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.
Цель исследования
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
|
Показатели щебня |
гранитный |
гравийный |
известняковый |
шлаковый |
|
Марка прочности (М) |
1200-1400 |
800-1200 |
400-1000 |
600-1200 |
|
Морозостойкость (F) |
300-400 |
200-300 |
50-150 |
50-200 |
|
Лещадность |
2 и 3 группа |
2 и 3 группа |
2 и 3 группа |
2 и 3 группа |
|
Радиоактивность |
1 класс |
1 класс |
1 класс |
1 класс |
|
Насыпная плотность т/м3 |
1,32-1,39 |
1,35 - 1,45 |
1,26 - 1,32 |
1,23-1,46 |
Доменные и сталеплавильные шлаки по физико-механическим характеристикам полностью удовлетворяют требованиям ВСН 38-90 и могут быть использованы для дорожного строительства в качестве материала для строительства основания дорожной одежды или входить в состав цементобетонной смеси при устройстве цементобетонных оснований или покрытий.
Сравнение химического состава шлаков черной металлургии различного происхождения приведены в табл. 2[3].
Таблица 2. Химический состав щебня из металлургического шлака
|
Фракция, мм |
Массовая доля, % |
||||||||||
|
FeO |
Fe2O3 |
SiO2 |
CaO |
MgO |
Al2O3 |
MnO |
TiO2 |
V2O5 |
S |
Cr |
|
|
|
Гранулированный шлак |
||||||||||
|
|
0,25 |
- |
35,5 |
36,8 |
10,8 |
11,7 |
0,3 |
1,13 |
- |
- |
- |
|
|
Доменный шлак |
||||||||||
|
10 |
|
1,54 |
36,58 |
38,14 |
6,86 |
11,78 |
0,16 |
1,14 |
0,2 |
0,506 |
0,015 |
|
20 |
|
1,40 |
36,29 |
38,50 |
6,76 |
12,17 |
0,18 |
1,17 |
0,21 |
0,494 |
0,015 |
|
40 |
|
0,76 |
36,67 |
39,27 |
6,86 |
11,56 |
0,14 |
0,98 |
0,25 |
0,418 |
0,020 |
|
70 |
|
0,59 |
37,61 |
39,63 |
7,07 |
11,26 |
0,13 |
0,75 |
0,23 |
0,463 |
0,016 |
|
120 |
|
1,95 |
35,60 |
36,80 |
7,58 |
12,90 |
0,13 |
1,20 |
0,24 |
0,460 |
0,016 |
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/см3: 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 Са2+ и Mg2+, 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.
Рецензенты:
- Долгих Олег Владимирович, доктор медицинских наук, профессор, заведующий отделом иммунобиологических методов диагностики, ФГУН «Федеральный научный центр медико-профилактических технологий управления рисками здоровью населения» Роспотребнадзора, г. Пермь.
- Уланова Татьяна Сергеевна, доктор биологических наук, профессор, заведующая отделом химико-аналитических методов исследования, ФГУН «Федеральный научный центр медико-профилактических технологий управления рисками здоровью населения» Роспотребнадзора, г. Пермь.