частично откладывается в печени, почках, селезенке, ткани мозга. При
остром отравлении наблюдаются вспышки психического возбуждения с возможными галлюцинациями, которые сменяются упадком сил. Соединения ртути легко проникают в плод через плаценту и в материнское молоко; поэтому они очень опасны для грудных детей. Из организма ртуть выделяется через почки, кишечник, потовые железы.
По степени токсичности различают формы соединения ртути металлические, органические и неорганические. Металлическая ртуть опасна своими парами. Острые отравления парами ртути выражаются общей слабостью, головной болью, болями при глотании, металлическим привкусом во рту, повышенной температурой, катаральными явлениями, далее появляются признаки поражения почек, воспаление легких. Особенно страдают высшие отделы нервной системы.
Среднесуточная ПДК металлической ртути в воздухе населенных мест – 0,0003 мг/м3. Для большинства соединений ртути (в пересчете на чистую ртуть) ПДК имеет такое же значение (0,0003 мг/м3).
Неорганические соединения ртути мало летучи, поэтому поступают в организм человека с пищей и водой, а также через кожу. Затем возникает хроническое отравление организма – меркуриоз. Развивается дрожание пальцев рук, затем век, губ, ног и всего тела, затем снижается кожная чувствительность, пропадают вкусовые ощущения и острота обоняния [27].
Кадмий. Хотя концентрация кадмия в окружающей среде не столь велика как, например, свинца, этот метал, обладает способностью накапливаться в организме. Если в среднем человек накапливает около 30 мг кадмия, то из них 33 % накапливается в почках, 14 % – в печени, 2 % – в легких, 0,3 % – в поджелудочной железе, остальное в других тканях. Связываясь с металокатионами, кадмий в виде белкового комплекса накапливается в наибольшей степени в коре надпочечников. Период полувыведения поглощенного кадмия, связанного с металлотионином, составляет около 35 лет для детей и около 12 лет для людей зрелого возраста. Одним из отрицательных последствий накопления кадмия является тяжелое поражение почек. Кадмий способен повышать кровяное давление.
Наряду с накоплением в почках кадмий, подобно кальцию, откладывается в костях, образуя фосфат кадмия Cd3(PO4)2. Одновременно вымываются из костей ионы Са2+, что сопровождается болезненным усыханием скелета. Заболевание, связанное с накоплением кадмия в организме человека называется итаи-итаи, впервые открыто в Японии. Появление данной болезни было связано с загрязнением биосферы отходами горнодобывающего комплекса и загрязнением воды на рисовых полях кадмием, входившим в состав фунгицидов. Распространенность этого заболевания в Японии обусловлена еще и тем, что кадмий накапливается в рыбе и других морепродуктах, являющихся важной частью питания населения этой страны.
Теплофизические свойства микросфер
В процессе исследований определялись теплофизические свойства микросфер, которые оказывают влияние на свойства композиционных материалов и процесс их производства: термостойкость, удельная теплоемкость, коэффициент теплопроводности, прочность зольных микросфер на сжатие при повышенных температурах (300 С), морозоустойчивость.
Термостойкость - способность зольных микросфер выдерживать воздействие повышенных температур, не меняя формы. Для определения термостойкости использовали следующие методы: термическое воздействие в диапазоне температур от +100 до +1400 С с изменением насыпной плотности зольных микросфер и определение температуры изменения формы пироскопа [226, 237, 238]. Измерения насыпной плотности производились следующим образом: усредненная проба микросфер каждой электростанции объёмом 25 см3помещалась в электропечь и нагревалась со скоростью 6 С/мин. до необходимой температуры, выдерживалась при заданной температуре в течение 1,5 часов. После охлаждения печи производились измерения насыпной плотности зольных микросфер. В таблице 2.12 представлены средние значения результатов измерений с точностью 23%.
Согласно проведенному эксперименту установлено, что насыпная плотность зольных микросфер до 500 С при нагреве не меняется. Увеличение плотности значительно меняется при температуре 1100 С, когда происходит частичная потеря сферической формы за счет растрескивания микросфер, которая приводит к более плотной упаковке и усадке микросфер.
Далее определяли по изменению формы пироскопа три характерные температуры для моментов:
- температура начала деформации t1;
- температура размягчения t2;
- температура начала жидкоплавкого состояния t3.
Пирамиды из микросфер, смоченной 10% раствором декстрина помещали в высокотемпературную печь и нагревали до 800-850 С со скоростью 8 С/мин, затем повышали температуру до 1550 С со скоростью 3 С/мин. В таблице 2.13 представлены средние значения результатов измерений с погрешностью измерения температуры ±46%.
Полученные результаты хорошо согласуются с данными химического и фазово-минералогического состава микросфер.
Удельная теплоемкость
Определение удельной теплоемкости проводилось с помощью прибора ИТ-С-400 на основе сравнительного метода С-калориметра с тепломером и адиабатической оболочкой [219].
Прибор ИТ-С-400 предназначен для исследования твердых, порошковых, волокнистых материалов и жидкостей с плотностью не менее 800 кг/м3. Температурный диапазон находится в пределах от -100 С до +400 С с интервалом в 25 С. Погрешность прибора может составлять до составляет ±10 %. Результаты замеров представлены в таблице 2.14.
Известные теплоизоляционные материалы имеют аналогичную удельную теплоемкость при 20С такие материалы, как: керамзит - 837 Дж/кгК; пористые известняки - 921 Дж/кгК; волокно асбестовое - 12601670 Дж/кгК; асбестовый картон - 1837 Дж/кгК; войлок – 16801880 Дж/кгК; асбобакелит – 1170 Дж/кгК [229].
Коэффициент теплопроводности
Определение коэффициента теплопроводности проводили на установке ИТ --400 на основе сравнительного метода -калориметра, которая позволяет производить измерение в диапазоне от 0,1 до 5 Вт/мК. Температуры измерения от -100 до + 400 С с интервалом в 25 С с допускаемой основной погрешностью ±10 %. Для подтверждения и сопоставления полученных результатов была изготовлена установка, реализующая метод Мальмгрена-Шулейкина [226, 239]. Результаты испытаний представлены в таблице 2.15.
Полученные результаты эксперимента по двум методам близки, что соответствует их высокой достоверности и свидетельствуют о низком коэффициенте теплопроводности сопоставимом по значениям с теплоизоляционным материалам, таким как: керамзит, перлит – 0.111 Вт/мК; пемза – 0.151 Вт/мК; известняки пористые – 0.523 Вт/мК; войлок асбестовый – 0.116-0.220 Вт/мК [240].
Прочность зольных микросфер на сжатие при повышенных температурах
Данный параметр определялся при температуре 300 С при нагрузках, соответствующих 20 % и 40 % деформации сжатия, а сравнения проводили со значениями прочности, полученных при комнатной температуре. Так как микросферы отобраны с разных электростанций, то они различаются по значениям насыпной плотности, поэтому при эксперименте фиксировали и плотность засыпки в измерительные емкости. Результаты измерений представлены в таблице 2.16.
Проанализировав полученные результаты можно сказать, что прочность на одноосное сжатие зольных микросфер снижается примерно на 15%, хотя данные по разным электростанциям изменяются в достаточно широких пределах.
Морозоустойчивость
Морозоустойчивость – характеристика материала, определяющая его способность выдерживать циклические нагрузки при переходе через 0 С. Данное свойство определяется по изменению показателей насыпной плотности микросфер после термических воздействий, ка при эксплуатации в различных климатических зонах. Образцы микросфер. Измерения насыпной плотности проводили после 1, 2, 7, 10, 15, 20 циклов. Результатов измерений представлены в таблице 2.17.
По результатам исследований видно, что наиболее морозоустойчивы оказались зольные микросферы из зол уноса ТЭЦ-10, (изменение насыпной плотности составило 2 %). С помощью оптического микроскопа выявили, что в результате термоциклов происходит увеличению насыпной плотности за счет разрушение микросфер на мелкие фрагменты.
Согласно проведенным исследованиям теплофизические свойства зольных микросфер соизмеримы со значениями жаростойких материалов, что говорит о возможности их применения при повышенных температурах.
Механизм взаимодействия полимера с минеральным наполнителем
Основной целью наполнения полимерных композитов является утилизация минеральных отходов и отходов полимера. Введение наполнителя способствует не только удешевлению, но и улучшению свойств композита, таких как увеличение прочности, износостойкости, стойкости к химическим и атмосферным воздействиям, снижение горючести материала и износа оборудования при его производстве и др., которые можно регулировать, зная механизм взаимодействия полимера с минеральным наполнителем.
Наполненный дисперсными частицами полимерный композит представляет собой двухфазную коллоидную систему, состоящую из полимерной дисперсионной среды и частиц жесткой дисперсной фазы. Для таких систем действует общее правило – механические свойства любых двухфазных систем в основном определяются свойствами дисперсионной среды, а влияние дисперсной фазы менее значительно и проявляет через дисперсионную среду. Поэтому свойства многокомпонентных многофазных систем зависят от состава не линейно, а изменяются весьма сложным образом [224, 254, 255].
Известно [217, 246, 248, 254], полимерные композиционные материалы представляют собой сложные многокомпонентные системы, формирование свойств которых определяется наличием как минимум двух основных фаз – полимерной (матрица) и твердой (наполнитель), а также разделяющей их поверхности (поверхность раздела фаз). Наполненный полимерный материал имеет неоднородную структуру, т.к. образуются границы раздела между фазами. В результате различного реагирования фаз материала на внешние воздействия появляются области с высокой и низкой концентрацией напряжений (термических, механических и др.), что является основным признаком отличия композита от однофазного материала [246-248, 255, 256].
На поверхности частиц наполнителя происходит формирование пограничного слоя, представляющего собой тонкие пленки ПВХ, причем физические и химические свойства этих тонких пленок отличны от свойств исходного ПВХ в результате взаимодействия с поверхностью наполнителя, что характерно для всех существующих минерально-полимерных композитов (МПК).
При этом наиболее сильные внутренние напряжения возникают на границе раздела фаз и уменьшаются по мере отдаления дисперсной частицы от матрицы. Величина внутренних остаточных напряжений зависит как от природы исходных материалов, так и от свойств структуры (форма, размер частицы) и производственной технологии; меняя эти параметры можно варьировать значения внутренних напряжений в материале.
Вокруг дисперсной частицы под воздействием внешних напряжений образуется область концентрации напряжений, при этом уровень напряжений зависит от формы частицы, чем больше форма отличается от шарообразной, тем он выше. Гетерофазность материала дает возможность изменять уровень внутренних напряжений и напряжений, воспринимаемых различными структурными составляющими материала и вместе с этим регулировать эксплуатационные и технологические свойства композитов [255-257].
Образование поверхностного слоя и адсорбция полимера
Поверхность раздела фаз, образующаяся в процессе технологического производства при контакте компонентов – основная характерная особенность композиционных материалов. Выделяют несколько видов границы раздела: твердое тело – твердое тело, твердое тело – жидкость, твердое тело – газ, жидкость – жидкость, жидкость – газ. Во всех перечисленных случаях будут различаться природа граничных слоев, структура материала, взаимодействие фаз.
Желаемым результатом нужно считать получение эксплуатационной, устойчивой во времени и термодинамически границы раздела фаз, которая характеризовалась бы хорошей адгезией и распределением напряжений по всей структуре композита [224, 255-257].
В основе изучения закономерностей взаимодействия на границе раздела фаз лежит термодинамический подход. Согласно источникам [255-257] адсорбция полимера на поверхности дисперсной фазы наполнителя является одним из основных процессов, определяющих свойства наполненных систем.
Граница раздела фаз – это поверхностный слой определенной толщины, который будет зависеть от термодинамических и молекулярно-кинетических параметров. Поверхностный или граничный слой – неоднородный тонкий слой определенной толщины и объема, который располагается по обе стороны поверхности, разделяющей две соприкасающиеся объемные фазы, и свойства граничного слоя отличны от свойств полимера в объеме. Строго определить границы поверхностного слоя невозможно, вследствие непрерывного перехода в объемную фазу, из-за чего толщина граничного слоя определяется как расстояние, при котором изменение свойств или состава слоя от объемной фазы будет меньше заданной величины. При этом некоторые свойства изменяются при отдалении от середины слоя совершенно по-разному, поэтому толщина поверхностного слоя будет зависеть также от того, по изменению какого свойства она определяется. [224, 255-257].
Структура поверхностного слоя, образующегося в процессе адсорбции, определяет важнейшие механические и физико-химические свойства получаемого композита. В дисперснонаполненных системах структура поверхностных слоев полимера имеет важное значение для изучения механизма структурообразования. В связи с этим необходимо рассматривать адсорбцию полимеров на границе раздела фаз. Наиболее приемлемая и физически обоснованная теория адгезии [255-257] – это адсорбционная теория, согласно которой адгезия связана с адсорбцией, т.е. с действием межмолекулярных сил на границе раздела.
Специфические особенности адсорбции полимеров, в отличие от адсорбции низкомолекулярных веществ, заключаются в переходе на поверхность адсорбента не изолированных молекул, а агрегатов макромолекул и других надмолекулярных образований, появляющиеся в растворах даже при невысоких концентрациях.
При исследовании свойств наполненных полимеров различают адсорбционный слой и поверхностный слой, т.к. первый имеет толщину в несколько молекул, а второй – может быть значительно удален от поверхности.
Адсорбционные силы играют основную роль при адгезии полимеров к твердым телам. Адсорбция, определяя физико-химические и физико-механические свойства композитов, также существенно влияет на формирование материала в процессе его переработки, в присутствии твердых тел иной природы – наполнителей, пигментов, на поверхности металлов и др.
В результате адсорбционного взаимодействия молекул полимера с твердым телом на границе раздела уменьшается подвижность цепей в процессе формирования полимерного материала и при его эксплуатации, что ведет к изменению структуры поверхностного слоя, а также изменению температур, при которых в поверхностных слоях происходят структурные и термодинамические переходы [224, 225, 257].
Структура на границе раздела полимер – твердое тело
Особенности влияния природы контактирующих фаз на основные закономерности образования межфазных слоев и их структуры учитывает молекулярно-кинетический подход. Экспериментально установлено, что на твердой поверхности образуется уплотненный слой, ориентированный межфазный слой, не зависящий от поверхностной энергии. Изменение структуры поверхностных слоев твердого тела под действием полимера происходит на расстоянии всего 5-7 ангстрем, которые входят в межфазный слой.
При образовании границы раздела фаз под действием термодинамических факторов формируются межфазные слои, представляющие собой для системы полимер – твердое тело плотный ориентированный слой полимера и измененную на глубину 5-7 ангстрем поверхность твердого тела, изменение структуры и свойств полимера наблюдаются и после межфазного слоя, это связано с образованием переходных (разрыхленных слоев).
Анализ общих закономерностей образования границы раздела фаз для системы полимер – твердое тело, позволяет предположить природу взаимодействия сред в процессе создания новых полимерно-минеральных композиционных материалов.
Структурообразование в наполненных полимерах рассматривается с точки зрения формирования в полимере структуры в результате взаимодействия частиц наполнителя друг с другом, и с точки зрения структурообразования в полимере с наполнителем. С увеличением количества введенного наполнителя или уменьшением размера его частиц усиливается роль поверхностных явлений на границе раздела фаз, т.к. вместе с этим увеличивается толщина межфазного поверхностного слоя, обладающего специфическими свойствами [255, 256].
Поверхность частиц наполнителя – это место, где преимущественно растет и возникает полимерная фаза. В этом заключается структурообразующая роль частиц в полимерных композиционных материала [253-257].
Установлено, что при использовании в качестве матрицы ПВХ в процессе экструзии на поверхности частиц золы уноса происходит формирование пограничного слоя, представляющего собой тонкие пленки ПВХ, причем физические и химические свойства этих тонких пленок отличны от свойств исходного ПВХ в результате взаимодействия с поверхностью наполнителя, что характерно для всех существующих минерально-полимерных композиций.
Эколого-экономический эффект
В рамках выполнения диссертационной работы был проведен маркетинговый анализ, на основании которого установлено, что при подтверждении экологически безопасных характеристик данного материала, строительный рынок готов включить данные материалы в номенклатуру строительных изделий, используемых, в частности, для отделки. На сегодняшней день маркетологи прогнозируют лучшее назначение полимерно-минерального композиционного материала в качестве декинга (террасной доски).
Определено, что МПК-изделия соответствуют критериям стандарта организации СТО НОСТРОЙ 2.35.4-2011: «Комфорт и экология внутренней среды», «Энергосбережение и энергоэффективность», отвечают современным требованиям экологической безопасности, а также имеют более привлекательную себестоимость по сравнению с существующими аналогами ДПК. Результаты маркетингового анализа по стоимости декинга различных производителей представлены в таблице 5.1
Согласно проведенной экологической оценки в главе 4, МПК-изделия характеризуется высокой плотностью, свыше 1500 кг/м3; ударной вязкостью по Шарпи -10 кДж/м2, что в 2,5 раза превосходит установленный норматив для аналога ДПК (3,5 кДж/м2 ), высокой твердостью – 200 Н/мм2, превышающей норматив аналога более чем в 2 раза (90 Н/мм2), повышенными значениями показателя прочности при изгибе - 52 МПа, превосходящей в 2 раза норматив (25 МПа), значение разрушающей нагрузки составляет - 5292 Н при нормативном показателе не менее 2000 Н. Кроме того, МПК-изделия имеют ряд преимуществ перед аналогами из ДПК:
- устойчивы во влажных средах, не поддаются короблению и растрескиванию;
- не нуждаются в защите при эксплуатации в уличных (атмосферных) условиях и в контакте с почвой;
- могут эксплуатироваться в соленой воде, в шелочных и кислых средах;
- не поддаются воздействию микроорганизмов, грибов и насекомых;
- не требуют покраски и специального ухода при эксплуатации;
- имеют хорошее сцепление с поверхностью (не скользит в сырую погоду).
Экономическая целесообразность производства данных материалов подтверждена расчетами затрат и эффективности производства такого изделия, как террасная доска (декинг). Сравнительные показатели эффективности выхода на рынок определялись по сравнению с объектом аналогом - террасной доской из ДПК (древесно-полимерного композита).
На основании проведенного маркетингового анализа предложено из МПК-изделий организовать выпуск нескольких видов строительных материалов, в том числе декинга, лаги, фасадной панели, уголка, для чего имеется необходимая инфраструктура: производственные помещения, коммуникации, подъездные пути, складские помещения. Экструзионная линия располагается в производственном помещении площадью 800 м2, оборудованном приточно-вытяжной вентиляцией, тепло-, водоснабжением, подводом воздуха, системой оборотного водоснабжения.
Расчет себестоимости единицы производства декинга из МПК на основе золы уноса при производительности 3500 тонн в год представлен в таблице 5.2.
Стоимость 1 м2 МПК-декинга составляет 1189,64 руб., тогда как стоимость 1м2 декинга из ДПК составляет 2266,7 рублей. Разница составляет 1077,06 рублей. Сравнительный расчет показал, что при равном годовом объеме выпуска продукции разница в стоимостном выражении составит 318,852 – 199,603 = 119,249 млн. рублей только на одной производственной линии.
Экологический эффект при производстве террасной доски из МПК материала -ВИНИЗОЛа от использования отхода (золы уноса) заключается в утилизации не менее 1500 тонн/год или 2250 м3 данного отхода, что высвободит порядка 2000 м2 площадей и позволит снизить ущерб, наносимый природной среде складированием и захоронением отходов на золоотвалах. Экологический ущерб от ухудшения и разрушения почв и земель под воздействием техногенных нагрузок - отвалов и золоотвалов выражается главным образом в:
- деградации почв и земель;
- загрязнении земель химическими веществами;
- увеличении площадей, отводимых под места размещения отходов.
Одним из экологических эффектов от использования отходов в качестве наполнителя в МПК-изделиях является сокращение площадей, выделяемых под отвалы и захоронения. Только на территории Иркутской области золоотвалы занимают порядка 2000 га.
Предотвращенный экологический ущерб от деградации почв и земель
Оценка величины предотвращенного экологического ущерба Упр от деградации почв и земель произведена по методике определения предотвращенного экологического ущерба [267] по формуле 4.2
Величина показателя Ууд соответствует таксе для исчисления размера вреда и определяется на основании Методики исчисления размера вреда, причиненного почвам как объекту охраны окружающей среды [268], утвержденной приказом Минприроды России от 8 июня 2010 года № 238, зарегистрированный в Минюсте РФ 07 сентября 2010 года № 18364 (в редакции приказа Минприроды России от 25.04.2014 № 194) и равна 500 руб/м2 или 5,0 млн. руб./га.
Следовательно, величина потенциального возможного предотвращенного экологического ущерба от деградации почв и земель только на территории Иркутской области от ликвидации золоотвалов могла бы составить: Упр = 5,0 2000 1,3 = 13 000 млн. руб.
Содержание золоотвалов обходится АО «Иркутскзолопродукт» в 1000 рублей за 1 м3. Ежегодно образуется порядка 1,4 млн. тонн или 933,3 тыс.м3, следовательно содержание золоотвалов составляет 933,300 млн. руб/год.
Предотвращенный эколого-экономический ущерб при использовании техногенных отходов, в частности золы уноса при ежегодной утилизации 2250 м3 в производстве МПК-изделий на 1 производственной линии, выразится в:
- снижении затрат на содержание в золоотвалах вновь образующихся отходов: 2250 м3 1000 руб/м3 = 2 250 000 руб.
- снижении предотвращенного экологического ущерба от деградации почв и земель: 2000 м2 500 руб. = 1 000 000 руб.
Итого, предотвращенный эколого-экономический ущерб составит около 3,250 млн. рублей/год.
Предположительный экологический эффект от сохранения лесных ресурсов
Производство декинга из МПК составляет 3500 тонн/год или 167785 м2. Из одной сосны, в среднем, получается 30 м2 половых покрытий (5 половых досок длинной 6 м). Следовательно, разработанная технология позволяет сохранить 167785:30 = 5593 деревьев в год. На 1 га хвойного леса произрастает около 300 деревьев, при расстоянии между деревьями 6,2 м. (по Н.Я. Саликову), которые можно было высадить на площади 18,64 га (5593:300).
Согласно статистике 1 га соснового леса:
- осаждает из воздуха пыли 30,1 тонн/год;
- выделяет в месяц 2500 кг. кислорода, или 30 тонн/год. Таким образом, каждый год сосновый лес, сохраненный при производстве МПК, площадью 18,64 га мог бы осаждать 561 тонну пыли (18,64 30,1) и произвести 55,92 тонны кислорода (18,64 30).
Эколого-экономические показатели работы одной производственной линии, производительностью 3500 т/год представлены в таблице 5.4.
Как видно из таблицы 5.4, применение разработанной технологии производства МПК-изделий позволяет снизить нагрузки на экосистему, а именно: утилизировать до 3000 тонн минеральных и полимерных отходов в год, снизить энергозатраты на 677051,7 кВт-ч и выбросы вредных веществ и пыли на 2,948489 т/год, высвободить территории от накопления отходов до 2000 м2/год; не использует антипирены. Предотвращенный эколого-экономический ущерб составил 3,250 млн.руб./год; экологический эффект от сохранения лесов по осаждению пыли составил 56,1 тонн/год, по производству кислорода – 55,92 тонн/год; снижены негативные воздействия производства на 19 баллов.
Проведенные расчеты показали, что разработанная технология экономически эффективна, поскольку затраты на производство продукции почти на 119,249 млн. рублей/год меньше, чем при существующей технологии производства ДПК-изделий.
Разработанная технология может быть рекомендована в качестве наилучшей доступной технологии при дальнейшем формировании справочников НДТ по переработке отходов.
Таким образом, оценка эколого-экономического эффекта от применения технологии утилизации техногенных отходов при производстве минерально-полимерных композиционных изделий, применяемых в строительстве, доказала снижение негативных воздействий на все компоненты экосистемы. Следовательно, разработанную технологию можно считать экологически безопасной, и рассматривать как универсальный механизм утилизации отходов, обеспечивающий стабильное состояния экосистемы при создании безопасной и комфортной среды жизнедеятельности.