Утилизация отходов стекла

Введение 

 

Стекло известно человеку с древнейших времён, были найдены археологами предметы различные украшения, амулеты из природного вулканического стекла в различных местах земного шара. 

Различные виды стёкол используется во всех сферах человеческой деятельности: от строительства, изобразительного искусства, оптики, медицины — до измерительной  техники, высоких технологий и космонавтики, авиации и военной техники. Изучается  физической химией и другими смежными и самостоятельными дисциплинами.

Отходы стекла представляют в различных странах 28-38% всех бытовых  отходов. Кроме того значительные отходы стекла образуются на самих стекольных заводах и в строительстве.

В настоящее время некоторые  фирмы для производства стеклотары используют 90% стеклянного боя. В  США и Канаде построено более 30 экспериментальных дорог с использованием более 50% стеклобоя в качестве заполнителя. Эта добавка улучшает торможение и увеличивает долговечность  дорог. Значительное применение отходы стекла нашли в производстве отделочных стеклянных материалов и изделий, а  также блочного и гранулированного пеностекла. Отходы шлифования стекла применяются в качестве кремнеземистого  компонента для замены молотого песка  при производстве автоклавных силикатных изделий. Отходы камнедобычи и камнепиления представляют собой наиболее значительные по объему по сравнению с другими  отходами промышленности. Использование  их в производстве изделий из каменных расплавов является важным направлением рационального их применения. На металлургических заводах стран СНГ ежегодно образуется более 90 млн.т доменных шлаков. Значительная часть их используется в производстве шлакопортландцемента. Вместе с тем  имеются большие резервы неиспользуемых шлаков, которые находят и имеют  большие перспективы для использования  их в производстве изделий из каменного  литья: шлаковой пемзы, шлакового щебня, шлаковаты, шлакосиликатов [12].

Актуальность темы реферата обусловлена тем,  что процесс  переработки готового стекла более  энергоэффективен по сравнению с  производством нового стекла из первичных  материалов.

 

 

 

 

1. Отходы 

 

1.1. Определение и классификация отходов

 

Отходы — вещества (или смеси веществ), признанные непригодными для дальнейшего использования в рамках имеющихся технологий, или после бытового использования продукции.

Отходы различаются:

по происхождению:

отходы производства (промышленные отходы)

отходы потребления (коммунально-бытовые)

по агрегатному  состоянию:

твердые

жидкие

газообразные

по классу опасности (для человека и / или для окружающей природной среды)

В Российской Федерации выделяют следующие классы опасности для  окружающей природной среды:

1й — чрезвычайно опасные

2й — высоко опасные

3й — умеренно опасные

4й — малоопасные

5й — практически неопасные

Отходы производства

Промышленные  отходы — твердые, жидкие и газообразные отходы производства, полученные в результате химических, термических, механических и других преобразований материалов природного и антропогенного происхождения.[1]

Отходы определенной продукции — неупотребимые остатки сырья и/или возникающие в ходе технологических процессов вещества и энергия, не подвергающиеся утилизации.

Часть отходов, которая может  быть использована в том же производстве, называется возвратными отходами. Сюда входят остатки сырья и других видов материальных ресурсов, образовавшиеся в процессе производства товаров (выполнения работ, оказания услуг). Из-за частичной утраты некоторых потребительских свойств, возвратные отходы могут использоваться в условиях со сниженными требованиями к продукту, или с повышенным расходом, иногда они не используются по прямому назначению, а лишь в подсобном производстве (например, автомобильные отработанные масла — для смазки неответственных узлов техники). При этом остатки сырья и др. материальных ценностей, которые передаются в другие подразделения в качестве полноценного сырья, в соответствии с технологическим процессом, а также попутная продукция, получаемая в результате осуществления технологического процесса, не относятся к возвратным отходам.

Отходы, которые в рамках данного производства не могут быть использованы, но могут применяться  в других производствах, именуются вторичным сырьём.

Отходы, которые на данном этапе экономического развития перерабатывать нецелесообразно. Они образуют безвозвратные потери, их предварительно обезвреживают в случае опасности и захоранивают на спецполигонах.

Отходы потребления

Отходы потребления образуются в промышленности и в быту.

Бытовые отходы — твердые отходы, образованные в результате бытовой деятельности человека [10].

 

1.2. Технологии  переработки отходов

 

Ежегодно на территории России образуется до 150 млн.м3 твердых бытовых  отходов, что соответствует по массе 30 млн.тонн. И эти цифры не окончательны, так как с развитием промышленности и технологий, направленных на совершенствования  быта, создаются новые синтетические  материалы, более активно используются уже созданные. Таким образом, каждый год объем накопления ТБО растет. 
Под полигоны захоронения отходов выделяются крупные площади, но это не является решением проблемы, а лишь позволяет вывозить мусор за пределы городских и поселковых территорий, где он, накапливаясь огромными массами, образует устрашающие и, зачастую, опасные залежи отходов[3]. В сложившейся ситуации, развитие отрасли переработки и утилизации мусора приобрело особую актуальность. Многие развитые страны начитают уделять данной проблеме всё большее внимание: строить перерабатывающие заводы, разрабатывать новые методы и технологии. 
На сегодняшний день в мировой практике существует более 20 методов переработки твердых бытовых отходов [1]. По своей конечной цели их подразделяют на: 
утилизационные – это методы переработки отходов, направленные на получение и последующее использование вторичных ресурсов сырья; 
ликвидационные – их основными задачами является сохранение должной санитарно-экологической обстановки и полного или частичного уничтожения отходов. 
Следует заметить, что группа твердых бытовых отходов весьма разнообразна и подразумевает большое количество различных веществ и материалов: от текстиля и пищевых отходов до стекла, пластика и металлов. Кроме этого, общая масса отходов подразделяется на классы опасности и т.д. По типу применяемых технологий существует два основных метода утилизации и переработки бытовых твердых отходов:   
Механико-биологические методы заключаются в компостировании отходов после осуществления их предварительной сортировки. Сортировку отходов выполняет, преимущественно, население, подразделяя их на металл, стекло, бумагу и т.д. Затем, непосредственно на предприятиях переработки выполняется уже механическая сортировка, далее, для экологической безопасности их захоронения отходы сушат и уплотняют. 
Термические методы подразумевают сжигание, пиролиз, газификацию отходов или комбинированные термические методы. Сжиганию подвергаются преимущественно бумажно-полимерные компоненты, помещаемые в топки с кипящим слоем или в установки колосниковыми решётками.

Пиролиз – это разложение отходов под воздействием высоких температур (более 600°С) во вращающихся трубчатых печах без доступа кислорода.

Газификация отходов – это метод, позволяющий переработать их органическую часть в синтез-газ. 
Значительная часть методов утилизации и переработки ТБО обладает высокой себестоимостью и сложностью в технологическом плане, в связи с этим, в настоящее время более часто используются на практике четыре основных направления:

• вывоз мусора на свалку и территорию полигонов;
• биотермическое аэробное компостирование;
• сжигание в условиях мусоросжигательных заводов;
• комплексные методы сжигания и компостирования, либо пиролиз.

Из всех типов твердых  бытовых отходов, самыми востребованными  в области 

переработки и получения  вторичного сырья считаются:

металлы: 

сталь, алюминий — до 100%;

текстиль — до 50%;

макулатура — до 35%.

стекло — до 35%.

Многие научные центры и институты занимаются разработкой  новых технологий и методов утилизации мусора. Состояние экологии и объемы, не утилизируемых в быту твердых  веществ требуют принятия должных  мер [10].

 

2. Стекло

 

Стекло — вещество и материал, один из самых древних и, благодаря разнообразию своих свойств, — универсальный в практике человека. Физико-химически — неорганическое вещество, твёрдое тело, структурно — аморфно, изотропно; все виды стёкол при формировании преобразуются в агрегатном состоянии — от чрезвычайной вязкости жидкого до так называемого стеклообразного — в процессе остывания со скоростью, достаточной для предотвращения кристаллизации расплавов, получаемых плавлением сырья (шихты) [10]. Температура варки стёкол, от 300 до 2500 °C, определяется компонентами этих стеклообразующих расплавов (оксидами, фторидами, фосфатами и др.).  Прозрачность (для видимого человеком спектра) не является общим свойством для всех видов существующих как в природе, так и в практике стёкол.

Стёкла образуются в результате переохлаждения расплавов со скоростью, достаточной для предотвращения кристаллизации. Благодаря этому  стёкла обычно длительное время сохраняют  аморфное состояние. Неорганические расплавы, способные образовать стеклофазу, переходят  в стеклообразное состояние при  температурах ниже температуры стеклования Tg (при температурах свыше Tg аморфные вещества ведут себя как расплавы, то есть находятся в расплавленном состоянии).

Стекло может быть получено путём охлаждения расплавов без  кристаллизации. Практически любое  вещество из расплавленного состояния  может быть переведено в стеклообразное состояние. Некоторые расплавы (как  то — отдельных стеклообразующих веществ) не требуют для этого быстрого охлаждения. Однако некоторые вещества (такие как металлосодержащие расплавы) требуют очень быстрого охлаждения, чтобы избежать кристаллизации. Так, для получения металлических стёкол необходимы скорости охлаждения 105—106 К/с. Стекло может быть получено также путём аморфизации кристаллических веществ, например бомбардировкой пучком ионов, или при осаждении паров на охлаждаемые подложки.

Тогда как значение свойства жидкости (и стабильной, и метастабильной) обусловлено лишь её составом, температурой и давлением, значение свойства неравновесной  жидкости или стеклообразного вещества зависит ещё и от структурного состояния. В данном случае заманчиво описывать структуру произвольной жидкости единым параметром. Вследствие того весьма широкое применение у специалистов в области стекла получил предложенный А. Тулом  способ описания структурного состояния стеклообразного вещества посредством характеристики так называемой структурной температуры Tf (fictive temperature), то есть такой, при которой исследуемое стекло с заданной структурой находится в равновесном состоянии[5]. Впоследствии выявилась практическая невозможность описания стеклообразного состояния одной величиной структурной температуры и необходимость применения целого спектра таких температур  . В настоящее время наряду с релаксационной трактовкой стеклование аморфных веществ объясняется формированием при охлаждении достаточного количества межатомных связей, придающего веществу твердотельные свойства, причем выявлено не только изменение Хаусдорфовой размерности системы связей от фрактальной к трехмерной , но также формирование фрактальных структур при стекловании [2].

Вязкость аморфных веществ — непрерывная функция температуры: чем выше температура, тем ниже вязкость аморфного вещества. Обычно расплавы стеклообразующих веществ имеют высокую вязкость по сравнению с расплавами нестеклообразующих веществ.

Стёкла, в частности благодаря  полимерному строению обладают способностью к гетерогенности. Полимерность стёкол в стеклообразном состоянии придаёт им индивидуальные качества, определяющие, в зависимости от характера этих структурных образований, степень прозрачности и других свойств стёкол. Присутствие в составе стекла соединений того или иного химического элемента, оксида металла, может влиять его окраску, степень электропроводности, и другие физические и химические свойства.[5]

 

 

2.1.История стекла

 

Долгое время первенство в открытии стеклоделия признавалось за Египтом, чему несомненным свидетельством считались глазурованные стеклом фаянсовые плитки внутренних облицовок пирамиды Джессера (27ой век до н. э.); к ещё более раннему периоду (первой династии фараонов) относятся находки фаянсовых украшений, то есть стекло существовало в Египте уже 5 тысяч лет назад. Археология Двуречья, в особенности — Древних Шумера и Аккада, склоняет исследователей к тому, что немногим менее древними образцом стеклоделия следует считать памятник, найденный в Месопотамии в районе Ашнунака — цилиндрическую печать из прозрачного стекла, датируемую периодом династии Аккада, то есть возраст её — около четырёх с половиной тысяч лет. Бусина зеленоватого цвета диаметром около 9 мм, хранящаяся в Берлинском музее, считается одним из древнейших образцов стеклоделия. Найдена она была египтологом Флиндерсом Питри около Фив, по некоторым представлениям ей пять с половиной тысяч лет. Н. Н. Качалов отмечает, что на территории Старовавилонского царства археологи регулярно находят сосудики для благовоний местного происхождения, выполненные в той же технике, что и египетские. Учёный утверждает — есть все основания считать, «что в Египте и в странах Передней Азии истоки стеклоделия… отделяются от наших дней промежутком приблизительно в шесть тысяч лет». 

Существует также несколько  легенд, с той или иной степенью правдоподобия толкующих возможные  предпосылки того, как сложилась  технология. Н. Н. Качалов воспроизводит одну из них, поведанную античным естествоиспытателем и историком Плинием Старшим (I век). Эта мифологическая версия гласит, что однажды финикийские купцы на песчаном берегу, за неимением камней, сложили очаг из перевозимой ими африканской соды — утром на месте кострища они обнаружили стеклянный слиток. 

Египетские стеклоделы плавили  стекло на открытых очагах в глиняных мисках. Спёкшиеся куски бросали  раскалёнными в воду, где они растрескивались, и эти обломки, так называемые фритты, растирались в пыль жерновами и снова плавились.

Фриттование использовалось ещё долго после Средневековья, поэтому на старых гравюрах и при  археологических раскопках мы всегда находим две печи — одну для предварительной плавки и другую для плавки фритт. Необходимая температура проплавления составляет 1450 °C, а рабочая температура — 1100—1200 °C. Средневековая плавильная печь («гуть» — по чешски) представляла собой низкий, топящийся дровами свод, где в глиняных горшках плавилось стекло. Выложенная только из камней и глинозёма, долго она не выдерживала, но надолго не хватало и запаса дров. Поэтому, когда лес вокруг гуты вырубали, её переводили на новое место, где леса было ещё в достатке.