В качестве теплоизоляционного материала часто используется пенополистирол и другие органические утеплители. Подобное использование пенополистирола способствует возникновению ряда проблем, основными из которых являются - конструктивные и экологические.
К конструктивным проблемам относится проблема нарушения однородности ограждающих конструкций, приводящая к увлажнению утеплителя, снижению сопротивления теплопередаче и сроков службы стены. Кроме того, срок эксплуатации пенополистирола, по разным оценкам, не превышает 25-50 лет, что делает проблематичным его использование в строительстве зданий со сроком службы 100 лет и более [8].
Экологическая безопасность органических утеплителей в последнее время не внушает доверия. Все или почти все искусственные органические утеплители выделяют вредные для здоровья людей вещества, такие как ароматические и предельные. Следует отметить, что среди химических веществ, мигрирующих из строительных материалов, преобладают ароматические углеводороды - производные бензола, хлорпроизводные углеводороды жирного ряда (хлороформ), большинство которых относиться ко второму классу токсичности по ГОСТ 12.1.007-76, т.е. к высокотоксичным соединениям, обладающим кумулятивными и канцерогенными свойствами.
По существующим данным количество летучих компонентов (пикограммы), выделяемых 1 г исследуемого образца пенополистирола в замкнутом объёме (20 см3) при 50 0С достигает: бензол - 4944,00; хлороформ - 1420,00; стирол - 172600,00; толулол - 1200,00. Согласно СанПиН 2.1.2.729-99 содержание вредных веществ в разумных пределах допустимо, если их количество не превышает предельно-допустимые концентрации (ПДК), но никто не учитывает временной факт воздействия этих компонентов на организм человека [1, 3, 6, 10]. Таким образом, возникает проблема защиты людей от вредных воздействий утеплителя.
Одно из решений данной проблемы заключается в использовании сорбционно-активных веществ. В качестве одного из таких веществ можно выделить так называемый скоп - отход картонного производства, образующийся в огромных количествах при производстве бумаги целлюлозно-бумажными комбинатами, в том числе и предприятием ООО «Пермский картон», скоп которого использовался нами в исследованиях.
Указанный скоп представляет собой волокно целлюлозы с примесями лигнина, карбонатов натрия, калия, магния и кальция, а также небольшого количества фосфатов и нитратов этих же металлов. Волокно по объему составляет 75-90 % скопа, тонкость помола - 60-630 [5], влажность скопа до переработки в листы - 19-65 %, рН - 5,9-6,5, скоп представлен волокнами целлюлозы длиной до 150-250 мкм, толщиной 1-5 мкм. Волокна скопа расположены хаотично относительно друг друга, либо переплетены между собой. Твердые включения или примеси в образцах скопа не обнаружены [2]. По данным института экологии и генетики микроорганизмов УрО РАН ГУПР по Пермской области скоп предприятия ООО «Пермский картон» относится к V классу опасности для окружающей среды.
Существующие разработки в области материаловедения позволяют говорть о перспективности использования скопа как основного сырья для производства материалов строительного назначения, таких как плиты из скопа, гипсоплиты, неснимаемая опалубка из скопа с цементом и т.д. Благодаря своему химическому составу и строению скоп можно использовать и в качестве самостоятельного органического композиционного вяжущего. Используемый в строительных материалах скоп может одновременно выступать и в качестве сорбента.
Для доказательства способности скопа к адсорбции вредных веществ в лаборатории кафедры строительных материалов и спецтехнологий были изготовлены образцы-кубы пенополистирола с нанесением на их поверхность слоя чистого влажного скопа толщиной 1 см, а также образцы-кубы пенополистирола с нанесением на их поверхность слоя влажной смеси скопа и цемента толщиной 1 см. Смесь скоп-цемент может выступать в качестве штукатурки. Дополнительно для подтверждения чистоты экспериментов нами были изготовлены образцы цементно-песчаного раствора с нанесением на их поверхность аналогичных составов скопа и скопа с цементом. Образцы изготовляли в количестве 3-х шт. каждого состава. Изготовленные образцы хранили в течение 1 года в нормальных условиях, после чего произвели химический анализ слоя чистого скопа, а также смеси скоп-цемент на предмет обнаружения выделенных пенополистиролом и адсорбированных скопом вредных органических соединений, таких как: формальдегид, стирол бензол, толуол, этилбензол, о,м,п-ксилол. Исследования были осуществлены совместно с Пермским Институтом детской экопатологии.
Селективное определение формальдегида в образцах проводили методом высокоэффективной жидкостной хроматографии в обращенно-фазном варианте на колонке, заполненной Диасорбом 130 С16Т, с использованием УФ-детектора. Методика анализа основана на предварительном переводе формальдегида в 2,4-динитрофенилгидразон формальдегида, его концентрировании из образца экстракцией гексаном, высушивании гексанового экстракта, растворении высушенного остатка в ацетонитриле и анализе на жидкостном хроматографе «Милихром-4» при длине волны 358 нм. Методика анализа обеспечивает определение формальдегида в материале в диапазоне концентраций 0,001-2,0 мкг/мг с суммарной погрешностью, не превышающей ±9,52 % для формальдегида. Определению не мешают другие альдегиды, а также алифатические спирты, карбоновые кислоты, кетоны.
Селективное определение стирола в исследуемых образцах проводили методом высокоэффективной жидкостной хроматографии в обращенно-фазном варианте на колонке, заполненной Сепарон C18 , с использованием УФ-детектора. Методика анализа основана на извлечении стирола из субстрата путем экстракции гексаном в присутствии гидроксида натрия и анализе экстракта на жидкостном хроматографе с насосом высокого давления НРР 5001 (ЧССР) при длине волны 254 нм. Методика анализа обеспечивает определение стирола в диапазоне концентраций 0,1-550 мкг/мг с суммарной погрешностью, не превышающей 16,60 % при доверительной вероятности 0,95. Определению не мешают алифатические и ароматические углеводороды.
Исследования по определению содержания ароматических углеводородов выполнены на газовом хроматографе ЛХМ-80. Нижний предел обнаружения: бензола - 0,002 мкг/мл, толуола - 0,002 мкг/мл, этилбензола - 0,005 мкг/мл, п.м-ксилолов - 0,005 мкг/мл, о-ксилола - 0,005 мкг/мл.
Выполнение измерений массовой концентрации ароматических углеводородов проводили методом газовой хроматографии с детектором ионизации в пламени с использованием стальной колонки Зм, заполненной неподвижной жидкой фазой ApiezonL на хроматоне N-супер фракции 0,16-0,20 мм. Методика основана на предварительном выделении ароматических углеводородов из образцов путем нагревания объекта в герметичном объеме и последующего газохроматографического анализа парогазовой пробы [4, 7, 9].
Предварительная подготовка исследуемых образцов из скопа и скопа с цементом заключалась в измельчении и гомогенизации этих образцов с целью получения усредненной пробы. Исследования образцов скоп и скоп-цемент проведены из соответствующих партий сорбентов по трем навескам массой 1 г из каждой партии. Результаты химического анализа образцов представлены в таблице 1.
Таблица 1 Результаты химического анализа образцов скопа и скопа с цементом
|
№ |
Образец |
Концентрация, мкг/г |
||
|
Бензол |
Толуол |
Формальдегид |
||
|
1 |
скоп |
0,068 |
0,240 |
0,086 |
|
|
скоп |
0,056 |
0,254 |
0,075 |
|
|
скоп |
0,069 |
0,340 |
0,072 |
|
|
Среднее значение |
0,064 |
0,278 |
0,078 |
|
2 |
скоп |
0,083 |
0,250 |
0,074 |
|
|
скоп |
0,091 |
0,256 |
0,064 |
|
|
скоп |
0,080 |
0,251 |
0,059 |
|
|
Среднее значение |
0,085 |
0,252 |
0,066 |
|
3 |
скоп |
0,087 |
0,258 |
0,093 |
|
|
скоп |
0,082 |
0,240 |
0,085 |
|
|
скоп |
0,077 |
0,249 |
0,088 |
|
|
Среднее значение |
0,082 |
0,249 |
0,089 |
|
1 |
Скоп+цемент |
0,012 |
0,040 |
0,096 |
|
|
Скоп+цемент |
0,015 |
Не обнаружено |
0,117 |
|
|
Скоп+цемент |
0,013 |
Не обнаружено |
0,111 |
|
|
Среднее значение |
0,013 |
0,013 |
0,108 |
|
2 |
Скоп+цемент |
0,022 |
Не обнаружено |
0,083 |
|
|
Скоп+цемент |
Не обнаружено |
0,030 |
0,094 |
|
|
Скоп+цемент |
Не обнаружено |
Не обнаружено |
0,095 |
|
|
Среднее значение |
0,007 |
0,010 |
0,091 |
|
3 |
Скоп+цемент |
Не обнаружено |
Не обнаружено |
0,086 |
|
|
Скоп+цемент |
0,015 |
0,050 |
0,089 |
|
|
Скоп+цемент |
Не обнаружено |
Не обнаружено |
0,095 |
|
|
Среднее значение |
0,005 |
0,017 |
0,090 |
В результате проведенных исследований были обнаружены соединения класса углеводородов бензол и толуол, а также формальдегид, во всех образцах скопа и скопа с цементом, контактировавших с пенополистиролом. Стирол, этилбензол и о,-м,-п-ксилолы в указанных образцах не обнаружены. Исследования показывают, что пробы скопа и скопа с цементом, контактировавшие с образцами цементно-песчаного раствора в отличие от аналогичных проб, контактировавших с пенополистиролом, не содержат в своём составе предельные и ароматические углеводороды.
Полученные результаты позволяют разработать технологии строительных материалов из скопа, который может выступать не только как волокнистый наполнитель, но и как сорбционно-активное вещество, способное на различных этапах эксплуатации строительного объекта поглощать вредные для здоровья людей органические соединения.
Рецензенты:
- Онорин С. А., д.х.н., профессор кафедры химии и биотехнологии, ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет», г. Пермь.
- Пономарёв А. Б., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой строительного производства, ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет», г. Пермь.