Вреден ли шлак от металла
Обновлено: 28.06.2024
Добрый вечер! У нас в деревне, в трех метрах от моего дома, сосед устроил подъезд к своему участку. Привез порядка 10 камазов угольного шлака. При этом угольная дорога получилась приподнятой над моим участком. Вся вода во время дождей и таяния снега стекает на мой участок(огород). В 10 метрах у меня колодец с питьевой водой. Насколько это опасно для здоровья?
Дата: 30.01.2020 11:46
В консультации принимал участие
Ответ эксперта
Угольный шлак относится к малоопасным отходам и принадлежит к 4 классу опасности согласно Федеральному классификационному каталогу отходов.
Опасные свойства золошлака для окружающей среды заключается в пылении при хранении открытым способом. Высокодисперсные грунты наряду с низкой фильтрацией обладают способностью поглощать токсичные элементы, а в некоторых случаях способствуют впитыванию вредных веществ.
В угольном шлаке присутствуют тяжелые металлы, кислота и сера.
Но в мировой практике повсеместно используется как зола, так и угольные отходы для удобрения почвы.
Безусловно, говорить о пользе такого способа удобрения не приходится. Тем более в Вашем случае, сосед использует отходы от сжигания угля в твердом состоянии, что говорит о высокой концентрации вредных веществ.
Необходимо получить сертификат соответствия от организации, где он приобретал угольный шлак, т. к. минимальный срок для уничтожения вредных веществ из него составляет 1 год.
Спасибо за ответ! Насколько мне известно, угольный шлак запрещен к использованию в населенных пунктах. В нашей деревне находится объект культурного наследия Вологодской обл. Усадьба Брянчаниновых. Сосед отсыпал шлаком не только у нашего дома, на землях жилой застройки(ЛПХ), но и еще дорогу , которая ведет в деревню и то же входит в особо охраняемый объект культурного наследия. Обращались много куда, в природоохранную прокуратуру, губернатору и так далее. кругом тишина, все друг на друга спихивают и ни чего не делается. Может быть есть какие то законы, за которые можно ухватится? Летом в жаркую погоду такой кошмарный запах стоит. Мы окна боимся открывать. Да, забыл написать, отсыпано самовольно, без всяких на то разрешений. Местная администрация привлекать его за эту отсыпку не хочет или боится.
По законодательной базе я подготовлю Вам информацию. Делаю анализ.
Заранее спасибо. Жду.
В соответствии со ст. 8.2 КоАП РФ, несоблюдение экологических и санитарно-эпидемиологических требований при сборе, накоплении, использовании, обезвреживании, транспортировании, размещении и ином обращении с отходами производства и потребления, веществами, разрушающими озоновый слой, или иными опасными веществами, влечет наложение административного штрафа:
на граждан - от 1 000 до 2 000 руб.;
на должностных лиц - от 10 000 до 30 000 руб.;
на индивидуальных предпринимателей - от 30 000 до 50 000 руб. или административное приостановление деятельности на срок до 90 суток;
на юридических лиц - от 100 000 до 250 000 руб. или административное приостановление деятельности на срок до 90 суток.
Золошлаковые отходы, прошедшие обезвреживание, обработку, переработку и получившие сертификат соответствия природоохранным и санитарно-гигиеническим требованиям, пригодны для получения вторичной продукции (о чем я Вам написала в первом ответе)
Золошлаковые отходы подлежат сбору, использованию, обезвреживанию, транспортировке, хранению и захоронению, условия и способы которых должны быть безопасными для здоровья населения и среды обитания и которые должны осуществляться в соответствии с СанПиН 2.1. 7.1322-03 "Гигиенические требования к размещению и обезвреживанию отходов производства и потребления" и иными нормативными правовыми актами РФ.
Золошлаковые отходы можно хранить навалом, насыпью, в виде гряд.
При хранении отходов на открытых промплощадках должны соблюдаться следующие условия (СанПиН 2.1. 7.1322-03):
временные склады и открытые площадки должны располагаться с подветренной стороны по отношению к жилой застройке;
по периметру площадки должны быть предусмотрены обваловка и обособленная сеть ливнестоков.
Самый основной закон в данной ситуации- ""Закон о защите окружающей среды". Также можете ознакомиться с Требованиями к эксплуатации золошлакоотвалов, которые регламентированы СО 34.27.509-2005 "Типовая инструкция по эксплуатации золошлакоотвалов" .
Вреден ли шлак от металла
Вред и польза шлаковых отвалов
Б.С. Баталин
Борис Семенович Баталин, доктор технических наук,
профессор кафедры строительных материалов и специальных технологий
Пермского государственного технического университета.
Производство металлов из руд сопряжено с образованием значительного количество отходов. Такова уж технология - чтобы получить металл, используют топливо, плавни (флюсы), снижающие температуру плавления руды, вещества, извлекающие из нее и жидкого еще металла вредные для его качества примеси. Все эти ингредиенты в ходе выплавки образуют шлаки, весьма разнообразные по составу и свойствам.
О металлургических шлаках * многое известно, существует подробная классификация и обширная литература. Здесь же речь пойдет о свойствах, влиянии на окружающую среду, проблемах утилизации и области применения только одного типа шлаков - самораспадающихся (их иногда называют саморассыпающимися за способность превращаться в тонкий порошок при остывании). * Один из их типов - сплав оксидов, обычно покрывающих поверхность жидкого металла при его выплавке.
“Месторождения” полезных ископаемых
За время существования металлургических заводов рядом с ними накопилось огромное количество шлаков (на одном только Чусовском их более 150млн т!). Давно известно, что даже старые, уже выведенные из эксплуатации отвалы, вредно влияют на атмосферу, гидросферу и почвенный покров окружающей местности, а через них - на состояние флоры, фауны и здоровье людей [1]. Поэтому ликвидация шлаковых отвалов сегодня стала одной из самых насущных задач охраны окружающей среды.
Утилизации шлаков посвящено множество разработок ученых, технологов, экологов. И в ряде случаев уже предпринимаются меры по переработке в строительные материалы: щебень, песок, вяжущие материалы. Задача эта весьма сложна, поскольку связана с технологическими, техническими и экономическими трудностями.
Во-первых, в одном и том же отвале часто складируются шлаки разных металлургических производств предприятия, например доменные, мартеновские и конвертерные. А состав и свойства шлаков в них неодинаковы. Меняются, кроме того, руды, флюсы, технология производства. Все это сказывается на составе и свойствах шлака.
Во-вторых, в отвале происходит механический распад шлака (крупные куски из-за медленных изменений фазового состава рассыпаются в порошок) и химический (силикатный, марганцовистый, железистый виды), вызванные внутренними и внешними причинами. Отдельные компоненты шлака могут взаимодействовать с дождевой и снеговой водой, образуя новые соединения, и тогда меняются его дисперсность и агрегатное состояние. За счет этого частицы могут фракционироваться по размеру, отвал становится слоистым. Состав и свойства шлака оказываются разными и по высоте, и по простиранию этой почти геологической структуры.
Естественно, что его переработка даже в щебень и песок затруднена: ведь одна часть отвала может быть вполне пригодна для получения таких строительных материалов, а другая - нет. Начатая уже утилизация может стать экономически нецелесообразной, предприятие понесет убытки.
Химический состав металлургических шлаков принято представлять в форме оксидов - SiO 2 , CaO, Al 2 O 3 , Fe 2 O 3 , MgO и т.д. Для характеристики свойств шлака наиболее важны два количественных соотношения: СаО / SiO 2 , (модуль основности) и SiO 2 / Al 2 O 3 (модуль активности). По величине первого модуля различают кислые (он меньше единицы), нейтральные (равен единице или близок к ней) и основные (>1) шлаки. Кроме оксидов в них всегда содержатся компоненты, многие из которых весьма ценны (соединения титана, ванадия, хрома, других нужных промышленности химических элементов), причем в количестве часто не меньшем, чем в природных рудах.
Фазовый состав шлака зависит в первую очередь от модуля основности. В кислых с наибольшей вероятностью образуется стекловидная фаза (особенно при резком охлаждении), в нейтральных и основных - кристаллическая. Ее чаще всего составляют силикаты и алюмосиликаты кальция и магния в форме минералов: псевдоволластонита, анортита, геленита, ларнита, монтичеллита, мервинита, ранкинита, мелилита. Нередки также шпинель, диопсид и др. Конечно, в шлаках с разным модулем основности преобладают вполне определенные минералы [2].
Модуль основности самораспадающихся шлаков близок к двум, поэтому стекловидная фаза в них не образуется даже при резком охлаждении. Из минералов же преобладает ларнит Ca 2 [SiO 4 ] (в металлургической отрасли принята стехиометрическая запись состава минералов: ларнит обозначают 2CaO·SiO 2 и называют ортосиликатом кальция). Такой шлак не способен твердеть при смешивании с водой, подобно тому как это происходит с портландцементом, одним из важнейших строительных материалов, хотя по химическому составу тот и другой весьма близки.
Почему твердеет цемент
Получение портландцемента начинается со спекания строго рассчитанной смеси из молотого известняка и глины в специальной печи при температуре 1450°С. О дальнейших стадиях нет необходимости рассказывать здесь, однако стоит упомянуть, что в производстве этого строительного материала предусмотрены добавки, например гипс, который регулирует схватывание будущего цемента, и активная минеральная добавка, повышающая его стойкость к некоторым видам коррозии.
Основу портландцемента, как и самораспадающегося шлака, составляют СаО, SiO 2 , Al 2 O 3 и Fe 2 O 3 (в качестве примесей могут содержаться MgO, K 2 O, Na 2 O и др.). Эти оксиды образуют четыре основных минерала с собирательным названием “клинкерные”. При контакте с водой они самопроизвольно вступают с ней во взаимодействие, в результате чего образуются кристаллические и коллоидные гидраты. Кристаллогидраты срастаются между собой в твердый, но хрупкий агрегат, а гелевидные придают ему пластические свойства, за счет чего существенно снижается хрупкость. Именно гидратные соединения способствуют превращению порошкового цемента в твердое тело. Его прочность на сжатие составляет 30, 40, 50 МПа, что соответствует маркам цемента “300”, “400”, “500”
Один из клинкерных минералов - ортосиликат кальция - может существовать в a -, b - и g -формах, т. е. полиморфных разновидностях. Первая из них образуется при температуре 1425° и в процессе медленного охлаждения переходит (через две промежуточные стадии) во вторую, а потом - в третью (рис.1). Если на второй промежуточной стадии минерал быстро охладить, он останется в виде b -формы, способной к гидратации и твердению. Переход b -формы в g -ортосиликат сопровождается сильным увеличением объема кристаллической решетки, поэтому минерал стремительно разрушается. Кристаллики быстро, в течение доли секунды, рассыпаются в тонкий порошок. Очень важно, что эти превращения обратимы, но за исключением одного: g -разновидность не переходит в b -форму ни при каких условиях, а может превратиться только в a -модификацию.
Рис. 1. Полиморфные превращения ортосиликата кальция.
a и a ’ - промежуточные фазы; буквами H и L в индексе обозначены соответственно высокотемпературная и низкотемпературная разновидности той или иной фазы; температуры фазовых переходов указаны в °С.
Именно образующийся в клинкере b -ортосиликат гидратируется за 28 суток, обеспечивая твердение цемента. Остальные же разновидности очень слабо реагируют с водой, и твердения не могут вызвать [2]. Поэтому при спекании клинкера технологический процесс ведут так, чтобы не допустить образования ни a -, ни g -ортосиликатов. Если вовремя не остановить фазовые переходы, клинкер рассыплется в порошок, который твердеть практически не будет. Правда, некоторые примеси, всегда присутствующие в клинкере, способствуют “замораживанию” b -ортосиликата, необходимого для получения цементного камня [3].
Сюрприз лежалого шлака
Самораспадающийся шлак, в котором содержится до 90% ортосиликата кальция - и почти весь он в g -форме, - охлаждается бесконтрольно. Из ковша расплавленный шлак выливают на площадку распада, где он образует огромные, раскаленные докрасна, глыбы. Остывая, они становятся оливковыми, вся поверхность их вздувается, и начинают брызгать фонтанчики тонкого белого порошка, еще очень горячего. Через несколько минут глыбы превращаются в горки белого или слегка сероватого порошка. Но он, к сожалению, не твердеет от воды.
Рассыпавшийся шлак с площадки распада транспортируют в отвал. Трудно описать, сколько вреда приносит хранение этого пылевидного шлака! Ветер разносит его по округе, отчего у местного населения возникают заболевания легких и глаз. Смытая дождями и талыми водами шлаковая пыль загрязняет почву и водоемы, растворимые компоненты проникают в грунтовые воды, а затем в родники и колодцы…
Но вот оказывается, что, пролежав в отвале примерно полгода, толща рассыпавшегося шлака покрывается твердой коркой толщиной 10-15 см. Может, она образовалась за счет длительного взаимодействия шлака с водой и медленная реакция гидратации все же делает свое дело? Местное население Чусового и окрестных населенных пунктов довольно давно обнаружило, что, если разбить корку, под ней окажется рыхлый шлак, но уже не безразличный к действию воды, а взаимодействующий с ней точно так же, как обычный портландцемент - быстро и очень эффективно. Жители вместо него и используют такой лежалый шлак для строительных нужд: штукатурят стены домов и квартир, бетонируют дорожки усадеб, готовят кладочные растворы и т.д. [4].
Очень уж заманчиво вместо того, чтобы вывозить в отвал такой шлак, использовать его в качестве цемента. Прочного, водостойкого, к тому же - белого! Но ждать полгода… Да еще с не совсем предсказуемым результатом: а какова будет марка самородного цемента и другие важные его свойства (сроки схватывания, время твердения, усадка или расширение при твердении)?
Но самый трудный вопрос, почему же затворенный водой шлак неожиданно приобретает способность твердеть? Ведь переход из g -формы ортосиликата в b -форму термодинамически запрещен! Не сказывается ли влияние чего-либо сопутствующего?
Переходные элементы, или d-элементы (например скандий, титан, ванадий, хром, марганец, железо, кобальт, никель, медь и цинк), как известно, легко образуют комплексные соединения, которые могут служить катализаторами разных реакций, способствовать кристаллизации аморфных фаз, в частности, силикатных стекол.
При получении портландцементного клинкера некоторые переходные элементы в небольших количествах (доли процента) присутствуют в составе сырьевой смеси и обеспечивают ускоренное образование минеральных кристаллогидратов. А это повышает активность портландцемента, прочность затвердевшего цементного камня.
В шлаке тоже содержатся переходные элементы: титан (до 1%), хром и железо (примерно по 0.5%), ванадий (его количество в феррованадиевом шлаке, например, колеблется от 0.1 до 2% и более). Эти элементы не образуют собственных минералов, а входят в состав ортосиликатов кальция, замещая некоторые атомы кальция в кристаллической решетке. В результате образуются так называемые твердые растворы, хорошо знакомые геологам и минералогам. В ортосиликате кальция подобное замещение атомами железа стабилизирует способную к гидратации b -форму.
Как же могут повлиять переходные элементы, входящие в состав самораспадающегося шлака, на его свойства? Ведь при остывании ортосиликат кальция бурно переходит в нетвердеющую g -форму, а из нее b -разновидность возникнуть не может. Тем не менее рентгеноструктурный анализ показывает, что через полгода в шлаке количество g -ортосиликата уменьшается в 10 раз, а вместо него непонятно откуда появляется (столько же, сколько прежде было g -модификации) b -форма. Мог ли осуществиться вопреки законам термодинамики переход кристаллической g -фазы в b -фазу, или она возникла по каким-либо другим причинам? А что если минерал, который считается g -ортосиликатом кальция, на самом деле представляет собой твердый раствор какого-то другого минерала в ортосиликате кальция? Твердые растворы ведь могут распадаться, образуя новые фазы. Возможно, в шлаке именно это и происходит, а потому образуется новый минерал и b -ортосиликат кальция.
Шлак под микроскопом
Все эти превращения в конечном счете связаны с фазовыми переходами в системе. Но какие именно переходы осуществляются при активации гидравлически неактивных веществ? Нельзя исключить, что присутствующий в Чусовском шлаке ванадий влияет на свойства ортосиликата кальция.
Для проверки этого предположения заводские технологи специально получили 10 проб шлака, отличающихся содержанием ванадия. Затем их исследовали в поляризационном микроскопе, чтобы определить угол погасания (как известно, это важная характеристика минералов) образовавшихся кристалликов ортосиликата кальция. Выяснилось, что с увеличением содержания ванадия в ортосиликате угол погасания увеличивается (рис. 2). Значит, изменяется структура кристалла. Возможно, внедрением атомов ванадия в кристаллическую решетку g -ортосиликата и объясняется появление у него способности к гидратационному твердению.
Рис. 2. Корреляция между содержанием ванадия в шлаке и углом погасания
кристаллов ортосиликата кальция в b -форме (цветная кривая) и g -модификации.
Это предположение было проверено экспериментально на образцах заводского шлака - свежего, только что распавшегося, и лежалого, пробывшего год в отвале. Контролем служили пробы g -ортосиликата кальция, синтезированного в лаборатории - чистого и с добавками оксидов ванадия. Во все образцы добавляли дистиллированную воду (30%) и прессовали под давлением 20 МПа. Естественно, что изучали и прочность затвердевших составов через 28 суток, затем через три месяца, полгода и год.
В результате удалось подтвердить, что свежий шлак с водой практически не реагирует. В поле зрения микроскопа было видно, что лишь очень незначительная часть поверхности его зерен обрастает едва заметной бахромой гидратных новообразований (рис.3). Но даже после года твердения эти образцы не превращались в прочное твердое тело.
Рис. 3. Зерна шлака в поле зрения электронного микроскопа
Бахрома гидратных новообразований видна в виде мелких зазубрин по краям зерна (увел. в 200 раз).
Лежалый шлак ведет себя по-другому. Через семь суток появляются новообразования в виде кристалликов гидросиликата кальция (он всегда возникает при твердении портландцемента и довольно хорошо изучен), а к концу шестого месяца по размерам становятся больше контрольных зерен синтетического ортосиликата (рис. 4). Прочность образцов через 28 суток составляла около 25 МПа. В контрольных препаратах, содержащих не менее 0.7% ванадия, кристаллогидраты образовывались так же быстро и не отличались от тех, что обычно возникают при твердении цемента.
Рис. 4. Кристаллы синтетического гидросиликата кальция (увел. в 200 раз).
Активизированный, т. е. содержащий ванадий, шлак был использован в дальнейшем вместо цемента для приготовления бетона. В нем, судя по результатам электронной микроскопии, присутствовали такие же кристаллики гидросиликата, что и в твердеющем цементе (рис.5).
Рис. 5. Кристаллы гидросиликата кальция в образце бетона,
для приготовления которого использовался шлак, содержащий ванадий.
Таким образом, в экспериментах удалось доказать превращение нетвердеющего ортосиликата кальция в твердеющий. Но действительно ли это связано с фазовым переходом g -модификации в b -форму, еще неизвестно. А может быть, твердый раствор в присутствии ванадия распадается на b -ортосиликат и какой-то, еще не установленный минерал, также способный к гидратации? Пока кандидата на такой новый минерал не найдено. Остается допустить, что гипотетическое превращение все же существует.
Для чего все это нужно
На первый взгляд не очень-то целесообразно получать из шлака вяжущий материал, прочность которого ниже, чем у цемента самой низкой марки. Нет! Оказывается, низкомарочные вяжущие материалы давно и настоятельно необходимы строительству. Ведь на приготовление их растворов сегодня расходуется дорогостоящий портландцемент. А из самораспадающегося шлака получается вяжущее вещество как раз низкомарочное, наиболее подходящее для штукатурных и кладочных строительных растворов. Да к тому же с более высокой, чем у портландцемента, водостойкостью.
Кстати, марки рядового строительного гипса тоже невысоки, кроме того, их водостойкость очень низка. А вяжущий материал из шлака и прочнее гипса, и, как сказано, имеет более высокую водостойкость, и медленнее схватывается. И к тому же он белого цвета.
Если считать, что гипотетическое превращение все же существует, то нужно искать способы его ускорения. Ждать полгода, пока произойдет желанный переход, явно нетехнологично. Здесь уже упоминалось о так называемой сульфатной активации нетвердеющего самораспадающегося шлака добавлением гипса с последующим автоклавированием.
Но вот что интересно. На том производстве, где образуется такой шлак, есть сернокислый сток, в котором концентрация серной кислоты достигает 6% и более. Его нельзя сливать в канализацию, он отравит речную воду. Поэтому сток нейтрализуют известью. В результате появляется вторичный гипс, который, как и шлак, отправляют в отвалы - многотоннажные экологически опасные толщи. Так вот, сернокислотный сток можно использовать вместо воды при формовании изделий прямо из шлака, образцы формовать при давлении 30-40 МПа, а потом подвергнуть их пропариванию, т.е. тепловой обработке при влажности близкой к 100%, но при атмосферном давлении. Эта технология используется при изготовлении бетонных и железобетонных конструкций и таким же способом в экспериментах был получен водостойкий безобжиговый белый кирпич марок “100” и “150”.
Итак, из нетвердеющего самораспадающегося шлака феррованадиевого производства можно получать строительные материалы вроде кирпича и одновременно утилизировать не только сам шлак, но и еще один необычайно опасный вид отходов - сернокислотный сток. Остается осуществить это практическое приложение теории.
Работа поддержана Российским фондом фундаментальных исследований. Проект 01-03-96495-р2001урал Р.
1. Горшков В.С., Александров С.Е., Иващенко С.И., Горшкова И.В. Комплексная переработка и использование металлургических шлаков в строительстве. М., 1985.
4. Баталин Б.С., Беляева И.В., Макарова Л.Е. О взаимосвязи между фазовым составом феррованадиевого самораспадающегося шлака и его вяжущими свойствами // Журн. прикл. химии. 1996. Т.69. Вып.1. С.162-164.
Металлургический шлак в строительстве применяют довольно продолжительное время, при этом на первое место ставятся физико-механические свойства получаемых продуктов, экологическому вопросу использования данных продуктов уделяется недостаточное внимание. Для понимания экологической составляющей приведены сравнение физико-механических и химических свойств щебня разного происхождения и шлака. В статье приводятся данные по миграции тяжелых металлов из строительных материалов в модельные среды. В качестве модельных сред выбраны дистиллированная вода и ацетатный буфер. Для исследования выбраны металлы: ванадий, марганец, титан, железо. Установлено, что кривые миграции тяжелых металлов имеют ярко выраженный экстремальный характер. Наиболее активно миграция происходит в кислой среде. Исследования позволяют сделать вывод об экологической опасности применения металлургического шлака в строительной отрасли.
1. Защита подземных вод от загрязнения / Ф. М. Бочевер, Н. Н. Лапшин, А. Е. Орадовская. - М.: Недра, 1979. - 254 с.
2. Оценка риска как инструмент социально-гигиенического мониторинга / Б. А. Кацнельсон [и др.]. - Екатеринбург: АМБ, 2001. - 244 с.
3. Пугин К. Г. Негативное воздействие шлаковых отвалов черной металлургии на объекты окружающей среды на примере города Чусового // Экология урбанизированных территорий. - 2011. - №2. - С.46-47.
4. Пугин К. Г. Снижение экологической нагрузки на водные объекты при размещении не утилизированных отходов предприятий черной металлургии // Вода и Экология: проблемы и решения. - 2008. - №4. - С.57-61.
5. Пугин К. Г. Оценка влияния шлаковых отвалов предприятий черной металлургии на водные объекты на примере Чусовского металлургического завода // Водоснабжение и канализация. - 2009. - №2. - С. 25-27.
Введение
На предприятиях черной металлургии образуется большое количество твердых отходов, пригодных для использования в качестве исходных компонентов при производстве строительных материалов. К ним можно отнести доменные, мартеновские, сталеплавильные и ваграночные шлаки, осадки сточных вод, пылевидные отходы систем газоочистки. Складирование, хранение и захоронение данных отходов является крупной экономической и экологической проблемой [2, 4, 5]. Отходы черной металлургии могут замещать щебень, минеральный порошок, песок, выступать в качестве вяжущего материала. Щебень используется при строительстве дорожных оснований, в укреплении грунтов и приготовлении асфальтобетонных и цементобетонных смесей. Шлак в строительстве применяют довольно продолжительное время, при этом на первое место ставятся физико-механические свойства получаемых продуктов, экологическому вопросу использования данных продуктов уделяется недостаточное внимание.
В дорожном строительстве наиболее часто отходы металлургии используют в виде щебня. Для понимания экологической опасности применения шлакового щебня необходимо выявить основное негативное экологическое воздействие на окружающую среду. Для его установления необходимо сравнение физико-механических и химических свойств щебня разного происхождения и определить миграцию тяжелых металлов в модельные среды.
Материал и методы исследования
В качестве объекта исследования выступают отходы черной металлургии - шлаки. Основное направление использования шлаков - это использование их в качестве балластного заполнителя в дорожном строительстве взамен природному щебню.
Природный щебень делится на гранитный, гравийный и известняковый. Основные физико-механические показатели щебня различного происхождения приведены в табл. 1[1].
Таблица 1. Основные физико-механические показатели щебня различного происхождения
Марка прочности (М)
Насыпная плотность т/м 3
Сравнение химического состава шлаков черной металлургии различного происхождения приведены в табл. 2[3].
Таблица 2. Химический состав щебня из металлургического шлака
Химический состав шлаков во многом зависит от того, какой чугун или сталь получают при плавке. Дополнительно шлаки могут содержать медь, ванадий, свинец, цинк и их оксиды.
По содержанию основных компонентов (SiO2, Al2O3, MgO) и физико-механическим свойствам шлаковый щебень подобен гравийному, который широко используют для получения бетонов различной прочности. В отношении магния, титана и ванадия, если исключить разновидности шлаков, специально обогащенные этими элементами, не обнаруживается большой разницы в их содержании, по сравнению с изверженными породами. В отдельных случаях наблюдается большое сходство в химизме шлаков и основных магматических пород, в особенности некоторых богатых глиноземом базальтов, а также габбро.
При кажущемся химическим сходством природного и шлакового щебня шлаковый содержит больше водорастворимых и подвижных форм окислов металлов, которые при некоторых условиях эксплуатации изделий могут мигрировать в окружающую среду и приводить к загрязнению тяжелыми металлами литосферу и гидросферу.
Тяжелые металлы (ТМ) - биологически активные металлы, оказывающие отрицательное воздействие на физиологические функции человека, биоты и состояние жизнеобеспечивающих природных сред. В соответствии с классификацией Н. Реймерса, тяжелыми следует считать металлы с плотностью более 8 г/см 3 : Pb, Cu, Zn, Ni, Cd, Co, Sb, Sn, Bi, Hg.
Результаты исследования и их обсуждение
Для определения оценки экологической опасности шлакового щебня в Пермском национальном исследовательском политехническом университете были проведены исследования эмиссий тяжелых металлов, содержащихся в шлаке (ванадий, титан, марганец и железо), в модельные среды. В качестве модельных растворов с учетом возможных областей использования шлакового щебня (строительство дорог, бетоны) были выбраны дистиллированная вода и ацетатно-аммонийный буферный раствор (рН=4,8), имитирующий агрессивные среды. Опыты проводили в статическом режиме в течение 30 суток при соотношении - шлак : раствор - 1:2. Результаты исследования эмиссий ТМ в дистиллированную воду представлены на рис.1.
Рис. 1. Миграция ионов ТМ из шлакового щебня в дистиллированной воде
Установлено, что кривые выщелачивания ТМ имеют ярко выраженный экстремальный характер, что можно объяснить следующим образом. В первые 1-5 суток наряду с ионами ТМ происходит выделение из образцов ионов Са 2+ и Mg 2+ , сульфидов, приводящее к повышению рН среды и образованию труднорастворимых гидроксидов и сульфидов ТМ, которые осаждаются на поверхности частиц щебня и предотвращают дальнейшую эмиссию металлов в модельные среды.
Рис. 2. Миграция ионов ТМ из шлакового щебня в ацетатно-аммонийном буферном растворе
Выщелачивание ТМ из образцов шлакового щебня в аммонийно-ацетатный буферный раствор, имитирующий агрессивные среды (рис. 2), происходит по экспоненциальной зависимости.
Расчетами установлено, что в дистиллированной воде через 30 суток доля экстрагированных металлов из шлакового щебня составила для железа - 9,6 %, для марганца - 4,9 %, для титана - 2,5 % , для ванадия - 0,27 %.
Выводы
Проведенные экспериментальные исследования по выявлению и оценке закономерностей миграции тяжелых металлов в случае использования металлургических шлаков в качестве щебня для дорожного строительства показали, что данный щебень будет производить загрязнение близлежащей территории тяжелыми металлами. Это загрязнение будет проходить активнее в кислых почвах. В связи с этим необходимо брать во внимание условия эксплуатации материалов, содержащих шлаковый щебень.
Оценка возможности негативного воздействия шлаков металлургического комбината на окружающую среду
Одним из наиболее опасных источников загрязнения природной среды являются техногенные минеральные образования (ТМО), формирующиеся в результате промышленной деятельности человека. Ежегодно мировая промышленность извлекает из недр Земли около 10 миллиардов тонн твердых веществ, 70% которых в последствии становятся отходами при производстве промышленной продукции. Расчёты показывают, что на территории России и стран СНГ запасы шлаковых отвалов достигают более 500 млн. тонн [1].
Наиболее остро проблема обращения с отходами производства проявляется именно в последнее время. Всё возрастающий интерес к ней в научной среде вызывается двумя основными факторами: в первую очередь усиливающимся дефицитом природных источников полезных для индустрии элементов, поэтому, ТМО представляют интерес как потенциальные источники природных ресурсов. Во вторую очередь, всё большее число учёных начинают обращать внимание на ТМО, как на комплексный источник загрязнения геосферы [2,3], следовательно, возникает необходимость в предотвращении загрязнения природной среды и во внедрении путей реабилитации.
Основная масса техногенных минеральных образований формируется в районах с развитой горноперерабатывающей и добывающей промышленностью. Одним из таких районов является город Карабаш Челябинской области, где в результате деятельности медеплавильного комбината ЗАО “КарабашМедь”, формируется огромное количество твёрдых отходов, складирующихся в отвалы металлургических шлаков. Общее количество медных шлаков составляет 20 млн. тонн. Шлаковые отвалы создают экологические проблемы, связанные с отчуждением земельных отводов, запыленностью, процессами естественного выщелачивания.
Целью данной работы является: моделирование процесса гидрогенного загрязнения окружающей среды от техногенных минеральных образований.
Для определения уровня загрязнения окружающей среды от металлургического шлака был смоделирован процесс гидролиза отвальной массы.
Воздух в районе исследования содержит в своём составе сернистый ангидрид (SO2) в концентрациях значительно превышающих фоновую, это связано с аэропромвыбросами Карабашского ГМК. Атмосферные осадки, проходя через толщу загрязнённого приземистого слоя атмосферы, взаимодействуют с SO2, в результате образуется серная кислота. В итоге на отвальную массу попадает дождевая вода с исходной концентрацией H2SO4 приблизительно равной – 0,0001н. Поэтому в качестве реагента для взаимодействия со шлаком использовалась серная кислота концентрацией: 0,0001н. Масса подверженного выщелачиванию шлака составляет 267г.
Для моделирования процесса ускоренного гидролиза отвальной массы во времени, использовалась серная кислота в концентрациях превышающих исходную в: 10, 100, и 1000 раз. Это делалось, в первую очередь, для наиболее полного изучения миграции из шлака химических элементов, и во вторую очередь для сравнения полученных данных с результатами анализа элюатов представленных концентрацией H2SO4 эквивалентной дождевой воде.
Время взаимодействия серной кислоты со шлаком было определено в 14 дней, после чего брался элюат и шлак заливался вновь серной кислотой для снятия следующей пробы. Время в 14 дней было определено с учётом коэффициента фильтрации шлака, равному 3,3 м/сут.. Так как высота отвальной массы 32 м., то в течении 10 дней теоретически, кислота образовавшаяся на поверхности отвала, достигнет его основания, но с учётом наличия в отвальной массе различных литологических и геохимических барьеров, теоретическое время было увеличено до 14 суток. Итого было сделано по 13 промывок из 4 различных вариантов. Так же для выявления определяющей роли серной кислоты в процессе гидролиза шлака, было сделано 4 промывки отвальной массы дистиллированной водой, данные по анализу которых представлены в табл.1.
Таблица – 1. Содержание тяжелых металлов в элюате с дистиллированной водой, мг/л
| Cd | Cu | Pb | |
| чистая H2O для отмывки | 0,000067 | 0,013 | 0,0041 |
| 1 промывка | 0,019 | 1,0 | 0,014 |
| 2 промывка | 0,0096 | 0,37 | 0,011 |
| 3 промывка | 0,0083 | 0,31 | 0,00028 |
| 4 промывка | 0,00148 | 0,229 | 0,000101 |
| ПДКвр | 0,001 | 1 | 0,03 |
Как видно, при действии на отвал дистиллированной водой, содержание тяжёлых металлов незначительно. Но, всё-таки, наблюдается некоторое превышение ПДК для водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования (далее – ПДК) по Cd и Pb. Вода слабо действует на силикатную матрицу, поэтому наличие ТМ в элюатах объясняется растворением веществ образующихся при выплавке металла. Выхода магния и железа при обработке отвальной массы дистиллированной водой не обнаружено, или же оно незначительно и выходит за границы определения. Следовательно, первичным фактором определяющим гидролиз отвальной массы, является серная кислота, содержащаяся в дождевой воде.
Результаты гидролиза шлака серной кислотой в различных концентрациях представлены в виде сводной таблицы, обобщающей выход исследуемых компонентов за всё время исследования (182 дня) и показывающий средний показатель значения pH (табл. 2).
Таблица – 2. Результаты химического анализа элюатов.
На растворимость веществ, прямое влияние имеет значение энергии Гиббса (ΔG°f298.15). Численное значение ΔG показывает, как глубоко идет процесс растворения: чем отрицательнее ΔG, тем образуется более устойчивые соединения. Следовательно, можно связать энергию Гиббса и интенсивность выщелачивания элементов из шлака. Так, в процессе гидролиза отвальной массы наблюдается наибольший выход кальция (в 0,1н растворе 530,266 мг), значение ΔG°f298.15 для силиката кальция составляет: -1543,937 кДж/моль. Значение ΔG°f298.15 для силикатов магния, железа, меди, кадмия и свинца соответственно равны: -1462,098; -1117,546; -1112,245; -1106,253; -1053,259 кДж/моль. Выход магния, железа, меди, кадмия и свинца соответственно обратно пропорционален увеличению энергии Гиббса: 451,889мг; 212,8мг; 2,779мг; 0,05974мг и 0,83666мг. Видно, что изложенная выше закономерность нарушается в отношении свинца и кадмия, это объясняется гораздо более большим содержанием свинца в шлаке, чем кадмия.
Что бы более детально оценить возможный уровень воздействия техногенного образования на окружающую среду, был произведён расчёт общего выхода ТМ из шлака. Оценка производилась для элюата представленного 0,0001н серной кислотой и элюата концентрированнее в 1000 раз. Всего за 182 дня исследования из шлака выщелаченно: 0,0001н кислотой: 0,1407 мг свинца, 0,6147 мг меди и 0,016257 мг кадмия; 0,1н кислотой: 0,83666 мг свинца, 2,779 мг меди и 0,05974 мг кадмия. Масса подверженного выщелачиванию шлака составляет 267г, а общая масса отвалов составляет порядка 20млн. тонн, следовательно количество элементов мигрирующих из отвалов вследствие гидрогенного загрязнения составляет порядком несколько тонн. Результаты по общему выходу элементов представлены в табл.3.
Вся масса выделившихся химических элементов из шлака в смоделированном процессе гидролиза, даёт нам представление о степени их воздействия на сопряжённые с отвалом системы. Общий выход металлов из отвальной массы, если взять за наиболее приближенную к реальным условиям обработку шлака серной кислотой концентрацией эквивалентной дождевой воде, за 182 дня составляет: 10,539 т свинца, 1,2818 т кадмия и 46,045 т меди.
Таблица – 3. Общий выход ТМ из отвалов
Можно резюмировать, что наблюдаемый выход потенциально опасных соединений из шлака, в созданной модели, вполне может соответствовать реальному загрязнению окружающей среды. Отсюда возникает необходимость в более детальном исследовании данной проблемы и выявлению возможных путей реабилитации.
Металлургический шлак и золошлаковые отходы
Шлак металлургический – представляет собой легкоплавкие отходы силикатного типа, образующиеся при выплавке металлов из руд. Фактически, это многокомпонентный материал, содержащий окислы пустых пород, флюсов и топливную золу. Выход шлака на тонну материала определяется типом процесса и составляет до 80 кг в доменной печи, 30 – для мартена, 18 – при конверторном виде производства и 8 – ваграночном.
Долгое время эти вторичные продукты не представляли интереса человеку, в лучшем случае, используясь выборочно. Ситуация изменилась с середины прошлого века, когда отходы металлургических шлаков стали ценным вторичным продуктом, который используется в различных сферах трудовой деятельности человека: сельское хозяйство, сооружение зданий, дорожное строительство и прочие.
Смотрите похожие статьи:
Разновидности шлакового продукта
Прежде чем классифицировать отходы металлургического производства, необходимо уточнить важную деталь. В металлургии образуется два типа побочных продуктов, это непосредственно шлаки и золошлаковые отходы. Последний вид вторичного ресурса представляет собой смесь шлака и золы, формирующуюся при сжигании угля и торфа. О ценности этой разновидности отходов поговорим позже, рассмотрев вначале различные типы самого шлака. Классификация шлаковых отходы достаточно глубоко структурировано, хотя основных групп существует только две. Это шлаки черной и цветной металлургии.
Виды шлака на фото:
Один из видов металлургического шлака
И это тоже относится к металлургическому шлаку
Еще один вид отходов металлургического производства
Шлаковые отходы при выплавке чугуна и стали
Шлаки чугунной металлургии имеют следующую структуру классификации:
- Доменные. Категория связана с отходами, образующимися при выплавке чугуна, и включает несколько подгрупп. Это шлаки доменные различных видов чугуна: литейного, специального и предельного.
- Сталеплавильные. Сюда попадают шлаки, формирующиеся как в процессе выплавки стали, так и при обработке металла. Первая подгруппа объединяет электроплавильные, мартеновские и ваграночные шлаки. Во вторую попадают следующие виды отходов – тигельные и сварочные. Кроме того, отдельно различают шлаки, образующиеся при бессемеровании и томасировании чугуна.
Доменные шлаки металлургического производства образуются одновременно с чугуном при плавлении шихты, компонентами которой выступают: топливо, сама руда и флюс – обычно доломит или известняк. Менее плотный шлаковый состав отделяется от металла, всплывая над ним. Это позволяет легко отделить шлаковые отходы от чугуна. Вторичный продукт выпускается через верхнее, шлаковое отверстие, металл – посредством нижней, чугунной летки. Отходы, сливаемые через летку – верхний шлак, не содержат металлов и составляют от половины до трех четвертей всего количества побочных продуктов. Одновременно с этим, часть шлаковых масс остается внизу. Их выпускают после слива чугуна и направляют на переработку, суть которой выделить металлические включения из отходов.
Металлургическое производство – выплавка стали
Доменные шлаки металлургические отличаются вариативностью состава, определяемого типом компонент шихты: руды, флюса и топлива. В результат, на 95% шлаковые массы состоят из окислов кальция, кремния и алюминия. Именно соотношение между основными и кислотными окисями формирует три вида шлаков. Продукты, с преобладанием окислов железа, марганцем, магния и кальция – относятся к основным шлакам, те, что содержат преимущественно SiO2 и Al2O3 – кислотным. Отходы, с равномерным присутствием обоих видов окислов – промежуточные шлаки.
Стойкие и распадающиеся материалы
Еще один классифицирующий критерий – условия остывания пустой породы. Различие в процессе охлаждения приводит к формированию следующих разновидностей шлаков:
- камневидные;
- гранулированные;
- стекловидные.
Следующий отличительный фактор, характеризующий шлаки металлургических комбинатов, – устойчивость. В этом отношении, альтернативу нераспадающемуся шлаку составляют такие виды распада:
- Силикатный. Характеризуется существенным приростом объема вещества, вследствие перехода кальциевого силиката из бета в гамма форму. Структура шлака покрывается трещинами и далее камень распадается в мучнистый порошок.
- Известковый. Процесс – следствие гидратации извести. Этот тип распада преимущественно характерен мартеновским шлакам, проявляясь как самопроизвольное растрескивание твердого материала на куски.
- Железистый. Связан с избыточным содержанием неокисленного железа относительно окислов этого металла. Пороговая величина составляет 1.5% от FeO. Превышение указанного значения и воздействие влаги, инициируют реакцию перехода сульфида железа в его гидроксид, сопровождающуюся выделением сероводорода. В результате объем шлака возрастает до 38%, что и приводит к растрескиванию.
- Марганцевый. Активируется при нахождении шлака во влажной среде.
Переработка металлургических шлаков связано преимущественно с устойчивыми к распаду материалами. Их этого вторичного продукта изготавливается щебень, например.
Утилизация шлаков
Современная ценность шлаковых пород достаточно высока, чтобы их попросту выбрасывать. Спросом пользуются даже отвальные доменные шлаки – образующиеся при сливе отходов в отвал и его последующей разработке. Такая разновидность вторичных материалов представляет собой кусковые породы с максимальными размерами до 120 мм. Утилизация отвального шлака достаточно условна. Куски необходимо выдержать определенное время на открытом воздухе, позволив природе совершить естественный отбор. Это позволит отсортировать пригодный для переработки материал от распадающихся шлаков или сернистых соединений.
Установка для переработки металургического шлака. На выходе щебень и металл. 1. Вибропитатель на опорной раме; 2. Агрегат сортировки; 3. Галтовочный барабан; 4. Агрегат крупного дробления; 5. Агрегат среднего дробления; 6. Агрегат сортировки; 7. Конвейера на базе (2 шт.); 8. Конвейер; 9. Конвейеры; 10. Конвейеры; 11. Конвейеры; 12. Конвейеры (3 шт.); 13. Железоотделитель на опоре (4 шт.); 14. Агрегат управления
Сфера реализации отвального шлакового щебня – грунтовка под нижний слой бетонных покрытий, а также применение в дорожном строительстве.
Видео – переработка и сортировка сталелитейного шлака
Область использования и стандартизация
Согласно установленному стандарту под шлак металлургический – ГОСТ 3476-34, реализован свод требований к доменному материалу, отбираемому для приготовления цемента. Альтернативное использование отходов производства черных металлов – изготовление минеральной ваты. Источником сырья в этом случае выступает щебень из металлургического шлака доменного, технические условия отбора которого прописаны в 18866-93. Пемза шлаковая – щебень пористый из металлургического шлака используется в качестве заполнителя бетонных смесей. Требования к этому материалу выделены в отдельный ГОСТ 9760-86.
Основной областью реализации металлургических отходов остается дорожное строительство. Именно под эту сферу изготавливается щебень пористый из металлургического шлака. При этом уровень пористости материала существенно влияет на его физико-механические свойства. Снижение параметра приводит к повышению прочностных характеристик. Для этих целей ранее использовалась процедура дегазации, позволявшая снизить пористость до 30%. Современные методики ориентированы на вакуумирования и центрифугирования шлака, что позволяет достичь цифры в 2%, фактически предлагая потребителю прочный недорогой щебень из отходов металлургии.
Щебень из отходов металлургии
Впрочем, в дорожном строительстве необходим щебень различной прочности, а соответственно пористости. Распределения в данном случае носит следующий характер. Под верхний слой дорожного полотна используются асфальтобетонные смеси на базе щебня пористостью 5 – 12%. Прокладка нижней части – основания автомагистрали допускает применение менее прочных материалов. В этом случае используется асфальт из шлакового щебня, пористостью 12 – 17%.
Технология приготовления
Поскольку основная реализация металлургического шлака осуществляется посредством щебня, то приготовлению этого материала уделяется особое внимание. Лидером в разработке и усовершенствовании технологий производства щебня на отечественном рынке выступает Уральский НИИ Черной Металлургии.
Сам технологический процесс состоит из нескольких этапов:
- Слив жидких отходов послойно в шлаковые ямы. Толщина каждого уровня составляет от 20 до 30 см. Максимальное число слоев – 5.
- Полив шлаковой массы водой из расчета пол кубометра на тонну отхода.
- Кристаллизация состава в течение 4 – 8 часов.
- Разработка остывшей массы экскаватором.
- Сортировка шлака на фракции, с последующим дроблением при необходимости.
Производимый подобным технологическим процессом, шлаковый щебень, отличается отличными адгезийными характеристиками по отношению к различным строительным составам: битуму, дегтю, цементу.
Образование и использование золошлаковых отходов
Рассмотрим подробно процесс на примере теплоэлектростанций, где сырьем выступает измельченный уголь, смешиваемый с мазутом. Выбор основан тем фактом, что основной источник, формирующий золошлаковые отходы – ТЭЦ. Процесс горения сопровождается отделением микрочастиц золы, который уносятся тягой вместе с дымом. При этом, дым и пар образуются органикой, тогда как минеральные компоненты сгорающего топлива оседают в шлак и золу. Не улетевший, тяжелый зольный остаток, оседает на подтопки, сплавляясь между собой, что приводит к формирования отдельных кусков. Далее зола перемешивается со шлаком, образуя золошлаковые отходы, которые транспортируются на хранение в специальные отвалы. При этом, золошлаки сортируются отдельно от недожога – частиц несгоревшего угля.
Отходы тэц – золошлаковые отходы
Переработка золошлаковых отходов практически аналогична использованию самих шлаков. Сфера их реализации включает изготовление:
- различных видов бетона – тяжелого, ячеистого и силикатного;
- строительных составов;
- цементного клинкера;
- керамзита;
- керамического кирпича.
Также золошлаковые отходы применяются при прокладке земляного полотна автомагистралей, изоляционного материала на полигонах ТБО.
Видео – о проблемах накопления и утилизации золошлаковых отходов:
Стоимость отходов
Существует два способа определить расценки на вторичный продукт металлургического производства. Первый вариант прямое обращение к государственным сметным нормативам, в частности ТСЦ – территориальный сборник цен. К сожалению, данная нормативная база обновляется нерегулярно и под шлак металлургический, цена может не соответствовать актуальной стоимости.
Второй подход – ввод в поисковую систему фразы куплю шлак металлургический. Варианты ответа доступны по разным регионам РФ. Стоимость шлака металлургического указываются с учетом фракции (более мелкие куски обходятся дороже в среднем на 300 рублей за тонну ).Так, актуальные расценки металлургических шлаков фракции 20-40 начинаются с 1300 рублей за тону , цена для размеров 40-70 – 1000 .
Читайте также: