+7 (342) 299 99 69

пн-пт с 900 до 1800

logotype
ГлавнаяО ТБОЛитератураПроблемы рекультивации отходов быта, промышленного и сельскохозяйственного производстваМатематическое описание образования отходов производства и возможные пути их использования в композиционных материалах

Математическое описание образования отходов производства и возможные пути их использования в композиционных материалах

Введение. Устойчивость экосистемы, как известно, складывается при взаимодействии двух основных факторов: особенностей местных природных условий и ресурсов, с одной стороны, и источников загрязнения производственного и непроизводственного характера и их интенсивности - с другой.

Республика Казахстан не располагает достаточно мощными природными факторами для противодействия силам загрязнения. Биогеоценоз ее недостаточно устойчив и отличается высокой уязвимостью и ранимостью. В частности, она бедна водными ресурсами и флорой, маломощный почвенный покров подвержен воздействию ветровой и водной эрозии, что является причиной того, что даже небольшие выбросы могут серьезно осложнить экологическую обстановку. Промышленные предприятия характеризуются многообразием продукции, применяемых технологий и видов сырья; это определяет широкий спектр загрязнителей окружающей среды: атмосферного воздуха, водных бассейнов и почв.

На территории южного региона Республики Казахстан в результате деятельности предприятий горнодобывающей, горно-перерабатывающей и химической отраслей промышленности накоплено значительное количество промышленных отходов.

В структуре промышленных отходов основная доля приходится на химические отходы и вскрышные породы горнодобывающей промышленности. В зависимости от степени опасности твердые отходы хранятся в различных условиях. Различные шлаки, известковый шлам, фосфорная и коксовая мелочь, относящиеся к малоопасным отходам, и нетоксичные (фосфогипс, угольная пыль, шлак термический гранулированный) складируются различным способом.

Одни - на открытой местности в естественных условиях, другие - на специально экранированных площадках. В местах складирования сырья и отвалов под открытым небом в результате вымывания талыми водами, снегопадов, дождей возникает серьезная угроза загрязнения почв. Объемы накопленных промышленных отходов и отходов потребления ежегодно возрастают, тогда как утилизация отходов ведется неравномерно и недостаточно.

Состояние окружающей среды региона, в котором расположены предприятия по переработке фосфоритов, требует эффективного решения экологических проблем, являющихся актуальными в настоящее время. В связи с этим необходим комплексный подход, состоящий из статистического анализа, оценки воздействия действующих промышленных предприятий на окружающую среду, рациональной разработки технологии переработки промышленных отходов.

Учитывая изменяющиеся показатели климата, использование новых законодательных актов и нормативных экологических документов и принципиально новых подходов к охране окружающей природной среды, а также изменение условий хозяйствования, представляется необходимым использование математических моделей, доминирующих практически во всех развитых странах и имеющих официальный статус.

Наращивание производства и введение новых объектов требует оценки воздействия действующих промышленных предприятий на окружающую среду. Кроме того, в связи с нестабильным в последние годы выпуском фосфора, что определяется периодом нестабильного спроса на него, объем выпускаемой продукции несколько снижен. В силу этих причин необходимо было определить зависимость количества твердых отходов от объема выпускаемой продукции. С этой целью нами был проведен статистический анализ.

Объекты и методы исследования. Объекты исследования - твердые промышленные отходы. Физико-механические испытания образцов проводили по ГОСТ 27075. Для проведения математического описания были использованы методы математической статистики. Математическая модель составлена с помощью методов корреляционно-регрессионного анализа. Расчеты выполнены на компьютере в программе Ехсеl.

Обсуждение результатов. Первым этапом составления математической модели промышленного предприятия по производству фосфора было построение корреляционных полей, затем проведен их анализ [1, 2]. По результатам анализа были выдвинуты гипотезы существования зависимости выбросов в окружающую среду от объема производимой продукции. Далее были составлены линейные уравнения регрессии с использованием метода наименьших квадратов. На основе данных корреляции и значимости величин Ы-квадрат и критерия Стьюдента (1ст) выдвинутые гипотезы были подтверждены, либо отвергнуты. Проверка адекватности полученных уравнений проведена по величине критерия Фишера (Б). Статистический анализ был проведен на основе исходных данных, полученных в режиме нормальной эксплуатации промышленного предприятия по переработке фосфоритовой мелочи. Математические модели были получены для твердых отходов производства (коттрельное молоко, термический шлак) и водопотребления на производственные нужды.

На рисунке 1 представлены корреляционные поля зависимости твердых отходов и расхода воды от объема выпускаемого предприятием фосфора. Вид полученных корреляционных полей указывает на вероятностную зависимость исследуемых величин, линейно увеличивающихся при возрастании объема выпускаемой продукции, что позволяет выбрать уравнение регрессии вида:

у = Ьо + Ь1 х, (1) где х - выпуск фосфора; у - количество загрязняющего вещества.

Схема управления ТБО
Рисунок 1 - Зависимость количества твердых отходов и расхода воды на производственные нужды от объема производимого фосфора: а - «коттрельное молоко»; б- термический шлак; в - расход воды на производственные нужды.

Проведение статистического анализа результатов заключалось в проверке значимости всех коэффициентов полученных уравнений в сравнении с ошибкой воспроизводимости и адекватности уравнения. Оценка значимости коэффициентов проведена по величине критерия Стьюдента: іст= Ъ / где Ъ)- ]-й коэффициент уравнения регрессии; - среднее квадратичное отклонение n-го коэффициента.

Данные, полученные статистическим методом, представлены в таблице 1. Видно, что результаты статистического анализа по твердому отходу - «коттрельному молоку» показывают, что для данного вида отхода фосфор не является значимой величиной, так как іст = 1,15, что меньше табулированного значения в интервале уверенности 95% и числе степеней свободы :Г = 11.

Таблица 1 - Значения коэффициентов корреляции выбросов и критериев их оценки

Наименование выброса

Я-кв.

Коэффициенты

и,

Критерий Стьюдента

Б, Критерий Фишера

 Ьо

Ьі

 

 

Коттрельное молоко

0,21

5,36

0,00014

1,15

1,33

Термический шлак

0,99

-6,12

0,0096

30,53

33,50

Расход воды на производственные нужды

0,76

21001,50

0,0583

5,66

32,03

Величина Ы-квадрат значительно ниже 1, что указывает на нелинейный характер зависимости между величинами х и у. Коэффициенты уравнения (1) составляют: Ь0 = 5,36; Ь1 = 0,00014. Уравнение линейной регрессии, имеющее вид:

у = 5,36 + 0,00014х, (2)

где х - объем фосфора, у - количество «коттрельного молока», что не является адекватным эксперименту, так как Б = 1,3, что ниже Ттаб = 2,95, и, следовательно, не может быть использовано, так как выход «коттрельного молока» не является, в данном случае, определяющим фактором при производстве фосфора. Причиной тому могут быть технологические параметры, так как при работе печи на максимальной мощности гидродинамические процессы протекают не в оптимальном режиме.

Для другого твердого отхода, шлака термического, статистический анализ определяет значимость выпуска предприятием фосфора: (гст = 30,53), что значительно выше табулированного значения 1 ст = 2,2. Величина Ы-кв. (0,99) близка к единице, что определяет линейный характер зависимости количества данного вида отхода от выпуска готового продукта. Величины коэффициентов составляют: Ь0 = -6, 124; Ь = 0,01. Уравнение регрессии имеет вид:

у = -6,124 + 0,01х, (3)

где х - объем фосфора, у - количество термического шлака.

Величина критерия Фишера (33,5) указывает на соответствие полученного уравнения эксперименту (Ртабл = 2,95).

Объем фосфора для водопотребления на производственные нужды по данным статистического анализа является значимой величиной, так как гст = 5,66, что выше табулированного значения (гст = 2,2), а уравнение регрессии у = 2001,5 + 0,058х, (4)

где х - общее водопотребление на производственные нужды является адекватным опытным данным, так как Б = 32,033, что выше Ртаб = 2,95.

Значительное накопление твердых отходов производства в окружающей среде требует решения актуальных в настоящее время вопросов их утилизации. В связи с этим неослабевающий интерес представляет проблема связывания отходов производства в композиционные материалы различного назначения. Для выявления возможных путей использования твердых промышленных отходов нами были проведены исследования по разработке технологии их переработки в композиционные материалы. Моделирование оптимальных соотношений связующих, ингредиентов, добавок, наполнителей, отвердителей позволяет прогнозировать возможность получения композитов с необходимыми физико-химическими, санитарно-гигиеническими и эксплуатационными параметрами для создания монолитных спортивных покрытий, беговых дорожек, волейбольных и баскетбольных площадок, работающих в условиях знакопеременного изгиба и изменения температур [3].

В качестве наполнителей нами были использованы фосфорный шлак, отходы резины, отходы поливинилхлорида, каолин, аэросил и др. Вулканизующим агентом композиций в ряде случаев служил отход нефтяной промышленности - сера. Выбор наполнителей обуславливался природой полимерной эмульсии в зависимости от используемого связующего материала.

Композиции были приготовлены на основе бутадиенстирольного каучука в виде латекса, произведенного в г. Темиртау; латекса, используемого в шинной промышленности для пропитки корда (АО «Шымкентшина», г. Шымкент), наиритового латекса, эпоксидированного каучука, эпоксидной смолы. Приготовление смесей с использованием связующих латексов и жидких каучуков с добавками осуществляли при перемешивании пропеллерной мешалкой при разных скоростях перемешивания. Отверждение монолитных покрытий осуществляли на воздухе в течение 24 часов.

Использование в качестве наполнителя фосфорного шлака совместно с резиновой крошкой, каолином, аэросилом приводит к получению материалов с твердостью по Шору А от 40 до 74 усл. ед. и эластичностью по отскоку от 12 до 43%, что соответствует требованиям, предъявляемым к спортивным покрытиям. Величины относительного удлинения, прочность при разрыве, водопоглощение также находятся в пределах спортивно-технических параметров покрытий.

Наблюдаемое улучшение свойств при использовании фосфорного шлака можно объяснить тем, что в его состав входят оксиды алюминия, кремния, магния, фторид кальция, являющиеся минеральных наполнителями, широко использующимися в промышленной практике при получении структурированных полимерных материалов. Кроме того, указанные оксиды металлов являются активаторами вулканизации, повышающими физико-механические свойства резин. Механизм действия фосфорного шлака на улучшение свойств полученных композиций можно объяснить влиянием твердой поверхности (дисперсных частиц фосфорного шлака - смеси различных оксидов металлов и других нерастворимых в каучуке веществ) на процессы формирования пространственной структуры многокомпонентных полимерных систем, изученных нами ранее [4].

Исследования по утилизации твердых отходов предприятий шинной, резинотехнической и легкой промышленности позволили получить композиты, физико-механические свойства которых приведены в таблице 2. Видно, что введение добавок - отходов различных производств позволяет получить монолитные покрытия, имеющие физико-механические свойства близкие к серийным материалам.

Таблица 2 - Физико-механические свойства композиционных материалов

Показатель

серий-

опытный наполни-

резиновая

резиновая

ная

тель, 2,5

крошка,

крошка,

м.ч.

5 м.ч.

10 м.ч.

Условное напряжение при удлинении 300%, МПа

1,32

0,48

0,92

1,03

Условная прочность при растяжении, МПа

18,0

14,1

17,0

15,9

Относительное удлинение, %

540

700

440

450

Твердость по Шору А, усл. ед

66

54

67

68

Минимальный крутящий момент, МД

9,3

6

8

8,5

Время начала подвулканизации, мин

7

10

7,3

7,3

Максимальный крутящий момент, МД

29

25,5

27,3

27,3

Время достижения оптимальной вулканизации, мин.

10.5

22.5

18.5

17

Выводы.

1. Определены математические уравнения регрессии, позволяющие определить зависимость количества твердых отходов от объема производимой продукции, которые могут быть использованы для оценки загрязнения окружающей среды производственными отходами и для расчета воды, расходуемой на производственные нужды.

2. Получены композиционные материалы с использованием отходов производств.

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Рейтинг 0.00 (0 Голосов)
  • Комментарии к статье
  • Вконтакте
  • Facebook

Содержимое второго блока