Подготовка кусковых растительных отходов в производстве модифицированного строительного материала

Переработка вторичных ресурсов имеет социальный, экологический и экономический эффекты, способствующие развитию рынка вторичных материальных ресурсов, экологической безопасности окружающей среды и здоровья человека, экономии природных ресурсов и полезных ископаемых, повышению занятости населения, улучшению условий существования общества и развитию бизнеса в сфере переработки вторичных материальных ресурсов. Рециклинг твердых промышленных отходов в настоящее время развивается. Появляются технологии переработки, разрабатывается и изготавливается серийное оборудование, отрасль в некоторых странах мира получает поддержку на государственном уровне. Научные институты активно проводят исследования в области рециклинга. Одним из направлений является изучение процесса подготовки отходов для дальнейшего рециклинга в строительных материалах, в частности в арболитовых блоках.

Для изучения процесса подготовки кусковых растительных отходов и использования их в производстве строительных материалов, не ухудшая их качества, спланирован и реализован активный многофакторный эксперимент.

Для построения математической модели процесса и для оценки влияния на процесс каждого учитываемого фактора использован регрессионный анализ — метод, который позволяет устанавливать значение факторов и диапазоны их варьирования по своему усмотрению, согласно технологическому процессу.

В таблице 1 представлена матрица планирования эксперимента с двумя входными факторами по В-плану второго порядка с их нормализованными значениями.

Таблица 1 — Матрица планирования эксперимента с двумя факторами.

Регрессионная модель, построенная по результатам экспериментов, позволяет рассчитать значение поверхности отклика в разных точках области варьирования факторов.

Эксперимент проводился на базе лаборатории Лесосибирского филиала «Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М.Ф. Решетнева». Исследуемые факторы, их интервалы и уровни варьирования приведены в таблице 2.

Таблица 2 — Основные факторы и уровни их варьирования.

Выходными величинами двухфакторного эксперимента являются — прочность на сжатие — Pr, МПа, и плотность модифицированного арболитового блока — Pl, кг/м3.

Исследования в работе проводились согласно выбранному плану эксперимента — В-плану второго порядка, при всех прочих равных условиях. Результаты активного экспериментального исследования представлены в виде математических моделей исследуемого процесса и функций откликов (рисунок 1, 2) построенных по ним, с целью описания исследуемых зависимостей.

На основании наших экспериментальных исследований, было установлено методом корреляционного анализа, использование каких промышленных отходов показывает наилучшие показатели по физико-механическим характеристикам готовых арболитовых блоков. В качестве критериев были выбраны коэффициент связеобразования и критериальный параметр качества, которые показали, что использование коры хвойных пород и измельченный полиэтилентерефталат придают арболиту модифицированные свойства.

Обработка экспериментальных данных производилась в пакете программ STATISTICA, были получены математические модели, адекватно описывающие исследуемый процесс.

Уравнение прочности на сжатие при использовании коры в арболитовом конгломерате:

Prк=1,06−0,43C-0,31F-0,01C2−0,06F2+0,09CF, (1).

По полученной модели были построены поверхности отклика в виде зависимости прочности на сжатие и плотности при добавлении коры и полиэтилентерефталата в арболитовый блок, которые представлены на рисунках 1 и 2.

Рисунок 1 — Зависимости прочности на сжатие и плотности при добавлении коры в арболитовый блок Кора имеет пластинчатую структуру, которая не обеспечивает прочности наполнителя, следовательно, арболитового конгломерата. Слабые молекулярные связи. Все это приводит к снижению прочности с увеличением процентного содержания коры. Кора имеет более худшую влагоудерживающию способность, чем дробленка.

Уравнение плотности арболитового блока при использовании коры в арболитовом конгломерате имеет вид:

Plк=792,5+31,66C+23,33F-7,5C2−22,5F2−10CF, (2).

Кора не имеет высокой плотности, поэтому увеличивая процентное содержание замещая древесный наполнитель плотность арболитового конгломерата снижается.

Уравнение прочности на сжатие при использовании полиэтилентерефталата в арболитовом конгломерате:

Prп=0,66−0,15C-0,295F+0,09C2+0,14F2−0,31CF, (3).

Рисунок 2 — Зависимости прочности на сжатие и плотности при добавлении полиэтилентерефталата в арболитовый блок Имеет незначительное увеличение прочности с увеличением процентного содержания полиэтилентерефталата связанное со снижением пористости и заполнением межзернового пространства относительно упругим материалом при фракции 12 мм. При увеличении процентного состава в качестве наполнителя происходит снижение прочности на сжатие арболитовых блоков связанное со снижением удельной поверхности взаимодействия, не высокой прочностью используемого нами заменителя наполнителя (используются измельченные бутылки). Арболитовые блоки с использованием полиэтилентерефталата возможно использовать при небольшом процентном содержании в качестве теплоизоляционного со сниженным водопоглощением.

Уравнение плотности арболитового блока при использовании полиэтилентерефталата в арболитовом конгломерате имеет вид:

Plп=630−34,17C+8,33F+12,5C2−15F2−5CF, (4).

рециклинг сжатие арболитовый полиэтилентерефталат Полиэтилентерефталат имеет низкую плотность, поэтому увеличивая процентное содержание замещая древесный наполнитель плотность арболитового конгломерата снижается.

Использование такого вида отходов, как кора и полиэтилентерефталат позволят предприятию снизить расходы на экологические платежи, улучшить экологическую обстановку в районе, получить дотации из краевого бюджета, развить рынок материалов для малоэтажного строительства в Ангаро-Енисейском регионе, как следствие удешевление стоимости малоэтажных сооружений, выполнение курса страны в отношении увеличения доли МЖС до 40−60% в регионе.

Таким образом, на предприятиях возможен выпуск строительно-конструкционных и строительно-отделочных материалов, обладающих некоторыми дополнительными свойствами, что позволит повысить производственные мощности предприятий, снизить расход сырья, уменьшить себестоимость при сохранении физико-механических характеристик готовой продукции, расширить рынки сбыта готовой продукции, повысить качество продукции, снизить материальные и энергетические затраты на производство.

Социальный эффект от создания новых высокопроизводительных технологий и совершенствования процессов по использованию отходов заключается в ускорении сроков цикла обращения с отходами, что сокращает время вредного воздействия на человека и экологию окружающей среды. Данный эффект может быть выражен в натуральных временных показателях, например, сутках, и рассматриваться как дополнительный показатель при оценке эффективности различных вариантов использования вторичных ресурсов. Происходит уменьшение расходов населения на медицинские услуги вследствие улучшения экологической обстановки и условий проживания в регионе, снижение социальной и криминогенной напряженности в регионе за счет упорядочения деятельности населения и предприятий, занятых в сфере обращения с отходами. Эстетический, психологический и моральный эффекты от улучшения экологической обстановки в регионе, а также от предотвращения вымирания каких-либо видов растений и животных, конечно, присутствует. Однако, определить его в стоимостных показателях на современном этапе развития экономической науки, как отмечалось, не представляется возможным.

Разработка и внедрение программы по комплексному использованию вторичных ресурсов будет способствовать решению экономических, экологических, научно-технических и социальных задач по снижению затрат на производство материальных ресурсов для нужд региона, сокращению времени и сложности цикла по переработке отходов, созданию региональных центров по комплексной переработке отходов, уменьшению вредных выбросов в атмосферу, почву, воду, а также снижению затрат на проведение природоохранных мероприятий.

Реализация в регионе рециклинга вторичных ресурсов создаст условия для минимизации объемов размещения отходов, сокращения бюджетного финансирования, вовлечение отходов в качестве материальных ресурсов в хозяйственный оборот, использование свободных мощностей и площадей промышленных предприятий региона для подготовки отходов с целью их дальнейшего использования в качестве вторичного сырья, создания новых рабочих мест, повышения эффективности производственно-хозяйственной деятельности перерабатывающих предприятий, производства новых материалов и продукции для нужд региона и промышленного комплекса, улучшения экологической ситуации в регионе. Стратегическую эффективность от использования вторичных ресурсов необходимо рассматривать в качестве фактора, определяющего устойчивое развитие в масштабах страны, региона и предприятий по переработке, использованию и утилизации вторичных ресурсов за счет сохранения природных ресурсов, улучшения экологического баланса, повышения эффективности производства и создания социально-активной благоприятной обстановки.