Способ физико-химической детоксикации и утилизации золошлаковых отходов

 

Способ относится к области производства строительных материалов, в частности к способам детоксикации золошлаковых отходов различных производств, в том числе мусоросжигательных заводов по переработке твердых бытовых отходов, с последующей их утилизацией в технологии изготовления высокоэффективных и экологически безопасных строительных изделий и конструкций. Первоначальную золу и шлак подвергают механохимической обработке при силе механического воздействия 30 - 120 Вт/кг до тонины помола 3750 - 5750 см²/г в присутствии смеси ионитов, хелатообразующих лигандов и специальных крепителей с последующим добавлением цемента и активных минеральных добавок до образования однородной подвижной смеси, из которой готовят высокоэффективные экологически безопасные строительные изделия и конструкции, в т.ч. и особо легкие. При реализации способа обеспечивается снижение количества соединений тяжелых цветных металлов, вымываемых водой из отходов различных производств, и повышение экологической безопасности получаемых изделий. 3 з.п.ф-лы, 7 табл.

Изобретение относится к области строительных материалов, в частности к способам физико-химической детоксикации золошлаковых отходов различных производств, в том числе зол и шлаков мусоросжигательных заводов по переработке твердых бытовых отходов (ТБО) с последующей их утилизацией в технологии изготовления высокоэффективных и экологически безопасных строительных изделий и конструкций, используемых для нужд промышленного, гражданского и социально-культурного строительства.

Известен способ переработки твердых бытовых отходов, включающий сортировку фракций ТБО, магнитную сепарацию металлов, отделение некомпостируемых фракций, стекла, полиэтиленовой пленки, переработку материала в биобарабанах в аэробных условиях с последующей физико-химической детоксикацией ферментированного компоста от высокотоксичных элементов тяжелых цветных металлов (ТЦМ) сорбентами ионитного типа в H⁺ - форме путем многократной рециркуляции водной фазы и последовательного ее прохождения через систему: реактор выщелачивания - катионитный фильтр, насыщенный элементами ТЦМ катионит регенерируют и подвергают фильтрационному разделению с образованием маточного раствора и осадка - концентрата ТЦМ. В результате получается очищенный от ТЦМ экологически чистый компост, используемый в качестве удобрения [1].

Недостатком известного технического решения является его сложность, многостадийность и малая эффективность из-за образования вторичных отходов в виде маточного раствора и концентрата ТЦМ, которые сами по себе нуждаются в дальнейшей очистке, разделении и утилизации.

Известен также способ детоксикации твердых бытовых отходов, заключающийся в смешении отходов с цементом и водой затворения с образованием формовочной смеси [2].

Недостатками известного технического решения являются сравнительно большие концентрации ТЦМ, которые вымываются водой из отформованных блоков, что не позволяет использовать получаемые блоки в качестве элементов строительных изделий.

Технической задачей изобретения является понижение концентрации ТЦМ вымываемых водой из золошлаковых отходов различных производств и получение на их основе высокоэффективных и экологически безопасных строительных изделий.

Решение технической задачи достигается тем, что способ физико-химической детоксикации включает смешивание отходов с цементом и водой затворения с образованием формовочной смеси, причем золошлаковый отход предварительно сортируют с сепарацией металлических примесей и несгоревших фракций, сепарированную золошлаковую смесь при массовом соотношении шлак: зола 1: (0,5-2) подвергают механо-химической обработке путем совместного сухого или мокрого измельчения в присутствии смеси ионитов в H⁺ и OH^- формах при их массовом соотношении 1: (0,008 - 0,012), хелатолигандов и комплексной водопонижающей химической добавки при силе механического воздействия 30 - 120 Вт на один килограмм обрабатываемой смеси в течение 0,75 - 2,25 ч до образования однородной тонкоизмельченной смеси с тониной помола 3750 - 5750 см²/г, которую затем подвергают дополнительной химической обработке 1 - 5% водным раствором крепителя из жидкого стекла и ортофосфорной кислоты при их мольном соотношении 1: (0,5 - 1,0) и pH среды 7 - 9, и перемешивают в течение 15 - 30 мин до полной гомогенизации состава при температуре 20 - 50 ^oC, а смешивание с цементом и водой затворения осуществляют при непрерывном перемешивании до образования однородной подвижной формовочной смеси с осадкой конуса 4 - 20 см при следующем соотношении компонентов, мас.% - цемент 27,0 - 41,0, золошлаковая смесь 50,0 - 58,0, комплексная водопонижающая добавка 0,5 - 2,5, смесь ионитов 0,01 - 0,42, хелатолиганды 0,01 - 0,25, водный раствор крепителя 1,5 - 5,0, остаточная вода затворения - остальное, однородную подвижную смесь укладывают в формы и выдерживают в течение 2 - 3 часов при температуре 20 - 40 ^oC и относительной влажности воздуха 60 - 90%, затем подвергают тепловлажностной обработке по режиму 3+6+4 ч при температуре изотермической выдержки 60 - 80 ^oC до получения строительных изделий и конструкций, в том числе особо легких. Для получения легких строительных изделий в подвижную формовочную смесь дополнительно вводят микрокремнеземистую добавку, пенообразователь, стабилизатор пены при следующем соотношении компонентов мас.ч: подвижная формовочная смесь - 100, пенообразователь 0,5 - 2,5, стабилизатор пены 1,5 - 3,5, микрокремнеземистая добавка 3 - 5, для изготовления особо легких строительных изделий в формовочную смесь дополнительно вводят полистирольный заполнитель в виде гранул вспененного полистирола при объемном соотношении формовочная смесь: полистирольный заполнитель, равном 1: (0,75 - 1,15).

В работе были использованы следующие материалы: портландцемент марок 400 - 500 по ГОСТ 10178 - 85, золошлаковую смесь Московского мусоросжигательного завода N 3, вещественный и микроэлементный состав которых приведен в табл. 1 и 2, комплексная водопонижающая добавка типа ФОК-М по ТУ 2601-156-00284807-96 или С-3 по ТУ 6-36-0204229-625-90, катиониты: КМ-2п по ТУ 95.476-77, КУ-2-8 по ТУ 0.02.78-85, СФ-4 по ТУ 0.02.3-38, СФ-5 по ТУ 0.02.3-78, аниониты: ВП-1п (или ВП-1АП) по ОСТ 95.291-86, АД-1 по ТУ 002.87-86, АМ-2Б по ОСТ 95.291-86, ортофосфорная кислота по ГОСТ 6552-80, стекло жидкое силикатное натриевое по ТУ 6-18-204-74 или стекло жидкое силикатное натриевое по ГОСТ 13078-81, пенообразователь: ПО-1 по ГОСТ 6948-80, ПО-6К по ТУ 38.10740-82, ТЭАС по ТУ 38.107127-82, ПО-3А "Ива" по ТУ 38.10923-75, стабилизатор пены - окись кальция по ГОСТ 8677-76, микрокремнезем по ТУ 5743-049-024-953-32-95 или по ТУ 5743-048-024-953-32-96.

Выбор типа химических детоксикантов (смесь ионитов, хелатообразующих лигандов и раствора крепителя), используемых в предлагаемом способе, и их количество определялись не только с учетом вещественного и микроэлементного состава золошлаковых отходов, но также с учетом ряда напряжений металлов и их сродства к конкретному компоненту. Нижний концентрационный предел обусловлен чрезмерным снижением скорости химических превращений, а верхний - излишним расходом реагентов.

В пределах же заявленных условий происходит процесс химического связывания и закрепления подвижных ионов ТЦМ в водонерастворимые химические структуры порой пространственного типа, которые дополнительно капсулируются в момент твердения золошлакоцементной смеси прочной бетонной матрицей, крепко удерживающей в себе химические новообразования, что приводит к значительному снижению содержания ТЦМ в водных вытяжках, не превышающему предельно допустимых концентраций.

Прочность готовых бетонных изделий определяли по ГОСТ 17117.10-81, объемную массу - по ГОСТ 17117.3-81, морозостойкость по ГОСТ 10060-87, выщелачиваемость - при соотношении твердой и жидкой фаз по методикам, утвержденным Государственным Комитетом санитарно-эпидемиологического контроля, оперативный анализ водных вытяжек - с помощью ИНП-МС-масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой, а также с помощью атомно-эмиссионной спектрометрии, основанной на регистрации эмиссионного спектра атома, подвижность бетонной смеси - по ГОСТ 10181-1-81.

Конкретные примеры практической реализации предложенного способа физико-химической детоксикации золошлаковых отходов приведены в табл. 3 - 7.

Сравнительный анализ табл. 5, 6 и 7 показывает, что применение предложенного способа физико-химической детоксикации и утилизации золошлаковых отходов позволяет получать высокоэффективные экологически безопасные строительные материалы. При плотности таких изделий 400 - 2000 кг/м³ прочность при сжатии достигает 1,2 - 27,0 МПа соответственно (см. табл. 5, примеры 2 - 5), а содержание тяжелых и цветных металлов в водных вытяжках по каждому элементу не превышает предельно-допустимых концентраций для водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования (см. пример 4, табл. 6), в то время как по известному способу содержание ТЦМ превышает уровень ПДК практически по всем элементам тяжелых металлов (примеры 2, 3, табл. 7).

То же самое наблюдается и при изготовлении легких и особо легких полистиролбетонных изделий. При плотности 150 - 450 кг/м³ прочность готовых изделий находится в пределах 0,25 - 1,35 МПа соответственно.

Применение же способа физико-химической детоксикации за пределами заявленных условий не приводит к достижению желаемых результатов (см. табл. 5, примеры 6, 7; табл. 7, пример 5).

Литература 1. Патент России N 2049083. Способ переработки твердых бытовых отходов, 1993.

2. Патент США 4432666, кл. B 09 B 3/00, 1984.

Формула изобретения

1. Способ физико-химической детоксикации и утилизации золошлаковых отходов, включающий смешивание отходов с цементом и водой затворения с образованием формовочной смеси, отличающийся тем, что золошлаковый отход предварительно сортируют с сепарацией металлических примесей и несгоревших фракций, сепарированную золошлаковую смесь при массовом соотношении шлак : зола 1 : (0,5 - 2) подвергают механохимической обработке путем совместного сухого или мокрого измельчения в присутствии смеси ионитов в H⁺- и OH^--формах при их массовом соотношении 1 : (0,008 - 0,012), хелатолигантов и комплексной водопонижающей химической добавки при силе механического воздействия 30 - 120 Вт на 1 кг обрабатываемой смеси в течение 0,75 - 2,25 ч до образования однородной тонкоизмельченной смеси с тониной помола 3750 - 5750 см²/г, которую затем подвергают дополнительной химической обработке 1 - 5%-ным водным раствором крепителя из жидкого стекла и ортофосфорной кислоты при их мольном соотношении 1 : (0,5 - 1,0) и pH среды 7 - 9, и перемешивают в течение 15 - 30 мин до полной гомогенизации состава при 20 - 50^oC, а смешивание с цементом и водой затворения осуществляют при непрерывном перемешивании до образования однородной подвижной формовочной смеси с осадкой конуса 4 - 20 см при следующем соотношении компонентов, мас.%: Цемент - 27,0 - 41,0 Золошлаковая смесь - 50,0 - 58,0 Комплексная водопонижающая добавка - 0,5 - 2,5 Смесь ионитов - 0,01 - 0,42 Хелатолиганды - 0,01 - 0,25 Водный раствор крепителя - 1,5 - 5,0 Остаточная вода затворения - Остальное
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что однородную подвижную смесь укладывают в формы и выдерживают в течение 2 - 3 ч при 20 - 40^oC и относительной влажности воздуха 60 - 90 %, затем подвергают тепловлажностной обработке по режиму 3+6+4 ч при температуре изотермической выдержки 60 - 80^oC до получения строительных изделий и конструкций, в т.ч. и особо легких.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что для получения легких строительных изделий в подвижную формовочную смесь дополнительно вводят микрокремнеземистую добавку, пенообразователь, стабилизатор пены при следующем соотношении компонентов, мас.ч.:
Подвижная формовочная смесь по п.1 - 100
Пенообразователь - 0,5 - 2,5
Стабилизатор пены - 1,5 - 3,5
Микрокремнеземистая добавка - 3 - 5
4. Способ по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что для изготовления особо легких строительных изделий в формовочную смесь дополнительно вводят полистирольный заполнитель в виде гранул вспененного полистирола при объемном соотношении формовочная смесь : полистирольный заполнитель 1 : (0,75 - 1,15).

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4

NF4A Восстановление действия патента Российской Федерации на изобретение

Извещение опубликовано: 10.03.2006        БИ: 07/2006