Медный шлак является побочным продуктом извлечения меди путем плавки . Во время плавки примеси превращаются в шлак , который плавает на поверхности расплавленного металла. Шлак, который охлаждается в воде, образует угловатые гранулы, которые утилизируются как отходы или используются, как описано ниже.
Шлаки из руд, механически обогащенных перед плавкой, содержат в основном оксиды железа и оксиды кремния.
Медный шлак образуется в процессе плавки меди. Ежегодно производится около 4,5 миллионов тонн медного шлака. Хотя медный шлак используется при дробеструйной очистке и захоронении отходов, по состоянию на 2015 год используется только 15–20 % из него. Поскольку это материал, который сильно теряется, поиск способов его использования в различных отраслях промышленности может сократить общее количество отходов. Одно исследование, проведенное Школой ресурсов и техники безопасности в Центральном южном университете в Чанше, Китай, изучает медный шлак как бетонный заполнитель. [1] В этом исследовании специально изучаются экологические преимущества медного шлака. Выполнив оценку жизненного цикла обычного бетона и бетона с медным шлаковым заполнителем, исследователи смогли сравнить выбросы углерода обоих материалов и то, насколько материалы чувствительны к изменениям.
Оценка жизненного цикла проводилась в 4 этапа: цель и область применения, анализ инвентаризации жизненного цикла, оценка воздействия жизненного цикла и интерпретация жизненного цикла. Цель и область применения оценки жизненного цикла заключались в оценке воздействия цемента на окружающую среду от колыбели до ворот. От колыбели до ворот — это время от сбора материалов до момента доставки для использования. Анализ инвентаризации жизненного цикла собирает данные о входе и выходе энергии на протяжении всего процесса создания цемента в пределах цели и области применения. Входными данными, которые рассматривались в этом процессе, были сырье и энергия, а выходными — различные выбросы, такие как углекислый газ, оксид углерода и т. д. Во время оценки воздействия жизненного цикла были охарактеризованы, нормализованы и проведен анализ чувствительности для определения потенциала абиотического истощения (ADP), потенциала глобального потепления (GWP), потенциала токсичности для человека (HTP), потенциала подкисления (AP), потенциала эвтрофикации (EP) и потенциала фотохимического окисления (POP) на протяжении всего процесса производства. После завершения анализа результаты подтверждаются другими исследованиями в рамках фазы интерпретации жизненного цикла.
Анализ жизненного цикла пришел к выводу, что цемент на основе медного шлака более устойчив, чем обычный портландцемент. В каждой основной категории оценки воздействия на жизненный цикл, за исключением потенциала токсичности для человека (HTP), обычный портландцемент оказал более негативное воздействие, чем медный шлак. Более высокий потенциал токсичности для человека в медном шлаке был вызван электричеством, затраченным на измельчение медного шлака, который имеет неудовлетворительную измельчаемость. Наиболее существенное расхождение было в категории потенциала абиотического истощения (ADP) с разницей в 46,5%. ADP — это истощение неживых организмов, таких как ископаемое топливо. Переработка медного шлака требует меньше сырья и угля, поэтому интуитивно понятно, что цемент на основе медного шлака оказывает меньшее воздействие на ADP. В целом, общее воздействие портландцемента на окружающую среду было на 13,95% выше, чем цемента на основе медного шлака, что свидетельствует о положительном влиянии использования заполнителя из медного шлака.
В 2015 году кафедра гражданского строительства в Институте технологий и науки Паризутама провела исследование поведения медного шлакового заполнителя. [2] Целью исследования было проверить жизнеспособность медного шлака как заполнителя. Чтобы увидеть, насколько применим медный шлак в строительной отрасли, были оценены различные соотношения медного шлака и песчаных смесей в бетоне, чтобы понять влияние медного шлака на бетон. Были исследованы такие свойства, как прочность на сжатие, прочность на растяжение, осадка и удобоукладываемость.
Влияние медного шлака на прочность бетона на сжатие было обнаружено путем проведения испытания на прочность на сжатие различных 7- и 28-дневных бетонных смесей. Соотношение медного шлака и песка в каждой смеси варьировалось с шагом 20% от 0% до 100%. При наличии в каждой смеси уникального количества меди влияние медного шлака на бетон можно наблюдать. Результаты испытания на прочность на сжатие показали, что прочность на сжатие увеличивалась по мере увеличения количества медного шлака в смеси. В 28-дневной смеси с 0% медного шлака заполнитель имел емкость 35,66 МПа, тогда как смесь со 100% медного шлака имела емкость 48,76 МПа.
Медный шлаковый заполнитель также был испытан в ходе испытания на прочность на растяжение при раскалывании, чтобы понять, как он влияет на растяжение бетона. Параметры испытания были такими же, как и для испытания на сжатие с 7- и 28-дневными смесями, имеющими различное количество медного шлакового заполнителя с шагом 20%. Медный шлак, как оказалось, увеличивает прочность на растяжение, поскольку смеси с большим содержанием медного шлака имели высокие показатели. 28-дневная смесь с 0% медного шлакового заполнителя имела показатель 4,75 МПа, в то время как смесь со 100% медного шлака имела показатель 8,64 МПа. В обоих испытаниях также наблюдалась осадка бетона. Осадка — это измерение консистенции бетона до его застывания, причем более высокая осадка означает большую текучесть. Как и результаты испытаний на прочность, осадка увеличивалась с более высоким содержанием медного шлака. Смесь 0% медного шлака имела осадку 25 мм, а смесь со 100% медного шлака имела осадку 82 мм. Эти результаты могут быть связаны с низким водопоглощением медного шлака (0,16%) по сравнению с песком (1,25%).
Исходя из прочности, медный шлаковый заполнитель является прекрасной альтернативой песку. Для максимальной прочности идеальной является 100% замена медного шлака на песок. Однако медный шлак имеет более низкое водопоглощение и создает более высокую осадку, что вызывает кровотечение в бетоне. Кровотечение — это процесс, при котором вода из бетона выталкивается вверх из-за оседания тяжелых частиц в бетонной смеси. Из-за этой проблемы исследователи рекомендуют использовать до 60% медного шлака в соотношении с песком. [3]
Медный шлак в основном используется для очистки поверхности абразивоструйным методом. Абразивоструйная обработка используется для очистки и придания формы поверхности металла, камня, бетона и других материалов. В этом процессе поток абразивных зерен, называемых абразивом, направляется к заготовке. Медный шлак — это всего лишь один из многих различных материалов, которые могут использоваться в качестве абразивного абразива. Скорость расхода абразива, количество образующейся пыли и качество отделки поверхности — вот некоторые из переменных, на которые влияет выбор абразивного материала.
На международном уровне описанная среда производится в соответствии со стандартом ISO 11126-3 [4].
Дробеструйный материал, изготовленный из медного шлака, наносит меньше вреда людям и окружающей среде, чем песок. Продукт соответствует самым жестким санитарным и экологическим стандартам.
Медный шлак может использоваться в производстве бетона в качестве частичной замены песка. Медный шлак используется в качестве строительного материала , формованного в блоки. Такое использование было распространено в районах, где производилась плавка, включая Сент-Хеленс и Корнуолл [5] в Англии . В Швеции (регион Шеллефтео) выпариваемый и отстоявшийся гранулированный медный шлак из медеплавильного завода Boliden используется в качестве дорожно-строительного материала. Гранулированный шлак (фракция <3 мм) обладает как изоляционными, так и дренажными свойствами, которые можно использовать для предотвращения заморозков зимой, что, в свою очередь, предотвращает появление трещин в дорожном покрытии. Использование этого шлака снижает использование первичных материалов, а также уменьшает глубину строительства, что, в свою очередь, снижает потребность в энергии в строительстве. По тем же причинам гранулированный шлак можно использовать в качестве наполнителя и изоляционного материала в фундаментах домов в холодном климате. Многочисленные дома в том же регионе построены с фундаментом, изолированным шлаком. [6]
Тяжелый бетон обладает превосходной экранирующей способностью, поскольку он увеличивает плотность смесей. Фактически, использование материалов высокой плотности в качестве фазы заполнителя играет важную роль в повышении затухающей способности бетона, поскольку заполнители составляют около трех четвертей объема бетона. Высокий атомный номер в таких материалах способствует поглощению и замедляет нейтроны гамма-лучей, что, в свою очередь, уменьшает глубину проникновения вредных гамма-лучей внутрь бетона. Использование тяжелого бетона устраняет необходимость в толстых стенах, которые служат архитектурными препятствиями и ограничивают доступное пространство. В этом исследовании бетонные смеси были приготовлены с различным процентным содержанием GGBFS и CS в качестве частичной замены цемента и натурального мелкого заполнителя соответственно. Бетонные смеси были подвергнуты воздействию точечных источников 137Cs и 60Co. Радиационная экранирующая способность бетонных смесей была оценена с точки зрения линейного коэффициента затухания (μ) и слоя половинного значения (HVL). Использование GGBFS в качестве частичной замены цемента, как правило, приводило к незначительному увеличению линейного коэффициента затухания смесей. С другой стороны, влияние CS на линейный коэффициент затухания было более выраженным, поскольку линейный коэффициент затухания увеличился на 31% при использовании тяжелых заполнителей CS. Результаты испытаний подтвердили, что частичная замена природного песка на CS еще больше уменьшила толщину слоя половинной толщины (HVL). Результаты показали, что бетон, изготовленный с 60% GGBFS и 100% CS, демонстрирует превосходную способность к радиационной защите и удовлетворяет требованиям прочности для структурных применений. Поэтому он подходит для радиационной защиты таких сооружений, как медицинские центры. [7]