CC BY
42
УДК 548.736.6:691.27:622.367
Н.П. Бушуева
канд. техн. наук, доцент, кафедра технологии стекла и керамики, ФГБОУ ВПО «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова»
Н.А. Шаповалов
д-р техн. наук, профессор, кафедра неорганической химии, ФГБОУ ВПО «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова»
О.А. Панова
ведущий инженер, кафедра технологии стекла и керамики, ФГБОУ ВПО «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова»
Д.А. Бушуев
аспирант,
ФГБОУ ВПО «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова»
АКТИВНОСТЬ СЛОИСТЫХ АЛЮМОЖЕЛЕЗИСТЫХ СИЛИКАТОВ В ГИДРОТЕРМАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ
Аннотация. Попутно добываемые породы железорудных месторождений и отходы горнообогатительных комбинатов могут использоваться при производстве различных силикатных изделий. Однако некоторые из них содержат слоистые силикаты, количество которых ограничено требованиями нормативных документов. В данной работе исследовано поведение слоистых алюможелезистых силикатов в гидротермальных условиях. В системе минерал-вода при повышении температуры и давления происходят процессы растворения, щелочность раствора повышается (концентрация КОН (едкого калия) при температуре 200°С составляет 0,552 и 0,418 г/л). В фильтрате обнаружены элементы К, AI, Mg, S, что свидетельствует об их участии в процессах твердения в силикатных смесях.
Ключевые слова: слоистые алюможелезистые силикаты, слюда, биотит, мусковит, структура, спайность, гидротермальные условия, растворение, выщелачивание, реакционная способность.
N.P. Bushuyeva, Belgorod state technological university of V.G. Shukhov
N.A. Shapovalov, Belgorod state technological university of V.G. Shukhov
O.A. Panova, Belgorod state technological university of V.G.Shukhov
D.A. Bushuyev, Belgorod state technological university of V.G. Shukhov
ACTIVITY OF LAYERED ALYUMO-FERRUTEROUS OF SILICATES IN HYDROTHERMAL CONDITIONS
Abstract. In passing got breeds of iron ore fields, waste of mining and processing works, can be used by production of various silicate products. However some of them contain the layered silicates which quantity is limited to requirements of normative documents. To this work the behavior layered the alyumo-ferruterous of silicates in hydrothermal conditions is investigated. It is received, in system a mineral - water at temperature increase and pressure occur dissolution processes, alkalinity of solution increases (concentration Potassium hydroxide the at a temperature of 200°C makes 0,552 and 0,418 g/l). In a filtrate elements K, AI, Mg, S that testifies to their participation in curing processes in silicate mixes are found out.
Keywords: layered alyumo-ferruterous of silicates, mica, biotite, muscovite, structure, cleavage, hydrothermal conditions, dissolution, leaching, reactionary ability.
Известны примеры эффективного применения вскрышных пород железорудных бассейнов [1, 2], отходов обогащения хвостов мокрой магнитной сепарации [3-5], позволяющих получать высокоактивные вяжущие, силикатные изделия гидротермального твердения. Однако в фазовом составе многие породы и отходы горно-обогатительных комбинатов (ГОКов) содержат слоистые алюможелезистые силикаты. Например, метаморфические сланцы (скальные вскрышные породы месторождений Курской магнитной аномалии (КМА)) содержат до 50% биотита и серицита, а отходы флотации хвостов мокрой магнитной сепарации - до 10% биотита и хлорита.
Для производства изделий автоклавного твердения используются кварцевые пески с ограниченным содержанием слоистых силикатов. Согласно требованиям ОСТ 21-1-80, содержание слюды в песке не должно превышать 0,5% [6]. Поэтому, чтобы использовать различные сырьевые материалы с повышенным содержанием слоистых силикатов, необходимо исследовать их поведение в гидротермальных условиях.
Основной элемент структуры слюды представляет собой трёхслойный пакет из двух тетраэдрических слоёв ^4О10]4- или [А^3О10]4-, между которыми находится октаэдрический слой из катионов R+. Два из шести атомов кислорода октаэдров замещены гидроксильными группами (ОН)- или фтором F-. Пакеты связаны в непрерывную структуру через ионы К+ (или №+) с координационным числом 12. По числу октаэдрических катионов в химической формуле различают диоктаэдрические и триоктаэдрические слюды. В первых катионы А13+ занимают два из трёх октаэдров, оставляя один пустым; во вторых катионы Мд2+, Fe2+ и Ы+ с А13+ занимают все октаэдры [7]. Слюды, в которых катионы замещены на (ОН)-, относят к гидрослюдам, имеющим переменный состав. В биотите ионы Мд2+, Fe2+ изоморфно замещаются на Li+, Sr2+, Zn2+, а А13+ на V3+, Сг3+, тГ, Ga3+.
Для выяснения закономерностей процессов, происходящих в гидротермальных условиях в системе «слоистый силикат-вода», исследовали методами физико-химического анализа содержание элементов в структуре минерала и содержание оксидов в жидкой фазе в зависимости от температуры автоклавной обработки (табл. 1, 2).
Таблица 1 - Характеристика жидкой фазы
Минерал, размер час- рН Содержание ROH, г/л
тиц менее 0,08 мм 100°С 200°С 100°С 200°С
биотит 8,02 8,85 0,224 0,552
мусковит 7,12 7,80 0,196 0,418
Таблица 2 - Содержание Si, А1, Мд, К в гидратированных минералах и степень перехода их в фильтрат в гидротермальных условиях
Минерал Сохранение элементов, мас. % Степень перехода элементов в фильтрат
Si А1 Мд К Si А1 Мд К
биотит 18,3 8,6 10,3 7,0 0,023 0,068 0,009 3,4
мусковит 19,6 18,3 - 7,5 0,022 0,050 - 2,6
При повышении температуры происходит ускорение процессов выщелачивания. Более активно, как и следовало ожидать, выщелачивается межслоевой калий: суммарное содержание в фильтрате почти в 300 раз выше соответствующего конгруэнтному растворению. В результате выщелачивания калия образуются вакантные межслоевые позиции, куда происходит фиксация молекул воды. На ИК-спектре зафиксирована полоса валентных колебаний молекул межпа-кентной воды в области 2700 см-1.
При температуре до 100°С концентрация КОН повышается в жидкой фазе смеси с биотитом и серицитом соответственно до 0,224 и 0,195 г/л (табл. 1), в то время как растворенных оксидов SiO2 и А1203 составляет всего 1-2 мг/л. При повышении температуры гидротермальной обработки до 200оС процесс перехода оксидов в раствор значительно ускоряется, в смеси с биотитом повышается рН жидкой фазы до 8,85 и с мусковитом до 7,60 (рН используемой воды 5,92), а количество растворенного КОН составляет соответственно 0,552 и 0,418 г/л.
В первые моменты ион калия легко удаляется из межслоевого пространства. С повышением температуры скорость выноса увеличивается. Результаты эмиссионного спектрального
№ 5 (33) - 2014
19
анализа по содержанию элементов в гидратированных минералах и степени перехода их в фильтрат показывают, что в гидротермальных условиях при температуре 200°С и давлении насыщенного пара 1,9 МПа после 24 часов более высокая прочность связей у магния. Переход кремния возможен лишь после нарушения балансов валентных и структурных связей вследствие предшествовавшего преимущественного удаления других компонентов минерала.
Учитывая размер и распределение частиц слоистого минерала в породе или отходах флотации хвостов мокрой магнитной сепарации (ММС), на поверхность, в основном, выходит плоскость, перпендикулярная спайности, откуда и происходят процессы растворения оксидов. Эта плоскость будет участвовать в процессах твердения при использовании этого вида сырья в производстве изделий автоклавного твердения. В смесях с Са(ОН)2, дисперсность которого обеспечит высокую активность вяжущего [8], возможно участие кремнекислородных [Si4O10]4-или алюмокремнекислородных [AISi3O10]4- радикалов и продуктов растворения биотита и мусковита в процессах твердения, что несомненно скажется на свойствах полученных изделий.
Вывод. В гидротермальных условиях слоистых алюможелезистых силикатов, в результате выщелачивания оксидов R2O, частичного перехода по плоскости, перпендикулярной спайности, обнажается кремнекислородный радикал [Si4O10]4-, который будет участвовать в процессах взаимодействия в силикатных смесях с Са(ОН)2 с образованием гидросиликатов.
Список литературы:
1. Лесовик B.C. Использование промышленных отходов КМА в производстве строительных материалов // Использование отходов, попутных продуктов в производстве строительных материалов и изделий. М., 1987. Вып. 3.
2. Бушуева Н.П., Воробьев Х.С., Кудеярова Н.П. О возможности использования метаморфических сланцев КМА в производстве силикатного кирпича // Строительные материалы. 1986. № 11. С. 14.
3. Шаповалов Н.А., Бушуева Н.П., Панова О.А. Известково-белитовое вяжущее на основе отходов ГОКов // Фундаментальные исследования. 2013. №. 8. С. 1368-1372.
4. Shapovalov N.A., Bushuyeva N.P., Panova O.A. Low roasting cementitious matter of lime-belite components using flotation waste of residual dumps of wet magnetic separation at the mining and processing complex // World Applied Sciences Journal. 2013. Vol. 25 (12). P. 1758-1762.
5. Рахимбаев Ш.М. Яшуркаева Л.И., Мосьпан В.И. Отходы обогащения железных руд КМА - сырье для производства цемента: монография. Белгород: Изд-во БГТУ, 2012. 161 с.
6. ОСТ 21-1-80 Песок для производства силикатного кирпича и автоклавных бетонов
7. Урусов В.С., Еремин Н.Н. Кристаллохимия: (краткий курс). М.: МГУ, 2004.
8. Кудеярова Н.П., Бушуева Н.П. Дисперсность продуктов гашения извести как важный фактор ускорения твердения смешанного вяжущего и повышения его прочности // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г.Шухова. 2013. № 4. С. 153-126.
