Scientific journal
Modern problems of science and education
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

DETERMINATION OF THE NEGATIVE ENVIRONMENTAL IMPACT OF BUILDING MATERIALS CONTAINING METALLURGICAL WASTES

Pugin K.G. 1 Vaysman Ya.I. 1 Volkov G.N. 1 Maltsev A.V. 1
1 State National Research Politechnical University of Perm
Steel slag used in construction for quite some time, while in the first place put the physical and mechanical properties of the resulting products, environmental issues, the use of these products is neglected. To understand the environmental component shows a comparison of physico-mechanical and chemical properties of crushed stone and slag of different origin. The article presents data on the migration of heavy metals from construction materials in the modeling environment. As a model of media selected distilled water and acetate buffer. To study the selected metals: vanadium, manganese, titanium, and iron. It is established that the curves of migration of heavy metals have a pronounced extreme character. The most active migration occurs in an acidic environment. Studies suggest about the environmental risk of slag in the construction industry.
iron and steel
waste
migration
heavy metals
environment
building materials

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.