CC BY
24
УДК 666.198:533...9+666.952.2.001.8
ВОЛОКИТИН ОЛЕГ ГЕННАДЬЕВИЧ, аспирант, oleg_v@kvadro.net
Томский государственный архитектурно-строительный университет, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ПОЛУЧЕНИИ МИНЕРАЛЬНЫХ ВОЛОКОН ИЗ ТЕХНОГЕННЫХ ОТХОДОВ ПО ПЛАЗМЕННОЙ ТЕХНОЛОГИИ
Проведены физико-химические исследования материалов, используемых при производстве минеральных волокон по плазменной технологии. Определена возможность использования отходов энергетических производств, таких как отходы горючих сланцев и зола, для производства минеральных волокон, обладающих высокими физико-механическими и теплотехническими показателями. Проведено сравнение минеральных волокон, полученных из традиционного материала - базальта, с волокнами, исходным материалом для которых явились техногенные отходы.
Ключевые слова: физико-химические исследования, плазма, техногенные отходы, минеральные волокна.
VOLOKITIN, OLEG GENNADYEVICH, P.G., oleg_v@kvadro.net
Tomsk State University of Architecture and Building,
2 Solyanaya sq., Tomsk, 634003, Russia
PHYSICAL-CHEMICAL RESEARCHES OF MATERIALS TO PRODUCE MINERAL FIBERS FROM WASTE PRODUCTS ON PLASMA TECHNOLOGY
Physical-chemical researches of materials used in the manufacture of mineral fibers using plasma technology were carried out. The possibility of using the waste of energy plants, such as oil-shale waste and ash for the production of mineral fibers with high physical-mechanical and heat performance was determined. A comparison of mineral fibers received from the traditional material - basalt with fibers from waste products was performed.
Keywords: physico-chemical research, plasma; technogehic waste, mineral fibres.
Исследуя многолетний опыт зарубежных стран по переработке техногенных отходов, можно сделать вывод, что вопросу утилизации уделяется первостепенное значение, в то время как в России использование отходов в качестве исходного сырья достигает всего 30 %. Это привело к тому, что экологическая обстановка Российской Федерации находится на критическом уровне. Существующие традиционные технологии не позволяют перерабатывать отходы горнорудной промышленности и энергетических производств, таких как золы, шлаки, огромное количество которых нарушает экологическое равновесие в мире. Это и определяет необходимость внедрения новых, нетрадиционных технологий переработки техногенных отходов [1].
© О.Г. Волокитин, 2009
Ряд специфических свойств этих материалов дают возможность широко применять их в различных областях индустрии строительных материалов. К тому же эти отходы являются вторичным ресурсом, а значит, их переработка значительно уменьшает себестоимость готовой продукции.
В связи с этим актуально использование отходов энергетической и горнорудной промышленности, которые являются минеральным остатком, содержащим в своем составе до 49-61 % 8Ю2, что открывает возможность получения расплавов с последующим преобразованием их в минеральное волокно, которое широко используется в стройиндустрии в качестве теплоизоляционного материала. В то же время высокие температуры плавления вышеназванных отходов (> 1600 °С) сдерживают их широкомасштабное использование.
Целью настоящей работы явились физико-химические исследования отходов энергетической и горнорудной промышленности как исходного сырья для получения минеральных волокон.
В качестве исходных материалов для получения расплавов использовались базальтовая порода месторождения Кемеровской области, отходы горючих сланцев месторождения КНР и зола ТЭЦ г. Северска Томской области. Указанные материалы подвергались плавлению на плазменной установке [2]. Их химический состав представлен в табл. 1.
Таблица 1
Химический состав исходных материалов
Исходные материалы Содержание оксидов, мас.%
8і02 АІ2О3 РЄ2Оз СаО МяО п.п.п.
Базальт 49,40 16,17 7,24 8,98 3,37 14,84
Отходы горючих сланцев 61,59 23,36 7,91 1,60 1,27 4,27
Зола ТЭЦ 51,16 34,57 3,62 8,33 0,91 1,41
Все исследуемые сырьевые материалы (табл. 1) содержат значительное количество 8Ю2 (49-61%), который является основным стеклообразователем.
Получение волокон состоит из двух неразрывно следуемых процессов: расплавления в плавильных агрегатах исходных материалов до образования расплава требуемой температуры и переработки его в волокна.
Проведенный анализ существующих устройств для получения силикатных расплавов показал, что использование традиционных технологий сопряжено с колоссальными энергозатратами и с невозможностью добиться от расплава физико-механических свойств (вязкость, поверхностное натяжение), необходимых для получения качественных волокон. Это связано с высокими температурами плавления этих материалов (1600-1900 °С). Использование в качестве источника тепловой энергии концентрированного потока низкотемпературной плазмы, благодаря высокой температуре воздействия на материалы (3000-5000 °С), сокращает время образования расплава.
Для физико-химических исследований используемых материалов при получении минерального волокна были проведены рентгенофазовый (РФА), дифференциально-термический (ДТА) и микроскопический анализы.
Результаты рентгенофазового анализа исследуемых материалов приведены на рис. 1.
Рис. 1. Рентгенограммы исследуемых материалов:
а - базальт до плавления; б - отходы горючих сланцев до плавления; в - зола до плавления
Из рис. 1 видно, что основными фазами для базальта являются кварц (й = 4,74; 3,67; 1,82), алюмосиликатные соединения (й = 3,23; 2,96) и пирок-сены (й = 2,53; 2,015); для отходов горючих сланцев: наряду с основными фазами кварца (й = 5,15; 4,52; 3,81; 1,82) присутствуют фазы алюмосиликатных соединений (й = 3,37; 2,81; 2,51), а также волластонита (й = 3,56), диопсида (й = 2,29) и анортита (й = 2,13); для золы: кварц (й = 3,32; 3,02; 2,76), алюмо-силикатные анортитоподобные (й = 2,94; 1,53), волластонитоподобные соединения (й = 1,81; 1,59; 1,35), пироксены (й = 4,22) и стеклофаза. Рентгенофазовый анализ показал, что все материалы после плавления характеризуются отсутствием характерных пиков, что говорит об отсутствии кристаллической структуры, т. е. расплавы всех материалов после остывания являются рентгеноаморфными [4].
Результаты ДТА представлены на рис. 2. Все исследования проводились в идентичных условиях: скорость нагрева 10 град/мин, в среде аргона, расход газа 20 мл/мин, тигель с крышкой А12О3.
<ч
СО
со"
Экзо
1
787.7 С, 0.38 мкВ/мг
Температура, °С
Рис. 2. ДТА исходных материалов:
1 - базальт; 2 - отходы горючих сланцев; 3 - зола
Представленные термограммы характеризуются эндотермическим эффектом в области температур 100-350 °С, что соответствует удалению свободной воды.
Эндо- и экзотермические эффекты от 350 до 650 °С более ярко выражены на термограмме отходов горючих сланцев. Превращение аморфной фазы в кристаллическую сопровождается экзотермическими эффектами на этом
интервале. Эндотермические эффекты связаны с удалением адсорбционной и химически связанной воды.
На интервале 650-850 °С на термограммах всех образцов имеется область, отвечающая разложению карбонатных соединений.
На всех трех термограммах в области 850-1000 °С наблюдается экзотермический эффект, обусловленный:
- размягчением легкоплавких соединений;
- перекристаллизацией кальциевого и магниевого силикатов сложного состава.
В общем можно сказать, что все термограммы имеют схожую структуру изменения эндо- и экзотермических эффектов. Лишь в отходах горючих сланцев эта структура более насыщена и ярче выражена, что объясняется их поли-минеральностью и согласуется с результатами РФА [5].
Для проведения экспериментов по получению минеральных волокон с использованием энергии низкотемпературной плазмы была создана экспериментальная установка [3]. Принцип работы установки основан на взаимодействии высококонцентрированных потоков плазмы с порошкообразным сырьевым материалом, в результате которого осуществляется нагрев и плавление дисперсных частиц. Образованный расплав поступает во вращающийся реактор и под действием центробежных сил в виде пленки поднимается по его стенке и, срываясь с кромки, вытягивается в волокна.
Полученный расплав после остывания был исследован с помощью растровой электронной микроскопии (РЭМ) с использованием сканирующего электронного микроскопа марки 8-3700 К, разрешающая способность которого достигает 3 нм. Результаты РЭМ различных материалов приведены на рис. 3, 4, 5.
Рис. 3. РЭМ расплава базальта
’ ' ■ Ф .
;г •' '
.. * . ■ ■ '' : - ■ "■ ’ . Ш 0 , Мар сЫа 94 МАв: 32 х НУ: 30.0 кУ \ЛГО: 10.0 тт 700 цт
Рис. 4. РЭМ расплава отходов горючих сланцев
Рис. 5. РЭМ расплава золы
Согласно результатам микроскопических исследований можно сделать выводы о том, что фазовые превращения в материалах под действием плазмы многообразны и с повышением температур имеют более интенсивный характер. Данные исследования показали, что при воздействии плазмы на исходные материалы происходят сложные физико-химические превращения, результаты которых позволяют сделать вывод о химическом составе материалов после
плавления, т. е. наряду с алюмо- и железосодержащими элементами существуют ярко выраженные кремнийсодержащие элементы, что и является основанием предположить, что данные материалы представляют собой стеклообразный материал, обогащенный кремниевой составляющей.
Микрофотографии полученных в ходе экспериментов минеральных волокон представлены на рис. 6.
Рис. 6. Микрофотографии минеральных волокон (х300), полученных из: а - базальта; б - отходов горючих сланцев; в - золы
Микрофотографии характеризуют полученные волокна как однородные с допустимым содержанием корольков. Средняя толщина полученных волокон повышается в ряду: минеральная вата из базальта, золы, отходов горючих сланцев и составляет 3-10 мкм. Это характеризуется температурами плавления исходных материалов и, как следствие, различными значениями вязкости полученных расплавов. Характеристики полученных минеральных волокон представлены в табл. 2.
Таблица 2
Свойства минеральных волокон
Свойства Минеральное волокно из базальта Минеральное волокно из отходов горючих сланцев Минеральное волокно из золы
1. Модуль кислотности < 1,5 < 29,59 < 8,74
2. Водостойкость, % 2-4 6-8 5-7
3. Толщина волокон, мкм 3-5 8-10 4-7
4. Содержание корольков, % 15 20 16
5. Длина волокна, мм 25-30 100-150 50-110
6. Прочность на разрыв, МПа 10-12 12-14 11-13
Согласно результатам, представленным в табл. 2, можно выделить минеральные волокна, полученные из золы и отходов горючих сланцев, которые в сравнении с традиционными волокнами из базальта обладают значительно большим модулем кислотности, а следовательно, повышенными химической стойкостью, эксплуатационными свойствами, высокими физико-механическими и теплотехническими показателями, обладающими долговечностью, т. к. оксид кремния, которым обогащены полученные волокна, повышает их устойчивость как в кислых, так и в щелочных растворах и в воде [6].
Таким образом, на основании результатов, полученных с использованием химического, дифференциально-термического, рентгенофазового и микроскопического анализов, следует вывод, что технология получения силикатного расплава из базальта, отходов горючих сланцев и зол с использованием энергии низкотемпературной плазмы позволяет получить высококачественные минеральные волокна. Физико-химические исследования золы и отходов горючих сланцев показали, что эти исходные материалы наряду с базальтовыми породами могут быть использованы для производства теплоизоляционных материалов на основе минеральных волокон с учетом экологической безопасности.
Библиографический список
1. Плазменные технологии в строительстве / Г.Г. Волокитин, Н.К. Скрипникова, А.М. Ши-ляев [и др.]. - Томск : Изд-во ТГАСУ, 1997. - 290 с.
2. Установка для получения минерального расплава плазменным нагревом : пат. 2355651 Рос. Федерация / Волокитин О.Г., Гайслер Е.В., Никифоров А.А., Скрипникова Н.К.
3. Установка для получения минеральных волокон : пат. 2344093 Рос. Федерация / Волокитин О.Г., Никифоров А.А., Скрипникова Н.К.
4. Бокай, Г.Б. Рентгеноструктурный анализ / Г.Б. Бокай, М.А. Порай-Кошиц. - М., 1964.
5. Горшков, В.С. Методы физико-химического анализа вяжущих веществ / В.С. Горшков, В.В. Тимашев. - М. : Высшая школа, 1963.
6. Аппен, А.А. Химия стекла / А.А. Аппен. -М. : Химия, 1970. - С. 352.
