Введение к работе
Актуальность проблемы. Очевидно, что развитие человеческого общества невозможно без взаимодействия с окружающей средой, а, следовательно, и воздействия на природу, без использования природных ресурсов. Люди преобразовывали, и будут преобразовывать природу. Важнейшей проблемой стратегии управления качеством окружающей природной среды является вопрос об организации системы, определяющей эффективность комплексного и экологически рационального использования природных ресурсов. Попытки максимального использования природных ресурсов, не подкрепленные достаточным знанием возможностей природы -способности к воспроизводству ресурсов и саморегулированию, - ведут к серьезным экологическим последствиям.
Устойчивое обеспечение потребностей Российской Федерации во всех видах топлива и энергии, продукции металлургии и химической промышленности по-прежнему должно осуществляться за счет их добычи и производства, а не за счет их импорта. Рост эффективности добычи, обогащения и переработки полезных ископаемых, эффективное функционирование металлургических н химико-технологических предприятий в условиях переходной экономики можно осуществить только путем ускоренного роста производительности труда. Достижение этой цели возможно лишь на основе внедрения высокоэффективных технологий нового уровня. Внедрение таких технологий в условиях рынка, по крайней мере на первых порах, приведет к существенному повышению выхода отходов производства в газообразной, жидкой и твердой формах. В этих условиях особую актуальность приобретает проблема экологически рационального использования отходов производства как вторичного сырья и разработки научных принципов в создании новых технологических регламентов производства товарной продукции из отходов, и прежде всего, из твердых отходов.
За последнее время доля утилизированных отходов заметно увеличилась, например, в Тульской области в 1994 году было утилизировано 768 тыс. тонн токсичных отходов, а в 1996 году этот показатель увеличился на 11%. Однако этот показатель по сравнению с ситуацией, имевшей место в недавнем прошлом в промышленности бывшего СССР, остается весьма низким.-Очевидно, что производство-строительных материалов и изделий из твердых отходов предприятий горно-металлургического комплекса и химлко-технологической отрасли является наиболее предпочтительным концептуальным положением в утилизации многих видов отходов. На шахтах, металлургических заводах и химических комбинатах ежегодно
производят различные строительные материалы, однако технологические процессы, а главное, процессы эксплуатации данных строительных материалов иизделий не оцениваются по экологическим критериям. В связи с этим в течение последних лет разработке экологически рациональных технологий производства строительных материалов и эффективных методов оценки экологических последствий их использования уделяется пристальное внимание. Однако практика проектирования и эксплуатации технологических процессов переработки показывает, что до настоящего времени отсутствуют единые методические подходы к оптимизации технологических процессов переработки твердых отходов. Это объясняется весьма упрощенными представлениями о физической сущности процессов получения и эксплуатации материалов и изделий из вторичных ресурсов, отсутствием четкой нормативной регламентации их физико-химических свойств и недальновидной технологической политикой в экономике в целом. Поэтому исследовательская деятельность в этой области вновь образовавшимися научными школами, специализирующимися в охране окружающей среды и рационхчьиом использовании природных ресурсов, весьма актуальна. Особую остроту эта проблема приобретает в условиях наблюдающегося оживления промышленности при практически полном физическом и моральном износе очистных сооружений.
Диссертационная работа выполнялась в рамках тематических планов МНТП "Прогноз" и "Экологически чистое горное производство".
Целью работы являлось установление новых и уточнение существующих закономерностей взаимодействия компонентов отходов горнометаллургических и химических предприятий для разработки экологиче-ски рациональных технологий производства строительных материалов н изделий с использованием промышленных отходов.
Идея работы заключается в том, что экологически рациональные технологии производства строительных материалов и изделий с использованием промышленных отходов основываются на фнзнко-химнческих закономерностях взаимодействий компонентов, определяющих эффективные рецептуры, интенсивность выбросов газов в атмосферу и технологические регламенты, оптимальные по энергоемкости.
Основные научные положенияі сформулированные в работе: управляемый синтез, протекающий в смеси из двух или ііесколькігх легко смешивающихся между собой отходос, в результате химических процессов может образовывать нетоксичные конечные продукты, являющееся ценными добавками или сырьем для производства строительных материалов;
. экологическая оптимизация процесса получения строительных материален «з отходов производства может быть формально сведена к задаче математического программирования,' где условие неубывания целевой функции, характеризующей энергоемкость технологий переработки отхо-
„I
дов, свидетельствует о том, что ее минимум может быть обеспечен при минимуме всех функций fv(x(v>), входящих в ее состав;
диффузионные и нестационарные одномерные поля концентраций газов, используемых при ократированни, в слое бетона представляют собой монотонно убывающие функции, которые стремятся к некоторому асимптотическому значению;
физически обоснованным и практически целесообразным является использование методов интегральной газовой динамики для расчета валовых выбросов газов ократирования в атмосферу.
Повита научных положений:
показано, что при целенаправленном синтезе в смеси отходов протекают химические реакции, способствующие образованию не только новых ценных сырьевых продуктов, но и производящие работу диспергирования твердой фазы;
установлены закономерности диффузионного переноса газов ократирования в пористой структуре вещества бетонов, отличающиеся тем, что при описании профилей концентраций газовых компонентов учитывается кинетика сорбционного взаимодействия с твердой фазой на макрокинети-ческом уровне;
обосновано, что эмерджентный эколого-технологический показатель представляет собой целевую функцию, характеризующую энергоемкость технологий переработки отходов;
получены приближенные зависимости выделения газов ократирования бетонов в атмосферу.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:
корректной постановкой задач исследований, обоснованным использованием классических методов физической химии, математической физики, математической статистики и современных достижений вычислительной техники;
достаточно представительным объемом лабораторных и вычислительных экспериментов, результаты которых свидетельствуют об адекватности разработанных моделей и обоснованности выводов и рекомендаций;
положительными решениями государственной патентной экспертизы по разработанным техническим решениям.
Практическая значимость работы заключается в том, что разработаны новые способы производства строительных материалов и изделий (новизна подтверждена положительными результатами государственной патентной экспертизы), позволяющие рационально использовать природные ресурсы за счет вовлечения в технологические циклы ресурсов техногенного происхождения. Разработанные комплекты математических моделей для прогноза валовых выбросов газов ократирования бетонов в атмосферу существенно облегчают решение задач инвентаризации источников
загрязнения воздушного бассейна, что повышает эффективность САПР технологических процессов и экологической экспертизы на всех этапах проектирования и эксплуатации предприятий стройнндустрии.
Реализация работы. Основные научные и практические результаты диссертационной работы внедрены на предприятиях стройнндустрии г. Тулы и использованы природоохранительными службами администрации Тульской области. Теоретические результаты и технические решения включены d учебные курсы по охране окружающей среды и рациональному использованию природных ресурсов для студентов, обучающихся по специальности 320700 "Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов", а также использованы при выполнении" хоздоговорных и госбюджетных НИР в Тульском государственном университете.
Апробация работы. Научные положения и практические разработки диссертационной работы в целом и отдельные ее разделы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры аэрологии, охраны труда и окружающей среды ТулГУ (г. Тула, 1995 - 1998 гг.), ежегодных конференциях профессорско-преподавательского состава ТулГУ (г. Тула, 1995 -1998 гг.), 1-й Международной конференции "Проблемы создания экологически чистых и ресурсосберегающих технологий добычи полезных ископаемых и переработки отходов горного производства" (г. Тула, 1996 г.), 2-й Международной конференции но проблемам экологического образования (г. Тула 1996 г.), 1-й Международной конференции по экологии и безопасности.жизнедеятельности (г. Тула 1997 г.), 1-й Международной конференции по про..емам экологической н технологической безопасности "Белые ночи" (г. Санкт-Петербург 1997 г.), 2-м Международном симпозиуме "Remediation of Hazard Wastes" (Чехия, г. Прага 3997 г.), на совещании представителей общественной организации "Albany -Tula Alliance" от государственного университета штата Нью-Йорк США, ТулГУ и администрации Тульской области (г.Тула 1997г.). Керамические изделия из отходов горно-металлургической промышленности экспонировались на Международной Лейпцигской ярмарке (Германия, г. Лейпциг 1997 г.).
Публикации. По результатам выполненных иседгдойзпий опубликовано 10 статей, получено 3 патента Российской Федерации и 2 положительных решения ВНИИГПЭ.
Автор диссертации выражает глубоко благодарность д.т.н., профессору Э.М. Соколову за псетозякую поддержку и методическую помощь в проведении исследования, а та;о::г сотрудгшхйМ -Кафедры строительных материалов и кафедры езролопт, іщміМ труда н окружающей среды ТулГУ за доброжелательно? откищснн;. и. многочисленные квалифицированные консультации по дазней раЗоіс.