Свойствами техногенного сырья

Учет структурной нестабильности и управление

Вообще, производство качественной промышленной продукции и, в том числе, при использовании отходов, определяется целым рядом факторов, неучет которых может приводить к непостоянству свойств, повышению выхода брака. Качество готовых изделий, например, строительных материалов, композитов, может определяться как отклонение от средних или нормированных значений (D, %) по уравнению: D = D_х + D_т ± D_с, где D_х – нестабильность свойств, связанная с колебаниями химического и минералогического состава сырьевых компонентов, в том числе, техногенных отходов, D_т – нестабильность свойств, связанная с особенностями осуществления технологического цикла на данном предприятии, контролем производства, D_с - изменения свойств, связанные со структурной нестабильностью сырья.

Повышение качества выпускаемой продукции, а значит, уменьшение значений D может быть достигнуто или использованием сырья постоянного состава, или учетом в технологии возможных колебаний этого состава, а также за счет ужесточения требований к технологии. Влияние нестабильности структуры D_с может приводить как к повышению, так и снижению качества выпускаемой продукции (плюс или минус в рассматриваемом уравнении перед слагаемым D_с). В тех случаях, когда структурная нестабильность (активность) реализуется в технологии синтеза строительного материала, например, в гидротермальных условиях (силикатные бетоны), в высокотемпературных технологиях (портландцементный клинкер, керамические изделия, ситаллы и т.д.), а в случае гидравлически активных фаз и при нормальных условиях, она оказывает положительное влияние на повышение качества продукции (слагаемое D_с входит в предлагаемое уравнение со знаком минус).

Использование активированных, структурно нестабильных фаз в технологиях, не обеспечивающих их деактивацию и соответствующую интенсификацию синтеза композита, может приводить к ряду негативных последствий. Нестабильность свойств получаемого композита возрастает (слагаемое D_с входит в предлагаемое уравнение со знаком плюс). При этом на выходе из производственного цикла возможно как ухудшение, так и временное улучшение физико-механических характеристик композиционных материалов. Последнее может наблюдаться, например, при синтезе бетонов на основе портландцементных вяжущих в нормальных условиях или при пропарке. В этом случае интенсификация процессов гидратации осуществляется за счет более активной поверхности нестабильных фаз. Однако в процессе эксплуатации остаточные напряжения и внутренняя нестабильность фаз, формирующих композит, могут приводить к снижению физико-механических характеристик бетона или даже полному разрушению строительной конструкции в процессе эксплуатации. Выходом из этой ситуации может быть использование только стабильных закристаллизованных фаз.

Таким образом, наряду с традиционными подходами стабилизации свойств техногенных отходов (усреднение, обогащение и т.д.) необходим учет и управление структурой (активностью) техногенного сырья. Деформационные изменения структуры (образование и аннигиляция дефектов, образование их ансамблей, переход в активное состояние, стабилизация и деактивация) осуществляются на наноструктурном масштабном уровне – менее 0,1 мкм (1-100 нм). Поэтому управление свойствами материалов с учетом их структурной нестабильности (активности) следует отнести к нанотехнологиям, которые получают бурное развитие в начале XXI века.

Рис. 3. Способы стабилизации свойств сырья.

Поскольку два фактора нестабильности свойств готовой продукции (D_х и D_с) непосредственно связаны с колебаниями состава и свойств используемого сырья, повышение качества готовой продукции может быть достигнуто на стадии первичной и вторичной переработки техногенного сырья (рис. 3). Так, нестабильность химического и минералогического состава в настоящее время устраняется с использованием широко распространенных физико-механических технологических приемов усреднения и обогащения. При этом существенного воздействия на активность или реакционную способность сырья не происходит. Необходимо помнить, что техногенное сырьё близкого химического и минералогического состава может значительно различаться по свойствам.

Таблица 1

Влияние условий формирования неорганических техногенных отходов на их структурную нестабильность

Рассматри-ваемые параметры	Техногенный отход
Биогенный	Хемогенный	Пирогенный	Механоген-ный
Технологическая предыстория отхода (техногнез)	Продукты жизнедея-тельности	Продукты химических или физико-химических превращений	Продукты термических превращений	Продукты механических или гидромехани-ческих воздействий
Типы дисперсных систем и примеры	Суспезии и золи: шламовые и иловые отходы, например, систем биоочистки	Суспензии и золи: в основном, кристаллогид-раты и аморфные новообразова-ния (гальвано-шламы, гипсосодержащие отходы, асбестит и др.)	Твердые гетерогенные системы: кристаллические и аморфно-кристаллические материалы (металлургические шлаки, золо-шлаки энергетики, пиритные огарки, электротермофосфорные шлаки и др.)	Твердые гетерогенные системы, суспензии (попутно добываемые горные породы, отходы обогащения, отсевы дробления)
Дисперсность	Ультрамикрогетерогенные (наночастицы с размером 1-100 нм) и микрогетерогенные (частицы с размером 0,1-10 мкм) системы	В основном, микрогетерогенные и грубодисперсные твердые системы (размер кристаллитов, зерен, блоков более 0,1 мкм)	Микрогетеро-генные и грубодисперс-ные системы
Факторы, обеспечивающие структурную нестабиль-ность отхода	Агрегативная неустойчивость, связанная с процессами коагуляции, и структурная нестабильность, обусловленная переходом от коагуляционных структур к конденсационно-кристаллизационным	Структурная нестабильность, обусловленная тепловой предысторией отхода – фазовыми переходами, синтезом новообразований, градиентами нагрева и охлаждения и т.д.	Структурная нестабильность, обусловленная генезисом горных пород, механоактива-цией материалов

Неучет структурной нестабильности может приводить к колебаниям качества выпускаемой на основе отходов продукции, что в принципе может сделать нецелесообразным широкомасштабное применение техногенного сырья. Решение этой проблемы возможно только с использованием (учетом) особенностей активации техногенного сырья в условиях воздействия на его наноструктуру (рис. 3). При этом может существенно меняться структурная нестабильность (активность) сырья. Подобные структурно-фазовые изменения возможны только при интенсивных воздействиях с использованием механической активации, химического и термического воздействия.

Например, при переработке металлосодержащих отходов часто применяются методы глубокой переработки с использованием термических, химических и электрохимических методов. В этом случае имеет место практически полное разрушение исходных фаз и структур, что позволяет отнести эти технологии ко второму направлению переработки, непосредственно связанному и определяющему структурную нестабильность (активность) материала, его реакционную способность.

В таблице 1 приведена классификация, основанная на оценке влияния условий формирования отходов на их структурную нестабильность, непостоянство свойств. Наиболее крупнотоннажные нерудные отходы по условиям формирования можно разделить на 4 группы: био-, хемо-, пиро- и механогенные. При создании малоотходных, ресурсосберегающих технологических систем учет структурной и фазовой нестабильности отходов позволит осуществлять направленный выбор оптимальный технологии их переработки и использования в производстве строительных материалов, эффективно реализовывать в процессе синтеза композита повышенную свободную энергию техногенного сырья. Фактически для каждой из выделенных групп отходов (табл. 1) можно с применением различных технологических приемов (рис. 3) добиться необходимого комплекса свойств, обеспечивающих максимальную эффективность техногенного сырья. В результате при широком использовании промышленных отходов обеспечивается повышение стабильности свойств и качества выпускаемой продукции.

Дата добавления: 2014-11-07