В настоящее время для повышения экологичности и эффективности промышленных предприятий актуально развитие ресурсосберегающих технологий, позволяющих использовать отходы промышленности и снизить антропогенную нагрузку предприятий на окружающую среду.
Утилизация отходов – глобальная проблема. Ежегодно в России образуется около 7 млрд. т отходов, из которых утилизируется лишь 2 млрд. т (28,6 %) []. На территории Самарской области в течение 2008 – 2014 гг. наблюдается постепенный рост объема образования производственных и бытовых отходов. В общем объеме образования отходов примерно 4/5 составляет доля промышленных отходов (79,5 % в 2013 году). На территории Самарской области по данным статистической отчетности по форме 2-ТП – (отходы) за 2013 год (по основному кругу предприятий и организаций) образовано 5791,42 тысячи тонн отходов всех классов опасности, из них с учетом опасности и объемов образования отходы 3 класса опасности представляют наибольшую проблему для Самарского региона.
Для решения данной проблемы необходимо развивать индустрию утилизации, вторичной переработки и использования отходов. Наиболее рациональным направлением утилизации промышленных отходов является их использование как техногенного сырья при получении различного вида продукции и прежде всего строительного назначения. Новые материалы обладают комплексом улучшенных технологических и технических свойств и в то же время характеризуются наименьшей ресурсоёмкостью, как в процессе производства, так и при применении.
В качестве возможного перспективного сырья для получения бетонов с улучшенными свойствами нами рассматривались отходы лакокрасочных материалов (ЛКМ).
Теоретический анализ проблемы переработки отходов ЛКМ показал, что отходы лакокрасочных материалов можно отнести к технологичным, что означает их пригодность для вторичного применения в промышленности. Например, они могут быть задействованы в качестве добавок при производстве стройматериалов, а также применяться в создании красок, используемых при внешней покраске зданий и сооружений или для дорожной разметки. Отсутствие разработанной и апробированной технологии переработки ЛКМ отхода и вынужденное захоронение данного отхода на полигонах негативно сказывается на устойчивости функционирования экосистем. Путем расчета платы за негативное воздействие на окружающую природную среду на примере крупнейшего машиностроительного комплекса г. о. Тольятти ОАО «АВТОВАЗ», который тратит из своего бюджета более 6 млн. руб. в год за захоронение отходов ЛКМ на полигонах была выявлена экономическая затратность и нецелесообразность проводимого процесса захоронения.
Вопрос вторичного применения отходов ЛКМ в настоящее время малоизучен. Те немногочисленные материалы, публикуемые, в отечественных и зарубежных издательствах, не дают четкого представления об их области применения.
Для решения данной проблемы нами рассмотрен наиболее перспективный вариант использования отходов ЛКМ в качестве вяжущего компонента при изготовлении полимербетона. Известно, что синтетические смолы, входящие в состав лакокрасочных материалов, повысят его морозо- и износостойкость.
Наиболее дорогим и энергоёмким компонентом бетона является цемент. Расход условного топлива на производство портландцемента М400 составляет около 280 кг/т, М 600 – 345 кг/т, в то время как на производство природных заполнителей расходуется 3…6кг/т и искусственных лёгких заполнителей 90…130 кг/т условного топлива. Поэтому экономия цемента является важнейшей задачей технологии бетона, как с экономической, и так и с экологической точек зрения. Применяя различные способы рационального использования цементного вяжущего, можно сократить расход цемента на 10 – 25 % по сравнению со средними статистическими данными для рядовой технологии.
Возможность применения отходов ЛКМ в качестве вяжущего средства для получения бетонов изучалась нами в результате лабораторных исследований, проводимых в институте химии и инженерной экологии Тольяттинского государственного университета.
Анализ отходов ЛКМ с точки зрения их вторичного использования для получения строительных материалов – полимербетонов.
Отходы лакокрасочных средств, как и сами ЛКМ, являются многокомпонентными смесями, в состав которых входит множество составляющих, часть из которых обладает токсическими свойствами (таблица 1). К этим составляющим относятся красители, пленкообразующие элементы, стабилизаторы, в случае с красками на эпоксидной основе – отвердители. Особенно нас заинтересовал тот факт, что пленкообразующие элементы лакокрасочных материалов быстро переходят в твердое состояние при повышенной температуре в процессе поликонденсации и полимеризации, что приводит к ослаблению их токсичных свойств. Также в составе ЛКМ могут присутствовать и компоненты особого назначения, как правило, также оказывающие вредное токсическое воздействие.
Таблица 1
Токсические свойства компонентов отхода ЛКМ
|
Химическое вещество |
Класс опасности | Негативное воздействие на человека |
Негативное воздействие на окружающую среду |
| Свинец | 1 | Общетоксическое, канцерогенное, мутагенное действие. Обладает кумулятивными свойствами | Разрушение органического вещества почвы с выбросом свинца в почвенный раствор. |
| Кадмий | 1 | Токсичное, кумулятивное, канцерогенное действие | Кадмий включается в состав гумуса, поглощается, накапливается и надолго удерживается почвенным горизонтом, играя роль геохимического барьера |
| Хром | 1 | Канцерогенное действие, поражает ЦНС, оказывает повреждающее действие на репродуктивную функцию | Избыток в почвах вызывает различные заболевания у растений
|
| Уайт-спирит | 4 | Низкий уровень токсичности. Частый или длительный контакт может вызвать раздражение и дерматит | Пожаро — и взрывоопасность |
| Ксилол | 3 | Поражающее действие на нервную систему и дыхательные пути | Воспламеняющаяся жидкость, обладающая острой токсичностью |
| Двуокись цинка | 2 | Канцероген. Токсические свойства в дозе 150-600 мг, летальная доза — 6 г; | Снижает плодородие почвы, уменьшается общее число микроорганизмов |
Необходимы специальные исследования изменения состава и свойств ЛКМ (особенно токсических) при вторичной переработке и возможностей использования отходов ЛКМ в качестве вяжущих компонентов для получения строительных материалов, в том числе полимербетонов.
Результаты исследования и их обсуждения
Для определения возможности и перспективности применения отхода ЛКМ для получения полимерного бетона были изучены основные свойства полимеров и отхода ЛКМ в лабораторных условиях.
В качестве методики был выбран ГОСТ 17537-72. Материалы лакокрасочные. Методы определения массовой доли летучих и нелетучих веществ. Настоящий стандарт распространяется на лакокрасочные материалы, их полуфабрикаты, смолы и т. п. и устанавливает методы определения массовой доли летучих и нелетучих веществ.
Метод заключается в нагревании пробы лакокрасочного материала при определенной температуре нагрева в течение заданного времени (2.5 ч) и определении массовой доли летучих и нелетучих веществ по разности результатов взвешивания до и после нагревания.
Отбор проб производился по ГОСТ 9980.2-86.
Проведение испытания
В чашки отбирались пробы массой 1,80 — 2,20 г и нагревались в течение 2,5 ч при температуре 105°С. Одновременно проводилось 3 параллельных определения. В сушильном шкафу устанавливали необходимую температуру. Перед взвешиванием чашки предварительно протирали ацетоном, выдерживали в сушильном шкафу при температуре испытания в течение 10 минут. После этого чашки помещали в эксикатор, охлаждали до комнатной температуры и взвешивали. После взвешивания чашки с пробами помещались в сушильный шкаф в горизонтальном положении. После нагревания их охлаждали в эксикаторе и снова взвешивали. Так как нагревание проводилось до постоянной массы. То первое взвешивание проводили через 1 ч, а затем каждые 30 мин.
Обработка результатов
За результат испытания принимается среднее арифметическое значение результатов параллельных определений.
Рисунок 1. Массовая доля летучих и нелетучих веществ в отходе.
Исходя из результатов описанных выше опытов и обзора применяемых материалов при изготовлении полимерных бетонов, и сравнения качественного состава отхода ЛКМ следует вывод: по нелетучей части отход соответствует составу вяжущего компонента для получения полимерного бетона. Остальные показатели: стойкость к истиранию и морозостойкость не проводились, однако теоретически, последний показатель из-за малого водопоглощения полученных образцов должен соответствовать ГОСТ 17608-91.
В результате экспериментальных исследований были изучены основные свойства полимеров и отхода ЛКМ и определена возможность применения отхода ЛКМ для получения полимерного бетона. Определение массовой доли летучих и нелетучих веществ в отходе по ГОСТ 17537-72. «Материалы лакокрасочные. Методы определения массовой доли летучих и нелетучих, твердых и пленкообразующих веществ» показало, что массовая доля летучих веществ составила — 28,2 %, нелетучих– 71,8%.
Изучение технологий окраски, в которых применяются ЛКМ, входящие в состав отхода, а также технических условий производителя позволяет установить, что все смолы, входящие в состав отхода полимеризуются в пределах 120-150°С .Повышение температуры выше 200°С не рекомендовано из-за начала термического разложения входящих в состав первичных ЛКМ органических пигментов и других функциональных добавок.
Снижение температуры сушки ниже 100°С понижает твердость покрытия и требует дополнительного катализаторов сушки и отвердителей. На основании вышеизложенного, нагревание отхода проводили при 2-х температурах : 100°С , 150°С в течении 3-х часов. Для нагревания использовалась муфельная печь с регулировкой температуры и точностью 2°С. Выдержанные при повышенной температуре образцы визуально осматривались, охлаждались и выдерживались при комнатной температуре в течение 24 часов.
Рисунок 2. Отход ЛКМ после нагрева в муфельной печи при 150°С.
Затем образцы измельчались в фарфоровой ступке до размеров частиц 2- 5 мм, помещались в колбу и заливались смесью ксилола нефтяного и бутилацетата (пропорция 1:1) так, чтобы растворитель полностью покрыл частицы измельченного отхода. Полученные образцы взбалтывались и оставлялись на 6 часов для набухания и затем визуально осматривались. В случае полной полимеризации возможно только незначительное набухание полимера.
Таблица 2.
Результаты испытаний отхода при воздействии температуры
|
Показатель |
Образец № 1, нагревание при t=100 °С |
Образец № 2, нагревание при t=150°С |
| Цвет отхода по сравнению с контрольным образцом |
Не произошла сшивка отхода |
Не изменился |
| Цвет раствора | Бесцветный | |
| Изменение размера частиц отхода | Не изменился |
Предлагаемая нами технология применения ЛКМ предусматривает обезвоживание отхода, его сушку с последующим помолом до частиц размером в 5-30 мкм. Измельченные отходы термопластичных полимеров (полиэтилен, полипропилен, полиэтилтерафталат и др.) смешиваются с кварцевым песком и пигментами, и нагреваются в экструдере. Полученная высоковязкая смесь размещается в формы для остывания. Так изготавливают тротуарную плитку, черепицу, бордюры и другие изделия. В отличие о подобных изделий из бетона на минеральном вяжущем, изделия из полимер-песчаного бетона обладают рядом преимуществ: высокая химическая стойкость; высокая морозостойкость; стойкость к износу; низкая водопроницаемость; большая деформативность; снижение токсичности (класса опасности) отхода.
Полученный продукт может быть использован в качестве наполнителя в производстве строительных и шумоизоляционных материалов. Входящие в состав ЛКМ полимерные термореактивные смолы имеют ценные свойства и могут служить альтернативой применения другим материалам.
Можно также предположить, что стойкость к истиранию также должна соответствовать требованиям, предъявляемым к бетону для тротуарных плит, что подтверждается высокой твердостью лакокрасочных покрытий из материалов, входящих в состав отхода.
Таким образом, в результате экспериментальных анализа применяемых материалов при изготовлении полимерных бетонов и сравнения качественного состава отхода ЛКМ было выявлено, что по нелетучей части отход соответствует составу полимерного бетона. Испытания на определение возможности полимеризации отхода и оптимальной температуры нагрева, при которой происходит сшивка отхода в пространственную структуру, показали, что входящие в состав отхода синтетические смолы являются полимеризованными термореактивными смолами. Установлена оптимальная температура нагрева — 150°С.
Выводы:
- Отходы лакокрасочных материалов ЛКМ могут быть использованы в качестве вяжущего компонента для производства полимербетона, из которого изготавливают тротуарные плиты и другие строительные материалы.
- При условии разработки промышленной технологии и экономической целесообразности изготовления полимербетонных изделий с применением отходов ЛКМ снизится негативное воздействие на окружающую среду за счет исключения захоронения и снижения токсичности отходов.
Список литературы:
- Баженов Ю.М. Технология бетона. – М.: АСБ, 2007
- Доусон Г., Мерсер Б. Обезвреживание токсичных отходов: Пер. с англ. — М.: Стройиздат, 1996. — 288 с.
- Ермакова О.Н. Твёрдые бытовые отходы как один из основных источников загрязнения урбанизированных территорий / О.Н. Ермакова, Г.Е. Никифорова. – Саратов: СГТУ, 2009. – С. 89 – 91.
- Лотош В.Е. Экология природопользования. — Екатеринбург: Изд-во Ур. гос. экон. ун-та, 2001. — 540 с.
- Охрана окружающей среды /С.В.Белов, Ф.А. Барбинов, А.Ф.Козьяков и др. — М.: Высш. шк., 1991. — 319 с.
- Scrivener K.L., Kirkpatrick J. Innovation in use and research on cementitious material/ Cement and Concrete Research, № 38 (2008). – Elsevier, 2008. – 128 — 136[schema type=»book» name=»ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИЗУЧЕНИЕ ОТХОДОВ ЛАКОКРАСОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ КАК ВЯЖУЩЕГО СРЕДСТВА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛИМЕРБЕТОНА» author=»Батова Ксения Этибаровна, Заболотских Влада Валентиновна, Глухов Павел Александрович» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-06-02″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_ 30.12.2014_12(09)» ebook=»yes» ]