Виды воздействия на окружающую среду при производстве теплоизоляционных материалов

Понятие геоэкологических рисков в современной литературе используется довольно часто. Но применение такой терминологии, как правило, связано с экономическими потерями при разработке месторождений или устройстве трубопроводов. Если понимать под геоэкологическими рисками произведение вероятности наступления аварийной ситуации на производстве и величины ущерба от этой аварии, то необходимо проводить их анализ и оценку при проектировании, эксплуатации производств различных строительных материалов. Потребности строительной отрасли в минераловатных изделиях оцениваются специалистами из Института экономики Сибирского отделения РАН в 0,1 м³ в год на жителя. Мировое производство минеральной ваты составляет около 5 миллионов тонн в год. Производства минераловатных изделий создают негативные нагрузки на все геосферы: литосферу, гидросферу, атмосферу и биосферу.

Среди негативных воздействий следует выделить: санитарно-гигиенические аспекты воздействия волокон на организм человека, возможные эмиссии из связующих веществ, энергозатраты и выделения при сжигании топлива, возможные выделения в окружающую среду побочных продуктов. Все перечисленные воздействия следует учитывать на разных стадиях производственного процесса. Для обеспечения качества минераловатного производства, в том числе в геоэкологическом аспекте, следует принимать во внимание следующие факторы:

. Качество сырья (модуль кислотности; доступность в регионе).

. Энергоемкость производства (тип технологического оборудования; первичные энергозатраты на единицу продукции; возобновляемые энергоресурсы).

. Качество и количество связующего вещества.

. Возможные выделения в окружающую среду (оказывающие воздействие на парниковый эффект; потенциал разрушения озона; закисление почв; фотохимический смог).

. Особенности эксплуатации (теплотехнические свойства; водопоглощение; диаметр волокон; противопожарные свойства; паропроницаемость; воздухопроницаемость свойства при длительных нагрузках).

Как известно, в качестве сырьевых компонентов для изделий из минеральной ваты выступают горные породы (диабазы, базальты), а также отходы, образовавшиеся при производстве бетона. Кроме того, в состав минераловатных изделий входят связующие вещества (например, фенолформальдегидные смолы) и вещества, повышающие прочность адгезии волокон со связующим. Месторождения базальта, используемого для производства минеральной ваты, расположены во многих регионах от Ровненской области (Украина) до Судунтуйского месторождения Читинской области. Основным критерием возможности использования сырья является модуль кислотности, характеризующийся отношением количества оксидов SiO₂ и Al₂O₃ к количеству оксидов СаО и MgO. Все базальтовые породы классифицированы по качеству в зависимости от величины модуля кислотности. Как правило, считается, что расстояния для транспортировки сырьевых компонентов до производства не должны превышать 150 км, но выполняется это для минераловатной промышленности далеко не всегда. Часто, когда значения модуля кислотности отличаются от оптимальных, приходится готовить многокомпонентную шихту с добавкой оксидов щелочноземельных металлов, что некоторым образом усложняет технологический процесс.

В целом производственный процесс изготовления минераловатных изделий может быть разделен на несколько этапов: получение расплава (вагранка, индукционная или плазменно-дуговая печь), вытягивание волокон, добавление связующего, формирование изделий (плиты, маты, сегменты и др.). Каждый из этапов, в свою очередь, оказывает определенное воздействие на окружающую среду, связанное, в частности, с энергозатратами. В связи с этим ведутся исследования с целью уменьшить энергоемкость технологии. Например, в индукционных печах и вагранках расход энергии получается 5-6 кВт∙ч/ кг расплава, а в плазменно-дуговых этот показатель в 2-3 раза ниже. Энергозатраты на расплав шихты максимальны при использовании газового пламени в ванной печи (свыше 30 МДж/ кг). Наиболее точные данные можно получить по данным о полном технологическом процессе, в таком случае удельными единицами могут явиться кубометр или килограмм минеральной ваты. В таблице 1 приведены данные о воздействиях на окружающую среду по всему технологическому процессу в расчете на 1 кг минеральной ваты. Воздействия приведены в кг эквивалентного вещества, оказывающего негативный эффект при попадании в биотоп.

Таблица 1 Удельные энергозатраты и воздействия на окружающую среду при производстве минераловатных изделий

При эксплуатации изделий из минеральной ваты должны учитываться такие ее свойства, как сорбционное увлажнение, средний диаметр волокон, показатели теплопроводности, паро- и воздухопроницаемости. Например, минераловатные изделия из соображений безопасности должны иметь диаметр волокон не менее 4 мкм, поскольку волокна диаметром менее 3 мкм относятся к категории, опасной при вдыхании пыли. В частности, химический состав базальтовых масс из Читинской области позволяет создавать волокна диаметром около 8 мкм эффективных как с точки зрения теплоизоляционных свойств, так и с позиций безопасности. В то же время ведутся исследования в направлении создания супертонких искусственных минеральных волокон, которые могут растворяться в физиологической среде человеческого организма. Модификация минераловатных изделий алюмокальциевым шламом позволяет улучшить теплотехнические характеристики и показатели воздухопроницаемости. В то же время алюмокальциевый шлам является осадком техногенного происхождения, что требует дополнительных исследований по безопасности его применения для модификации волокнистых материалов. Специалисты среди требований к изделиям из минеральной ваты рассматривают такие и свойства, как невысокое водопоглощение, противопожарные свойства, устойчивость при длительных нагрузках и др..

Особенно важной проблемой всего жизненного цикла теплоизоляционных материалов на основе минеральных волокон является вопрос их переработки по окончании периода использования по назначению. Некоторые изделия могут повторно использоваться для изготовления волокна, но этот процесс осложняется при увеличении количества связующего.

Выше перечислен ряд воздействий производств минеральной ваты на окружающую среду и рассмотрены их особенности по различным стадиям жизненного цикла минераловатных материалов. Каждое из приведенных воздействий представляет собой фактор риска от геоэкологических проблем до вопросов, связанных с охраной труда на соответствующих предприятиях. Под управлением производственными рисками следует понимать комплексные мероприятия организационного и технического характера, основывающиеся на результатах количественного анализа.

Большинство имеющихся на рынке ТМ можно подразделить на следующие основные подгруппы:

. Минераловатные и стекловатные плиты и маты.

. Пенопласты: пенополистирол, пенополиуретан, пеноизол.

. Вата и плиты из растительных, древесных волокон или волокон животного происхождения.

. Вспученные природные материалы: пеностекло, перлит, вермикулит, пенокерамика и др.

Материалы из первой подгруппы получают путем расплава каменного или стеклянного сырья и далее из этих волокон формируют плиты или маты различной плотности, при этом в процессе производства расходуется большое количество энергии. В качестве связующего для плит используют порядка 5% синтетических фенолформальдегидных и др. полимеров. Свойства плит и матов из минеральных и стеклянных волокон зависит в частности от их плотности, размеров волокна, количества связующего, способа формования и т.д.

Данные ТМ относятся в основном к группе негорючих материалов, хотя при высокой температуре синтетическое связующее выгорает и плита рассыпается на отдельные волокна. При низких плотностях плиты и маты имеют очень большую сжимаемость под нагрузкой и воздухопроницаемость. Если при эксплуатации конструкций водяные пары попадают в данный утеплитель, то, проходя через стену, конденсируются в воздушных порах, что приводит к резкому снижению теплопроводности материала. Отсюда обязательным условием применения минераловатных и стекловатных плит является устройство сплошной пароизоляции с внутренней поверхности дома и, соответственно, устройство приточно-вытяжной вентиляции. Устройство сплошной пароизоляции предотвращает в некоторой степени попадание в жилые помещения формальдегида, фенола и других вредных, канцерогенных веществ, выделяющихся из связующего весь период эксплуатации данных ТМ.

Материалы второй группы получают путем вспучивания и формования различных полимеров. Свойства также зависят от рода полимера (полистирол, полиуретан, карбамидоформальдегид и др.), плотности и способа формования (экструзия или беспрессовый метод). Экструзионные пенопласты имеют в основном замкнутую пористость и как следствие низкую теплопроводность и водопоглощение. Пенопласты не экструзинонные имеют более высокое водопоглощение и при увлажнении сильно теряют теплопроводность. Данные материалы, как правило, хорошо горят и при горении выделяют сильные отравляющие вещества (например синильную кислоту, формальдегид). Неспроста пенополистирол, имеющий одну из самых высоких температур горения 1100 градусов Цельсия, применяли в напалмовых бомбах. В течение всего срока эксплуатации данные материалы, разлагаясь, выделяют стирол, формальдегид и другие канцерогенные вещества, отрицательно воздействующие на здоровье человека. Происходит усадка материалов, причем скорость этих процессов постепенно затухает. В первые месяцы эксплуатации пенополистирол дает очень сильную усадку, поэтому его даже рекомендуется перед применением вылеживать на складах. Теплопроводность с годами существенно увеличивается. Многие исследования показали, что срок эксплуатации данных материалов незначителен - 10-15 лет, особенно сильно это проявляется при нагреве солнечными лучами.

Третья группа ТМ наиболее обширна - сюда входят материалы из распушенных растительных и древесных волокон: древесноволокнистые плиты, целлюлозная вата (эковата), маты из льняного, конопляного, коксового, хлопкового волокна, а также овечья шерсть, утиный пух. Данные материалы производят обычно из вторичных ресурсов, отходов производства: макулатуры, опилок, старых джинсов и др. Из всего разнообразия на нашем рынке в основном представлены первые три. Данные органические волокнистые материалы имеют существенное отличие от минеральных волокон и пенопластов - они способны своими капиллярными волокнами впитывать излишки влаги и проводить ее через стены к наружной поверхности, воздушные поры при этом остаются сухими и поэтому теплопроводность при увлажнении до 20-23% практически не меняется. При использовании таких ТМ для изоляции дома устройство сплошной пароизоляции не требуется, т.е. вентиляция дома происходит естественным способом через стены (как в бревенчатом доме), тем самым в доме поддерживается наиболее комфортный климат. Для предотвращения возгорания и гниения в целлюлозную вату вводят антипирены и антисептики (бура и борная кислота) - нелетучие, не канцерогенные, безвредные для человека минеральные вещества. Древесная или целлюлозная вата в отличие от плит и матов подается в конструкцию по шлангу пневмотранспортом, заполняя все полости и создавая бесшовную изоляцию, устраняя утечки тепла по щелям на контакте конструкции и изоляции, существенно повышая энергоэффективность теплоизоляции. Данные материалы требуют наименьшее количество энергии при их производстве.

ТМ четвертой группы получают путем вспучивания природных минеральных веществ: вулканических стекол, перлитов, глин и др. Материалы не горючие, не гниющие, а пеностекло еще и не поглощает влагу, хотя имеют чуть более высокие показатели теплопроводности. Они не выделяют ничего вредного при эксплуатации, но на их производство расходуется большое количество энергии.

При выборе теплоизоляции здания руководствуются условиями эксплуатации конкретной конструкции. Характерный пример - брусовые или бревенчатые дома, отапливаемые периодически, например дровяным камином. При утеплении наружных стен по фасаду необходимо учитывать, что брусовая стена не может быть пароизолирована изнутри дома, а делать пароизоляцию между брусом и теплоизоляцией - значит создавать условия для конденсации влаги в деревянной стене, что приведет к разрушениям и сокращению срока службы здания. Единственным правильным решением в данном случае будет использовани целлюлозной или древесной ваты, которые не требуют устройства пароизоляции и способны выводить влагу по капиллярам (как деревянный брус) на фасад, где она испаряется.