X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Гальваническое производство является отраслью промышленности, основным видом деятельности которого является нанесение защитных или декоративных металлических покрытий на металлические и неметаллические изделия. Как и в любом другом производстве технологический процесс гальванического нанесения покрытий сопровождается образованием отходов, основную массу которых составляют сточные и промывные воды, отработанные технические растворы и электролиты.

Сточные воды гальванических производств содержат большое количество тяжелых металлов, таких как цинк, хром, никель, свинец, медь и др. Эти вещества и большинство их соединений являются токсичными и представляют опасность для окружающей среды, поэтому сточные воды гальванических производств должны быть очищены от этих загрязнителей. Основным методом, применяемым для этого является реагентный, так как он является наименее затратным и легко осуществимым. Этот метод заключаются в добавлении в сточные воды специальных веществ, например, карбоната кальция, которые реагируют с тяжелыми металлами с образованием нерастворимых соединений, которые впоследствии осаждаются и удаляются из очистных аппаратов и сооружений в виде осадка, так называемого гальванического шлама, который собирается в специальных шламонакопителях. В гальваническом шламе тяжелые металлы и их соединения содержатся в концентрированном виде, а значит гальванический шлам представляет еще большую опасность для окружающей среды и его необходимо утилизировать.

Тяжелые металлы могут быть извлечены из гальванического шлама путем выщелачивания с последующим использованием в металлургических отраслях промышленности, однако это трудоемкий процесс, который не получил в настоящее время широкого применения. Относительно широко гальванические шламы используются в качестве добавок в производстве различного рода строительных материалов: стекла, керамики, асфальта, гипсовых смесей, бетона, керамзита и др., что связано с простотой технологии.

Данная работа посвящена получению керамического материала строительного назначения с использованием гальванического шлама в качестве добавки. Работа проводилась с применением сырьевых материалов Владимирской области.

Основным компонентом шихты являлась глина Суворотского месторождения Владимирской области, состав которой представлен следующими соединениями (в масс. %): SiO₂ = 67,5; Al₂O₃ = 10,75; Fe₂O₃ = 5,85; CaO = 2,8; MgO = 1,7; K₂O = 2,4; Na₂O = 0,7. Данная глина отличается низким содержанием оксида алюминия, обладает числом пластичности 5,2 и относится к малопластичным (по ГОСТ 9169-75) [1], а следовательно, введение добавок в состав шихты будет целесообразным, так как получение качественных изделий только на основе малопластичной глины невозможно.

В качестве первой добавки в шихту использовался гальванический шлам предприятия ОАО "Завод" Автоприбор" (г. Владимир), представляющий собой продукт реагентной очистки сточных вод гальванических производств карбонатом кальция. В состав данного шлама входили следующие соединения (в масс. %): Zn(OH)₂ ≈ 11,3%; SiO₂ ≈ 7,08%; Ca(OH)₂ ≈ 16,52%; Cr(OH)₃ ≈ 9,31%; (Fe²⁺)Cr_2S4 ≈ 4,17%; СаСО₃ ≈40,25 %; CaO ≈ 3,45%; ZnO≈ 2,41%; Cu(OH)₂ ≈ 2,38%; Ni(OH)₂ ≈ 2,62%; Mn(OH)₂ ≈ 0,64%; Pb(OH)₂ ≈ 0,14%. Наличие в составе относительно большого количества соединений цинка, хрома, никеля и меди в виде гидроксидов подтверждает токсичность данного шлама [2], который относится ко 2 – 3 классу опасности.

Дополнительной добавкой в шихту являлась борная кислота марки В-2, соответствующую ГОСТ 18704-78. Борная кислота повышает прочностные характеристики керамики [3, 4] и снижает миграцию из нее тяжелых металлов при использовании гальванического шлама в качестве добавки [1, 2, 5].

Образцы для определения свойств керамического материала на основе исследуемых составов получали при формовочной влажности 8 масс. %, удельном давлении прессования и температуре обжига 1000 ^оС.

У образцов по стандартным для керамических материалов методикам определяли плотность (ρ, кг/м³), прочность на сжатие (σ_сж, МПа), водопоглощение (В, %) и теплопроводность (λ, Вт/м∙^оС).

В связи с токсичностью применяемых добавок образцы разрабатываемого керамического материала проверялись на экологическую безопасность при помощи методики определения смертности дафний Daphnia magna Straus под действием токсических веществ, присутствующих в водной вытяжке из исследуемых образцов по истечении 96 часов [6].

Так как введение гальванического шлама приводит к снижению экологической безопасности материала, а введение борной кислоты в относительно небольших количествах препятствует миграции тяжелых металлов, содержащихся в гальваническом шламе, на первом этапе исследований в состав шихты вводилась только борная кислота с последующей проверкой получаемого материала по указанной методике [6]. Было установлено что при введении в состав шихты до 5 масс. % борной кислоты наблюдается гибель менее 50 % дафний, что подтверждает экологическую безопасность получаемого керамического материала.

В связи с тем, что при введении гальванического шлама экологическая безопасность керамики неизбежно снизиться, было принято решение ограничить количество вводимой в состав шихты борной кислоты 2,5 масс. %.

На следующем этапе экспериментальных исследований в состав шихты на основе исследуемой глины, содержащей 2,5 масс. % борной кислоты, вводился гальванический шлам через каждые 0,5 масс. %. При достижении содержания гальванического шлама свыше 3 масс. % была зафиксирована гибель более 50 % дафний, поэтому для последующего определения исследуемых свойств были выбраны составы, содержащие до 3 масс. % гальванического шлама включительно. Результаты измерения свойств разрабатываемого керамического материала представлены на рисунках 1 и 2.

Рисунок 1. Зависимость плотности и прочности на сжатие разрабатываемого

керамического материала от содержания гальванического шлама в составе шихты

Рисунок 2. Зависимость водопоглощения и теплопроводности разрабатываемого

керамического материала от содержания гальваношлама в составе шихты

Из полученных данных следует, что плотность и прочность на сжатие разрабатываемого керамического материала уменьшаются с увеличением количества гальванического шлама в составе шихты. Это можно объяснить тем, что при температурах 900 – 1000 ^оС во время проведения обжига происходит разложение карбоната кальция и гидроксидов, содержащихся в гальваническом шламе, с образованием диоксида углерода и паров воды, что приводит к повышению количества пор и пустот в объеме материала. Это также приводит к понижению теплопроводности и повышению водопоглощения.

На рисунках 1 и 2 приведены результаты определения свойств только для керамических материалов, полученных на основе составов, в которых количество гальванического шлама не превышает 3 масс. %. Это связано с тем, что при проведении исследований у данных керамических материалов наблюдалась гибель менее 50 % дафний, что подтверждает экологическую безопасность материала. При более высоких количествах гальванического шлама в составе шихты экологическая безопасность материала не обеспечивается.

Из проведенных исследований следует, что при использовании исследуемой глины с добавлением 2,5 масс. % борной кислоты и до 3 масс. % гальванического шлама может быть получен экологически безопасный керамический материал. Таким образом, использование данного состава позволит утилизировать токсичный промышленный отход и сократить уровень загрязнения окружающей среды.

Получаемый керамический материал может быть использован в качестве стеновых строительных изделий в строительстве зданий малой и средней этажности, так как обладает достаточными для этой области применения прочностью на сжатие и водопоглощением. Плотность разрабатываемого материала позволяет получать изделия средней массы, а теплопроводность сравнима со средней теплопроводностью стеновых керамических изделий.

Список литературы

1. Воробьева А.А., Виткалова И.А., Торлова А.С., Пикалов Е.С., Панов Ю.Т. Оптимизация состава шихты для производства строительной керамики с использованием гальванического шлама и стекольного боя // Бутлеровские сообщения. 2016. Т. 47. № 8. С. 93-98.

2. Сухарникова М.А., Пикалов Е.С. Исследование возможности производства керамического кирпича на основе малопластичной глины с добавлением гальванического шлама. Успехи современного естествознания. 2015. № 10. С.44-47 – URL: http://www.natural-sciences.ru/ru/article/view?id=35648

3. Марьин В. К., Кузнецов Ю. С., Новокрещенова С. Ю. Опыт утилизации промышленных отходов в Пензенской области // Экология и промышленность России. 2005. № 5. С. 28 – 33.

4. Абдрахимов В. З., Колпаков А. В. Инновационные направления использования кальцийсодержащего нанотехногенного сырья: осадок отхода сточных вод, отхода пыли-уноса асфальтобетонных заводов, шлама от водоочистки воды и гальванического шлама в производстве кирпича // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2013. № 8. С. 41 – 46.

5. Сухарникова М.А., Пикалов Е.С. Санитарно-гигиеническая оценка керамического кирпича с добавлением гальванического шлама // Успехи современного естествознания. 2016. № 1-0. С. 31-34 – URL: http://www.natural-sciences.ru/ru/article/view?id=35736

6. Методика определения токсичности воды и водных вытяжек из почв, осадков сточных вод, отходов по смертности и изменению плодовитости дафний. Федеральный реестр ФР.1.39.2007.03222 // Алексей Кощеев. Просто и доступно о сложном. URL: http://www.koshcheev.ru/wp-content/uploads/2012/07/Petrik-FR-1-39-2007-03222.pdf

Код для цитирования: Скопировать