Научная статья на тему 'Композиционные материалы на основе высокожелезистого шлама водоподготовки'

Композиционные материалы на основе высокожелезистого шлама водоподготовки Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

CC BY
579
168
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
железистый шлам / водоподготовка / железооксидные пигменты / цветные композиционные строительные материалы / Утилизация отходов / iron oхide pigments / Iron sludge / Water reclamation / colored composition building materials / Waste recycling

Аннотация научной статьи по химическим технологиям, автор научной работы — Усова Надежда Терентьевна, Кутугин Виктор Александрович, Лотов Василий Агафонович, Лукашевич Ольга Дмитриевна

Изучен химический и минералогический состав шлама, образующегося при промывке фильтров на станции водоподготовки Томского водозабора. Разработан и экспериментально проверен способ получения пигмента из высокожелезистого шлама. Показана возможность использования полученного пигмента в производстве строительных композиционных материалов. Объединение очистки воды с использованием отходов создает предпосылки для создания безотходных технологий в водоподготовке

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по химическим технологиям , автор научной работы — Усова Надежда Терентьевна, Кутугин Виктор Александрович, Лотов Василий Агафонович, Лукашевич Ольга Дмитриевна

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Chemical and mineralogical compositions of sludge formed at filter washing at water reclamation plant of Tomsk water intake have been studied. The method of obtaining pigment from high-iron sludge was developed and tested experimentally. The opportunity of using the obtained pigment in manufacturing composition building materials was shown. Combination of water purification with waste use makes prerequisites for developing wasteless technologies in water reclamation.

Текст научной работы на тему «Композиционные материалы на основе высокожелезистого шлама водоподготовки»

УДК 628.336.3:667.622.117.225

КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ ВЫСОКОЖЕЛЕЗИСТОГО ШЛАМА ВОДОПОДГОТОВКИ

Н.Т. Усова, В.А. Кутугин, В.А. Лотов, О.Д. Лукашевич*

Томский политехнический университет]

*Томский государственный архитектурно-строительный университет E-mail: nadusova@ms.tusur.ru

Изучен химический и минералогический состав шлама, образующегося при промывке фильтров на станции водоподготовки Томского водозабора. Разработан и экспериментально проверен способ получения пигмента из высокожелезистого шлама. Показана возможность использования полученного пигмента в производстве строительных композиционных материалов. Объединение очистки воды с использованием отходов создает предпосылки для создания безотходных технологий в водоподготовке.

Ключевые слова:

Железистый шлам, водоподготовка, железооксидные пигменты, цветные композиционные строительные материалы, утилизация отходов.

Key words:

Iron sludge, water réclamation, iron охШе pigments, colored composition building materials, waste recycling.

При очистке подземных вод перед хозяйственно-бытовым использованием на станции обезже-лезивания Томского водозабора ежегодно выделяется более 600 т высокожелезистого шлама, состоящего преимущественно из гетита и лепидокроки-та, включающих железо в оксидно-гидроксидной форме (РеООИ). Исходя из того, что основной формой существования железа в подземной воде является раствор гидрокарбоната железа (II), в работе [1] предложен следующий механизм образования гетита:

Ре(ИСО3)2=Ре(ОИ)2+2СО2

4Ре(ОИ)2+2И2О+О2=4Ре(ОИ)3

Ре(ОИ)3=РеООИ+И2О Существующая технологическая схема утилизации шлама предусматривает только его захоронение.

Анализ информации из научно-технической литературы показал, что возможными вариантами утилизации отходов водоподготовки могут быть получение чугуна и стали, изготовление химических реактивов, в качестве полупродукта в производстве катализаторов стирола, адсорбентов, пигментов, строительных материалов [1-5]. Решение проблемы утилизации высокожелезистого шлама водоподготовки имеет одновременно природоохранное, научное и практическое значение.

Целью работы является изучение состава и свойств шлама водоподготовки и разработка технологии изготовления композиционных строительных материалов на его основе.

Обезвоживание высокожелезистого шлама водоподготовки

Шлам водоподготовки после уплотнения в отстойнике представляет собой водонасыщенную коллоидную массу сметанообразной консистенции темно-коричневого цвета.

Экспериментально установлено, что после высушивания на воздухе при температуре 20 °С об-

разца шлама, распределенного в емкости высотой 3 см и выдержанного в течение 7 дней, происходит уменьшение массы на 50 %. Дальнейшее высушивание образца в сушильном шкафу при 105 °С до постоянной массы приводит к снижению массы еще на 4 %. Сухой железосодержащий шлам имеет светло-коричневый цвет и легко измельчается в ступке до мелкодисперсного состояния. Площадь удельной поверхности (определена по стандартной методике по методу БЭТ) образца составила 240 м2/г, что соответствует среднему поверхностному размеру частиц 10 нм.

Определение состава шлама водоподготовки

В табл. 1 приведены результаты анализа химического состава образцов шламов водоподготовки. Образец 1 - шлам, выделенный при безреагентном коагулировании и последующем фильтровании, образец 2 получен при использовании флокулянта - полиакриламида, отстаивании и фильтровании. Оба образца взяты непосредственно из производственных емкостей на Томском водозаборе. В среднем валовом составе преобладает оксид железа (42 и 44 %). Существенно ниже доли оксидов кремния (5,4 и 2,4 %), кальция (4,2 и 2,8 %) и магния (2,0 и 4,9 %).

Таблица 1. Химический состав высокожелезистого шлама водоподготовки

Образец шлама Массовое содержание, %

SiO2 Fe2O3 AI2O3 СаО MgO п.п.п.

1 5,48 42,45 1,02 4,20 2,00 30,34

2 2,43 44,05 н/о 2,80 4,90 10,02

Фазовый состав высокожелезистого шлама определяли с помощью рентгенофазового анализа. Установлено, что образец 1 (естественное осаждение) является более закристаллизованным по сравнению с образцом 2 (осаждение с флокулянтом).

В качестве основной фазы преобладают аморфные не закристаллизовавшиеся продукты. В виде кристаллической фазы идентифицируются в осадках гематит, лепидокрокит и кальцит. Близкий состав осадков наблюдали и другие исследователи [1]. Такие результаты напрямую свидетельствуют об изменении механизма выделения железосодержащего осадка (шлама) под воздействием флокулянта полиакриламида. Коллоидные частицы гидроксида железа образуют агломераты с молекулами полимера, что приводит к образованию крупных быстро осаждающихся хлопьев.

Полученные данные о составе и свойствах шлама водоподготовки позволили предположить, что он может служить сырьем для получения пигментов, наполнителей и использоваться в получении композиционных строительных материалов.

Получение железооксидных пигментов из высокожелезистого шлама водоподготовки

Из литературных источников [6] известно, что красные железоокисные пигменты по химическому составу представляют собой оксид железа Ре2О3 (содержание оксида в пигментах 95...98 %). Оксид железа существует в двух кристаллических формах: а-формы - гематита и /-формы - маггемита. Наибольшее значение для пигментов имеет а-форма Ре2О3. Традиционная технология производства пигмента из природного сырья предусматривает дробление, прокаливание при 400.600 °С природной руды и размол полученного пигмента.

В работе [1] при попытке получения пигмента из шлама водоподготовки Томского водозабора было показано, что нагревание высушенного образца в тигле до 400 °С приводит к неконтролируемому увеличению температуры в порошке выше 600 °С и его спеканию в плотную массу, имеющую черный цвет. Для исключения спекания порошка была предложена методика получения пигмента с использованием вращающейся печи и с применением автоматического питателя. По данной методике был получен пигмент кофейного цвета.

Авторами был разработан и экспериментально проверен более простой способ получения пигмента из высокожелезистого шлама. Для получения пигмента исходный шлам высушивался, измельчался и обжигался в муфельной печи при температуре выше 600 °С. После остывания осадок приобретает насыщенный красный цвет. Для выяснения механизма процессов, происходящих в шламе при обжиге, были проведены термогравиметрические и рентгенографические исследования.

Рентгенофазовый анализ (РФА) прокаленного осадка показал, что преобладающей фазой является а-гематит. Значения межплоскостных расстояний й соответственно равны: 2,6937; 2,5129; 1,8383; 1,6918; 1,4839; 1,4515 А, рис. 1.

Согласно данным термического анализа (ДСК/ТГ), выделяются следующие эффекты (рис. 2):

• В интервале температур 40.200 °С наблюдается эндоэффект с двумя максимумами: слабо выра-

женным при 100 °С и более четким при 150 °С, сопровождающийся значительным уменьшением массы (-10 %), что соответствует удалению физически и химически связанной воды.

• Интенсивный экзоэффект в широком интервале температур 200.450 °С с отчетливым максимумом при 301 °С, сопровождающийся плавным уменьшением массы, свидетельствует о сгорании органической составляющей шлама и о кристаллизации аморфной фазы, в результате которой гетит (а-РеООИ) и лепидокрокит (7-РеООИ) переходят, соответственно, в гематит (а-Ре2О3) и маггемит (^-Ре2О3). Данные термического анализа подтверждаются результатами РФА. На рентгенограмме шлама, прокаленного при 600 °С, присутствуют кристаллические фазы указанных оксидов.

• В температурном интервале 300.800 °С осуществляется переход 7-Ре2О3 в термодинамически стабильную фазу а-Ре2О3. Экзоэффект с максимумом при 776 °С, по-видимому, свидетельствует о завершении фазового перехода «7-Ре2О3^а-Ре2О3». Поданным РФА прокаливание шлама до 800 °С приводит к образованию хорошо закристаллизованного безводного а-Ре2О3. При 800 °С полностью завершается процесс удаления воды из образца шлама.

2©,°

Рис. 1. Дифрактограмма шлама, прокаленного при 800 °С

ДСК, иВТ/мг

200 400 600 800 Ю00 1200 1400

т, X

Рис. 2. Термограмма высокожелезистого шлама: 1) дифференциальная сканирующая калориметрия (ДСК); 2) термогравиметрия (ТГ)

• Последний экзоэффект с максимумом при 1047 °С протекает без изменения массы и свидетельствует о фазовом переходе гематита в магнетит. Дальнейшее нагревание образца приводит к его плавлению (эндоэффект с температурой максимума 1391 °С) с последующим разложением. Общее уменьшение массы составило 25,47 %.

Получение композиционных материалов и исследование их свойств

К цветовой гамме строительных материалов предъявляются повышенные требования. Особый интерес представляют объемноокрашенные материалы, не теряющие исходный цвет в процессе эксплуатации. Авторами изучена возможность использования полученного пигмента в производстве окрашенных строительных композиционных материалов. При изготовлении опытных образцов смешивались сухие компоненты: прокаленный шлам и кварцевый песок. В качестве связующего использовался водный раствор силиката натрия с силикатным модулем т=3.

Композиционные смеси формовались с помощью гидравлического пресса. Твердение полученных образцов осуществляли в воздушно-сухих условиях. При этом происходит дегидратация раствора силиката натрия и химическое обменное взаимодействие между компонентами смеси, приводящее к повышению прочности сформованных образцов. Полученные образцы делили на три части. Контрольные образцы выдерживались в воздушно-сухих условиях при температуре 25 °С, остальные прокаливали при 500 и 700 °С. После прокаливания линейные размеры образцов оставались неизменными, а их масса незначительно уменьшалась (на 3.5 %). Для всех образцов определяли прочность при сжатии, водопоглощение и коэффициент водостойкости Кводос1.

Эксперименты показали, что без обжига образцы не водостойки (Кводос1=0,1...0,2). Лучшие результаты по физико-механическим показателям получены для образцов, прокаленных при 500 °С. Сравнение композиций № 1-4 с одинаковом соотношением прокаленного шлама и кварцевого песка показало, что оптимальным содержанием водного раствора силиката натрия является 21 мас. % (водопоглощение - 11,6 %, прочность при сжатии -49,6 МПа, коэффициент водостойкости - 0,9).

Увеличение температуры обжига до 700 °С приводит к незначительному увеличению водопогло-щения опытных образцов и уменьшению прочности при сжатии.

Рентгенограммы непрокаленных и прокаленных модельных образцов имели одинаковый вид и незначительно отличаются только интенсивностью рефлексов (рис. 3). Основными кристаллическими фазами являются гематит (а-Ре203) и ^-кварц (8Ю2). Идентифицируется также образование фазы (Ре067Мп033)00И - 5-оксида-гидроксида железа и марганца (й - 2,5111; 2,2001; 1,6907;

1,4503 А). Прокаливание образцов приводит к увеличению интенсивности рефлексов гематита и уменьшению рефлексов кварца.

Таблица 2. Состав и физико-механические показатели композиционных материалов на основе высокожелезистого шлама

№ смеси Состав композиционной смеси, мас., % Давление прессования, МПа Температура обжига, °С % е, и н е ЕЇ о ог п о о са Прочность при сжатии, МПа Коэффициент водостойкости

Шлам Кварцевый песок Раствор силиката натрия Вода

- - 11,3 -

1 40 40 5 15 15 500 13,8 22,7 0,60

700 15,6 22,7 0,78

- - 18,0 -

2 41,5 41,5 17 0 15 500 12,4 30,4 0,80

700 13,0 39,2 0,95

- - 50,3 -

3 39,5 39,5 21 0 15 500 11,6 49,6 0,90

700 12,0 44,6 0,60

- - 4,1 -

4 36 36 28 0 15 500 14,0 43,5 0,72

700 - - -

- - 13,7 -

5 25 58 17 0 15 500 14,0 28,3 0,70

700 14,0 27,1 0,80

- 8,8 41,2 0,10

6 41 41 18 0 38 500 12,1 44,1 0,83

700 13,3 36,0 0,90

- 7,0 34,8 0,16

7 40 40 17 3 38 500 11,5 40,4 0,95

700 12,3 48,9 0,73

20,”

Рис. 3. Дифрактограмма образца состава № 3, прокаленного при 500 °С

Минимальное количество водного раствора силиката натрия, необходимое для смачивания сухих компонентов композиционной смеси, составило 17 мас. %. Поэтому изучалось влияние предварительного смачивания сухой смеси водой (композиции № 1, 7). Сравнение композиций 1 и 3 показа-

ло, что добавление воды в количестве, превышающим содержание водного раствора силиката натрия, приводит к ухудшению определяемых показателей. Незначительное предварительное смачивание (сравнение композиций 6 и 7) наоборот, способствует улучшению определяемых показателей и снижает расход силиката натрия.

Уменьшение массовой доли прокаленного шлама в исходной смеси (композиция № 5) приводит к ухудшению определяемых физико-механических показателей, что можно объяснить способностью пигмента ускорять полимеризацию связующего за счет адсорбции молекул воды и обменного химического взаимодействия с раствором силиката натрия.

Выводы

1. Показана возможность утилизации шламов во-доподготовки, образующихся при обработке насыщенных соединениями железа подземных вод. Объединение очистки воды с использованием отходов создает предпосылки для созда-

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Лисецкий В.Н., Брюханцев В.Н., Андрейченко А.А. Улавливание и утилизация осадков водоподготовки на водозаборах г. Томска. - Томск: Изд-во НТЛ, 2003. - 164 с.

2. Любарский В.М. Осадки природных вод и методы их обработки. - М.: Стройиздат, 1980. - 128 с.

3. Лысов В.А., Бутко А.В., Баринов М.Ю. и др. Утилизация ги-дрокисных осадков водопроводов юга страны // Водоснабжение и санитарная техника. - 1992. - № 7. - С. 9-10.

4. Станкевич К.С., Усова Н.Т, Лукашевич О.Д. Выделение и утилизация отходов водоподготовки Томского водозабора // Ис-

ния безотходных технологий в водоподготовке.

2. Разработан и экспериментально проверен способ получения железооксидного пигмента из шлама водоподготовки путем его обжига в интервале температур 600.800 °С.

3. С помощью комплекса физико-химических методов анализа установлено, что в составе полученного пигмента преобладающей фазой является а-гематит.

4. Изучена возможность использования полученного пигмента для производства цветных композиционных материалов. Полученные материалы имеют красно-кирпичный цвет, обладают высокой прочностью, водостойкостью и термостойкостью.

5. Лучшие результаты по физико-механическим показателям получены для образцов с одинаковом соотношением прокаленного шлама и кварцевого песка. Оптимальным содержанием водного раствора силиката натрия №28Ю?.пИ20 в композиционной смеси является 20.21 мас. %.

пользование и охрана природных ресурсов в России. - 2010. -№3. - С. 12-15.

5. Лукашевич О.Д., Барская И.В., Усова Н.Т. Интенсификация осаждения и утилизация железистых осадков промывных вод скорых фильтров // Вода: технология и экология. - 2008. -№2. - С. 30-41.

6. Беленький Е.Ф., Рискин И.В. Химия и технология пигментов. - Л.: Химия, 1974. - 656 с.

Поступила 07.06.2011 г.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.