Проблема пагубного влияния побочных продуктов производства цемента на экологию

В связи с растущей в наше время урбанизацией человечество вынуждено отстраивать достаточное количество зданий и инфраструктуры для удовлетворения своих потребностей. Наиболее распространенным на данный момент материалом является бетон, который имеет достаточное количество плюсов: относительная дешевизна, легкодоступность, простота в использовании. Но наряду с преимуществами есть и недостатки, например, колоссальное загрязнение окружающей среды в ходе его производства [1, 2, 5, 6].

Если быть точнее, главным источником загрязнения является процесс производства цемента - основного скрепляющего элемента бетона. Производство цемента ответственно за 8% всего выработанного человеком углекислого газа, что превышает загрязнение от всех самолётов, кораблей и грузового автотранспорта вместе взятых [1, 5].

На сегодняшний день все альтернативы производства и использования цемента и бетона либо слишком дороги, либо ещё недостаточно проработаны, либо внедряются слишком медленно [2].

Соответственно цели данной работы – объяснить необходимость поиска решения данной экологической проблемы, а также предложить варианты, которые могут быть полезны в осуществлении этой задачи.

Производство бетона и цемента. Основным сырьём для производства цемента является известняк, который смешивают с глиной и во вращающейся камере под действием высокой температуры обжигают горячим газом, получаемым при сжигании природного топлива. При этом образуются гранулы клинкера, которые при смешении с гипсом или другими кристаллическими формами сульфата кальция, образуют цемент. Различают несколько фаз цемента (алит, белит, алюминатная и ферроалюми-натная), которые отличаются содержанием основных компонентов и минеральных веществ (например, катионов алюминия, железа, магния и т.д.). В зависимости от массовой доли определённой фазы в цементе выделяют его различные виды: ро-манцемент, портландцемент, глинозёмистый цемент, магнезиальный цемент и прочие [9, 14-18].

Основным фактором загрязнения окружающей среды является процесс декарбонизации - один из этапов производства цемента, когда происходит разложение известнякового компонента под действием высоких температур с образованием оксидов кальция и углерода.

Также загрязнение происходит и из-за сгорания природного топлива с выделением углекислого газа, который и направляется при высоких температурах на декар- бонизацию известняка. Отработанный и образующийся в этих процессах газ выбрасывается в атмосферу [3, 4, 6].

В большинстве индустриальных процессах, энергия, необходимая для работы техники и нагрева материала, является основным источником двуокиси углерода. Но в случае цемента сам известняк выделяет больше углекислого газа, чем все остальные процессы вместе взятые.

Выброс углекислого газа является основной проблемой при производстве цемента, но помимо этого также происходит попадание в окружающую среду оксидов азота и серы, что может приводить к кислотным дождям из-за смешения газов с водой в верхних слоях атмосферы и образования вследствие этого кислот. Помимо газообразных факторов загрязнения в окружающую среду также попадает большое количество пыли из-за смешения её с отработанным воздухом в печах и образованием дисперсной смеси газа и пыли.

В дальнейшем при смешивании цемента с песком, водой и щебнем получается бетон, в котором цемент и является основным связующим компонентом, от количества которого зависит прочность полученного бетона [10, 11, 13, 16].

Пути решения проблемы. В современном мире можно выделить основные способы решения экологической проблемы производства цемента:

• 1.    Улавливание и хранение углекислого газа:

• 2.    Использование альтернативного цемента:

• 3.    Замена клинкера:

• 4.    Уменьшить количество потребляемого цемента:

• 5.    Использование альтернативного топлива:

Разработка цемента, не требующего в процессе производства клинкера, однозначно уменьшит количество загрязнений. По некоторым расчётам можно будет избежать до 90% вырабатываемого углекислого газа.

Использование вместо известняка его альтернативы (микрокремнезём, летучая зола, топочный шлак), что значительно уменьшит количество вырабатываемого газа.

Если повторно использовать бетон или строить здания с меньшим его количеством, объем потребляемого цемента соответственно также снизится. Более того, возможно использование вместо бетона других материалов.

В качестве топлива можно использовать отходы, которые невозможно переработать, поэтому они отправляются на мусоросжигательный завод. Например, автомобильные шины, резину, изделия из смешанного пластика и другие [1, 2, 3, 8].

Действующее нормативно-правовое регулирование. В настоящее время качество и производство цемента устанавливается государственными стандартами: ГОСТ Р 57293-2016, ГОСТ Р 56828.262017, ГОСТ 30515-2013. Согласно ГОСТу 30515-2013 выделяют следующие типы цемента:

• -    Портландцемент категорий 0, I, II/A, II/B.

• -    Шлакопортландцемент     категорий

III/A, III/B, III/C.

• -    Пуццолановый цемент категорий IV/A, IV/B.

• -    Композиционный цемент категорий V/A, V/B.

Все указанные выше виды цемента изготавливаются на основе портландцемент-ного клинкера, который и является основным источником загрязнения окружающей среды, а также приведены различные дополнительные компоненты, которые могут быть к нему добавлены (доменный гранулированный, электротермофосфорный или топливный шлак, пуццолана, микрокремнезём, глиёж, зола-уноса и т.д.), однако в данном стандарте не рассматриваются цементы не на основе портландцементного клинкера [11, 12, 14, 15, 18]. Целесообразно указание также других видов цемента в этом ГОСТе или создание для них собственных государственных стандартов:

Сульфоалюминатный цемент изготавливается из сульфоалюминатного клинке- ра, в основу которого входят сульфоалюминаты или сульфоферриты кальция. В отличие от портландцемента, при производстве которого используются карбонаты кальция, выделяющие при разложении углекислый газ, суль-фоалюминатный цемент не требует использование известняка, что делает его намного более экологически выгодным. Также такой цемент обладает рядом других плюсов: с увеличением времени эксплуатации, прочность бетона на сульфоалюминатном цементе увеличивается, обладает высокой морозостойкостью и герметичностью, устойчив к карбонизации и коррозии, огнеупорен [9, 11, 12, 17].

Эркрит - бетон, получаемый при смешивании песка, воды, порошкообразного цемента из золы-уноса, извести и порошкообразного алюминия. Производство такого бетона не требует разложения известняка, а, следовательно, и не будет происходить выброс углекислого газа. Такой вид бетона отличается особой лёгкостью, но в то же время и прочностью [9, 17].

Керамикрит - керамический фосфатный материал, образующийся за счёт смешивания порошкообразной жжёной магнезии и растворённого фосфатного порошка. Для его отвердевания требуется поглощение углекислого газа, что способствует уменьшению количества парниковых газов в атмосфере. Керамикрит может использоваться для производства кирпичей, блоков и плиток для кровельных покрытий [9, 17].

Также целесообразно провести дополнительные исследования с целью нахождения оптимального процентного соотношения портландцемента с более экологичными видами цемента, которые используются в качестве добавки для повышения качества бетона. Таким образом, будет уменьшено количество парниковых газов.

При исследовании ГОСТа 30515-2013, в отличие от европейских государственных стандартов, не было найдено никаких директив по минимизации количества вы- бросов парниковых газов при производстве цемента. Также практически отсутствует корреспонденция между ГОСТами по цементу и ГОСТами по экологии. Это создает пробелы в законодательстве, регулирующем состояние окружающей среды. Суммируя всё вышесказанное, можно сделать вывод, что в ближайшем будущем необходимо устранить данный изъян путём доработки существующих нормативно-правовых актов.

После решения данной проблемы качество жизни улучшится у всех граждан, проживающих в регионах, где развита цементная промышленность. Это особенно актуально для жителей Краснодарского края, так как здесь находится действующий Новороссийский цементный завод. В связи с чем, в данном регионе распространены респираторные заболевания. Это позволит государству снизить затраты на здравоохранение, а также поднять свои позиции среди стран, предпринимающих действия по защите природы.

Заключение. Изучив процесс производства бетона и его нормативно-правовое регулирование, была выявлена проблема избыточного образования парниковых газов, которые очень пагубно влияют на состояние атмосферного воздуха. Проанализировав данную проблемы, появилась возможность выдвинуть несколько оптимальных путей её решения.

Вопрос экологии в мире и России в наше время стоит особо остро. Если не принимать необходимые меры, то уже в этом столетии последствия будут необратимы. Воздействия парниковых газов ежегодно повышают температуру атмосферного воздуха, из-за чего нарушается озоновый слой, что повышает мутагенность; тают ледники, что может быть причиной массовых затоплений прибрежных городов. Именно поэтому необходимо принимать решительные меры на государственном уровне.