Россия
УДК 691-478 Предметы с отверстиями для уменьшения массы, для создания воздушной прослойки и т. д., например пустотелые и дырчатые кирпичи, многощелевые блоки, панели с воздушной прослойкой
УДК 543.442.2 Ренгенофазовый анализ
ГРНТИ 67.01 Общие вопросы строительства
В данной статье был проанализирован качественный состав золы от сжигания осадка сточных вод методом неразрушающего исследования при помощи рентгеновского дифрактомера ЭКРОС XRD-9500. Проведённые исследования доказывают, что возможно использование золы от сжигания осадка сточных вод в качестве сырья в том числе для строительных материалов с особыми свойствами.
сырьё, изоляционный золопенобетон, анализ, зола от сжигания осадка сточных вод, золопенобетон, рентгенофазовый анализ
Введение
До настоящего времени окончательно не решён вопрос с утилизацией основных отходов жилищно-коммунального хозяйства, таких как сточные воды. Они проходят очистку на очистных сооружениях, тогда как осадок, остающийся после очистки, чаще всего складируется на полигонах. В городе Санкт-Петербурге частично решена данная проблема – осадок сточных вод сжигается на ЗСО (заводах сжигания осадка), в результате чего объём его существенно сокращается примерно на порядок. Однако по-прежнему полигоны продолжают заполнятся, но уже не так интенсивно. Актуальность данной работы связана с исследованием золы от сжигания осадка сточных вод как потенциального сырья для создания инновационных строительных материалов.
История вопроса
В Санкт-Петербурге на настоящий момент работает три завода по сжиганию осадка сточных вод – на Центральной станции аэрации, о. Белый, на Северной станции аэрации и на Юго-Западных очистных сооружениях. Частично задача использования золы от сжигания осадка сточных вод была решена в работах [1, 2], где зола от сжигания осадка сточных вод использовалась как компонент автоклавного золопенобетона1, также отдельно в литературе рассматривался вопрос об использовании зол различного происхождения как сырья при производстве строительной керамики [3], лёгких бетонов [4] и других видов строительных изделий. Одновременно были выявлены и недостатки использования золы от сжигания осадка сточных вод как сырья – в том числе такие как токсичность и повышенное содержание радионуклидов [3, 5, 6], что может препятствовать применению изготовленных материалов в гражданском строительстве, где есть серьёзные ограничения к качеству исходного сырья. Однако применение для промышленности, железнодорожного транспорта, оборонных и других негражданских объектов таких ограничений нет.
Эксперимент
Микрофотография частиц золы балы выполнена в научно-исследовательской лаборатории комплексных физико-химических исследований на металлографическом микроскопе Altami MET 6C. Результаты представлены на Рис. 1. Видно, что зола от сжигания осадка сточных вод представляет собой мельчайшие частицы красно-коричневого цвета с очень развитой поверхностью.
Рис. 1. Частицы золы от сжигания осадка сточных вод
Рассмотрение образцов золы от сжигания осадка сточных вод проводился на дифрактомере рентгеновский ЭКРОС XRD-9500 (внесён в государственный реестр средств измерений РФ под № 88425-23.Р). Проведение опытов с использованием рентгеновского излучения для анализа структуры материалов осуществлялся в научно-исследовательской лаборатории комплексных физико-химических исследований Петербургского государственного университета путей сообщения. В качестве исследуемого материала использовалась зола от сжигания осадков сточных вод о. Белый, г. Санкт-Петербург. Результаты представлены на Рис. 2 в виде дефектограммы образца.
Рис. 2. Дифрактограмма образца, λ: 2,29091
Рис. 3. Наиболее выраженные вещества
На Рис. 3 представлены наиболее выраженные идентифицированные вещества. На дифрактограмме образца выявлены пики, соответствующие минералам кварца SiO2, также были выявлены соединения: магнезиоферрит MgFe2O4, плагиоклаз NaAlSi3O8-CaAl2Si2O8, нонтронит Na0.3Fe2((Si,Al)4O10)(OH)2×nH2O
Фазы, определённые при помощи рентгенофазового анализа с использованием рентгеновского излучения для анализа структуры материалов, представлены в Таблице 1. Из таблицы видно, что данный вид сырья является многокомпонентным сложным веществом, которое имеет в своём составе в виде основного компонента оксид кремния в виде аморфной фазы.
Таблица 1
Таблица определённых фаз
|
ID |
Формула |
Название |
Минерал |
|
20471 |
SiO2 |
Silicon Oxide |
Quartz |
|
30419 |
SiO2 |
Silicon Oxide |
Quartz |
|
50490 |
SiO2 |
Silicon Oxide |
Quartz, low |
|
200049 |
K Al3 H14 ( P O4 )8 ∙ 4 H2 O |
Potassium Aluminum Hydrogen Phosphate Hydrate |
|
|
211550 |
C7 H12 O4 |
4-C-Cyclopropyl-d-xylo-tetrofuranose |
|
|
230608 |
Re0.8 Ta0.1 C0.1 |
Rhenium Tantalum Carbide |
|
|
241307 |
Tl4 S3 |
Thallium Sulfide |
|
|
540805 |
Ca3 Al0.4 Ga1.6 O6 |
Calcium Aluminum Gallium Oxide |
|
|
582026 |
( Na , Ca )0.3 Fe2 ( Si , Al )4 O10 ( O H )2 ∙ x H2 O |
Sodium Calcium Iron Aluminum Silicate Hydroxide Hydrate |
Nontronite |
|
590301 |
Mg As P |
Magnesium Arsenide Phosphide |
|
|
610035 |
SiO2 |
Silicon Oxide |
|
|
620489 |
Ba Co Zn Fe8 Sn2 O19 |
Barium Cobalt Zinc Iron Tin Oxide |
|
|
775546 |
Ba Co Zn Fe8 Sn2 O19 |
Potassium Sodium Manganese Aqua Tungsten Silicate Hydrate |
|
|
890213 |
H N ( S O2 F )2 |
Hydrogen Nitrogen Sulfonyl Fluoride |
|
Результаты и обсуждение
Основная фаза, которая была идентифицирована в рентгенофазовом анализе – диоксид кремния (кварц), это частично объясняется тем, что при сжигании осадка сточных вод используется система «пирофлюид», когда предварительно обезвоженный осадок сжигается в печах с псевдосжижженым слоем песка. При этом часть песка подвергается повышенному истиранию, вследствие чего уносится вместе с золой. В исследованиях было установлено, что добавление аморфной фазы вместо кристаллической фазы при производстве строительных материалов (то есть, замена процентного содержания песка на золу от сжигания осадка сточных вод) способствует уменьшению свободного пробега фонона2. Как было доказано, это приводит к тому, что золопенобетонные конструкции обладают улучшенными свойствами по теплоизоляции, а также по шумозащитным свойствам по сравнению с пенобетонами, где такой добавки нет. Наличие в исследуемых образцах плагиоклаза и карбида тантала — предполагает использование данного материала как возможное сырьё при изготовлении керамического материала, который будет обладать повышенной устойчивостью к тепловым ударам и механической эрозии. Однако наличие в составе нонтронита может повышать сорбционную способность материалов.
Таким образом возможно утилизировать золу от сжигания осадка сточных вод практически по замкнутому циклу (Рис. 4).
Рис. 4. Жизненный цикл коммунальных сточных вод
Также возможно будет утилизировать золу, которая производится в настоящее время на трёх заводах Санкт-Петербурга, а при наличии реализуемых проектов по негражданскому строительству, возможно и освободить те территории полигонов, которые в настоящий момент отведены под хранение и куда свозится производимая зола от сжигания осадка сточных вод. Возможные направления использования золы от сжигания осадка сточных вод как источника основного или дополнительного сырья при производстве материалов различного назначения представлен на Рис. 5.
Рис. 5. Возможные направления использование
золы от сжигания осадка сточных вод как сырья
Выводы
Предполагается разработка и использование новых материалов как часть многослойных ограждающих конструкций, каждый слой которой будет обладать особыми свойствами, такими как особопрочностные характеристики, шумозащитные свойства, теплоизоляционные свойства и другие.
1 Также этому вопросу посвящены патенты:
- Патент № 2256632 C1 РФ, МПК C04B 38/10. Автоклавный золопенобетон : № 2004108763/03 : заявл. 24.03.2004 : опубл. 20.07.2005 / Л. Б. Сватовская, В. Я. Соловьева, А.В. Хитров [и др.] ; заявитель ГОУВПО "Петербургский государственный университет путей сообщения Министерства путей сообщения Российской Федерации". ZOLIUX.
- Патент № 2646924 C1 РФ, МПК C04B 38/10. Автоклавный золопенобетон : № 2017110314 : заявл. 28.03.2017 : опубл. 12.03.2018 / Л. Б. Сватовская, А. М. Сычева [и др.] ; заявитель ФГБОУ ВО "Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I". FZZPQA.
- Патент № 2647712 C1 РФ, МПК C04B 38/10, C04B 28/04, C04B 18/10. Автоклавный золопенобетон : № 2017110120 : заявл. 27.03.2017 : опубл. 19.03.2018 / Л. Б. Сватовская, М. Абу-Хасан [и др.] ; заявитель ФГБОУ ВО "Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I". ZEDTXN.
2 Патент № 2647712 C1 РФ, МПК C04B 38/10, C04B 28/04, C04B 18/10. Автоклавный золопенобетон: № 2017110120 : заявл. 27.03.2017: опубл. 19.03.2018 / Л. Б. Сватовская, М. Абу-Хасан [и др.]; заявитель ФГБОУ ВО "Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I".ZEDTXN.
1. Sychova A., Sychov M., Rusanova E. Method of Obtaining Geonoiseprotective Foam Concrete for Use on Railway Transport // Procedia Engineering. 2017. V. 189. Pp. 681-687. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2017.05.108 EDN: https://elibrary.ru/XNDLCV
2. Русанова Е. В. Технологии утилизации некоторых отходов промышленности и транспорта и их комплексная оценка: дисс. на соиск. уч. ст. канд. техн. н. Санкт-Петербург, 2005. 211 с. EDN: https://elibrary.ru/NNPYBX
3. Шахов, С. А. Экологическая оценка утилизации осадка бытовых сточных вод в виде золы при производстве строительной керамики // Вестник Сибирского государственного университета путей сообщения. 2022. № 2(61). С. 77-85. DOIhttps://doi.org/10.52170/1815-9265_2022_61_77 EDN: https://elibrary.ru/YZVUCW
4. Красова А. В., Смирнова О. Е., Шахов С. А. Исследование физико-химических свойств осадка ливневых сточных вод для применения в производстве лёгкого бетона // Эксперт: теория и практика. 023. № 3(22). С. 93-97. DOIhttps://doi.org/10.51608/26867818_2023_3_93 EDN: https://elibrary.ru/XPNITH
5. Семенова В. В., Аликбаева Л. А. Оценка токсичности и опасности отходов, образующихся при очистке городских сточных вод и сжигании осадка // Гигиена и санитария. 2008. № 2. С. 52-54. EDN: https://elibrary.ru/TIWYAV
6. Русанова, Е. В., Масленникова Л. Л. Безопасное размещение отходов повышенной радиоактивности // Инновационные технологии в строительстве и геоэкологии : Материалы II Международной научно-практической конференции, Москва, 30 июня 2015 года / Петербургский государственный университет путей сообщения имени императора Александра I, Кафедра «Инженерная химия и естествознание». Москва: ООО "Издательство "Спутник+", 2015. С. 98-100.
