CC BY
14УДК 553.41.618+66.02+691.4
Ш.Х. ХАЙДАРОВ, инженер, А.В. КОРНИЛОВ, д-р техн. наук, Т.З. ЛЫГИНА, д-р геол.-минер. наук, Е.Н. ПЕРМЯКОВ, канд. техн. наук, ФГУП «Центральный научно-исследовательский институт геологии нерудных полезных ископаемых» (Казань)
Электрокинетическое обезвоживание шликера
Для улучшения свойств низкокачественного глинистого сырья, используемого для производства строительных керамических материалов, применяются различные способы переработки. Принципиальная возможность использования для этой цели электрокинетического обезвоживания сырья по шликерной схеме показана в работе [1]. В результате электрокинетического воздействия на шликер повышаются прочностные характеристики керамических изделий.
В данной работе изучено влияние различных факторов (качества глинистого сырья, природы и содержания технологических добавок, условий эксперимента) на эффективность электрокинетического обезвоживания сырья.
Шликер для исследования готовили из глинистого сырья трех минералого-технологических разновидностей: 3б, 4а и 4б [2]. Согласно разработанной классификации в зависимости от значений обменной емкости (ОЕ), числа глинистости (Чгл) и содержания монтмо-риллонитового компонента (МК) выделено семь разновидностей глинистого сырья, используемого для изготовления стеновых керамических материалов. Монтмориллонит—гидр о слюдистая глина подразделяется на разновидности 3а, 3б, 4а, 4б и 5а; гидрослюдистая — на 5б и 6а. У сырья разновидностей 3б, 4а и 4б значения ОЕ составляют 32, 27 и 23 мг-экв. соответственно, значения Чгл находятся в пределах 45—70, 24—45 и 14—24 усл. ед., МК - в пределах 30-34, 24-29 и 19-25%. Определение разновидности позволяет дать прогноз качества сырья и готовой продукции, получаемой методом пластического формования.
С целью удаления крупных включений шликер пропускали через сито 1 мм. Затем шликер с влажностью 30-45% (в зависимости от разновидности) помещали в электрокинетическую ячейку лабораторной установки (см. рисунок). Она состоит из источника постоянного тока типа У-300 мощностью 1 квт 1; импульсного генератора типа Г5-54 с диапазоном частот 1-105 Гц 2; нестандартного импульсного усилителя мощности 3; электроизмерительных приборов 4; алюминиевой пластины с отверстиями диаметром 1 мм 5, служащей ано-
1
> 5
> > > / *
1
Схема лабораторной электрокинетической установки
дом; ячейки 6 размером 200x100x100 мм, собранной из текстолита и латунной сетки 7 с отверстиями 0,25x0,25 мм, служащей катодом.
Обезвоживание проводилось в постоянном электрическом поле и под воздействием импульсного поля. В первом случае использовали выпрямленный однополу-периодный и выпрямленный по двухполупериодной схеме без сглаживания токи. Частота следования импульсов менялась от 102 до 105 Гц.
Основным параметром, характеризующим эффективность электроосмотического процесса, является глубина обезвоживания, значение которой определялось как разность между начальной влажностью шликера и конечной влажностью глиномассы. Также фиксировалось количество затраченной энергии на проведение процесса.
При прочих равных условиях оптимальная высота суспензии, при которой получается максимальная глубина обезвоживания шликера из всех исследованных разновидностей глинистого сырья, составляет 1 см.
Наиболее эффективно процесс обезвоживания происходит при максимальной величине тока 1 А. Вид используемого тока практически не влияет на глубину обезвоживания шликера, ее значения отличаются лишь на 0,1-0,4%. При этом количество затраченной энергии также изменяется незначительно.
Использование комбинированного воздействия -вначале постоянного электрического поля при высоком значении влажности шликера, а затем начиная с влажности, соответствующей нижнему пределу текучести глины, импульсного поля с частотой, возрастающей по мере степени обезвоживания, приводит к уменьшению энергоемкости всего процесса на 19-21%.
Степень электрокинетического воздействия на шликер из глинистого сырья разновидности 3б несколько выше. В этом случае значение глубины обезвоживания составляет 13,5-15,2%, в то время как для шликера из разновидности 4а - 11-13,6%. По-видимому, это связано с более высоким содержанием в сырье разновидности 3б монтмориллонита, на который электрокинетический процесс оказывает наибольшее воздействие.
Для интенсификации процесса обезвоживания в шликер могут вводиться различные добавки: зола ТЭЦ; 0,1% раствор флокулянта (анионного полиакриламида); 1% раствор А1С13. Лучший результат достигается при введении в шликер (на 1 кг глины) 5-20 мл 1% раствора А1С13. При этом глубина обезвоживания шликера достигает 21,2%, заметно снижается энергоемкость процесса. Хлорид алюминия увеличивает ток и способствует обезвоживанию при более низком напряжении. Применение А1С13 приводит к электрохимическому замещению различных катионов на А1, что явно проявляется в виде «белого пера», убывающего по толщине слоя керамической массы в ячейке.
Исследования показали, что эффективность обезвоживания зависит от различных факторов и для конкретного глинистого сырья следует подбирать оптимальные режимы электрокинетического процесса.
4
7
www.rifsm.ru научно-технический и производственный журнал '-ÖY^QHr^JjjjHbJ^
~66 сентябрь 2010 *
Способ подготовки глиномассы для формования Разновидность глинистого сырья Способ формования Прочность при сжатии, МПа Прочность при изгибе, МПа
Обезвоживание шликера в электрокинетической установке 4б 4а 3б Пласт./полус. Пласт./полус. Пласт./полус. 18,4/42 21,9/38,8 36,5/68,8 7,9/6,9 7,1/7,2 4,7/3,1
Обезвоживание шликера в сушильном шкафу 4б 4а 3б Пласт./полус. Пласт./полус. Пласт./полус. 13,6/30,1 18,1/29,1 23,2/41,3 3,6/3,4 3,2/3 2 4/1 3
Увлажнение исходной глины до формовочной влажности 4б 4а 3б Пласт./полус. Пласт./полус. Пласт./полус. 12,1/29 15,6/24,9 21,4/39 4 6/4 1 4 1/3 9 2 8/1 6
Анализ ИК-спектров образцов, взятых из середины ячейки (проба с середины ячейки), из околокатодной области (проба с катода) и с прианодного слоя (проба с анода) показал, что в результате электрокинетического воздействия в глинистом сырье протекают различные физико-химические процессы.
В ИК-спектре пробы с середины ячейки в отличие от спектра исходной глины появляются новые полосы поглощения в области валентных и деформационных колебаний свободной и связанной гидроксильных групп. Также регистрируются полосы поглощения, относящиеся к деформационному колебанию А1—ОН связи в четверной координации атома алюминия в тетраэдре АЮ3(ОН). Кроме того, в спектре проявляются полосы валентного и деформационного колебания гидроксильных групп в слюде, монтмориллоните и каолините, утративших водородные связи.
Существенным отличием спектра пробы с анода от спектров проб с середины ячейки и с катода является возрастание интенсивности полос поглощения в области, относящейся к колебаниям связей А1—ОН и Б1—О—А1; появление интенсивных полос в области 1465 и 1638 см-1; появление полос в области 3620 см-1, 3705 см-1. Увеличение интенсивности этих колебаний, а также появление в спектре плеча при 890 см-1 и полосы при 1465 см-1 может служить основанием для предположения, что изменяется характер связей катионов А13+ и 814+.
По-видимому, в структуре глинистых минералов проявляются связи гидроксильной группы, входящей и в тетраэдр АЮ3(ОН) (четверная координация атома А1), и в окружение октаэдра А105(0Н) (шестерная координация атома А1). Появление полос поглощения в области валентных колебаний гидроксильной группы при 3620 и 3705 см-1 также свидетельствует о том, что в глине проявляется колебание ^вал (ОН), характерное для каолинита (3620 см-1) и для ^вал (ОН) в слюде и монтмориллоните (3705 см-1). Это можно объяснить тем, что при электрокинетической обработке глины, находящейся в околоанодной области, происходит частичная деформация кристаллической решетки минералов. В результате рекомбинации ОН-групп в процессе нарушения структуры минерала при электроосмосе и электрофорезе в глине появляется молекулярно связанная вода.
Влияние электрокинетического обезвоживания (при оптимальных режимах данного процесса) глинистого сырья различного качества на прочностные характеристики керамики приведены в таблице. Сырье минералого-технологической разновидности 4б обладает наименьшей спекаемостью, разновидности 3б — наибольшей.
Шликер обезвоживали до формовочной влажности 19—20% двумя способами: на электрокинетической установке и в сушильном шкафу при температуре 40оС.
Образцы (балочки размером 160x40x40 мм в количестве трех штук каждого вида) формовались способами пластического формования и полусухого прессования (влажность пресс-порошка составляла 8—9%, давление прессования 30 МПа). Для сравнения были изготовлены образцы из исходного сырья с аналогичной формо-
вочной влажностью. Обжиг проводился в электрической муфельной печи при температуре 950оС. Режим обжига: подъем температуры до 500оС — 11ч, включая выдержку 3 ч при 500оС; от 500 до 700оС - 4 ч; от 700 до 950оС — 5 ч; выдержка при конечной температуре — 2 ч; охлаждение до 50-60оС - 24 ч.
Электрокинетическое обезвоживание шликера приводит к существенному увеличению прочностных характеристик керамики. Прочность образцов при сжатии независимо от способа формования возрастает в 1,4—1,7 раза, при изгибе — в 1,7—1,9 раза. Очевидно, что основной причиной увеличения прочностных свойств является электрокинетическое воздействие на глинистое сырье, а не шликерная подготовка сырья.
В керамических образцах (проанализированы пробы, взятые из середины и с поверхности образцов), отформованных из обработанного сырья, наблюдается большее содержание оксида железа II ^еО). Он катализирует процессы спекания за счет увеличения количества жидкой фазы, что уменьшает пористость керамики и приводит к повышению прочности керамических материалов [3].
Таким образом, в результате электрокинетического обезвоживания глинистого сырья происходит активация глинистых минералов, вследствие чего повышаются прочностные характеристики керамических материалов. Установлено, что электрокинетическая обработка глинистого сырья приводит к появлению новых химических связей, относящихся к тетраэдрам А1О3(ОН) — четверная координация катиона А1 и к октаэдрам А1О5(ОН) — шестерная координация катиона А1.
Эффективность электрокинетического обезвоживания глинистого сырья зависит от его качества (минера-лого-технологической разновидности) и условий проведения данного процесса (высоты слоя шликера, величины электрического поля, природы и содержания добавок). Применение обработанного данным способом глинистого сырья позволит получать на его основе керамические изделия (кирпич, камень, плитку) с улучшенными эксплуатационными характеристиками.
Ключевые слова: подготовка глиномассы, шликер, электрокинетическое обезвоживание.
Список литературы
1. Корнилов А.В., Лузин В.П. Эффективные способы переработки глинистого сырья для получения изделий строительной керамики // Стекло и керамика. 2004. № 1. С. 24—26.
2. КорниловА.В., ПермяковЕ.Н., Лыгина Т.З. Минералого-технологические разновидности глинистого сырья для производства керамического кирпича и керамзитового гравия // Стекло и керамика. 2005. № 8. С. 29—31.
3. Кара-Сал Б.К. Повышение качества керамических изделий из низкосортных глин путем изменения параметров среды обжига // Строит. материалы. 2004. № 2. С. 29.
Су ■. ■ научно-технический и производственный журнал www.rifsm.ru
Л] ® сентябрь 2010 б7"
