Д.т.н., профессор Баталин Б.С., инженер Козлов И.А.

Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Россия

Использование скопа как вторичного сырьевого ресурса для обеспечения экологической безопасности жилья

Проблема энергоэффективности при строительстве жилых зданий и сооружений в России в настоящее время остаётся актуальной. Решение её в большей мере сосредоточено на повышении теплозащитных свойств ограждающих конструкций путём монтажа теплоизоляционного материала внутрь ограждающей конструкции или на её поверхности.

В качестве теплоизоляционного материала часто используется пенополистирол и другие органические утеплители. Подобное использование пенополистирола способствует возникновению ряда проблем, основными из которых являются конструктивные и экологические.

К конструктивным проблемам относится проблема нарушения однородности ограждающих конструкций, приводящая к образованию конденсата на границе раздела сред, дальнейшему увлажнению утеплителя, снижению сопротивления теплопередаче и сроков службы стены. Кроме того, срок эксплуатации пенополистирола, по разным оценкам, не превышает 25-50 лет, что делает проблематичным его использование в строительстве зданий со сроком службы 100 лет и более [5].

Экологическая безопасность органических утеплителей в последнее время не внушает доверия. Все или почти все искусственные органические утеплители выделяют вредные для здоровья людей вещества, такие как ароматические и предельные. Следует отметить, что среди химических веществ, мигрирующих из строительных материалов, преобладают ароматические углеводороды – производные бензола, хлорпроизводные углеводороды жирного ряда (хлороформ), большинство которых относиться ко второму классу токсичности по ГОСТ 12.1.007-76, т.е. к высокотоксичным соединениям, обладающим кумулятивными и канцерогенными свойствами.

По существующим данным количество летучих компонентов (пикограммы), выделяемых 1 гр. исследуемого образца пенополистирола в замкнутом объёме (20 см³) при 50 С⁰ достигает: бензола - 4944,00; хлороформ – 1420,00; стирол – 172600,00; толулол - 1200,00. Согласно СанПиН 2.1.2.729-99 содержание вредных веществ в разумных пределах допустимо, если их количество не превышает предельно-допустимые концентрации (ПДК), но никто не учитывает временной факт воздействия этих компонентов на организм человека [1, 3, 4, 6]. Таким образом, возникает проблема защиты людей от вредных воздействий утеплителя.

Одно из решений данной проблемы заключается в использовании сорбционно-активных веществ. В качестве одного из таких веществ можно выделить так называемый скоп - отход картонного производства, образующийся в огромных количествах при производстве бумаги целлюлозно-бумажными комбинатами, в том числе и предприятием ООО «Пермский картон», скоп которого использовался нами в исследованиях.

Указанный скоп представляет собой волокно целлюлозы с примесями лигнина, карбонатов натрия, калия, магния и кальция, а также небольшого количества фосфатов и нитратов этих же металлов. Волокно по объему составляет 75-90% скопа, тонкость помола - 60-63⁰ [7], влажность скопа до переработки в листы – 19-65%, рН – 5,9-6,5, скоп представлен волокнами целлюлозы длиной до 150-250 мкм, толщиной 1-5 мкм. Волокна скопа расположены хаотично относительно друг друга, либо переплетены между собой. Твердые включения или примеси в образцах скопа не обнаружены [2]. По данным института экологии и генетики микроорганизмов УрО РАН ГУПР по Пермской области скоп предприятия ООО «Пермский картон» относится к V классу опасности для окружающей среды.

Существующие разработки в области материаловедения позволяют говорить о перспективности использования строительной индустрией скопа как основного вторичного сырьевого ресурса для производства материалов строительного назначения, таких как плиты из скопа, гипсоплиты, неснимаемая опалубка из скопа с цементом и т.д. Благодаря своему химическому составу и строению скоп можно использовать и в качестве самостоятельного органического композиционного вяжущего, включающего связующее и волокно. Используемый в строительных материалах скоп может одновременно выступать и в качестве сорбента.

Для доказательства способности скопа к адсорбции вредных веществ, в лаборатории кафедры строительных материалов и спецтехнологий были изготовлены образцы-кубы пенополистирола с нанесением на их поверхность слоя чистого влажного скопа толщиной 1 см, а также образцы-кубы пенополистирола с нанесением на их поверхность слоя влажной смеси скопа и цемента толщиной 1 см. Смесь скоп-цемент может выступать в качестве штукатурки. Дополнительно для подтверждения чистоты экспериментов нами были изготовлены образцы цементно-песчаного раствора с нанесением на их поверхность аналогичных составов скопа и скопа с цементом. Образцы изготовляли в количестве 3-х шт. каждого состава. Изготовленные образцы хранили в течение 1 года в нормальных условиях, после чего произвели химический анализ слоя чистого скопа, а также смеси скоп-цемент на предмет обнаружения выделенных пенополистиролом и адсорбированных скопом вредных органических соединений, таких как: формальдегид, стирол бензол, толуол, этилбензол, о,м,п-ксилол. Исследования были осуществлены совместно с Пермским Институтом детской экопатологии.

Селективное определение формальдегида в образцах проводили методом высокоэффективной жидкостной хроматографии в обращенно-фазном варианте на колонке, заполненной Диасорбом 130 С₁₆Т, с использованием УФ-детектора. Методика анализа основана на предварительном переводе формальдегида в 2,4-динитрофенилгидразон формальдегида, его концентрировании из образца экстракцией гексаном, высушивании гексанового экстракта, растворении высушенного остатка в ацетонитриле и анализе на жидкостном хроматографе «Милихром-4» при длине волны 358 нм. Методика анализа обеспечивает определение формальдегида в материале в диапазоне концентраций 0,001-2,0 мкг/мг с суммарной погрешностью, не превышающей ±9,52 % для формальдегида. Определению не мешают другие альдегиды, а также алифатические спирты, карбоновые кислоты, кетоны.

Селективное определение стирола в исследуемых образцах проводили методом высокоэффективной жидкостной хроматографии в обращенно-фазном варианте на колонке, заполненной Сепарон C₁₈ , с использованием УФ-детектора. Методика анализа основана на извлечении стирола из субстрата путем экстракции гексаном в присутствии гидроксида натрия и анализе экстракта на жидкостном хроматографе с насосом высокого давления НРР 5001 (ЧССР) при длине волны 254 нм. Методика анализа обеспечивает определение стирола в диапазоне концентраций 0,1-550 мкг/мг с суммарной погрешностью, не превышающей 16,60 % при доверительной вероятности 0,95. Определению не мешают алифатические и ароматические углеводороды.

Исследования по определению содержания ароматических углеводородов выполнены на газовом хроматографе ЛХМ-80. Нижний предел обнаружения: бензола-0,002 мкг/мл, толуола-0,002 мкг/мл, этилбензола-0,005 мкг/мл, п.м-ксилолов-0,005 мкг/мл, о-ксилола-0,005 мкг/мл.

Выполнение измерений массовой концентрации ароматических углеводородов проводили методом газовой хроматографии с детектором ионизации в пламени с использованием стальной колонки Зм, заполненной неподвижной жидкой фазой ApiezonL на хроматоне N-супер фракции 0,16-0,20 мм. Методика основана на предварительном выделении ароматических углеводородов из образцов путем нагревания объекта в герметичном объеме и последующем газохроматографическом анализе парогазовой пробы [8, 9, 10].

Предварительная подготовка исследуемых образцов из скопа и скопа с цементом заключалась в измельчении и гомогенизации этих образцов с целью получения усредненной пробы. Исследования образцов скоп и скоп-цемент проведены из соответствующих партий сорбентов по трем навескам массой 1 г. из каждой партии. Результаты химического анализа образцов представлены в таблице 1.

Таблица 1

№	Образец	Концентрация, мкг/г
		Бензол	Толуол	Формальдегид
1	скоп	0,068	0,240	0,086
	скоп	0,056	0,254	0,075
	скоп	0,069	0,340	0,072
	Среднее значение	0,064	0,278	0,078
2	скоп	0,083	0,250	0,074
	скоп	0,091	0,256	0,064
	скоп	0,080	0,251	0,059
	Среднее значение	0,085	0,252	0,066
3	скоп	0,087	0,258	0,093
	скоп	0,082	0,240	0,085
	скоп	0,077	0,249	0,088
	Среднее значение	0,082	0,249	0,089
1	Скоп+цемент	0,012	0,040	0,096
	Скоп+цемент	0,015	Не обнаружено	0,117
	Скоп+цемент	0,013	Не обнаружено	0,111
	Среднее значение	0,013	0,013	0,108
2	Скоп+цемент	0,022	Не обнаружено	0,083
	Скоп+цемент	Не обнаружено	0,030	0,094
	Скоп+цемент	Не обнаружено	Не обнаружено	0,095
	Среднее значение	0,007	0,010	0,091
3	Скоп+цемент	Не обнаружено	Не обнаружено	0,086
	Скоп+цемент	0,015	0,050	0,089
	Скоп+цемент	Не обнаружено	Не обнаружено	0,095
	Среднее значение	0,005	0,017	0,090

Результаты химического анализа образцов скопа и скопа с цементом

В результате проведенных исследований были обнаружены соединения класса углеводородов бензол и толуол, а также формальдегид, во всех образцах скопа и скопа с цементом, контактировавших с пенополистиролом. Стирол, этилбензол и о,-м,-п-ксилолы в указанных образцах не обнаружены. Исследования показывают, что пробы скопа и скопа с цементом, контактировавшие с образцами цементно-песчаного раствора в отличие от аналогичных проб, контактировавших с пенополистиролом, не содержат в своём составе предельные и ароматические углеводороды.

Полученные результаты позволяют разработать технологии строительных материалов из скопа, который может выступать как не только как волокнистый наполнитель, но и как сорбционно-активное вещество, способное на различных этапах эксплуатации строительного объекта поглощать вредные для здоровья людей органические соединения.

Используемая литература

1. Ананьев А.И. Фактическая и прогнозируемая долговечность пенополистирольных плит в наружных ограждающих конструкциях зданий / А.И. Ананьев, О.И. Лобов, В.П. Можаев, П.А. Вязовченко // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. - 2003. - №10. - С.16-17.

2. Баталин Б.С. Исследование физико-механических свойств скопа предприятия Пермский картон / Б.С. Баталин, И.А. Козлов // Изв. Вузов. Строительство. - 2004. - №1. - С. 32-34.

3. Васильев Г.А. Полимеры и среда обитания человека / Г.А.Васильев, В.В. Бояркина // Мост. - 1999. - №2. – С.10-12.

4. Жуков Д.Д. Жуков. Осторожно – пенополистирол! / Д.Д. Жуков // Белорусская деловая газета, от 20.01.2004.

5. Сахаров Г.П. Эффективные материалы с повышенными теплозащитными и строительно-эксплуатационными свойствами // «Поробетон-2005»: Сборник докладов Международной научно-практической конференции. – Белгород: БГТУ им. В.Г. Шухова, 2005. С. 39-49.

6. Ясин Ю.Д. Пенополистирол. Ресурс и старение материала. Долговечность конструкций / Ю.Д. Ясин, В.Ю. Ясин, А.В. Ли // Строительные материалы. - 2002. - №5 - С.33-35.

7. ГОСТ 14363.4 – 89. Метод подготовки проб к физико-механическим испытаниям. – Введ. 1989-01-01. – М.: Изд-во стандартов. 1979. – 12 с.

8. Сборник методических указаний МУК 4.1.763-4.1.779-99. Определение химических соединений в биологических средах. – М.: Минздрав РФ, 2000. – 152 с.

9. Руководство по контролю загрязнения атмосферы: РД 52.04. 186-89. М.: Минздрав РФ, 1991. – 327 с.

10. ВЭЖК определение формальдегида и предельных альдегидов (С₂-С₁₀) в воздухе: МУК 4.1.1045-01. - Минздрав РФ, 2002. – 10 с.