Техногенные вторичные ресурсы

По данным ЮНЕСКО, в мире ежегод­но извлекают из недр более
120 млрд. т руд, горючих ископаемых, другого сырья (20 т сырья на каждого жите­ля планеты). По масштабам извлекаемого и перерабатываемого сырья хозяйственная деятельность человека превзошла вулка­ническую
(10 млрд. т в год) и размыв суши всеми реками мира (25 млрд. т в год). Эта деятельность, кроме того, сопровождается образованием колоссального количества отходов. Основными «производителями» многотоннажных отходов яв­ляются: горнообогатительная, металлургическая, химическая, лесная и деревообрабатывающая, текстильная отрасли промышленности; энергетический комплекс; промышленность строительных материалов; агропромышленный комплекс; быто­вая деятельность человека.

Из отраслей материального производства, способных потреблять промышленные (техногенные) отходы, наиболее емкой является промышленность строительных материалов. Отходы произ­водства или побочные продукты промышленности являются вторичными материальными ресурсами. Многие отходы по своему составу и свойствам близки к при­родному сырью. Установлено, что использование промышленных отходов позволяет покрыть до 40 % потребности строительства в сырьевых ресурсах. Применение промышленных отходов позво­ляет на 10-30 % снизить затраты на изготовление строительных материалов по сравнению с производством их из природного сы­рья, создавать новые строительные материалы с высокими технико-экономическими показателями и, кроме того, уменьшить загрязнение окружающей среды.

Все техногенные отходы можно разделить на две большие группы: мине­ральные и органические. Преобладающее значение имеют мине­ральные отходы: их больше, они лучше изучены и имеют наи­большее значение для производства строительных материалов.

В зависимости от преобладающих химических соединений минеральные от­ходы делят на силикатные, карбонатные, известковые, гипсовые, железистые, цинксодержащие, щелочесодержащие и т.д. Наи­большую практическую применимость имеет классификация от­ходов по отраслям промышленности их образующим и классифи­кации для отдельных видов отходов.

Шлаки черной металлургии – побочный продукт при выплавке чугуна из железных руд (доменные, мартеновские, ферромарганцевые). Выход шлаков очень велик и составляет от 0,4 до 0,65 т на 1 т чугуна. В их состав входит до 30 различных химических элементов, главным образом в виде окси­дов. Основные оксиды: SiO₂, Аl₂О₃, CaO, MgO. В меньших коли­чествах присутствуют FeO, MnO, P₂O₅, ТiO₂, V₂O₅ и др. Состав шлака зависит от состава кокса, пустой породы и определяет особенности приме­нения шлака.

В производстве строительных материалов используется 75 % общего количества доменных шлаков. Основным потребителем является цементная промышленность. Ежегодно она потребляет миллионы тонн гранулированного доменного шлака. Грануляция заключается в быстром охлаждении шла­кового расплава, в результате чего шлак приобретает стекловид­ную структуру и, соответственно, высокую активность.

Сталеплавильные (мартеновские) шлаки применяются в мень­шей степени. Трудности их использования связаны с неоднород­ностью, непостоянством химико-минералогического состава и физико-механических свойств.

Шлаки цветной металлургии чрезвычайно разнообразны по составу. Наиболее перспективное направление их использования – ком­плексная переработка: предварительное извлечение цветных и редких металлов из шлака; выделение железа; использование си­ликатного остатка шлака для производства строительных мате­риалов.

При получении цветных металлов с помощью так называемых «мокрых» технологий образуются не шлаки, а шламы (букваль­ный перевод с немецкого - «грязь»). Это общее название осадков суспензий, получаемых в металлургических и химических произ­водствах в результате процессов, осуществляемых гидрохимиче­ским способом. Например, побочным продуктом при производ­стве алюминия является бокситовый шлам - рыхлый сыпучий материал красного цвета. При получении глинозема из нефелинового сырья в качестве побочного продукта образуется нефелиновый шлам. Иначе он называется белитовым шламом, так как в основном состоит из мелких кристаллов минерала белита. Если глинозем получают из высокоалюминатных глин, в каче­стве побочного продукта образуется каолиновый шлам и т.д. Ос­новное применение все эти шламы находят в цементном произ­водстве.

Золы и шлаки тепловых электростанций (ТЭС) – минеральный остаток от сжигания твердого топлива. Одна ТЭС средней мощ­ности ежегодно выбрасывает в отвалы до 1 млн. т золы и шлака, а ТЭС, сжигающая многозольное топливо, – до 5 млн. т. По химиче­скому составу топливные золы и шлаки состоят из SiO₂, AI₂O₃, СаО, MgO и др., а также содержат несгоревшее топливо. Используются топливные золы и шлаки всего на 3-4 % от их еже­годного выхода.

Использование зол ТЭС в строительстве и других отраслях сдерживается целым рядом факторов, в частности тем, что на многих ТЭС используется гидроудаление золы, и получаемые золошлаковые отходы (ЗШО) неоднородны и имеют нестабильные физико-химические характеристики.

На современных ТЭС уголь сжигают в пылевидном состоянии. Шлак образуется в результате слипания размягченных частиц золы в объеме топки и накапливается в шлаковом бункере под топкой. Размер зерен шлака
1-50 мм. Зола уносится из топки с дымовыми газами (зола уноса) и улавливается при их очистке в циклонах и электрофильтрах. Размер частиц золы колеблется от нескольких микрон до 50-60 мкм. Большинство зол имеют сферическую форму частиц, гладкую остеклованную поверхность.

Золы и шлаки ТЭС возможно использовать при производстве практически всех строительных материалов и изделий. Например, введение
100-200 кг активной золы (уноса) на 1 м³ бетона дает возможность экономить до 100 кг цемента. Шлаковый песок пригоден для замены природного песка, а шлаковый щебень – в качестве крупного заполнителя.

Отходы горнодобы­вающей промышленности. Вскрышные породы – горнорудные отходы, отходы добычи разнообразных полезных ископаемых. Особенно большое коли­чество этих отходов образуется при добыче открытым способом. По ориентировочным подсчетам в стране ежегодно образуется свыше 3 млрд. т отходов, которые являются неисчерпаемым ис­точником сырья для промышленности строительных материалов. Однако в настоящее время они используются лишь на 6-7 %. Вскрышные и пустые породы находят применение в зависимо­сти от своего состава (карбонатные, глинистые, мергелистые, песчаные и т.д.).

Вскрышные породы – не единственные отходы горнодобы­вающей промышленности. Большое количество пустой породы поднимается на поверхность земли, измельчается и направляется в отвалы в виде хвостов обогащения. Горнообогатительные ком­бинаты сбрасывают в отвалы большое количество флотационных хвостов, образующихся в частности при переработке руд цвет­ных металлов. Отходы угледобычи и углеобогащения образуются на углеобо­гатительных фабриках. Для отходов угледобычи характерно постоянство состава, что их выгодно отличает от других видов минеральных отходов.

Попутнодобываемые породы и отходы промышленной пере­работки рудных полезных ископаемых отличаются по генезису, минеральному составу, структуре и текстуре от традиционно применяемых при производстве строительных материалов. Это объясняется существенным отличием глубин карьеров по добыче сырья для стройиндустрии (20-50 м) от современной разработки рудных месторождений (350-500 м).

Гипсовые отходы химической промышленности – продукты, содержащие сульфат кальция в той или иной форме. Научные исследования показали полноценную заменимость традиционно­го гипсового сырья отходами химической промышленности.

Фосфогипс – отход при производстве фосфорных удобрений из апатитов и фосфоритов. Он представляет собой CaSO₄×2H₂O с примесями неразложившегося апатита (или фосфорита) и неотмытой фосфорной кислоты.

Фторгипс (фторангидрит) – побочный продукт при производ­стве фтористоводородной кислоты, безводного фтористого водо­рода, фтористых солей. По составу это CaSO₄ с примесями исход­ного неразложившегося флюорита. Он может содержать также неотмытую серную кислоту.

Титаногипс – отход при сернокислотном разложении титансо-держащих руд. Борогипс – отход производства борной кислоты. Сульфогипс получается при улавливании серного ангидрида из дымовых газов ТЭС.

Электротермофосфорные шлаки – отходы производства фос­форной кислоты, получаемой по электротерми­ческому способу. В гранулированном виде содержат 95-98 % стек­ла. Основные оксиды, входящие в их состав, SiO₂ и СаО. Являются ценным сырьем в производстве вяжущих веществ.

Отходы деревообработки и лесохимии. В настоящее время в нашей стране лишь 1/6 часть древесных отходов используется в целлюлозно-бумажной промышленности и промышленности строительных материалов.

Практически не используются кора, пни, вершины, ветви, сучья, а также отходы деревообработки – стружка, щепа, опилки.

Отходы целлюлозно-бумажной промышленности – осадки сточных вод и другие промышленные шламы. Скоп – продукт, получившийся в результате механической очистки сточных вод. Это грубодисперсные примеси, состоящие в основном из волокон целлюлозы и частиц каолина. Активный ил – продукт биологиче­ской очистки сточных вод, находящийся в виде коллоидов и мо­лекул.

Отходы промышленности строительных материалов. При по­лучении цементного клинкера до 30 % объема обжигаемого про­дукта уносится с дымовыми газами из печей в виде пыли. Эта пыль может возвращаться в производство, а также использоваться для раскисления почв и в производстве вяжущих веществ.

Кирпичный бой, старый и бракованный бетон используются в качестве искусственного щебня. Бетонный лом – отход предпри­ятий сборного железобетона и сноса строительных объектов. Огромные объемы реконструкции жилого фонда, промышленных предпри­ятий, транспортных сооружений, автодорог и т.д. ставят важную научно-техническую задачу по переработке отхо­дов бетона и железобетона. Разработаны различные тех­нологии разрушения строительных конструкций, а также специ­альное оборудование для переработки некондиционного бетона и железобетона.

Прочие отходы и вторичные ресурсы – отходы и бой стекла, ма­кулатура, тряпье, резиновая крошка, отходы и попутные продук­ты производства полимерных материалов, попутные продукты нефтехимической промышленности и т.д.

Важнейшие виды строительных материалов, получаемые из вышеперечисленных отходов промышленности, приведены в таб­л. 1.

Таблица 1. Отходы промышленности,

используемые в производстве строительных материалов

Отходы	Области применения и материалы
Шлаки черной металлургии: доменные, мартеновские, ферромарганцевые	Портландцемент (производство клинкера), портландцемент с минеральной добавкой, шлакопортландцемент, смешанные бесцементные вяжущие, заполнители для бетонов, шлаковая вата, шлакоситаллы и т.д.
Отходы цветной металлургии: шлаки (медеплавильных печей, никелевого производства, свинцовой шахтной плавки и т.д.), шламы (бокситовый, нефелино­вый, каолино-вый)	Вяжущие автоклавного твердения, песок и щебень, портландцемент (про­изводство клинкера), нефелиновый цемент, материалы для укрепления грунтов, огнеупоры, теплоизоляцион­ные материалы и т.д.

Продолжение табл. 1

Золы и шлаки тепловых элек­тростанций	Вяжущие, пористый гравий, газобетон, силикатные изделия, добавки к кера­мике и т.п.
Вскрышные породы: вскрышные и пустые породы, хвосты обогащения и т.д.	Портландцемент (производство клин­кера), воздушная известь, минеральная вата, стекло, пигменты, керамический кирпич, силикатный кирпич, заполни­тели для бетонов и т.д.
Отходы угледобычи и углеобо­гащения: коксохимических предприятий, углеобогатительных фабрик, шахтные негорелые породы	Пористый заполнитель для бетона, керамический кирпич, материалы для строительства дорог
Гипсовые отходы химической промышленности: фосфогипс, фторгипс, титаногипс, борогипс, сульфогипс	Замена традиционного гипсового сы­рья
Отходы древесины и лесохи­мии: кора, пни, вершины, ветви, сучья, горбыль, стружки, щепа, опилки, лигнин, скоп и т.д.	Арболит, фибролит, ДВП, ДСП, столярные плиты, опилкобетон, ксилолит, клееные изделия, щитовой паркет, дрань, лигноуглеводные древесные пластики, королит, блоки из сучков, плиты из цельной коры, выгорающие добавки, пластифицирующие добавки, отделочные материалы, кровельный картон и т.д.
Отходы промышленности строительных материалов: цементная пыль, каменная пыль, крошка, кирпичный бой, бракованный и старый бетон	Портландцемент, заполнители для бетона, минеральный наполнитель, добавки, смешанные вяжущие вещества и т.д.
Пиритные огарки	Портландцемент (корректирующая добавка)
Электротермофосфорные шлаки	Портландцемент (компонент сырьевой смеси), ШПЦ, сульфатостойкий ШПЦ, литой щебень, шлаковая пемза, стеновая керамика (компонент шихты)
Прочие отходы и вторичные ресурсы: стекольный бой и отходы стекла, макулатура, тряпье, изношенные шины и т.д.	Стекло, наполнитель для асфальта, добавка при производстве стеновой керамики, пористый заполнитель для бетона, кровельный картон, изол, фольгоизол и т.д.