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 (1_ст) 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.

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: і_ст= 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 і_ст = 1,15, что меньше табулированного значения в интервале уверенности 95% и числе степеней свободы :Г = 11.

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 Т_таб = 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: (г_ст = 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 (Р_табл = 2,95).

Объем фосфора для водопотребления на производственные нужды по данным статистического анализа является значимой величиной, так как г_ст = 5,66, что выше табулированного значения (г_ст = 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 Р_таб = 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.

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.