Ежегодно на крупных станциях водоподготовки в России образуются сотни тысяч тонн токсичных отходов — обезвоженного осадка (кека) и отработанного активированного угля. Сегодня их вывозят на полигоны, где они десятилетиями занимают площади, а тяжелые металлы и соединения алюминия вымываются в почву и грунтовые воды, накапливаясь в растениях и создавая долгосрочную угрозу для здоровья человека. Масштабной системы переработки этих отходов пока нет. Поэтому ученые Пермского Политеха предложили решение. Они разработали состав керамической смеси для производства кирпича, в котором отходы водоподготовки заменяют дорогие импортные пластификаторы. В результате пластичность глины выросла на 50%, а качество готовых изделий — на 10% по сравнению с традиционными решениями.
Ежегодно только на крупных станциях водоподготовки в России образуются сотни тысяч тонн отходов. Это обезвоженный осадок (кек), остающийся после очистки воды, и отработанный активированный уголь, который скапливается при замене фильтров. Эти материалы содержат остатки алюминия, хлора и тяжелых металлов. Сегодня их вывозят на полигоны, где они десятилетиями занимают огромные площади. Под воздействием осадков токсичные компоненты постепенно вымываются, попадая в почву и грунтовые воды. Тяжелые металлы и соединения алюминия не разлагаются естественным путем — они накапливаются в растениях и через пищевые цепочки могут проникать в организм человека, создавая долгосрочную угрозу для здоровья.
При этом масштабной системы переработки этих отходов в России пока нет. Большинство существующих методов лишь снижают их объем перед захоронением, но не решают проблему накопленного экологического вреда. Ситуация требует не просто утилизации, а технологий, позволяющих превратить кек и отработанный уголь из источника опасности в ценное сырье.
Перспективным направлением считается использование этих отходов в производстве стройматериалов — в частности, кирпича. Сегодня эта отрасль сталкивается с острой проблемой: в большинстве регионов местные глины имеют низкую пластичность. Из-за этого готовый кирпич получается рыхлым, быстро впитывает влагу и хуже сохраняет тепло. Чтобы исправить недостаток, кирпичным заводам приходится либо закупать дорогие импортные пластификаторы, либо завозить высокопластичную глину из других регионов, например, с Кавказа. В условиях роста стоимости сырья и логистических сбоев это значительно удорожает производство. Поэтому поиск дешевой местной альтернативы — одна из главных задач для предприятий строительной отрасли.
Ученые Пермского Политеха предложили использовать в качестве такой альтернативы кек и отработанный активированный уголь — отходы, которые в больших объемах накапливаются на водопроводных станциях по всей стране. С помощью специальных методов анализа они выяснили, что кек на 39% состоит из алюминиевой слюды, на 24% из кварца и на 21% из гётита (железистого минерала). То есть по своей природе он родственен глине. Это означает, что отходы могут не только не навредить, но и хорошо совместиться с основным сырьем. К тому же они есть в любом регионе и доступны практически бесплатно.
Добавлять эти отходы в глину пробовали и раньше. Но из-за нестабильности состава и отсутствия четких рецептур смесь часто теряла связующую способность, становилась рыхлой, а готовый кирпич не соответствовал требованиям по прочности.
Именно эту задачу и решили ученые Пермского Политеха. Они разработали состав керамической смеси для производства кирпича, в основе которого использовали отходы водопроводных очистных сооружений и отработанный активированный уголь. В результате пластичность глины выросла на 50% по сравнению с исходным сырьем, а качество готовых изделий — на 10% выше, чем у традиционных решений.
Чтобы найти идеальное соотношение обезвоженного осадка, угля и глины, исследователи приготовили несколько вариантов смесей с разным содержанием отходов. Каждую обжигали при разных температурах — 950, 1000 и 1050°C. Именно при таких градусах работают большинство кирпичных заводов. После этого проверили, как ведет себя материал: насколько он пластичный, не трескается ли при сушке, как меняется в размерах, сколько воды впитывает.
На основе полученных данных ученые построили математические модели в специализированном программном комплексе. Трехмерные графики наглядно показали, как свойства материала зависят от количества отходов и температуры обжига. Анализ этих моделей позволил определить оптимальное сочетание компонентов, при котором пластичность глины достигает максимума, а усадка и риск трещин — минимума.
— Результаты показали, что при добавлении 12–16% обезвоженного осадка пластичность глины вырастает с 8% до 12% — то есть сама глина становится более податливой на 50% по сравнению с исходным состоянием. Кроме того, снижается воздушная усадка: кирпич меньше сжимается при высыхании, а значит, уменьшается риск появления трещин. Для отработанного угля наилучший результат дает добавление 14–20% от общего объема смеси. При этом использовать оба вида отходов вместе необязательно — каждый из них по отдельности уже улучшает свойства глины, — рассказала Мария Плетнева, старший преподаватель кафедры «Теплогазоснабжение, вентиляция и водоснабжение, водоотведение» ПНИПУ.
Ученые также проверили, как отходы влияют на свойства готового кирпича, и выяснили, сколько их можно добавлять без потери качества. В оптимальных составах водопоглощение составило 14–18% — это норма для обычной керамической продукции с добавками. Доля воздушных пустот достигла 30–35%, а плотность снизилась: кирпич стал заметно легче. Это уменьшает нагрузку на фундамент, делает перевозку дешевле, а кладку — проще. К тому же, благодаря пористой структуре, стены из такого материала лучше сохраняют тепло.
Образцы с добавлением до 20% угольного отхода или до 30% кека успешно прошли обжиг и не разрушились. Если же добавить больше, смесь теряет связующие свойства: становится рыхлой, и сформовать из нее прочный кирпич уже не получается.
— В сравнении с существующими методами новая разработка дает комплексное преимущество. Обезвоженный осадок и отработанный уголь — это отходы, которые не требуют импорта и достаются производителям практически бесплатно. Добавки просто вводятся в смесь на этапе замеса, внедрение не потребует остановки производства или закупки нового оборудования. При этом качество готовых изделий выросло на 10% по сравнению с традиционными решениями, — добавил Виталий Шаманов, декан строительного факультета ПНИПУ, кандидат технических наук.
Следовательно, технология выгодна не только экономически, но и экологически. Ученые Пермского Политеха предложили решение, которое превращает проблему в ресурс. Вместо того чтобы десятилетиями накапливаться на полигонах, отравляя почву и воду, кек и активированный уголь получают вторую жизнь. Теперь эти отходы становятся ценным сырьем, позволяя снизить себестоимость кирпича и давая строительству доступный и эффективный материал.
Статья опубликована в журнале «Градостроительство и архитектура». Исследование выполнено в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030».
На фото: Описание Испытания глиняных образцов, автор М.С. Плетнева.
Источник: Минобрнауки России
