Разработка технологии утилизации отходов ТЭС и полимеров для получения композитов на их основе

Актуальность работы. В Российской Федерации накоплено огромное количество промышленных отходов, загрязняющих окружающую среду и занимающих значительные площади. К таким отходам следует отнести отходы от сжигания твердых горючих ископаемых (углей) — золошлаковые материалы золоотвалов, а также полимерные материалы.

В Иркутской области в 2010 году было добыто 14,6 млн тонн угля. К 2023 году объемы добычи увеличатся до 20,3 млн тонн, что неизбежно приведет к росту количества отходов. Уже в настоящее время в результате функционирования предприятий топливно-энергетического комплекса, а именно тепловых электрических станций (ТЭС), в золоотвалах накоплено около 85 млн тонн золошлаковых отходов, в том числе золы уноса. Площадь, занятая золотвалами ТЭС в регионе, составляет около 2000 га. Зола уноса по сложности и многокомпонентности вещественного состава и своим технологическим характеристикам представляет собой ценное техногенное сырье, которое может быть переработано для использования в народном хозяйстве.

Возрастают объемы производственных отходов на основе изделий из полимерных материалов, в том числе поливинилхлорида (ПВХ). На предприятиях Иркутской области показатели объемов отходов ПВХ составляют более 2 тыс. тонн в год.

В настоящее время уровень использования указанных крупнотоннажных отходов энергетики и промышленности не позволяет уменьшить экологическую нагрузку, что приводит к деградации почв, вторичному загрязнению подземных и поверхностных вод, и другим видам негативного воздействия объектов энергетики на окружающую среду.

Необходимость совместной утилизации этих двух типов твердых отходов делает актуальным вопрос использования их в качестве техногенного сырья для производства минерально-полимерных композиций. Данная технология была разработана в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (государственный контракт № 02.740.11.5080 «Разработка новых материалов на основе использования крупнотоннажных отходов»).

Цель работы. Разработка нового способа и промышленной научно обоснованной и экономически целесообразной технологии переработки минеральных отходов ТЭС и органических отходов полимерной промышленности для производства инновационного минерально-полимерного композита.

Основная идея работы. Совместная утилизация отходов ТЭС (золы уноса) и промышленных отходов полиолефинов с целью получения нового минерально-полимерного композита.

Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:

1. Изучение состава, структуры, свойств отходов ТЭС (золы уноса) и возможности ее использования в качестве наполнителя для производства минерально-полимерных композиций.

2. Создание и оптимизация технологии совместной утилизации отходов ТЭС (золы уноса) и отходов ПВХ с получением нового композита на основе исследования параметров процесса экструзии и создания рецептур минерально-полимерных композитов.

3. Исследование физико-химических процессов в системе «зола уноса — ПВХ» минерально-полимерных композиционных материалов.

4. Установление зависимости свойств композитов от вида и состава золы уноса ТЭС, морфологии, состава и физико-механических характеристик полученных материалов.

Объекты исследования:

• Крупнотоннажные твердые минеральные и органические отходы Иркутской области: отходы ТЭС — зола уноса (ЗШМ) и промышленные отходы ПВХ.

• Минерально-полимерные композиционные материалы.

Методы исследования. В соответствии с поставленными задачами необходимыми методами исследования являются экструзия полимеров, элек8 тронная микроскопия, ИК-спектроскопия нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО), дифференциальный термический анализ (ДТА) и термогравиметрический анализ (ТГА), компьютерная графика, программное обеспечение, методы изучения общих свойств пластмасс и строительных материалов — ГОСТы.

В работе также использовались законодательные акты РФ, касающиеся проблем переработки отходов, материалы конференций, семинаров и докладов по переработке отходов ТЭС и полимеров.

Научная новизна.

1. Научно обоснована и экспериментально доказана возможность и эффективность утилизации отходов ТЭС (золы уноса) в качестве наполнителя для производства нового минерально-полимерного композиционного материала.

2. Выявлены зависимости изменения физико-механических свойств минерально-полимерных композитов (тип структуры, плотность, предел прочности при изгибе, ударная вязкость по Шарпи, термостабильность) от их структуры и состава при увеличении массовой доли золы уноса.

3. Выявлена возможность получения при использовании золы уноса минерально-полимерных композитов с регулируемой пористостью: поропла-стов и пенопластов.

4. Установлено взаимодействие в системе «зола уноса — ПВХ» в процессе экструзии, заключающееся в адгезии, обусловленной межмолекулярным взаимодействием в поверхностных слоях наполнителя и связующего при нагревании, при котором происходит сцепление поверхностей частиц золы уноса и полимера.

Практическая значимость и реализация результатов.

На основании теоретических и экспериментальных исследований предложен способ утилизации отходов ТЭС (золы уноса).

Разработана и реализована в промышленных условиях технология совместной переработки промышленных отходов, золы уноса, и полимеров 9.

ПВХ), с получением товарной продукции — высокоэффективного строительного материала «Пористая искусственная древесина» (ПИД), основное назначение которого замена традиционных ПВХ-композиций и ряда изделий из натуральной древесины. Предложенная технология позволяет получать материалы с регулируемой пористостью.

По разработанной технологии подана заявка на патент № 2 011 106 608, приоритет от 22 февраля 2011 г.

Ожидаемый эколого-экономический эффект от внедрения технологии производства ПИД составляет 80 млн руб./год.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Принципиальная возможность и эффективность совместной утилизации крупнотоннажных отходов ТЭС — золы уноса (как наполнителя) и отходов ПВХ (как связующего) с получением на их основе инновационного минерально-полимерного композита строительного назначения.

2. Возможность регулирования пористости минерально-полимерных композитов на основе золы уноса ТЭС путем варьирования значений технологических параметров процесса экструзии (Зависимость «структура — условия технологического процесса»). Зависимость физико-механических свойств композиции от вида и состава отходов (золы уноса ТЭС), от структуры и состава минерально-полимерного композита (Зависимость «составсвойства», «структура — свойства композиции»).

3. Физико-химические процессы, протекающие при экструзии минерально-полимерной композиции, заключающиеся в адгезии на поверхности раздела частиц золы уноса и ПВХ.

Апробация результатов работы.

Результаты исследований, приведенные в диссертационной работе, докладывались и обсуждались на научном семинаре «Проблемы и перспективы использования и производства Пористой Искусственной Древесины (ПИД)», г. Иркутск, 2009 г.- Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи «Проведение научных исследований под руково.

10 дством приглашенных исследователей в 2009 году", г. Москва, 2009 г.- Международной конференции GPEC 2010 Global Plastics Environmental Conference 2010 Orlando, Florida, USA, 2010 г.- III Международном научно-практическом семинаре «Золошлаки ТЭС: удаление, транспорт, переработка, складирование», г. Москва, 2010 г.- научно-практической конференции, посвященной 80-летию ИрГТУ и химико-металлургического факультета «Перспективы развития технологии, экологии и автоматизации химических, пищевых и металлургических производств», г. Иркутск, 2010 г.- Общероссийской научной конференции «Проблемы качества образования. Окружающая среда и развитие человека. Вода для жизни (2005;2015). Новые технологии, инновации, изобретения», Иркутск, 2010 г.- VI Международной конференции «Полимерные материалы пониженной горючести», г. Вологда, 2011 г.- Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Перспективы развития технологии, переработки углеводородных, растительных и минеральных ресурсов», Иркутск, 2011 г.- Всероссийской научно-практической конференции «Ресурсоэнергосбережение, Экологические чистые технологии», Иркутск, 2011 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ, из них 2 работы в изданиях ВАК, заявка на патент № 2 011 106 608 (Дата приоритета 22.02.2011).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, списка использованных источников, приложения. Работа изложена на 156 страницах машинописного текста, содержит 62 рисунка и 29 таблиц. Список использованной литературы включает 120 наименований.

4.7 Выводы к главе 4.

1. Установлены зависимости физико-механических свойств композиции от вида и состава золы уноса, пространственной морфологии и состава минерально-полимерного композита, заключающиеся в увеличении ударной вязкости, улучшении коэффициента линейного теплового расширения и влагостойкости, изменении прочности при изгибе, повышении термостабильности материала при использовании в качестве наполнителя золы уноса.

2. Подтверждено, что при использовании в качестве наполнителя золы уноса, пористая структура композита приводит к уменьшению его плотности и ударной вязкости.

3. Установлено, что механизм поверхностных явлений на границе раздела фаз в системе «зола уноса — ПВХ» минерально-полимерного композита представляют собой адгезию, имеющую механическую природу.

4. Установлено, что по токсикологическим характеристикам, уровню радиационной и пожарной безопасности новый полимерно-минеральный композит — термопластичная ПИД на основе отходов ТЭС и ПВХ — может использоваться для изготовления современных строительных материалов.

5. Показано на основании изучения основных функциональных характеристик и пространственной морфологии ПИД, что оптимальными физико-механическими, потребительскими и эстетическими характеристиками обладает минерально-полимерный композиционный материал ПИД-1У, предназначенный для замены традиционных изделий из ПВХ и натуральной древесины, для использования в качестве отделочного строительного материала.

Заключение

.

На основании результатов выполненных автором экспериментальных и теоретических исследований разработан новый способ и экструзионная технология совместной утилизации минеральных отходов тепловых электростанций (ТЭС) (золы уноса) и промышленных отходов ПВХ с получением инновационного минерально-полимерного композита, реализация которой позволяет перерабатывать указанные крупнотоннажные отходы.

1. Установлено на основании изучения состава, структуры, свойств отходов от сжигания угля на электростанциях Иркутской области, что золы уноса ТЭЦ-7 и Усть-Илимской ТЭЦ удовлетворяют требованиям к качеству наполнителя для создания минерально-полимерных композитов, а именно представляют собой термостабильный материал со сферической формой частиц, имеют оптимальные показатели влажности < 1% и гранулометрического состава с размером частиц 13−9 мкм, относятся к V классу опасности для окружающей природной среды и к I классу радиационной безопасности.

Таким образом, научно обоснована и практически подтверждена возможность и эффективность использования отходов ТЭС — золы уноса в качестве наполнителя для получения минерально-полимерного композита.

2. Выявлены зависимости между технологическими параметрами процесса экструзии (температурой, давлением, скоростью шнека экструдера) и структурой композита, что позволило предложить оптимальные технологические параметры изделий. Показано, что увеличение в исходной смеси дозы пластификатора в 3 раза приводит к снижению значений температуры зон экструдера и фильеры на 5−11 °С, что позволяет вести процесс в энергосберегающем режиме. Повышение температуры способствует образованию открытых пор в материале, сообщающихся между собой, в результате чего получен материал поропласт. Понижение температуры ведет к образованию закрытых ячеек, изолированных друг от друга с получением пенопластов. Таким образом, выявлена возможность регулирования пористости минерально-полимерных композитов на основе золы уноса ТЭС путем варьирования значений технологических параметров процесса экструзии. Установлено, что изменение давления влияет на свойства и структуру получаемого материала прямо пропорционально температурам переработки, а также давление расплава понижается при снижении скорости шнека.

3. Установлены зависимости физико-механических свойств композиции от вида и состава золы уноса, пространственной морфологии и состава минерально-полимерного композита, заключающиеся в увеличении ударной вязкости, улучшении коэффициента линейного теплового расширения, изменении прочности при изгибе, повышении термостабильности материала при использовании в качестве наполнителя золы уноса.

4. Подтверждено, что при использовании в качестве наполнителя золы уноса, пористая структура композита приводит к уменьшению его плотности, ударной вязкости, водопоглощения. В свою очередь, увеличение пористости обусловлено увеличением концентрации вспенивающего агента в композиции.

5. Установлено, что механизм поверхностных явлений на границе раздела фаз в системе «зола уноса — ПВХ» минерально-полимерного композита представляет собой адгезию, имеющую механическую природу.

6. Предложено несколько составов для получения «Пористой искусственной древесины» на основе золы уноса ТЭС. Установлены оптимальная рецептура композита и оптимальные параметры получения ПИД:

• ПВХ — 100 м.ч., зола уноса — 40 м.ч., вспенивающий агент — 2 м.ч.;

• Температура по зонам экструдера оптимальна в пределах 166−175 иС, температура фильеры в пределах 165−168 °С, температура массы расплава в пределах 245−251 °С, давление массы расплава в пределах 8,5−17 МПа, режим охлаждения экструдированного профиля — техническая вода, значение температуры 12 °C.

7. Определено, что по токсикологическим характеристикам, уровню радиационной и пожарной безопасности новый полимерно-минеральный композит — термопластичная ПИД на основе отходов ТЭС и ПВХ — может использоваться для изготовления современных строительных материалов.

8. Установлено на основании изучения основных функциональных характеристик и пространственной морфологии ПИД, что полученный в оптимальных технологических условиях минерально-полимерный композит ПИД-IV обладает физико-механическими, потребительскими и эстетическими характеристиками, удовлетворяющими требованиям, предъявляемым к материалам, применяемым в строительной индустрии. Он предназначен для замены традиционных изделий из ПВХ и натуральной древесины в качестве отделочного строительного материала.

9. Эколого-экономическими расчетами обоснована эффективность разработанной технологии, позволяющая снизить экологическую нагрузку на окружающую среду и повысить степень вторичного использования промышленных отходов. Эколого-экономический эффект от внедрения технологии производства ПИД составляет 80 млн руб./год.